（材料学专业论文）低温共烧多层陶瓷片式微波谐振器与滤波器的研究.pdf

摘要 微波器件的小型化和集成化是移动通信、网络无线接入等微波电路与系统的 微型化、轻量化和高可靠性的基础，而微波器件的小型化涉及多方面的技术进步 和发展，如材料科学、电路设计、微细加工技术等，没有这些就没有今天这些轻 便化的通信设备。微波谐振器和滤波器是微波电路与系统中最重要的无源器件之 一，随着半导体技术的发展，单片微波集成电路m 似i c ) 的出现，使有源微波电 路微型化取得了很大的进展，微波谐振器和滤波器的等无源微波器件的微型化和 性能的提高仍然存在许多未解决的问题，是制约设备小型化的关键。因此微波谐 振器和滤波器等微波器件的微型化和性能的提高是材料、电路理论和微细加工等 科学技术领域共同关注两个重要的课题。本文结合材料、器件工艺与测试、器件 设计与电路分析研究了微型化片式多层陶瓷微波谐振器和滤波器的结构、性能与 实现方法。采用间隙电容耦合新结构实现了片式多层谐振器和滤波器，这种结构 可以减少制备工艺带来的误差；提出了利用调节接地端宽度的方法来进行多层谐 振器谐振频率的微调；首次利用l t c c 工艺实现了直接抽头耦合结构多层带通微 波滤波器，为研究和开发新型片式微波谐振器和滤波器奠定了基础。 用固相反应方法制备平均粒径为o 5 z m 的b i 基低温烧结微波陶瓷粉体；建 立了材料微波介电性能温度特性测试系统，使用h a k k i c o l e m a n 开腔谐振法，可 以测量从室温到2 5 0 c 材料微波介电常数、q 值和频率温度系数；改进了流延浆 料的特性，获得颗粒分布均匀，堆积紧密，孔隙率较低的陶瓷生坯带；获得了印 刷、叠层热压优化工艺参数，采用关键电极层双面印刷的方法以减少对位误差； 用分部加压的方法克服了热压工艺过程中应力不均匀分布，以减小热压后叠层厚 度的不均匀性，烧结后成瓷致密，电极层的厚度为5 p , m ；用微带线结构设计和制 作了片式微波器件的测试系统，包括测试夹具和校准夹具。 采用平面电感和平板电容结构实现的l c 谐振器，由于集总电感的q 值较小 以及高介电常数介质基片杂散参数效应，这种结构的谐振器q 值较小；采用新 的耦合结构一间隙电容耦合结构，实现谐振器和外电路的匹配耦合，使谐振器和 耦合电容在同一层上实现，即单层结构，和传统的平行板电容耦合方式相比减小 了耦合电容对位误差。采用间隙电容耦合结构实现的谐振频率为1 8 g h z 四分之 一波长终端短路带状线单端口谐振器的q 值最大值为2 2 5 ，谐振频率为1 g h z 双 端口谐振器的q 值为8 3 ，谐振频率和q 值与耦合间隙、带状线的厚度和耦合引 线长度有关；二分之一波长带状线谐振器的q 值和四分之一波长相比较尺寸较 大，由于导电带较长，造成金属的损耗增加，从而导致谐振器的q 值较低； 带 状线结构的谐振器频率调节困难，本文提出了改变接地端的宽度实现谐振频率的 微调方法，可实现频率调节量约1 5 。 采用均匀阻抗平行耦合线结构作为滤波器的谐振单元实现的中心频率为 i g h z 滤波器，频率相应特性和计算机仿真结果接近，插入损耗为3 8 7 d b ，分数 带宽为1 1 。分析了误差来源和频率响应曲线的分峰和不对称现象的电路模型、 耦合带状线结构参数和频率响应特性的关系。用阶梯阻抗平行耦合线实现了中心 频率为1 g h z 和1 8 g i - i z 带通滤波器。中心频率为1 g h z 滤波器的中心频率为 1 0 0 9 g h z ，插入损耗为3 6 6 d b ，分数带宽为6 5 ，与仿真结果误差较小。当中 心频率为1 8 g h z 时，输入输出耦合电容较小，可用间隙耦合电容在单层上实现 滤波器的结构。直接抽头耦合从结构上来看，工艺因素所带来的误差要小于前面 两种耦合结构，是一种实现多层窄带微波滤波器的较好方式。用这种结构实现的 中心频率为1 8 g h z 的多层带通滤波器，插入损耗为3 6 8 d b ，分数带宽6 1 。 关键词：微波介质材料，l t c c 技术，微波谐振器，微波滤波器，集总参数电路， 分布参数电路，均匀阻抗平行耦合线滤波器，阶梯阻抗平行耦合线滤波器，直接 抽头耦合滤波器。 论文类型：应用基础 a b s t r a c t m i c r o w a v ec i r c u i ta n ds y s t e mi n c j u d i n gm o b i l ec o m m u n i c a t i o n , w i r e l e s sa c c e s s n e t w o r ka n ds oo nr e q u i r e sm i c r o w a v ec o m p o n e n t sw i t hm i n i a t u r i z a t i o n , h i g h r e l i a b i l i t y a n ds u r f a c em o u n t i n gt e c h n i q u e s t h em i n i a t u r i z a t i o no fm i c r o w a v e c o m p o n e n ti n v o l v e sm a t e r i a ls c i e n c e ，c i r c u i td e s i g na n df i n e p r o c e s s i n gt e c h n i q u e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y , m o n o l i t h i cm i c r o w a v ei n t e g r a t e c i r c u i t 删c ) a p p e a r e da n dd e v e l o p e dt h em i n i a t u r i z a t i o no fa c t i v em i c r o w a v e c i r c u i t t h em i n i a t u r i z a t i o no fm i c r o w a v er e s o n a t o r sa n df i l t e r st h a ta r ev e r y i m p o r t a n tp a s s i v ec o m p o n e n t sh a v ec o n f r o n t e dw i t hm a n yp r o b l e m st h a tl i m i tt h e m i n i a t u r i z a t i o no fm i c r o w a v ee q u i p m e n t t h em i n i a t u r i z a t i o na n dh i g hp r o p e r t yo f p a s s i v em i c r o w a v ec o m p o n e n t sa t t r a c t e da t t e n t i o ni nt h ef i e l do fm a t e r i a ls c i e n c e c i r c u i tt h e o r ya n df i n e - p r o c e s s i n gt e c h n i q u e s - n l es t r u c t u r e ，f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s a n df a b r i c a t e dm e t h o do fc h i pm u l t i l a y e rc e r a m i cm i c r o w a v er e s o n a t o r sa n df i l t e r s w e r es t u d i e di nt h i st h e s i s t h ep r o c e s s i n ga n dm e a s u r e m e n tm e t h o do fm a t e r i a la n d c h i pm u l t i l a y e rc e r a m i cm i c r o w a v er e s o n a t o r sa n df i l t e r s ，t h ed e s i g na n da n a l y s i s m e t h o do fc h i pm u l t i l a y e rc e r a m i cm i c r o w a v er e s o n a t o r sa n df i l t e r sw e r ec a r e f u l l y d i s c u s s e d 砀ec h i pm u l t i l a y e rc e r a m i cm i c r o w a v er e s o n a t o r sa n df i l t e r sw e r e f a b r i c a t e du s i n gan e ws t r u c t u r ew i t hg a pc o u p l i n gc a p a c i t o r 砀ea d j u s t i n gm e t h o do f r e s o n a n tf r e q u e n c yo fr e s o n a t o rw a sp r o p o s e dt h r o u g hc h a n g i n gt h ew i d t ho fe n d s h o r tc i r c u i t e d t h ec h i pm u l t i l a y e rc e r a m i cm i c r o w a v ef i l t e rt a p p e di 0w a sf i r s t f a b r i c a t e du s i n gl t c ct e c h n i c s c e r a m i cp o w d e r s 、斩廿la v e r a g ep a r t i c l es i z ea b o u t0 5 # mw e r ep r e p a r e db y s o l d - s t a t er e a c t i o n t h em i c r o w a v ed i e l e c t r i cp r o p e r t i e so fc e r a m i c sw e r em e a s u r e d u s i n gh a k k i c o l e m a n d i e l e c t r i cr e s o n a t o rm e t h o d s t h ct e m p e r a t u r er a n g eo f m e a s u r e m e n ts y s t e mi sf r o mr o o mt e m p e r a t u r et o2 5 0 0 c n l es l u r r yf o rt a p ec a s t i n g w a sp r e p a r i n gw i t hp r o p e rs o l v e n t s ，d i s p e r s a n t sa n do t h e ra d d i t i v e s t h eg r e e nb o d y w i t hu n i f o r md i s t r i b u t i o no fp a r t i c l es i z ea n dc l o s ep a c k i n gw a so b t a i n e d t h e o p t i m i z e dp r o c e s s i n gp a r a m e t e r si n c l u d i n g s c r e e np r i n ta n dh o tp r e s s i n gw e r e o b t a i n e d i no r d e rt or e d u c ee r r o r , t h em e t h o do fd o u b l e - f a c es c r e e np r i n ti nk e y e l e c t r o d el a y e ra n ds t e p p e dp r e s sw e r eu s e d c e r a m i c sa r ed e n s ea f t e rs i n t e r i n g t h e t h i c k n e s so fe l e c t r o d ei sa b o u t5 x m t h et e s tf i x t u r e sb a s e do nm i c r o s t r i p ef o rs m d w e r ed e s i g na n df a b r i c a t e d am u l t i p l a y e rc h i pl cr e s o n a t o rw a sf a b r i c a t e du s i n gp l a n a ri n d u c t o ra n d p a r a l l e lp l a t ec a p a c i t o r b e c a u s el u m p e di n d u c t o rh a ss m a l l0v a l u ea n dt h e r ei ss t r a y p a r a m e t e re f f e c ti nh i 曲p e r m i t t i v i t ys u b s t r a t e ，t h eqv a l u eo fc h i pl cr e s o n a t o ri sn o t 1 1 i 曲r e s o n a t o r sb a s e do nm s t r i p l i n ew l t he n ds h o r tc i r c u i t e dw e r ed e s i g n e da n d f a b r i c a t e d i n p u ta n do u t p u tp a d s ，c o u p l e dt o t h es t r i p l i n eu s i n gg a p c o u p l i n g c a p a c i t o r , a r ei nt h es a m e1 a y e rw i t ht h ec e n t e rc o n d u c t i v es t r i p t h i sn e ws t r u c t u r ei s v e r yc o n v e n i e n tf o rm a n u f a c t u r i n gi nc o m p a r i s o i lw i t ht h ec o n v e n t i o n a ls t r u c t u r e t h e m a x i m u mqv a l u eo fo n e - p o f tr e s o n a t o ri s2 2 5a t1 8g h za n dt h a to ft w o - p o r t r e s o n a t o ri s8 3a t1 眦t h eqv a l u eo fr e s o n a t o ri sr e l a t e dt ot h ew i d t ho fc o u p l i n g g a p ，t h el e n g t ho fi n p u tp a da n dt h et h i c k n e s so fs t r i p l i n e t h eq v a l u eo f ) q 2s t r i p l i n e r e s o n a t o r si ss m a l l e rt h a nm s t r i p l i n er e s o n a t o r sb e c a u s e ) q 2s t r i p l i n er e s o n a t o r sh a v e l o n g e rc o n d u c t i v es t r i pw h i c hr e s u l t i n gi nm e t a ll o s s t h ef i c q u c n c ya d j u s t i n gm e t h o d o f r e s o n a t o rt h r o u g hc h a n g i n gt h ew i d t ho fe n ds h o r tc i r c u i t e dw a sp r o p o s c d l a m i n a t e dp l a n a rp a s s b a n df i l t e ru s i n gc a p a c i t o r - l o a d e du n i f o r mi m p e d a n c e r e s o n a t o r s ，s t e p p e di m p e d a n c er e s o r m t o r s ( s i n ) a n dt a p p e d 的w e r e r e s p e c t i v e l yf a b r i c a t e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ec l o s et os t i m u l a t i n gr e s u l t s t h ee r r o r ， t h ec i r c u i tm o d e lo fs e p m a t ep e a ka n da s y m m e t r yi np a s s b a n dw e r ea n a l y z e d 1 f l l e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r u c t u r ep a r a m e t e r so fc o u p l e ds t r i p l i n ea n df r e q u e n c yr e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c sw e r ed i s c u s s e d t h em u l t i l a y e rb a n d p a s sf i l t e rw i t ht a p p e di oi sb e t t e r s t r u c t u r ef o rn a r r o wb a n dm u l t i l a y e rb a n d p a s sf i l t e r k e y w o r d s ：m i c r o w a v ed i e l e c t r i cc e r a m i c s ，l t c ct e c h n i q u e s ，m i c r o w a v er e s o n a t o r , m i c r o w a v ef i l t e r , l u m p e dp a r a m e t e r sc i r c u i t , d i s t r i b u t e dp a r a m e t e r sc i r c u i lu n i f o r m i m p e d a n c ep a r a l l e lc o u p l e ds t r i p l i n ef i l t e r , s t e p p e di m p e d a n c ep a r a l l e lc o u p l e d s t r i p l i n ef i l t e r , t a p p e di of i l t e r c l a s s i f i c a t i o n ：f o u n d a t i o no fa p p l i c a t i o n 声明尸明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果，撰写成博士硕士学位论文! 低洹基缝垒屋陶查牡式邀达 道握矍墨选遮墨笪研究= = 。除论文中已经注明引用的内容外，对论文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或 未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 第一章微波材料与微波器件 第一章微波材料与微波器件 1 1 引言 从微波集成电路( m i c s ) n 单片微波集成电路( m m i c s ) ，微波有源器件的小 型化和集成化得益于半导体技术和平面传输线( 印制传输线) 技术的发展。然而 一些重要的微波无源器件如微波谐振器和微波滤波器等仍然是制约微波电路小 型化的问题，例如以越2 0 3 、塑料等为介质基片的微带线来实现谐振器，品质因 数太小，无法完全替代品质因数要求高的微波滤波器或高稳定度振荡器中的同轴 或金属腔式谐振器，由于同轴和金属谐振腔的体积和重量较大，都难以和微波电 路集成化相兼容，这些问题的解决在于用性能优良的微波介质材料来实现微波器 件。随着材料科学的发展，新型微波介质材料不断出现，使高q 值、体积小和 温度稳定性好的介质谐振器和滤波器等小型化微波无源器件成为现实，特别近二 十年来低温共烧陶瓷技术( l t c c ) 的发展，实现了性能优良、体积小、重量轻以及 适合表面安装技术( s m t ) 的片式微波无源器件，也推动了新一代的多组件陶瓷模 块( m c m s ) 等无源集成技术的发展。高温超导体( h t s c s ) 的突破为微波器件的发展 提供了新的契机，高温超导传输线具有极优越的微波性能，高温超导谐振器的q 值比常规金属制成的相应谐振器要高出数十倍至数百倍，为某些应用开辟了条 新的途径【1 瑚。实现微波无源微波器件与m m i c s 一体化集成更是微波电路与系统 小型化追求的目标，高介电常数铁电薄膜材料直接与m m i c s 集成到一起可以改 善器件的性能、进一步减小器件的体积以及降低器件的成本，同时铁电薄膜材料 的电容随电压可调的特性，可应用到可调滤波器、延迟线、相移器和相控阵天线 等。h t s c s 与铁电薄膜的结合形成的一种可调的高温超导微波谐振器，可用来 作为可调振荡器及滤波器等【5 。7 】。由于材料研究不断取得进展，和微波电路集成 化相兼容的微波器件技术也在不停的发展，为微波通信系统的小型化、集成化、 高可靠性奠定了良好的技术基础。 导行电磁波在电介质材料中传播早在1 9 世纪末在微波领域就引起了关注， l 0 r dr a y l e i g h 、a s o m m e r f e l d 和p d e b y e 【8 】等科学家对电磁波在介质中传播行为 就开展了一系列理论研究工作，1 9 2 0 年o s c h r i e v e r t 8 】的论文对介质棒导行电磁波 的理论和试验结果进行了总结，对其后的研究工作产生了深远的影响。3 0 年代初， g c s o u t h w o r t h 获得 t i 0 2 基陶瓷材料作为圆柱状介质波导的专利p 】。在毫米 波段，相对金属波导而言，介质波导有明显的优点就是不存在电导损耗，介质波 导的发展也为现代光纤技术奠定了基础。1 9 3 9 年，r d r i c h t m y e r t l u j 首次提出了 介质谐振器的概念，认为环状非金属化的介质体具备微波谐振器的功能。尽管他 的工作在当时没有引起足够的重视，但随着微波介质材料研究的发展和新型介质 材料的出现，介质谐振器研究重新引起了学术界的关注。6 0 年代初期，a o k a y a 和l f b a r a s h t l l 】等用高介电常数单晶t i 0 2 作为介质，重新开展了介质谐振器的研 究，首次对介质谐振器的模式进行了分析，并初步提出了介质谐振器的设计方法。 尽管t i 0 2 具有高介电常数，实现的谐振器体积小和高q 值，但是温度稳定性太差， 频率温度系数为4 0 0p p 州o c ，这种介质谐振器还不能作为实用的微波器件。6 0 年 代中期，s b c o h n t l 2 j 等继续开展介质谐振器的理论和实验研究工作，介电常数 约1 0 0 的t i 0 2 陶瓷材料用来作为介质，但温度稳定性的仍然没有解决。7 0 年代， 微波介质陶瓷材料取得了实质性的突破，d j m a s s e 【l3 】等研究开发的低损耗、温 度稳定性好的b a t i 4 0 9 陶瓷材料，在4 g h z 的频率下q 值为2 5 6 0 ，介电常数为3 7 9 ， 低温共烧多层陶瓷片式微波谐振器和滤波器研究 频率的温度系数为+ 1 5 p p m o c ；以及后来j 。k p l o u r d e t l 4 】等改进的b a 2 t i 9 0 2 0 陶瓷材 料，在4 g h z i 拘频率下q 值y 9 8 0 0 0 ，频率的温度系数为2 士1 p p 州o c ，介电常数为3 9 8 。 正是由于这些微波介质材料的出现，使介质谐振器作为实用微波器件成为现实。 但是这些微波陶瓷材料远未进入商业化阶段，使介质谐振器的工业化和广泛的应 用受到严重的制约。7 0 年代另一个重要的突破是日本的m u r a t a 公司( z r - s n ) t i 0 4 陶瓷材料的商业化生产，通过调节这种微波陶瓷材料的组份，温度系数从+ 1 0 到 1 2 p p m o c 可调。这样微波介质谐振器也随着微波材料技术上的突破进入了商业 化市场，使得介质谐振器、滤波器的研究和应用得到了很大的发展，无源微波器 件的小型化也进入了非常快速发展时期，微波电路与系统的发展也进入了一个全 新的阶段。 5 0 年代带状传输线的出现，推动了微波集成电路的发展，同时也促进无源微 波器件平面化的发展，e h b r a d l e y 1 6 】等开始用带线技术来设计和实现滤波器， 具有代表性平面化带状线滤波器的结构有s b c o h n 提出的直接耦合滤波器【1 1 7 】和 平行耦合线滤波器【1 8 】，gl m a t t h a e i 等提出的交指滤波器【垤】和梳状线滤波器【2 0 1 ， 这种平面化结构的滤波器和谐振腔式滤波器相比较，体积大大减小。但由于材料 技术及其他相关技术的制约，微波器件还没有做到真正的平面化。6 0 年代，随着 材料、集成工艺的发展，微带线、一带状线理论和工艺的进展，微波电路的集成化 取得了重大突破，微波器件的平面化也取得了重大的发展。 适用于表面安装的片式化微波器件是现代微波电路与系统小型化的要求，介 质谐振器、滤波器和传统微波器件相比，体积小得很多，但不能适应集成化的要 求。片式化微波器件特别是在微波低频端的条件是要有高介电常数、低烧结温度、 小损耗的微波介质材料，器件的工艺技术和相关的设计方法。平面化微波无源器 件发展上的一个重要突破是8 0 年代低温烧结微波陶瓷材料的出现【2 啦2 1 ，采用玻璃 陶瓷复合物，降低陶瓷的烧结温度，采用l t c c 技术使低温烧结( j 、1 0 0 0 0 c ) 介 质材料和低熔点、导电性能优良的金属如金、银或铜电极一体化烧结，使微波器 件的尺寸大大减小( 几个毫米) ，现在这种技术已广泛应用于片式多层陶瓷滤波 器、双工器、定向耦合器、天线等片式微波器件【2 3 2 引。l t c c 技术工艺简单、成 本低、可规模化生产三维的微波器件，在射频微波技术中应用包括移动通信器 件( 0 9 2 0 h z ) ，无线局域网如蓝牙( 2 4 g h z ) ，全球定位系统g p s ( 1 6 g h z ) 、宽带接 入系统( 5 8 4 0 g i - i z ) 等 2 9 - 3 1 】。当然在材料、器件工艺与设计、可靠性等几个方面 还存在诸多问题，这几个方面对片式化微波器件来说都相当重要，缺一不可，也 是目前微波电路与系统、材料等领域研究与开发人员共同关注的问题。 2 第一章微波材料与微波器件 1 2 微波陶瓷材料 从上一节我们可以看出，微波材料的领域每取得一个进展，将会给微波电路 与系统及相关技术带来的突破。作为介质谐振器微波材料要满足下面几个要求： ( 1 ) 介电常数昂大于3 5 ，以满足电磁能量集中于介质内，使泄露介质外部的 损耗尽可能的小；另外高介电常数可以减小器件的尺寸，器件的尺寸与 介质的波导波长九有关， 兄= 气 ( 1 2 1 ) 式中k 为真空中的的波长。从上式可以看出，r 越大，九越小。 ( 2 ) 品质因数( q 值) 大于1 0 0 0 ，高q 值( 即小的介电损耗) 使介质谐振器具 有良好的选择性； ( 3 ) 低的频率温度系数( t c f ) ，t c f 绝对值要在2 0p p m 。c 以内，t c f 反映 了谐振频率随温度的变化关系： 肼：丢粤 ( 1 2 22 ) 氏姐 、 要得到温度稳定性高得频率滤波器、振荡器等，谐振频率而在一定的温 度范围最好不变，确保工作频率的稳定。 1 2 1 典型的微波陶瓷材料体系 t i 0 2 陶瓷的高介电常数( e r - 1 0 0 ) 和高q 值( 1 0 0 0 0 以上) ，首先考虑用作介质谐 振器材料 1 2 】，但是其频率温度系数大于4 0 0 p p m 。c ，使介质谐振器不能稳定的工 作，因此未能进入实用化。下面对实用化的微波陶瓷材料体系作一简单介绍。 1 b a o t i 0 2 系 b a t i 4 0 9 陶瓷材料，在4 g h z 的频率下q 值为5 0 0 0 ，介电常数为3 7 9 ，频率 的温度系数为+ 1 5 p p m 。c ；b a 2 t i 9 0 2 0 的介电常数3 9 8 ，q 值为8 0 0 0 ，频率温度系 数2 士：l p p m o c ，是最早能够实用化的微波陶瓷材料【1 3 , 1 4 。b a 2 t i 9 0 2 0 的t c f 值小， 但要严格控制b a ：t i = 2 ：9 才能得到b a 2 t i 9 0 2 0 化合物，否则只能得到t i 0 2 + b a t i 4 0 9 混合相，因此制备上的可重复性较差。s n ，z r 【3 2 】等添加物可以稳定b a 2 t i 9 0 2 0 相。 b a o - t i o - w o 系陶瓷利用了b a w 0 4 负t c f ( 3 3p p r r g o c ) 补偿b a t h 0 9 正的t c f ， 从而获得零频率温度系数【3 引。 b a o - t i 0 2 系陶瓷烧结温度高( 大于1 3 0 0 0 c ) 是它的缺点，如何降低它的烧 结温度，人们采用湿化学法【3 3 】可使烧结温度降至1 2 0 0 0 c ；添加5w t z n o b 2 0 3 ( z b ) 玻璃相【3 4 】使b a t i 4 0 9 陶瓷烧结温度降至9 0 0 0 c ，e r = 3 3 ， q = 3 0 0 0 ( 9 g h z ) 。 2 m g t i 0 3 c a t i 0 3 ( m t - c t ) t 3 6 , 3 7 】 m g t i 0 3 c a t i 0 3 具有较高的q 值和温度系数可调特性，是一类成本较低的微 波天线、谐振器和滤波器材料，m g t i 0 3 一c a t i 0 3 体系两端的介电性能如表1 2 1 所示，从表中我们可以看出看出m g t i 0 3 有较高的q 值和负的t c f ，而c a t i 0 3 有较大的介电常数和正的t c f ，若以m g ：c a = 9 5 ：5 ，即0 9 5 m g t i 0 3 0 0 5 c a t i 0 3 低温共烧多层陶瓷片式微波谐振器和滤波器研究 组成的复合材料得到酽2l ，q = 8 0 0 0 ( 在7 g h z ) ，t c f = 0p p m 。c 。这种材料介电 常数较低，但可以得到频率温度系数为0 ，而且成本低。 岛q t c f ( p p m o c ) l a 、c r 的添加可使q 值达1 0 0 0 0 以_ l ，它的缺点是烧结温度高( 1 4 0 0 。c ) 。助烧 j ；j u c u o t 3 8 1 添加可使烧结温度g 犟至u 1 2 5 0 。c ，添加z n o s i 0 2 b 2 0 3 ，b a o s i 0 2 b 2 0 3 1 3 9 】 形成玻璃陶瓷可以使烧结温度小于9 0 0 0 c ，适合作为射频l t c c 材料，但此时材料 的q 值急剧下降，小于1 0 0 0 。 3 ( z r , s n ) t i 0 4 ( z t s ) z t s 在7 0 年代首先作为商业化的微波介质材料推动了微波谐振器和滤波器 的发展和应用。z r t i 0 4 属正交结构，当2 0 的z r 被s n 替代时【4 0 1 ，可获得温度稳定 的介质谐振器材料，2 l ，q = 7 0 0 0 ( 在7 g h z ) ，t c f = 0 p p m o c 。相图1 2 1 中阴影 部分为具有z r t i 0 4 正交结构的单j f 目z t s ，在s 型线上t c f = 0p p m o c 。烧结温度为 1 4 0 0 0 c ，在不添加助烧剂时难以获得致密的陶瓷，常用的助烧剂有l a 2 0 3 z n o ， n i o ，b a o ，n b 2 0 5 等【4 1 1 。 ll o g r c a t e ) c l 叠崎r 翻l a 图1 2 1z t s 系统相图 图1 2 - 2 q 值与冷却时间关系 a z o u g h 等【4 2 】研究了z n o 添加的z t s 微波介电性能与烧结后降温速率的关 系时发现，q 值随冷却速率变化，如图1 2 2 所示，冷却速率越慢q 值越大。用 电子衍射研究表明，慢冷却的样品出现超晶格反射，也就是说慢冷却样品呈有序 状态而快冷样品呈无序状态，呈有序状态时伴随着样品的q 值增大。 c h r i s t o f f e r s e n 等【4 3 】用高分辨电镜研究( z r l x s n o t i 0 4 ( x = 0 0 15 ) 时发现，随着s n 4 第一章微波材料与微波器件 含量的增加r ( z n 。s n 0 7 i o 。的有序度下降而q 值增加。他们认为s n 偏析于富 t i 和富z r 畴界界面减小丁阳离子之间的相关性，使有序畴尺寸减小，从而减 小了畴界的界面能。 4 b a ( b i b z ) 0 3 系 b a ( b i b 2 ) 0 3 ( b i = m g , z n ，c o ，n i ；b 2 = t a , w o ) 是一类非常重要的微波介电材料， 具有非常高的口值，可以增强滤波器的选择性和优化带宽而在微波通信领域获 得广泛的应用。当部分s ，离子替代a 位或部分z ，离子替代b 位时，t c f 值 可以调节到零，b a ( z n l l 3 t a r 3 ) 0 3 ( b e t ) 典型的介电性能：t r - 3 0 ，q = 7 0 0 0 0 1 ： 2 g h z ) ， t c f = 0 p p 州。c 。b z t 属于中等介电常数的微波陶瓷材料，z a 2 0 s 原料价格较贵， n b 2 0 5 和t a 2 0 5 结构相同，而且1 矿和n b ”离子半径相同，从晶体化学的角度来 看t 用n b 2 0 5 替代t a 2 0 5 示非常理想的，但替代后的q 值和t c f 参数都明显较 替代前的差，如表12 2 ”。尽管如此b z n 体系作为新一代微波陶瓷原型材料受 到极大的关注t 大量的出此为基础的复合钙钛矿结构材料体系己获得广泛的应 用。 表12 - 2 b z t 和b z n 微波介电性能 b a ( b - b 2 ) 0 3 是复合钙钛矿结构，b 位离子分布的有序程度可以用于优化微波 介电性能，有序结构可以增加q 值和减小t c f ，因此有序程度是控制这类材料 微波介电性能的重要参数。pd a v i e s 】，认为晶体结构在定的条件下从无序的 立方到有序三方排列，改善有序程度的方法有热处理条件啡i ，通过添加b a z t o ， 或b a ( g a t an ) 0 3 等来增强无序到有序转变动力学过程等h 2 * 4 6 _ ”。 r e a n d 4 s 从容度因子分析认为，在这种该钛矿晶体结构中，离子半径范围的 减小有助于品格应力的减小，这个应力的减小有助于提高介质的q 值和增加温 度稳定性。 5 b a o - r 2 0 3 - t i 0 2 系列 分子式为b a 63 。r s + 2 x t i js 0 5 4 ( r 为稀土元素) ，是一种类钙钛矿钨青制结构， 由t i 0 6 八面体共顶点三维网络构成，如图12 - 3 所示，网络中有三种间隙，尺寸 1 d i - j a 圈12 - 3b a en r g 2 x t i l s 0 5 4 结构 低温共烧多层陶瓷片式微波谐振器和滤波器研究 较大的b a 2 + 离子占据呈五边型的间隙( a 2 ) ，尺寸稍小r 3 + 的占据呈四边菱形间隙 ( a 1 ) ，部分b 矿+ 也可能分布在此类间隙，三角形间隙( c ) 尺寸较小，没有离子占 据。正是a l 间隙上离子分布的特点，使这种材料在性能优化上提供了较大的自 由度。改变x 的大小及r 离子类型，可对材料性能进行剪裁，当x = 2 3 时，b a 2 + 、 r 3 + 分别占据间隙a 2 、a 1 呈有序分布，减小晶体结构的内应力，使微波介电性 能得到优化。当r 为s m 时，t ，= 8 0 ，q 事厂超过1 0 0 0 0 ，t c f - - 4p p r r g o c 。这类材料 介电常数高( 若牺牲一点q 值和t c f ，介电常数可超过1 0 0 ) ，这对减小微波器件 的体积非常重要。 h i t o s h io h s a t o s o , 5 1 】等对b a 6 3 x r s + z x t i l 8 0 5 4 结构与性能关系进行了系统的研 究，认为离子在a 2 、a 1 位分布有序性、离子半径的大小和结构的稳定性会影响 材料的微波介电性能。当x = 2 3 时，b a 2 + 、r ”离子分别占据间隙a 2 、a 1 呈有序 分布，这种有序分布使晶体结构的内应力最小，这时q 值最大；当x 减小时， 较大半径的b a 2 + 离子除占据五边型的间隙a 2 外，还有部分b a 2 + 离子占据较小空 间的四边菱形间隙a 1 ，从而导致内应力增加，使q 值减小；当x 增加时，五边 型的间隙a 2 中有部分r 离子占据，同时可能造成五边型的间隙a 2 中b a 2 + 离子 缺位，这将引起晶体结构不稳定，内应力增加，q 值减小。固定x = 2 3 ， b a 6 3 x r 8 + 2 x t i l 8 0 5 4 的微波介电性能和r 离子半径的关系如图1 2 4 所示，随着离 子半径的减小，介电常数减小，q 值增加，t c f 减小。当r 为l a 时介电常数最 大，主要由于r 的半径较大时晶格常数较大，使t i 0 6 八面体的体积大，倾角减 小，增加了t i 离子的可动空间。t c f 随离子半径的变化趋势和介电常数类似， t c f 由正到负的变化机理还不清楚，但为优化这类材料的温度稳定性提供了途 i o n i c 刚i 孵汹 贫 乏 q a 1 ，lt 2 , 6l 鬟1 ，21 3 01 搴l 拍1 2 l1 2 2 泌暾撙荩她幽 i d 日；cr a d i u s 汹 图1 2 4b a e 3 。十2 。t i l 8 0 5 4 微波介电性能和r 离子半径的关系 6 第章微波材料与微波器件 径。 6 c a o - l i 2 0 - l n 2 0 3 一t i 0 2 系列 c a t i 0 3 【5 3 1 ( e ，= 1 7 0 ，t c f = 8 0 0p p r r g o c ) 和l i l n s m l 2 t i 0 3 是正交钙钛矿结构【5 2 】， 而l i l 2 s m l 2 t i 0 3 有负的t c f ( 2 6 0 p p m 。c ) 和相对较高的温度系数铲5 2 ，因此两 者的复合可获得高介电常数和零温度系数，典型值为铲9 2 ，q = 8 0 0 0 ( 9 g i - i z ) ， t c f = 3 p p r n o c 。 该系材料的介电性能受l n 的离子半径影响较大【5 4 1 ，介电常数随离子半径的 增加而增加，而q 值减小，烧结过程中易出现第二相。这个系列材料结构与微 波介电性能关系还有待进一步研究。 7 p b 基钙钛矿系列 基于高介电常数反铁电材料p b z r 0 3 及相关材料作为微波介质的研究在近几 年也取得进展，k a g a t a t 5 5 】等人发现当p b z r 0 3 中的部分p b 被c a 取代时，介电常数 下降，q 值增加，更重要的是t c f 随c a 的增加由正变到负，这个结果引起了人们 对这个系列材料的研究兴趣，它可以获得t c f = 0 的高介电常数和在应用中可接受 的q 值。当x = 0 4 5 ，y - - - o 1 5 时( p b l x c a x ) ( z n 叫t i y ) 0 3 筝j q f = 2 0 0 0 ，介