第5章4微波介质陶瓷

115.5微波介质陶瓷(Microwavedielectricceramics)25.5微波介质陶瓷(Microwavedielectricceramics)在电磁辐射的全频谱中,通常将甚高频(30-300MHz)至近红外(750GHz)波段标为微波。一般常将微波波段定义为300MHz-3000GHz，其波长范围为1m-0.1mm，即分米波至亚毫米波。其中又划分为四个波段。分米波段：λ=1m-10cm，f=300MHz-3GHz，甚高频段(VHF)，厘米波段：λ=10cm-1cm，f=3GHz-30GHz，超高频段(SHF)；毫米波段：λ=1cm-1mm，f=30GHz-300GHz，极高频段(EHF)亚毫米波段：λ=1mm-0.1mm，f=300GHz-3000GHz，极超高频段(SEHF)。35.5微波介质陶瓷(Microwavedielectricceramics)微波信号由于其频率极高，波长极短，具有如下特点：由于频率高，信息容量大，所以十分有利于在通信技术领域中应用。可进行直线传播，具有很强的传播方向性．以及高能量和对于金属目标的强反射能力。因此，在雷达、导航等方面有利于提高发射和跟踪目标的准确性。对不同介质具有强穿进和强吸收能力。从面可实现穿透高空中电离层的卫星通信。进行微波医疗诊断、微波探伤，以及作为微波吸收材料和发热体。微波设备的数字化可实现通信的保密性。44Frequencybandscoveredbythevariouswirelesstechnologies(*includes‘Bluetooth’;HaraldBlatand(Bluetooth)wasafamousKingofDenmarkc.960whoisknownforencouragingcommunicationbetweenpeople).分米波厘米波毫米波亚毫米VHFSHFEHFSEHF55实现微波设备的小型化、高稳定性和廉价的途径是微波电路的集成化。由于金属谐振腔和金属波导体积和重量过大，大大限制了微波集成电路的发展，而微波介质陶瓷制作的谐振器与微波管、微带线等构成的微波混合集成电路，可使器件尺寸达到毫米量级。这就使微波陶瓷成为实现微波控制功能的基础和关键材料。它的应用大致分为两个方面.从而对性能也有两种不同要求:一种是用于介质谐振器(dielectricresonator)DR的功能陶瓷，其中用于包括带通(阻）滤波器(filters)、分频器、耿氏二极管、双工器和多工器、调制解调器(modem）等固体振荡器(oscillators)中的稳倾元件;另一种则是用于微波电路中的介质陶瓷。其中包括用于微波集成电路(MIC)介质基片、介质波导、微波天线(Antennae)及微波电容器等。5.5微波介质陶瓷66谐振器件介质波导微波天线微波滤波器介质基片介质电容器DielectricResonatorsDielectricFilterDielectricPatchAntenna77TypicalApplicationsCellularBaseStationFiltersandCombinersPCS/PCNFiltersandCombinersDirectBroadcastSatelliteReceiversPoliceRadarDetectorsLMDS/MMDSWirelessCableTVAutomobileCollisionAvoidanceSensorsDielectricResonatorAntennasMotionDetectorsApplicationsforTemperatureStableDielectricResonators8FamouscompanyJapan:Murata村田制作所Germany:EPCOS(S+M)USA:SkyworksSolutionsInc.陶瓷分部Trans-TechUSA:NardaMicrowave-WestMini-CircuitsEngland:MorganElectroCeramicsP.R.China:6companysmainly浙江正原电气股份有限公司、潮州三环(集团)股份有限公司、景华电子有限责任公司(999厂)、苏州捷嘉电子有限公司、浙江嘉康电子有限公司、福建南安讯通电子公司、高斯贝尔公司、嘉兴佳利电子有限公司、西安广芯电子科技有限公司、张家港燦勤电子元件有限公司、武汉凡谷电子技术股份有限公司、江苏江佳电子股份有限公司9微波陶瓷的介电性能介质谐振器的典型工作模式95.5微波介质陶瓷由于微波陶瓷介质工作在微波频率下，介质材料的主要特性参数(εr、tgδ、τf)具有某些特殊要求。对εr而言，由于时间常数大的电极化形式在微波条件下来不及产生，而电子位移式极化在介电常数中所占成分极小，所以起主要作用的是金属离子位移式极化。101001DdDdrdf1122rdfccDrr在一定的频率下，谐振器的尺寸与介电常数的平方成反比，因此为使介质器件与整体小型化，必须使介电常数最大化。5.5微波介质陶瓷12dcr0rcfλd介质波导波长；D-圆柱样品直径；fr谐振频率；C-自由空间光速；λ0自由空间波；υd非磁性介质光速11一般介质陶瓷体的热膨胀系数αL为正，故介电常数温度系数τε必须为负，才能使τf接近零，因此应找出介电常数温度系数为负的陶瓷材料。112fL5.5微波介质陶瓷11112rrrrfDfTDTTTCf-temperaturecoefficientofresonancefrequencyαL膨胀系数谐振频率温度系数即谐振频率稳定性好。介质谐振器一般都是以介质陶瓷的某种振动模式的频率作为其中心频率，为了消除谐振器的谐振频率特性的温度漂移，必须使近零的频率温度系数0f0f12在微波频段εr基本上为定值，不随频率而变化。要使微波介质陶瓷具有高εr值。除需考虑微观晶相类型及其组合外，应在工艺上保证晶粒生长充分，结构致密。125.5微波介质陶瓷13在微波范围内，微波介质的εr及Qf值均基本不变。因此对于同一材料，在较低频率下可获得更高的Q值;而衰减因子γ越大，Q值越小。理想晶体中，γ取决于晶格振动的非谐项，在多晶陶瓷中晶粒、晶界、杂质和缺陷成为损耗增大的主要原因。为获得低损耗、高Q值的微波介质陶瓷，必须尽可能使用高纯原料，并尽力控制工艺以制出杂质少、缺陷少、晶粒均匀分布的陶瓷。135.5微波介质陶瓷ω0；γ衰减因子20tanQfrconst20tanrf141415高的εr（一般εr=30~100），有利于介质器件与整体小型化，使电磁能量尽可能集中于介质体内。在微波频率下介质损耗很小,高Q=(tanδ)-1＞103，保证最佳的选频特性。要求近零的谐振频率温度系数TCf(τf),一般在-50~l00℃，αε很小或近于零）,τf=±20ppm/℃，保证器件的中心频率不随温度漂移MLCC基片、支撑件及介质波导衬底，要求有尽可能小的εr。吸收材料则要求介质损耗大介质谐振器性能要求：5.5微波介质陶瓷1616微波介质陶瓷性能测试方法5.5微波介质陶瓷对微波介质陶瓷材料而言，由于介电常数跨度大、介质损耗低，使用谐振法比较合适。在谐振法中开式腔法比较容易实现，同时其测试范围也较宽，所以国际上最常用。171718将直径为D(15mm)、长度为L(5-10mm)的圆柱形试样放置在两个平行的金属板中，微波功率通过由样品和两个平行金属板组成的腔体藕合。输入和输出通过两个天线藕合。在某一频率下(该频率主要由介电常数和陶瓷样品的尺寸来决定)，该腔体的阻抗达到最小，即产生谐振，此时穿过的功率最大。腔体的谐振特性可通过网络分析仪来得到直观显示。实际测量中，常用TE011模来确定陶瓷样品的介电性质。因为测试装置可以在网络分析仪上产生许多不同模式的谐振峰，只有TE011模比较容易确认。实际测试中是通过升高或降低上层金属板的办法在频谱图上确定TE011谐振峰的，当上层金属板升高时，TE011模的峰保持不动而其它模的峰会快速移动。18平行板谐振法(theparallelplateresonatormethod)Hakki-colemanandCourtney5.5微波介质陶瓷1919对所测试样品，其D和L已知，fr可以通过该方法精确地测试出来，则可以通过公式计算出介电常数。系统硬件:矢量网络分析仪、接口卡、平行板测试夹具、带藕合环的半刚性电缆、高低温箱和安装自动测试软件的计算机介电常数的测试5.5微波介质陶瓷D/L=0.4-0.620Apparatusformeasuringthemicrowavecharacteristicsofdielectrics.Inset,detailshowingspecimenbetweenconductingplanes,andantennas.2121测试频率1GHz,可用阻抗分析仪如HP4294A2222相对辐射功率样品Q值可以通过测量TE011,谐振峰的宽度计算出来。△f为3dB频带宽度(BW)rfQfQ值的测量5.5微波介质陶瓷21121ffffTTf1和f2分别是温度T1和T2时的谐振频率τf值的测量23平行板谐振法具有测量简单、快速、准确的优点，平行板测试夹具较易制备，比较适用于介电常数适中、介质损耗较小(即高Q值)的微波介质陶瓷的测量，但不适用于介质损耗大的微波介质陶瓷的测量。该方法对介电常数的测量误差一般小于0.5%，对Q值的测量误差一般小于15%。对Q值及谐振频率温度系数的精确测量则需要用屏蔽腔谐振法来测量。235.5微波介质陶瓷2424谐振腔体通常具有很高的Q因子，并且在特定的频率发生谐振。如果将一材料样品放入腔体中，将会改变腔体的谐振频率和品质因子Q值。通过这两个参数值的变化，可以得到材料样品的介电常数这种方法目前具有最高的测量精度，尤其适合于低损耗物质的测量，缺点是无法支持宽带的材料测量。屏蔽腔谐振法5.5微波介质陶瓷2525AgilentTechnologiesinstrumentsandfixtures5.5微波介质陶瓷26N5230C-220PNA-Lnetworkanalyzer10MHzto20GHz,2port,standardtestset85071EMaterialmeasurementsoftware26屏蔽腔谐振法CrosssectionoftheTE01δDielectricResonator5.5微波介质陶瓷27275.5微波介质陶瓷2828Resonantcavitymeasurement5.5微波介质陶瓷295.5微波介质陶瓷高εr(低Q)εr=80~90，Q=(2～5)×103,τf≤5×10-6/℃,f=0.84～4GHz,主要用于工作在低微波频段的民用移动通信机中作为介质谐振器按介电常数分类低εr(高Q)εr=25～30，Q=(1～3)×104，τf≈0，f≥8GHz，卫星直播等微波通信机中作为介质谐振器件中εr(中Q)εr≈40，Q=(6～9)×103，τf≤5×10-6/℃f=4～8GHz,主要用于卫星基站、微波军用雷达及微波通信系统中作为介质谐振器件305.5微波介质陶瓷高εr(低Q)BaO-Ln2O3-TiO2钨青铜型CaO-Li2O-Ln2O3-TiO2铅系钙钛矿系(Pb1-xCax)(Mg1/3Nb2/3)O3,低εr(高Q)复合钙钛矿A(BxB’1-x)O3系A为Ca、Sr、Ba；B为Zr、Sn、Nb、Ta等；B’为Ni、Co、Mg、Zn、Ca等；，Ba(B’1/3Ta2/3)O3(B’=Mg,Zn),BMTorBZT,中εr(中Q)BaTi4O9,Ba2Ti9O20,(Zr,Sn)TiO43131ThreedirectionofR&Dofmicrowavedielectricce