2.5　微波介质陶瓷器件应用实例及市场前景

利用微波介质陶瓷制作的微波元器件已广泛应用在蜂窝式移动通信系统、汽车电话、电视卫星接收系统、军事雷达和全球卫星定位系统等领域，对现代通信工具的小型化、集成化发挥着越来越大的作用，对提高微波电路的可靠性及降低成本亦将产生重大影响。

近几年由于WLAN产品、蓝牙产品、移动通信基站、卫星导航设备、卫星电视接收设备、无线射频识别（RFID）产品等市场领域需求迅速增长，作为微波通信的基础性元器件，微波介质陶瓷元器件有着广阔的应用前景，市场需求将呈持续增长的趋势。根据中国电子元件行业协会《2011年微波通信元器件行业研究报告》，2010年全球微波介质陶瓷器件需求数量为82.1亿只，市场需求金额为10.8亿美元；预计2013—2017年全球微波介质陶瓷元器件市场消费量和市场销售额增长达17.8％和11.2％。2010年中国微波介质陶瓷元器件市场需求额为23.5亿元，2010—2015年市场需求金额年均复合增长率为15.1％。

2.5.1　移动通信用微波介质陶瓷器件

从模拟到数字，从2G到3G、4G，移动通信技术发展极为迅速。目前，全球手机用户已超60亿，移动互联网流量已达互联网总流量的10％，移动通信和移动互联网的快速发展，正在使我们的生产和生活方式发生深刻的变化。在过去20年，我国移动通信技术和产业取得了举世瞩目的成就。2000年我国主导的TD-SCDMA成为三个国际主流3G标准之一，2012年我国主导的TD-LTE-Advanced技术成为国际上两个4G主流标准之一，我国实现了移动通信技术从追赶到引领的跨越发展，已经成为世界上移动通信领域有重要话语权的国家；以华为、中兴等为代表的移动通信企业，已经形成了移动通信设备和系统的产业链，产品在全球的市场份额已位居世界最前列，我国移动通信产业已经具有较强的国际竞争力。

整个移动通信技术的发展，与核心元器件的发展密不可分，其中，微波介质陶瓷与器件是支撑现代技术发展必不可少的基础材料与元件。例如，移动通信基站系统用于无线射频信号的发射、接收和处理，是网络覆盖系统的核心设备，主要包括基站控制器、收发信机、基站天线、射频器件，以及基站电源、传输线、防雷器件等。移动电话间的点对点通信是通过移动通信基站的天线来实现的，在通信过程中，基站天线主要起信号接收和转发的作用。特定频率信号的过滤和删除是通过滤波器和谐振器来完成。因此，谐振器、天线、滤波器等微波介质陶瓷器件是移动通信基站的关键元件。在全球3G和4G网络建设强力推动下，移动通信基站设备面临着新一轮发展机遇，同时也带动了与之配套的微波介质陶瓷器件市场的发展。

2.5.2　卫星电视接收机高频头

卫星接收机Ku波段高频头外形图如图2-34所示，DR谐振器作为高频头振动频率源，是其主要核心器件。卫星电视接收机的高频头中，本机振荡器的工作频率很高，处在微波频段。根据下变频的要求，本机振荡频率与输入信号频率相差一个中频，第一中频的频率范围为950～1450MHz；对于C波段，通常采用高本振方案，输入信号的频率范围为3.7～4.2GHz，本振频率为5.15GHz；对于Ku波段，通常采用低本振方案，输入信号的频率范围为11.7～12.2GHz，本振频率为10.6GHz。原卫星高频头中振荡器常用的稳频方法是晶振倍频法、锁相环稳频法，晶振倍频法因结构复杂，体积大、效率低、谐波干扰大；锁相环稳频法电路较复杂，成本较高，目前已被具有体积小、结构简单、成本低、稳定度高等优点的DR谐振腔稳频法替代。

DR谐振腔稳频法不需对振荡频率进行分频或倍频处理，而直接在工作频率上对振荡器进行稳频。稳频效果的好坏与DR的Q值有关。Q值越高稳频效果越好，一般要求DR的空载Q值高达几千甚至数万。这种微波介质谐振器采用低损耗、相对高介电常数（εr）的复合陶瓷材料制成。由于εr很高，使得介质材料中的电磁波在介质和空气的交界面上产生全反射或近似全反射，这种特性使得介质振荡器内部的能量产生电磁振荡，且不会穿过介质表面而迅速衰减。为了使介质谐振器的稳频效果更好，选用多种谐振模式中的高Q值模式，而抑制其他模式。由于介质谐振器的εr很大，为35～45，因而介质中的波长很短，介质谐振器的体积很小。介质谐振器的固有谐振频率主要取决于介质的形状和尺寸，目前常用的介质谐振器的形状有方形、圆柱形和圆环形，圆柱形用得最多（见图2-35）。

介质谐振器的固有谐振频率是指介质谐振器处于自由空间时的谐振频率。实际使用中，当它放置于其他介质材料或导体上时，其谐振频率就会改变，其原因是有一部分电磁场分布于其外表，当它靠近其他介质或导体时，其外部的电磁场分布规律就会发生变化。一般情况下，当它靠近金属导体时，谐振频率就会升高，而靠近介质材料时谐振频率就会下降。人们正是利用这一特性，微小调节金属导体与介质振荡器的距离，便可改变介质振荡器的谐振频率。

高Q值谐振腔稳频的介质振荡器的Q值高、体积小、频率温度系数可根据需要选择，且成本极为低廉，采用这种介质振荡器稳频的微波振荡器，无论在体积、复杂程度和成本上，都大大优于前两种方法，而且在性能上完全满足卫星电视接收的要求。因此，目前绝大多数卫星电视接收机的高频头本振都采用这种稳频方法。

2.5.3　GPS微波介质天线

GPS（global positioning system）为全球卫星定位系统的简称，由美国陆海空三军于20世纪70年代联合研制，历时20年，于1994年全面建成，主要用于军事的目的，并免费提供民间定位使用。由卫星传送信号到GPS接收器，起到定位的作用。接收器的关键是天线能否有效地接收到信号，供给接收器来解读定位信息，因此在GPS系统中天线是重要的部件，设计高效稳定的天线至关重要。

GPS卫星信号分为L1和L2，频率分别为1575MHz和1228MHz，其中L2只限于美军及其盟军以及美国政府批准的用户使用，其信号较强。L1为开放的民用信号，信号为圆极化，强度为166dBm左右，属于比较弱的信号，定位误差是L2的10倍。除了美国的GPS外，俄罗斯的GLONASS、欧洲GALILEO及中国北斗系统BDS也成了世界上的主要导航系统。但美国的GPS是目前导航系统中应用最广泛的一种，我国及其他国家和地区目前多半还在使用此系统。根据应用不同，GPS天线分为多种类型，主要有单级或偶极天线、单臂螺旋天线、四臂螺旋天线、圆锥螺旋天线、阵列天线、微带天线等。目前微带天线和四臂螺旋天线因优异的性能而广泛应用。

GPS天线主要由陶瓷片、银层、馈点和放大电路组成。其中陶瓷片是GPS核心部件，其性能的优劣直接影响到天线的性能。现在市场上的陶瓷片主要规格为25mm×25mm、18mm×18mm、15mm×15mm、12mm×12mm、10mm×10mm。陶瓷片面积越大，介电常数越大，其共振频率越高，接收效果越好。陶瓷片大多是正方形设计，是为了保证在XY方向上共振基本一致，从而达到均匀接收信号的效果。

随着全球范围内通信、导航和计算机技术的不断融合，越来越多的GPS接收机将被嵌入到其他的通信计算机、安全和消费类电子产品中，这是GPS应用方面的又一崭新领域（嵌入式技术）。如带有GPS定位功能的蜂窝电话、寻呼机、便携式PC、汽车导航/安全系统、PDA（personal digital assistant）和手表等，从而使GPS应用领域得到进一步扩展。微带天线及GPS天线模块如图2-36所示。

北斗卫星定位系统是我国自主研发，利用地球同步卫星为用户提供全天候、区域性的定位系统。

随着北斗系统建设和服务能力的发展，相关产品已广泛应用于交通运输、海洋渔业、水文监测、气象预报、测绘地理信息、森林防火、通信系统、电力调度、救灾减灾、应急搜救等领域，逐步渗透人类社会生产和人们生活的方方面面，为全球经济和社会发展注入新的活力。

我国的北斗系统，2012年正式提供区域服务。之后的短短五年间，北斗系统完成“从1到100”的壮举。统计数据显示，2012年，中国卫星导航与位置服务产业总产值仅为812亿元，这一数据在2016年达到2118亿元，较2015年增长约22.06％。其中，北斗系统对产业核心产值的贡献率已达到70％。2016年6月，国务院新闻办公室16日发表了《中国北斗卫星导航系统》白皮书，计划在2020年前后，建成北斗全球系统，完成35颗卫星发射组网，向全球提供服务。

由此可见，微波介质陶瓷器件在北斗卫星定位系统的应用具有极大的发展空间和市场。