TM模介质谐振器.pdf

一种TM模介质谐振器，此介质谐振器为具有通孔的圆柱环结构介质谐振器，此圆柱环的一端涂覆有金属层或两端均涂覆有金属层，所述圆柱环采用微波介质陶瓷材料，该微波介质陶瓷材料的配方由碳酸钙、氧化铝、氧化钕、二氧化钛、稀土元素钐Sm稀土元素钇Y组成。本发明提供一种具有高品质因数、频率温度系数低的介质谐振器，解决了现有技术中介质谐振器体积大、Q值低、温度系数大的技术问题。

权利要求书
1.  一种TM模介质谐振器，此介质谐振器为具有通孔的圆柱环结构介质谐振器，此圆柱环的一端涂覆有金属层或两端均涂覆有金属层，其特征在于：所述圆柱环采用微波介质陶瓷材料，该微波介质陶瓷材料的配方由下列质量百分含量的材料组成：
碳酸钙    25～35％；
氧化铝    6～12％；
氧化钕    15～25％；
二氧化钛  30～40％；
氧化钐    1～5％；
氧化钇    1～5％。

2.  根据权利要求1所述的介质谐振器，其特征在于：所述碳酸钙、氧化铝、氧化钕、二氧化钛质量百分含量具体为：
碳酸钙    30％；
氧化铝    10％；
氧化钕    20％；
二氧化钛  35％。

3.  根据权利要求1或2所述的介质谐振器，其特征在于：所述金属层为银层。

说明书TM模介质谐振器
技术领域
本发明涉及一种微波介质谐振器，属于互易性微波器件领域。
背景技术
未来的4G发展正在引领电信行业新一轮的建设高潮。其中，无线通信基站作为无线通信重要的组成部分，受到业界的广泛关注。对于中国而言，由于现代通信业的飞速发展，我国3G标准的公布，新一轮无线通信基础设施的部署已经全面铺开，其中，基站部署将是重要的课题之一，目前的GSM及CDMA基站即将面临全面的升级。要实现高质量的移动通讯，控制干扰信号进入通信信道十分关键。一方面，要控制通信信道外的干扰对通信信道的影响，例如，雷电干扰和其它通信系统的影响(如GSM通信信号对CDMA的影响等)。另一方面，控制同一通信系统信道之间的相互干扰也十分关键。为此，在移动通信基站的射频部分需用滤波器与双工器来实现上述功能。目前基站射频部分的滤波器及双工器用谐振器大都采用镀银金属同轴腔，由于这种同轴腔的品质因数即Q值有限(Qu约在3500)，而且，由于采用了固有的较大热膨胀系数的金属腔，从而导致谐振器的谐振频率温度稳定性很差，为了使其频率不随环境温度的变化而产生较大的漂移，整个基站须工作在恒温环境，造成基站的体积庞大、能耗高，不适应低碳经济的要求。因此，如何开发一种具有高品质因数、频率温度系数低和低插损的介质谐振器成为本领域技术人员努力的方向。
发明内容
本发明目的是提供一种具有高品质因数、频率温度系数低的介质谐振器，解决现有技术中谐振器品质因数低且频率温度稳定性差的技术问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种TM模介质谐振器，此介质谐振器为具有通孔的圆柱环结构介质谐振器，此圆柱环的一端涂覆有金属层或两端均涂覆有金属层，所述圆柱环采用微波介质陶瓷材料，该微波介质陶瓷材料的配方由下列质量百分含量的材料组成：
碳酸钙                        25～35％；
氧化铝                        6～12％；
氧化钕                        15～25％；
二氧化钛                30～40％；
氧化钐                  1～5％；
氧化钇                  1～5％。
上述技术方案中的有关内容解释如下：
1、上述方案中，所述碳酸钙、氧化铝、氧化钕、二氧化钛质量百分含量具体为：
碳酸钙                  30％；
氧化铝                  10％；
氧化钕                  20％；
二氧化钛                35％。
2、上述方案中，所述金属层为银层。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明由于采用TM模，从而场在介质谐振器内更集中，因而Q值比金属谐振器高得多，使得以TM模为主模的滤波器损耗低，频率特性更陡峭，特别是应用于TM模的振荡器，具有很宽的调谐范围、温度特性好、体积小、可靠性高。其次，本发明采用介电常数为45，Qf为45000GHZ的陶瓷材料制成的TM模介质谐振器，在材料配方中通过加入少量稀土元素，使频率温度系数大大减小，改变了温度系数单一不可调的发展状况。再次，在配方中通过稀土元素钐Sm、钇Y复合添加，使谐振频率温度系数的一致性也大为改善。在配方中通过氧化钐Sm2O3、氧化钇Y2O3的复合添加，通过部分Sm3+、Y3+取代Nd3+，Sm3+离子半径(0.096nm)和Y3+离子半径(0.089nm)小于Nd3+离子半径(0.127nm)，更容易填充并占据Nd3+离子周围的空隙，减少晶界富集，使组成更为均匀，提高CaCO3-Al2O3-Nd2O3-TiO2陶瓷的致密度，导致Q值上升，降低了频率温度系数。
附图说明
附图1为圆柱形通孔结构TM介质谐振器示意图；
附图2为TM模的场分布示意图；
附图3A为Ansoft三维有限元仿真软件中的3D电场分布图；
附图3B为Ansoft三维有限元仿真软件中的3D磁场分布图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例：一种TM模介质谐振器
在4G(TD-LTE)移动通信基站中，对基站的体积和重量有十分严格的控制，为此，必须减小滤波器的体积和重量，却又不能降低滤波器的性能，为了获得更高的Q值、更好的模式、更宽的调谐范围以及更好的温度稳定性，采用了以TM为主模的圆柱环形通孔结构介质谐振器如图1所示。
此介质谐振器为具有通孔的圆柱环结构介质谐振器，此圆柱环的一端涂覆有金属层或两端均涂覆有金属层，采用介电常数为45、Qf为45000GHZ的陶瓷材料制成的TM模介质谐振器。在材料配方中通过加入少量稀土元素，使频率温度系数大大减小，从而改变了温度系数单一不可调的发展状况，具体如下：
构成介质滤波器的所述圆柱环采用微波介质陶瓷材料，该微波介质陶瓷材料的配方由下列质量百分含量的材料组成：
碳酸钙                  25～35％；
氧化铝                  6～12％；
氧化钕                  15～25％；
二氧化钛                30～40％；
氧化钐                  1～5％；
氧化钇                  1～5％。
其中，所述碳酸钙、氧化铝、氧化钕、二氧化钛质量百分含量采用下列质量百分比最优：
碳酸钙                  30％；
氧化铝                  10％；
氧化钕                  20％；
二氧化钛                35％。
上述原料在配方中通过稀土元素钐Sm、钇Y复合添加，使谐振频率温度系数的一致性也大为改善。在配方中通过氧化钐Sm2O3、氧化钇Y2O3的复合添加，通过部分Sm3+、y3+取代Nd3+，Sm3+离子半径(0.096nm)和Y3+离子半径(0.089nm)小于Nd3+离子半径(0.127nm)，更容易填充并占据Nd3+离子周围的空隙，减少晶界富集，使组成更为均匀，提高CaCO3-Al2O3-Nd2O3-TiO2陶瓷的致密度，导致Q值上升，降低了频率温度系数。
如附图2所示，给出了本实施例TM模的电场和磁场分布，同时给出了在Ansoft三维有限元仿真软件中的3D电磁分布图给与验证，如附图3所示，颜色随着分布密度的加大而加深，换言之，色彩越浓重，场的分布密度越大。可以看出，以TM模为主模的介质谐振器，磁场是以介质谐振器的中心轴为圆心的同心圆，其电场是平行于介质谐振器的平行线，与金属材料的谐振器相比，TM模的磁场在介质中更集中，而电场在介质顶部和底部较强，在介质的中心也相当强。换言之，由于TM模的场在介质内更集中，因而Q值比金属谐振器高得多，以TM为主模的滤波器损耗低，频率特性更陡峭，特别是应用于TM模的振荡器，具有很宽的调谐范围、温度特性好、体积小、可靠性高。
本实例通过对介质谐振器的模场选择、TM模的模频率特性以及谐振器本身结构特性对TM模的特性影响研究，并运用理论计算与Ansoft三维有限元仿真相结合的设计方法对关键技术建立3D电磁模型。预测了谐振器的电场分布形式，确定了影响介质谐振器模场选择，频率特性的一系列关键因素，采用了圆环通孔结构，底部镀银，与腔体焊接安装。成功地获得中心频率2350MHZ，Q：6500min，的TM模介质谐振器。测试腔体如图3。比相同频率的TE模介质谐振器体积小了将近一半，调谐范围大了一倍，模式分隔更好，在倍频程的阻带内没有寄生模。最后成功获得了小体积、低损耗、高Q值的中心频率2350MHZ，Q：6500min，适用于4G(TD-LTE)通信基站发射用滤波器指标要求的TM模介质谐振器。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。