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文檔簡介

1.概述2.介質諧振器3.微波介質陶瓷的結構與性能4.主要的體系5.測試微波介質陶瓷

1.概述:微波頻帶及微波陶瓷微波的波長短,方向性強,可用于雷達來發(fā)現(xiàn)和跟蹤目標;另外,由于微波頻率高,信息量大,非常適合于微波通訊;其對高空電離層的穿透性可用于衛(wèi)星通訊。近年來,移動通訊系統(tǒng),電纜電視系統(tǒng),衛(wèi)星通信系統(tǒng)的迅速發(fā)展,對微波領域的材料及器件提出了更高的要求。研制高性能的陶瓷材料,制造出高品質的微波介質諧振器已成為國內外高技術陶瓷研究的一個重要課題。微波特點“主動拒止系統(tǒng)”(ActiveDenialSystem,ADS)

微波介質陶瓷廣泛用于微波振蕩器和微波濾波器,而微波介質諧振器是其基本器件。為了獲得高的品質因數和減小尺寸,不同應用頻率,通常采用不同模式的諧振器,在較低頻率下,主要以帶狀線諧振器或微帶線諧振器為主,但由于受金屬傳輸線(一般為銀)低品質因數的限制,此類諧振器的品質因數不會太高,但體積可以做得很小。在高頻下,可以采用介質諧振器,由于不需要金屬化,其品質因數可以做得很高。微波介質陶瓷除可以用來制作高穩(wěn)定、高Q諧振器和濾波器外,還廣泛用于制作雙工器、GPS(全球定位系統(tǒng))天線、微波集成電路基板、微波電容器等。2.介質諧振器1)集中參數的諧振回路:諧振回路的損耗通常用回路的品質因數Q表示,Q越大損耗越小.并聯(lián)諧振回路的品質因數等于:,rC、rL分別式電容和電感的內阻缺點:受工藝技術的限制,其電感、電容和電阻都不可能很小,因而它的諧振頻率和Q值也不可能很高。一般集中參數諧振回路的諧振頻率低于300MHz,Q值小于500。諧振器的本質是什么?2)分布參數回路――空腔諧振器。它是一個中空的金屬盒子,有方形、圓柱形或其它形狀,以一定方式將電磁波耦合到腔體中。諧振腔的諧振頻率與其形狀。幾何尺寸、耦合到諧振腔中的電磁波的振動模式有關。諧振腔的優(yōu)點之一是有較高的品質因數,例如,容易做到Q

40000。諧振腔的Q值取決于諧振腔的形狀、體積、腔內壁金屬的表面電導率和加工精度等因數。保持諧振腔有較高的Q值,同時縮小其體積,是微波器件小型化、集成化的一個重要方向。由電磁波理論知,如果電介質的介電常數為r,那么介質中的波長為空氣中波長的如果將電介質填充諧振腔,諧振腔的尺寸也將縮小到按此原理設計的諧振腔即稱介質諧振器。3.1微波介質陶瓷的主要性能微波介質陶瓷材料是制造微波元器件的關鍵材料,除了要求必備的機械強度、化學穩(wěn)定性及經時穩(wěn)定性外,還要求它具有不同于一般電子陶瓷的特殊性能,微波介質陶瓷要具有以下三個主要性能指標:在微波頻率下,相對介電常數εr要大,一般要大于15。在介電常數為εr的介質中,電磁波的波長與成正比,而在同樣諧振頻率f0下,介質諧振器的形狀與尺寸又取決于電磁波的波長,即:其中:λ介—電磁波在介質中的波長,λ空—電磁波在空氣中的波長,εr—介質材料的相對介電常數。因此,在同樣的諧振頻率f0下,εr越大,介質諧振器的尺寸就越小,電磁能量也越集中于介質體內,受周圍環(huán)境的影響也越小。這既有利于介質諧振器件的小型化,也有利于其高品質化,目前高介微波介質陶瓷的εr已超過100,以此來滿足元器件小型化的要求。高Q有利于獲得良好的濾波特性及通訊質量。?RC并聯(lián)回路,BW以HZ為單位)=f0/QL

QL=RCf0

BW=1/RC

對于同一材料,為了較高的Q值,在較低的頻率下使用更有利!介質諧振器件以陶瓷的某種振動模式的諧振頻率作為其中心頻率。早期電介質用于微波介質諧振器的困難就在于此!其中

L為熱膨脹系數,

為介電常數溫度系數

同時滿足三個條件,微波介質陶瓷的要求比較苛刻!3.2微波介質陶瓷的主要材料及分類近年來,為了適用微波技術的需求,微波介質陶瓷材料發(fā)展迅速,已研究開發(fā)了多種滿足不同性能要求的微波介質材料。這些微波陶瓷可按介電性能和材料體系進行分類:低介高Q值材料。ε主要包括:BaO-MgO-Ta2O5,BaO-ZnO-Ta2O5或BaO-MgO-Nb2O5,BaO-ZnO-Nb2O5系統(tǒng)及它們之間的復合系統(tǒng)微波介質陶瓷材料。其ε

r=25-30,Q=(1-3)×104(在f>10GHz),τf≈0。它們主要用于f≥10GHz的衛(wèi)星直播等微波通信機中作為介質諧振器件。中介中Q值材料。主要是以BaTi4O9,BaTi9O20和(Zr,Sn)TiO4等為基的微波介質材料。其ε

r≈40,Q=(6-8)×103(在f=3-4GHz)。τf≈0。它們主要用于微波軍用雷達及微波通信中作為介質諧振器件。高介低Q類材料。主要是以簡稱為BLT的BaO-Ln2O3-TiO2(其中Ln為Sm,Nd等稀土元素)為基的微波介質陶瓷,其ε

r=80-90,Q=(2-5)×103(在1-3GHz下),τf=(10±5)×10-6/℃,它主要用于低微波頻段(f<2GHz)的民用移動通信系統(tǒng)中作為介質諧振器件。這是當前微波介質陶瓷研究的熱點之一。

(1)按陶瓷材料的εr大小,可將其分為三類:為何按照介電系數分類呢??材料介電常數

r

Q

f(GHz)測試頻率(GHz)頻溫系數

fppm/oCCaTiO3-MgTiO3215600070Ba(Zn1/3Ta2/3)O330168000120Ba(Mg1/3Ta2/3)O32535000010-4(Ba(Zn1/3Ta2/3)O3-(Ba,Sr)(Ga,Ta)O332190000100BaTi4O94036000415Ba2Ti9O20403600045BaTi4O9-WO335504006-0.5(Zr,Sn)TiO4384900070BaSm2Ti5aNd2Ti5O148940002-50Bi2O3-BaO-Nd2O3-TiO288200040(Pb,Ca)ZrO3105360033.7PbO-BaO-Nd2O3-TiO290520013幾種典型微波介質材料及主要性能按組成系統(tǒng)特點,常用的微波介質陶瓷材料可分為三個體系:(2)按組成系統(tǒng)分類:(1)BaO-TiO2體系BaO-TiO2體系中含有多種化合物,其中具有優(yōu)異微波介電性能的主要有BaTi4O9和Ba2Ti9O20。Ba2Ti9O20具有比BaTi4O9更好的介電性能,目前已被用作制造微波介質諧振器材料,并得到了廣泛的應用。在70年代和80年代初曾被廣泛研究,但在過去十幾年中又曾經被忽視,尤其是BaTi4O9系。主要原因是該系統(tǒng)Q值低且無法控制,τf又不易調整,最近,由于BaO-TiO2體系微波陶瓷體系簡單、價格便宜等因素又重新得到重視。其新配方性能好,通過改變BT4/B2T9比例,該體系在整個微波頻段范圍內都可應用。于是人們又開始注意用于蜂窩式移動通信系統(tǒng)濾波器的鈦酸鋇鹽新一代材料的發(fā)展。(2)BaO-R2O3-TiO2系統(tǒng)BaO-R2O3-TiO2系統(tǒng)是在BaTiO3系中加入稀土氧化物而派生出來的,是目前微波介質陶瓷研究的熱點之一,也是高εr微波介質陶瓷的典型代表。其中R2O3(或Ln2O3)為鑭系稀土氧化物。以BaO-R2O3-TiO2為基礎,通過摻雜、改變各組分比例,又可得到一系列介電性能不同、性能優(yōu)異的微波介質陶瓷。根據R2O3中的稀土元素,該系統(tǒng)又可分為三個體系:

1.BaO-Nd2O3-TiO2系2.BaO-Sm2O3-TiO2系3.BaO-La2O3-TiO2系(3)A(B’1/3B’’2/3)O3系列由于現(xiàn)代通信系統(tǒng)正在向高頻方向發(fā)展,因而要求微波介質材料在高頻(>10GHz)時具有高Q值。目前研究發(fā)現(xiàn),具有復合鈣鈦礦結構的A(B’1/3B’’2/3)O3系列材料在很高的微波頻率下具有極低的介質損耗,其中B’可以是Mg、Ni、Co、Mn、Zn、Ca等,B’’為Ta或Nb,典型材料是Ba(Zn1/3Ta2/3)O3(BZT)、Ba(Mg1/3Ta2/3)O3(BMT)及Ba(Zn1/3Nb2/3)O3等。這一系列材料具有優(yōu)異的微波性能,是目前已實用化的重要的高Q微波介質陶瓷。微波介質陶瓷應具有的介電性能為:高介電常數高品質因數低諧振頻率溫度系數

3.3微波介質陶瓷的結構與性能

微波頻段內介質的極化機制主要是電子位移極化和離子位移極化,因此微波介質陶瓷的介電常數起因于所有構成離子的電子極化率和離子極化率之和。微波介質陶瓷要求具有高的介電常數,高介電常數離子晶體的結構特點是在晶體結構中具有氧八面體。3.3.1(1)介電常數電介質的極化機制?電子極化離子極化晶格振動的一維模型理論高介微波介質中的氧八面體鈣鈦礦結構示意圖氧八面體的極化3.3.1(2)介質損耗介質損耗3.3.1(3)諧振頻率溫度系數如何獲得零諧振頻率溫度系數3.3.2微波陶瓷的結構-性能關系以具有類鈣鈦礦鎢青銅結構的BaO-R2O3-TiO2(其中R為稀土元素Ln)體系陶瓷為例說明介電性能與晶體結構的相關性。BaO-R2O3-TiO2體系微波陶瓷是目前研究得最多并已實用化的高介微波介質陶瓷,為該體系陶瓷的組成關系鎢青銅結構是由共點氧八面體形成,八面體以共頂點的形式沿c軸疊置成堆垛,各堆垛再以共點的形式聯(lián)接起來。氧八面體聯(lián)接形成三種不同形狀的空隙,即A1、A2和C,其平面形態(tài)分別是菱形、五邊形和三角形,配位數分別是12、15和9,其中A2的體積最大,A1次之,C最小Ba6-3xSm8+2xTi18O54(x=0.7)固溶體的晶體結構理想的A1和A2空隙的構形該結構與鈣鈦礦結構類似,Ti與O的比例保持在1:3,三元系固溶體的組成在BaTiO3-R2Ti3O9連線上,形成鎢青銅結構,大離子半徑的Ba2+和R3+處于[TiO6]八面體形成的三維框架的空隙中,為維持電中性,2個R3+取代3個Ba2+,即理想的A1和A2空隙的構形半徑最大的Ba2+進入A2空隙,半徑次之的稀土離子R3+處于A1空隙,A1和A2填滿,而空間最小的三角形空隙全空,Ti4+進入氧八面體空隙中。

鎢青銅晶體形態(tài)通常為針狀或長棒狀,長度方向為c軸方向介電性能與結構的相關性:(a)Ba和R有序導致高的品質因數Ba6-3xR8+2xTi18O54固溶體陶瓷的介電性能與組成的關系Ba6-3xR8+2xTi18O54固溶體陶瓷的介電性能與組成的關系Ba6-3xR8+2xTi18O54固溶體陶瓷的介電性能與組成的關系晶格應變與組成的關系對于x=2/3組成,隨稀土離子半徑減小,Q值增大,這說明Ba與R的離子半徑差越大,晶格應變越小介電常數與頻率溫度系數介電常數受三個方面的影響:(1)[TiO6]氧八面體的大?。?)[TiO6]氧八面體的傾斜程度(3)Ba和R離子的極化率。鎢青銅結構中氧八面體的傾斜介電常數和溫度系數與單胞體積的關系

固溶體中的介電常數還正比于晶胞參數或晶胞體積,隨x增大,晶胞參數或體積增加,介電常數會線性增加3.3.3高介高Q微波陶瓷的組成與結構設計原則1.對于設計高Q陶瓷材料,晶體結構知識,如超晶格、離子有序化、離子占位等至關重要。2.因晶格應變降低Q值,因此應選擇低晶格應變的組成以獲得高Q的材料。3.具有對稱中心的晶體一般有利于高Q值,提高離子在晶格中的有序化可以提高品質因數。4.要得到高介電常數,應選擇大的八面體體積和小的傾

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