微波介电陶瓷_图文

1、电 子 陶 瓷 第六章 微波陶瓷1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2一 微波陶瓷概述1 概念微波陶瓷(介质是指应用于微波频段( 300MHz3000GHz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。3 一 微波陶瓷概述2 微波频段四个分波段:¾分米波段:=1m10cm, f=300MHz3GHz, 称为特高频段 UHF¾厘米波段:=10cm1cm, f=3GHz 30GHz, 称为超高频段 SHF¾毫米波段:=1

2、cm1mm, f=30GHz300GHz, 称为极高频段 EHF¾亚毫米波段:=1mm0.1mm, f=300GHz3000GHz称为极超高频段 SEHF5一 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 0300MHz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6 10二 微波陶瓷基本特征2 品质因数 Q在微波频率下

3、,介质损耗 tan 要小,或者品质因数 Q 要高 (1/ tan 。一般要求 tan <10-4, Q >1000。 高 Q 有利于获得良好的滤波特性及通讯质量。 14二 微波陶瓷基本特征¾经验规律:r 、 Q 及 f 具有下列的经验规律:ln r =x 1ln r1+x 2ln r2(1 1/Q =x 1/Q1+x 2/Q2(2f =x 1f1+x 2f2(3以上三式表明:微波介质陶瓷体系若有多相存在 时,它的 r 、 Q 及 f 为各相值之和,其中 x 1、 x 2分别 为各相的体积分数。用 f 的加和性,可使微波介质陶瓷体系 f 做到可 调节。15三 微波陶瓷性能测

4、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 r 、 Q 。 f 可通过与控温箱联用测出。16三 微波

5、陶瓷性能测试 陶瓷微波性能测量方法四 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1718四 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 CaTiO 3, CaZrO 3, BaZrO 3等;2 A位复合钙钛矿化合物,即 A 位由 (A

6、1+1/2, A3+1/2 复合组成:如 (Na1/2La 1/2TiO 3, (Li1/2Pr 1/2TiO 3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(Co1/3Nb 2/3O 3, Ba(Mg1/3Ta 2/3O 3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 (Pb0.7Ca 0.3ZrO 3, (Pb0.4Ca 0.6(Mg1/3Nb 2/3O 3等。19四 微波陶瓷体系¾类钙钛矿体系 (BaO-Ln2O 3-TiO 2BaO

7、-Ln 2O 3-TiO 2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 r 位居微波介质陶瓷材料之首,且随着组成的变动, r 可在 2090(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:Ln 2O 3:TiO 2 =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 、 Bi 2O 3置换,或全部用 CaO 、 Li 2O 取代或 CaO-Li 2O 复合取代。在 l2GHz范围内,该体系所具 有的 Q ·f 值,已

8、能满足手机实际使用要求。四 微波陶瓷体系¾钛铁矿体系MgTiO 3陶瓷 Q=20000(10GHz。 MgTiO 3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-Al2O 3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 FeTiO 3 、 NiTiO3、 CoTiO 3、MnTiO 3、 MgTiO 3、 ZnTiO 3等。20四 微波陶瓷体系 ¾钛铁矿体系另外,由于钛酸盐的 f 为 负值 ,而

9、TiO2陶瓷具有高的 r 和低的损耗 (r=104, Q·f=42000GHz ,且f 为正并且较大 (f= +450ppm/ 。这样考虑到 f的 加 和 性 , 可 研 制 出 TiO2M 2+TiO 3(M2+=Zn , Mn , Fe 系列陶瓷,这些系列均能获得 f 为零的陶瓷 材料。如 ZnTiO3-TiO 2体系。21 23 研究示例 1:Low loss dielectrics in Pb(Mg1/3Nb 2/3O 3-SrTiO 3system In this study, the low loss paraelectric-phase SrTiO3 isincorpo

10、rated into the Pb(Mg1/3Nb 2/3O 3 matrix.2001, 40: 4961-496424 研究示例 2:A novel Low Temperature Co-firing Ceramic (LTCC material for telecommunication devicesIn this study, the sintering temperature of the well-known dielectric ceramic (MgTiO3-CaTiO 3 was decreased from 1360o C to 900o C, suitable for the LTCC process. MMT-20 (MgCaTiO3 (2.3 mol%CaTiO3 ZSB(g, 60.3 mol% ZnO, 12.6 mol%SiO 2and 27.1 mol% B2O 3 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