片式微波谐振器的设计—以5.4GHz微带线谐振器为例

汤晟玮柯承孙郑楠蒋登荣蔡晨孙吉昊

摘要：进入新世纪，信息技术急速发展，需要设计出新型的微波元器件来满足小型化、便携化的要求。本项目设计的谐振器：中心工作频率为5.4GHz、特征阻抗匹配为50Ω，品质因素≥100，尺寸为4mm*3mm*1mm。设计的过程包涵了，原理的介绍、参数计算与材料选择、材料的制备以及软件仿真等。

关键词：微波；谐振器；微带线；sonnet仿真软件

一、微带线谐振器设计原理

1.1微波及其基本特点

微波的频率与一般无线电波比较更加得高，这种量变使得波发生了质变。因此微波的应用领域、研究方法及其所用的传输系统、元器件等都与其他波段不同。

1.2微带线简介与其性质

1.2.1微带线简介

微带线属于敞开式部分填充介质的双导体传输线，其由基片上面的导带和基片下部的金属接地板构成。电路仅由带条状的导体构成可以做到平面化、紧密化。

1.2.2微带线的有效相对介电常数及损耗

微带线属于部分填充介质：导带上方为空气，下方为基片。其介质包涵上述两个部分，故介电常数不能只用空气或者基片的，而需要使用一个等效量进行修正，这就是有效相对介电常数。由于微带线的结构并不是封闭的，因此微带线上的损耗在特征阻抗和工作频率相同时远远大于同轴线等。

1.3微波谐振器

1.3.1微波谐振器简介

微波谐振器是一种具备储存能量以及选频性能的元件。在谐振器中电磁能量并不能够进行传递，而只是反复的振荡，表现为微波在谐振器上以驻波形式分布。

1.3.2微带线谐振器

在微波集成电路中，广泛使用微带线作为其元器件。在需要用到谐振回路的电路部分，均能采用微带线谐振器来构成。本次设计的谐振器由1/4λ一端开路一端短路的微带线组成。

二、微带线谐振器参数计算与材料选择

2.1目标谐振器参数要求

尺寸：4×3×1（mm）频率：5.4GHz品质因数：Q≥100阻抗：50Ω

2.2参数初步计算

2.3参数综合计算

2.4材料选择

参考（《电子材料》李言荣著P226）后，决定选取钛酸钡为微波材料。其中：，

选取银作为导体。参考（《微波技术》顾继慧著P397）知，s/m

三、微带线谐振器的材料制备

3.1BaTiO3陶瓷基片的制备

BaTiO3陶瓷材料有着高介电常数、小介电损耗、相对大的机电耦合系数以及适中的机械品质因数。在制造基片中得到广泛应用。当配置粘度为6.0Pa.S的浆料，流延速度、刮刀高度、干燥高度分别设定为0.4m/min、300μm、40℃时，可以制得质量好的生瓷带。当脱脂和烧结阶段的升温速度分别设定为1℃/min和3℃/min时，可以制得高品质熟瓷片。

3.2真空镀膜中心导电带

为了在BaTiO3陶瓷的基片镀上一层银膜以形成中心导电带，使用真空溅射法镀膜最为合适。将高纯度银靶固定阴极上，并在阳极上安置BaTiO3陶瓷基片。在基片的上部留出合适空隙宽度将掩模板精准放置。将体系抽到高度真空，再注入少量的稀有气体，并在极间加上高压，击穿介质产生放电。从靶面打出的溅射银原子,在基片表面沉积银膜。控制源的蒸发速度等，可以使厚度仅为10微米。

四、微带线谐振器的软件仿真

4.1参数设置

使用Sonnet软件，点击“EditProject”→“NewGeometry”，首先调整单位：点击“Circuit”→“Units”，设置“Length”为“mm”。点击“Circuit”→“Box”。设置“CellSize”为0.001；“BoxSize”中X=4.0，Y=3.0

厚度及材料特性设置：点击“Circuit”→“DielectricLayers...”。选中“GND”（基片）一行，点击右侧“Edit”，设置“Mat.Name”为BTO，“Thickness”=1.0mm，“Erel”=37.0，“DielectricLossTan”=5.0e-4；将“0”（空气）一行中的“Thickness”设置为5.0mm

然后设置所用金属（银）的电导率，点击“Circuit”→“MetalTypes”→“AddPlanar...”，“Name”为Ag，“Conductivity”=6.173e7（6.173*107）S/m，“Thickness”=0.001mm

最后根据计算结果，设计电路。用“ToolsBox”中的“Addarectangle”功能，在基片中间位置画出一个矩形，左右其中一侧与边框重合表示接地；在基片上下两侧绘制2个较小矩形（一侧与边框重合），尺寸相等、位置对称，使用“ToolsBox”中的“Addport”功能，在两侧矩形与边框重合处设置“1、2”端口。两侧矩形（金属）不能与中心导电带金属相连，形成耦合电容，通过调整耦合电容增大Q值。分别双击3个矩形部分，设置“Metal”为Ag。

4.2分析与调试

分析设置：点击“Analysis”→“Setup”，将“AnalysisControl”选为“LinearFrequencySweep”，“Start”=5.4-2=3.4GHz，“Stop”=5.4+2=7.4GHz，“Step”=0.1GHz。点击“Project”→“Analyze”开始仿真分析。

图线分析：点击“Project”→“ViewResponse”→“NewGraph”，生成图线，纵坐标默认“Magnitude（dB）”，横坐标默认“Frequency（GHz）”，不做改动。双击左侧“LeftAxis”区域的“DB[S11]”，添加响应“DB[S12]”，选取图线最高点（中心频率）。如显示频率不为5.4GHz，进行后续调试工作。

最终结果：

五、微带线谐振器设计总结

本次设计的片式微波谐振器，采用了1/4波长一端短路一端开路的微带线来设计，取得了良好效果。其中采用流延法制备了BaTi03陶瓷基片并采用真空溅射法在基片镀上银膜以形成中心导电带。最终达到了设计要求。

参考文献：

[1]顾继慧编著.微波技术[M].科学出版社,2008.

[2]费张平.流延法制备钛酸钡基陶瓷基板及介电性能研究[D].合肥工业大学,2014.