“介质谐振器”的概念、定义、翻译、参考文献-科学参考

单词

介质谐振器

释义

【介质谐振器】

拼译：dielectric resonator

电、磁介质能将电波或光波高频电磁振荡有效地约束在介质体内，在特定的物理和几何条件下，可以形成电磁振荡的谐振系统即介质谐振器。介质体电磁谐振的研究和应用涉及到许多学科领域，如作为微波、毫米波和激光元件；在材料特性研究和非电量检测中作为谐振式传感器；在微波能应用、电磁生物医学工程、电波传播和遥感中的研究对象也具有介质体谐振的特性。电磁谐振系统从传统的金属谐振腔到介质谐振器的过渡，正如导波系统从金属波导到介质波导(包括光导纤维)的过渡一样，是一次质的飞跃。介质谐振器体积小、牢固、稳定可靠、性能优异，与微波、毫米波集成电路及集成光路有良好的兼容性，能构成多种无源和有源电路，有利于实现电子设备的小型化、轻量化、固态化和集成化。

对介质谐振器的研究包括介质材料的研究和介质谐振器电磁理论分析。目前用于微波、毫米波波段的介质材料主要是高介电的电子陶瓷，在短毫米波段可采用淡兰宝石单晶。对介质材料的要求是：高介电常数ε_r9，低介电损耗，即tgδ要小；介电常数的温度系数τ_α要小。由于介质谐振器的尺寸为金属腔的ε_γ，它的无载Q0≈tgδ，故为了获得轻小、高Q0的谐振器，希望介质材料的εγ大，tgδ小。另外，谐振器频率温度系数τ_f、线膨胀系数α₁与τ_a间有τa≈－2(τ_f+α₁)的关系，因此为了提高谐振器的频率稳定性，即减小τ_f，应使τ_a接近－2_a，较为合适的介质参数为：(1)10＜ε_r＜100，ε_r的离散＜0．5%；(2)tgδ＜5000～10000；(3)a₁+τ_a｜／2＜0士(1～3)mg／kg／℃。

介质体的电磁共振现象是在研究晶体顺磁共振时发现的，比发明晶体管还早10年，1939年雷西特密尔(R．D．Richtmeyer)首先提出介质谐振器的概念，随后西立克(H．M．Schlicke)和荷卡雅(A．OKaga)及巴拉西(L．F．Barash)用金红石晶体制成了介质谐振器，而后由柯恩(S．B．Cohn)和哈立松(W．H．Harrison)将其用于微波电路，但由于金红石的τ_a太大，温度稳定性太差，不能付诸实用。后来美国雷声(Raytheon)公司的哈特威克(C．P．Hartwig)和雷迪(D．W．Ready)研制成BaTiOg电子陶瓷。日本村田(Murata)公司也制成类似的电子陶瓷RESOMICS，大大减低了τ_a，取得突破性进展，使其进入实用化阶段。中国的上海科技大学于1980年首先在国内研制成BaTiO_g(A₅)陶瓷，1983年研制成Z_r0．8tiSn_0．2O₄(A₆)陶瓷，随后又研制了一系列供各个频段使用的电子陶瓷。目前国际上已发展了BaO－TiO₂系，BaO－RE₂O₃－TiO₂系、ZrO₂－SnO₂－TiO₂系、钙铁矿型复合氧化物系和CaTiSiO₄－CaTiO₃系等系列的电子陶瓷，可供频率从500MHz到100GHz的频段使用。介质参数的范围为：25＜εr＜90；－3＜τf＜3；3000＜Q₀＜4000(2GHz)，2000＜Q₂＜10000(20GHz)。可广泛用于移动通信、微波通信、卫星通信和广播电视、雷达、电子对抗、导航、遥测、遥感系统中。

前苏联学者对单晶淡兰宝石的微波特性进行了一系列的研究。发现在厘米和毫米波段具有极高的Q0和极低的τ_f，当T=300K时Q₀=2×10⁵；T=77K时，Q₀=10⁶～10⁷；T=4．2K时Q₀=6×10⁸，而τ_f＜10^－8K^－1，其主要参数优于超导铌腔，即使不深冷，也具有极高的Q₀，由于具有这些优异性能可将其用于超高稳定微波振荡器、鉴频器和原子频率标准方面。上海科技大学于1989年研制出W(94GHz)波段的淡兰宝石滤波器和Q波段(36GHz)的振荡器。

介质谐振器的电磁理论分析包括电磁参数分析和电路参数分析两方面。电磁参数包括对特定物理、几何形状谐振器的固有(谐振)频率谱、固有Q值和TEM、TE、TM HEM及WGM(回音壁模)各模式场结构的求解。电路参数则要求解谐振器在具体电路中的耦合参数、等效电路参数，给出电路模型。电磁分析中广泛采用了近代计算电磁学所提供的各种数值方法，如：模式匹配法、微分法、积分法、有限差分法、有限元法、TLM法和边界元法等，以便于计算机求解。同时也尽力发展电磁场的解析方法，以得到较为完善的模型。美国的密西西比大学和法国的里蒙格(Limoges)大学的研究小组对此进行了一系列的研究。费捷斯柯(S．J．Fledziusko)发展了多模谐振器和星载滤波器，使介质谐振器在空间技术上发挥作用。前苏联卡毕列维奇(B．ю．Kaдилeвич)发展了波导介质滤波器(Waveguide Dielectric Fllter)，将介质谐振器和波导结合在一起，降低了介质谐振器的本征模谱的密集性。介质谐振器中的回音壁模(Whispering-Gallery Mode-WGM)的辐射损耗最小，可获得最高的Q₀，可在极高的频率段工作，甚至扩展到光频段。WGM最早是瑞利(Lord Rayleigh)于1910年研究声学现象时提出的，1967年怀特(J．R．Wait)提出了电磁波WGM，1981年爱劳特(J．Amaud)提出了介质谐振器中的WGHz，法国和前苏联学者对WGM和单晶淡兰宝石的WGM进行了广泛的研究，已在毫米波段和低温电子学中取得一定的成果。

介质谐振器在当前和未来的研究热点为：(1)进一步在机制研究的基础上，开发高性能的电子陶瓷。低损耗和低τ_a与B格点的原子有序性密切相关，单相陶瓷的介电损耗是由于非谐声子耦合，由一个TO声子衰变为两个热声子所致。除这一固有损耗外，还有晶界处空间电荷极化的驰予损耗。至今对电子陶瓷在微波波段介电损耗的机制尚不完全清楚，故不仅要系统地研究晶体的固有损耗，还应研究二次结构，如孔隙、晶粒大小、杂质、晶界处的偏析、氧缺陷的效应。对于淡兰宝石则应研究加入顺磁材料后，如何减小其τ_f的影响；(2)研究介质谐振器滤波器的单片集成；(3)研究介质谐振器的更有效的电子调谐、磁调谐和光调谐的方法；(4)如何将WGM介质谐振器用于光集成电路；(5)推广介质谐振器在传感技术中的应用。

【参考文献】：

1 Richtmeyer R D J．Appl．Phys．1939，10∶391

2 Cohn S B，Harrison W H．IEEE Trans．on MTT－16；1968，4∶210～218

3 李英，电磁介质谐振器理论与应用，北京：电子工业出版社，1988

4 Steele B C H．Elsevier Applied Science，1991

5 Matsumura K．European Micrrowave Conference，1992，l187

(上海科学技术大学李英教授撰)

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