微波介电陶瓷

1电子陶瓷第六章微波陶瓷2第六章微波陶瓷一微波陶瓷概述二微波陶瓷基本特征三微波陶瓷性能测试四微波陶瓷体系五微波陶瓷应用3一微波陶瓷概述1概念微波陶瓷（介质）是指应用于微波频段（300MHz~3000GHz）电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷。可以用作微波电路中的绝缘基片材料，也是制造微波介质滤波器和谐振器的关键材料。4一微波陶瓷概述2微波频段微波陶瓷所应用的微波频段是指介于无线电波谱中的超短波和红外波之间的电磁波，其频率范围从300MHz~3000GHz，波长从１m到0.1mm，一般可划分为四个分波段。3MHz30MHz300MHz30GHz3GHz300GHz3000GHz中波短波超短波分米波厘米波毫米波亚毫米波红外线微波主要通信频段5一微波陶瓷概述2微波频段四个分波段：¾分米波段：λ=1m~10cm，f=300MHz~3GHz，称为特高频段UHF¾厘米波段：λ=10cm~1cm，f=3GHz~30GHz，称为超高频段SHF¾毫米波段：λ=1cm~1mm，f=30GHz~300GHz，称为极高频段EHF¾亚毫米波段：λ=1mm~0.1mm，f=300GHz~3000GHz称为极超高频段SEHF6一微波陶瓷概念2微波特点¾微波的波长很短、方向性极强，很适合于雷达等用来发现和跟踪目标¾微波的频率高、信息容量大，在其300MHz~3000GHz范围内所包含的可使用波段数是0~300MHz的长、中、短波范围内所包含的可使用波段的1000倍，有利于用来进行微波通讯¾微波能穿透高温的电离层，特别适用于卫星通讯7二微波陶瓷基本特征¾三大性能指标：1)相对介电常数εr在微波频率下，相对介电常数εr要大，εr越大，介质元件尺寸可做得越小。在介电常数为εr的介质中，微波的波长反比于εr的平方根。在同样的谐振频率f0下，介质谐振器的形状与尺寸又取决于微波的波长。因此，在相同的谐振频率f0下，εr越大，介质谐振器的尺寸就越小，电磁能量也越能集中于介质体内，受周围环境的影响也越小。这既有利于介质谐振器件的小型化，也有利于其高品质化。国际上实用化的εr已超过100。rλλε=空介8二微波陶瓷基本特征1/20rcDfε=例：圆柱型介质谐振器：最简单的陶瓷谐振器是一个直径为D的陶瓷圆柱体。其直径Ｄ：式中，c：真空中电磁波的速度。主要用于卫星通讯，卫星广播，地面通讯。ＬＤ9二微波陶瓷基本特征1/204rcLfε=例：同轴型介质谐振器：长度为Ｌ，中间有孔的陶瓷圆柱体。其长度Ｌ：式中，c：真空中电磁波的速度。主要用于移动无线通讯（汽车电话，便携电话）Ｌ10二微波陶瓷基本特征2)品质因数Q在微波频率下，介质损耗tanδ要小，或者品质因数Q要高(1/tanδ)。一般要求tanδ10-4，Q1000。高Q有利于获得良好的滤波特性及通讯质量。11二微波陶瓷基本特征2)品质因数Ｑ在微波范围内，Q·f的乘积基本保持不变。式中，ωＴ为材料固有角频率；γ为材料衰减系数。为了增大Ｑ值，必须使衰减系数γ尽可能小。在多晶陶瓷中，晶粒间界、杂质和缺陷成为γ增大的主要原因。因此，在微波介质陶瓷的制造中，必须使用高纯原料，并尽力控制工艺以制出杂质少、缺陷少且晶粒均匀分布的陶瓷。constffQT=⋅==⋅γπωδ2tan212二微波陶瓷基本特征3)谐振频率温度系数τf谐振频率温度系数τf要为零或近于零，零τf可保证元器件的中心频率不随温度变化而产生漂移，提高器件的工作稳定性。f0f0´Frequencyt1t2power13二微波陶瓷基本特征3)谐振频率温度系数τf微波陶瓷的介电常数温度系数τε要与陶瓷自身的热膨胀系数α相互匹配补偿，方可保证介质谐振器件谐振频率f0的高度稳定性。陶瓷的线热膨胀系数α为正，其值在α＝(6-9)×10-6/℃左右，因此微波介质陶瓷的τε应为负值，其值应在τε＝２α左右。()fετατ=−+1214二微波陶瓷基本特征¾经验规律：εr、Q及τf具有下列的经验规律：lnεr=x1lnεr1+x2lnεr2(1)1/Q=x1/Q1+x2/Q2(2)τf=x1τf1+x2τf2(3)以上三式表明：微波介质陶瓷体系若有多相存在时，它的εr、Q及τf为各相值之和，其中x1、x2分别为各相的体积分数。用τf的加和性，可使微波介质陶瓷体系τf做到可调节。15三微波陶瓷性能测试两端短路型介质谐振器法(Hakki-Coleman法):准确度高，无损测试，国际通用。1970年由Hakki和Coleman提出，又名平行板谐振法或圆柱型介质谐振器法。原理：将一个圆柱型的陶瓷谐振器放在两个无限大彼此平行的导电金属板之间的中心，构成一个半封闭型的传输谐振器，在两个导电板间谐振器的两侧分别插入两个探针型耦合天线，用以馈入和取出微波功率。探针连接到微波网络分析仪，借以标定谐振频率、插入损耗及谐振腔两侧的谱振线宽。由该系统可以测出一系列模式的谐振频率，然后根据相应的微波与电磁场理论可以计算出微波陶瓷的εr、Q。τf可通过与控温箱联用测出。16三微波陶瓷性能测试陶瓷微波性能测量方法17四微波陶瓷体系¾钙钛矿体系钙钛矿化合物可以用ABO3来表示，A、B位可以是单一离子，也可由2个离子复合而成。钙钛矿体系原本是用于制备多层电容器元件的，但J.Kato研究了它们在微波频率下的介电特性，发现其在微波频率下同样具有较高的介电常数和Q值，同时具有近于零的谐振频率温度系数。钙钛矿结构BAO18四微波陶瓷体系¾钙钛矿体系已研究的钙钛矿化合物主要可分成下列5种：1)单纯钙钛矿化合物，即A、B位均是单一离子：如CaTiO3，CaZrO3，BaZrO3等；2)A位复合钙钛矿化合物，即A位由(A1+1/2,A3+1/2)复合组成：如(Na1/2La1/2)TiO3，(Li1/2Pr1/2)TiO3等；3)B位复合钙钛矿化合物，即B位由(B2+1/3,B5+2/3)、(B3+1/2,B5+1/2)或(B3+2/3,B6+1/3)等复合组成：如Ba(Co1/3Nb2/3)O3，Ba(Mg1/3Ta2/3)O3等；4)前述钙钛矿化合物间的复合；5)含Pb的钙钛矿化合物：如(Pb0.7Ca0.3)ZrO3，(Pb0.4Ca0.6)(Mg1/3Nb2/3)O3等。19四微波陶瓷体系¾类钙钛矿体系(BaO-Ln2O3-TiO2)BaO-Ln2O3-TiO2系是目前开展工作较多的微波陶瓷系统之一，其中Ln为镧系稀土元素，如Nd，Sm，La等。这类材料的介电系数εr位居微波介质陶瓷材料之首，且随着组成的变动，εr可在20~90（或更高）相当大范围内变化。Ln3+可以是镧系元素中任一元素或它们之间的复合，当r(BaO：Ln2O3：TiO2)＝1：1：4或1：1：5时，材料的介电性能最佳。BaO可以部分用SrO、PbO、Bi2O3置换，或全部用CaO、Li2O取代或CaO-Li2O复合取代。在l~2GHz范围内，该体系所具有的Q·f值，已能满足手机实际使用要求。20四微波陶瓷体系¾钛铁矿体系MgTiO3陶瓷[Q＝20000(10GHz)]。MgTiO3具有的钛铁矿结构，实际上是一种有序型刚玉结构。这种结构和α-Al2O3中一样，氧离子按六方密堆排列，不同的是两个Al3+为Mg2+和Ti4+取代。这种取代是很有规律的，例如一层的Al3+全为Mg2+取代，另一层全为Ti4+所取代，两层交叠排列。属于这类氧化物的有FeTiO3、NiTiO3、CoTiO3、MnTiO3、MgTiO3、ZnTiO3等。21四微波陶瓷体系¾钛铁矿体系另外，由于钛酸盐的τf为负值，而TiO2陶瓷具有高的εr和低的损耗(εr＝104，Q·f＝42000GHz)，且τf为正并且较大(τf=+450ppm/℃)。这样考虑到τf的加和性，可研制出TiO2—M2+TiO3(M2+＝Zn，Mn，Fe)系列陶瓷，这些系列均能获得τf为零的陶瓷材料。如ZnTiO3-TiO2体系。22四微波陶瓷体系国外开发的微波陶瓷国内开发的微波陶瓷23▲研究示例1:LowlossdielectricsinPb(Mg1/3Nb2/3)O3-SrTiO3systemInthisstudy,thelowlossparaelectric-phaseSrTiO3isincorporatedintothePb(Mg1/3Nb2/3)O3matrix.ChenXMet.al.Jpn.J.Appl.Phys.,2001,40:4961-496424▲研究示例2:AnovelLowTemperatureCo-firingCeramic(LTCC)materialfortelecommunicationdevicesInthisstudy,thesinteringtemperatureofthewell-knowndielectricceramic(MgTiO3-CaTiO3)wasdecreasedfrom1360oCto900oC,suitablefortheLTCCprocess.●MMT-20(MgCaTiO3)(2.3mol%CaTiO3)●ZSB(g),60.3mol%ZnO,12.6mol%SiO2and27.1mol%B2O325JantunenHet.al.J.Eur.Ceram.Soc.,2000,20:2331-2336J.Am.Ceram.Soc.,2000,83:2855-285726五微波陶瓷应用在微波电路中的应用主要有以下几方面：¾用作微波电路的介质基片起着电路元器件及线路的承载、支撑和绝缘作用；¾用作微波电路的电容器起着电路或元件之间的耦合及储能作用；¾用作微波电路的介质天线起着集中吸收储存电磁波能量的作用；¾用作微波电路的介质波导起着导引电磁波沿一定方向传播的作用；¾用作微波电路的介质谐振器件（最主要应用）起着类似于一般电子线路中LC谐振电路的作用27五微波陶瓷应用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28材料楼228