(无机)介电材料与元器件：第四章 微波介质陶瓷

1、第四章 微波介质陶瓷介电材料与器件介电材料与器件 微波通常定义为在电磁波谱中300MHz-300GHz的频率范围或者是波长为1mm至1m介电材料与器件射频/微波的特性 因此,可以制成尺寸、体积合适的天线,用来传输信息,实现通信；可接收物体所引起的回波或其他物体发射的微弱信号,用来确定物体的方向、距离和特征,实现雷达探测射频/微波的基本特性导致其应用于现代通讯似光性射频/微波能像光线一样在空气或其他媒体中沿直线以光速传播,在不同的媒体界面上存在入射和反射现象。这是因为射频/微波的波长很短,比地球上的一般物体（如舰船、导弹、房屋等）的几何尺寸小的多或在同一个数量级。当射频/微波照射到这些物体上时将

2、产生明显的反射,对于某些物体将会产生镜面反射介电材料与器件 射频/微波照射某些物体时,能够深入物体的内部。微波（特别是厘米波段）信号能穿透电离层,成为人们探测外层空间的宇宙窗口；能够穿透云雾、植被、积雪和地表层,具有全天候的工作能力,是遥感技术的重要手段；能够穿透生物组织,是医学透热疗法的重要方法；能穿透等离子体,是等离子体诊断、研究的重要手段穿透性介电材料与器件一般情况下,射频/微波的量子能量还不够大,不足以改变物质分子的内部结构或破坏物质分子的键结构。由物理学可知,在外加电磁场周期力的作用下,物质内分子、原子和原子核会产生多种共振现象,其中,许多共振频率就处于射频/微波频段。这就为研究物质

3、内部结构提供了强有力的实验手段,从而形成了一门独立的分支学科微波波谱学。另一方面,利用物质的射频/微波共振特性,可以用某些特定的物质研制射频/微波元器件,完成许多射频/微波系统的建立非电离性介电材料与器件射频/微波频带比普通的中波、 短波和超短波的频带要宽几千倍以上,这就意味着射频/微波可以携带的信息量要比普通无线电波可能携带的信息量大的多。因此,现代生活中的移动通信、 多路通信、 图像传输、 卫星通信等设备全都使用射频/微波作为传送手段。射频/微波信号还可提供相位信息、 极化信息、 多普勒频移信息等。这些特性可以被广泛应用于目标探测、 目标特征分析、 遥测遥控、 遥感等领域。信息性介电材料与

4、器件微波加热利用的是微波的什么特性？为什么不能将金属放入微波炉中？微波通讯应用领域的使用频率会否越来越高？思考介电材料与器件微波煮食法水分子以 表示；食物分子以 表示。磁電管產生微波，微波以每秒25億次的頻率拉動食物中的水分子。水分子間的此種快速運動形成摩擦，因而生熱。熱能傳導至附近的食物分子。介电材料与器件虽然微波经常用频率来表示，其实它与其他波段的真正区别来自于辐射源。微波波谱被分成几个不同的波段介电材料与器件微波频率使用范围介电材料与器件长程军事雷达搜索工作范围在450MHZ左右；超高频电视广播在470-870MHZ；大多数蜂窝电话信号在900MHZ左右；空中交通控制雷达频率稍高于1GH

5、Z；从外空发射信号到地球的空间遥测系统频率稍低于2GHZ；通过对流层散射而获得长程通讯的对流层通讯系统应用稍高于2GHZ的频率；微波加热设备工作在2.45GHz；机场雷达搜索工作在稍高于3GHZ频率；点对点微波中继，便携式电话，电视频道等信号频率稍低于4GHz；人造通讯卫星，向下传输在4GHZ频率，向上传输在6GHZ频率；演播室发射机连接在稍高于7GHZ，播音和电视信号从演播室发射到发射机处；机载射击控制雷达在10GHZ；稍高于10GHZ的频率为另一个电话通讯的微波中继信号；稍低于20GHZ为另一卫星向下传输带，向上传输带为稍高于30GHZ，这些带也可能用于将来卫星通讯；警察雷达设定在24GH

6、Z和10.25GHz。大气高吸收的频率在30-300GHz, 长程通讯和雷达系统应用不大实际，但是可以不被大气吸收而传播的大气窗仍然存在于这些带之间。导弹搜寻系统就用了94GHZ的大气窗。介电材料与器件 无线电报 1895年，意大利马可尼成功地进行了2.5公里距离的无线电报传送实验。1896年，波波夫进行了约250米距离的类似试验, 1899年, 无线电报跨越英吉利海峡的试验成功；1901年，跨越大西洋的3200公里距离的试验成功。马可尼以其在无线电报等领域的成就，获得了1909年的诺贝尔奖金物理学奖。无线电报的发明，开始了利用电磁波时期。相关发展历史介电材料与器件雷达（Radio Detec

7、tion and Ranging） 二次世界大战前夕，飞机成为主要进攻武器。英、美、德、法等国竞相研制一类能够早期警戒飞机的装置。1936年，英国的瓦特设计的警戒雷达最先投入了运行。有效地警戒了来自德国的轰炸机。1938年，美国研制成第一部能指挥火炮射击的火炮控制雷达。1940年，多腔磁控管的发明，微波雷达的研制成为可能。1944年，能够自动跟踪飞机的雷达研制成功。1945年，能消除背景干扰显示运动目标的显示技术的发明,使雷达更加完善。在整个第二次世界大战期间,雷达成了电磁场理论最活跃的部分。介电材料与器件卫星通信技术 1958年, 美国发射低轨的“斯科尔”卫星成功,这是第一颗用于通信的试验卫

8、星。1964年,借助定点同步通信卫星首次实现了美、 欧、非三大洲的通信和电视转播。1965年,第一颗商用定点同步卫星投入运行。1969年, 大西洋、太平洋和印度洋上空均已有定点同步通信卫星,卫星地球站已遍布世界各国，这些卫星地球站又和本国或本地区的通信网接通。卫星通信经历10年的发展，终趋于成熟。介电材料与器件 卫星定位技术 1957年卫星发射成功后，人们试图将雷达引入卫星，实现以卫星为基地对地球表面及近地空间目标的定位和导航。1958年底，美国开始研究实施这一计划，于1964年研究成功子午仪卫星导航系统。1973年美国提出了由24颗卫星组成的实用系统新方案，即GPS计划。它是英文Naviga

9、tion Satellite Timing and Ranging /Global Positioning System 的字头缩写NAVSTAR/GPS的简称，其含义是利用导航卫星进行测时和测距。1990年最终的GPS方案是由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。介电材料与器件人造衛星圖介电材料与器件微波图全天域360度宇宙微波背景輻射影像照介电材料与器件微波介质谐振器的发展1936-1937年, 贝尔电话实验室的Southworh和同事们从电子通讯的观点研究了相关电介质圆柱体波导的性质1897年，Rayleigh无限长的电介质圆柱体可以导通一定频率的电磁波Hansen指出如果长的电介质绕成

10、环状，且端点连接在一起，它将永久的一圈圈的导通一定频率的波, 充当电子谐振器的作用介电材料与器件 美国的Richtmyer在1939年发展了谐振器的理论，创造性提出一个概念他理论上证明了谐振频率可以从谐振器发射到自由空间，并能被其他器件接收，可以在电子通讯方面发挥作用电介质谐振器由于社会没有对微波器件的足够应用需求，电介质谐振器直到60年代末才得以大力发展。介电材料与器件1962年Silverman测量了SrTiO3的微波介电损耗；Okaya和Barash在同一年测量了50K至室温的TiO2和SrTiO3单晶在GHz下的介电常数，用的方法是补偿发射线法。 1960年， Hakki和Colema

11、n用平行金属板样品放置法(parallel metal plate sample holder), 简单且精确地测量了微波频率下的介电特性Yobayashi在后来改良了此法。测量方法的发明，大大推动了微波材料的研究。 在60年代，几位科学工作者研究了电介质在微波频率下的性质，并试图制造微波器件介电材料与器件1968年，Cohn用TiO2陶瓷设计了第一个微波滤波器，但是这个滤波器并没有得到实际应用，因为它的比较大的频率温度系数450oC/ppm1972年Masse等发展了BaTi4O9陶瓷1974年美国贝尔实验室OBryan等发展了Ba2Ti9O20陶瓷1977年，(MATSUSHITA ELE

12、CT IND CO LTD) Kawashima等人研究了Ba(Zn1/3Ta2/3)O3微波介电陶瓷。直到介电材料与器件在BaO-TiO2二元陶瓷成功应用于微波领域的同时，其他原应用于低频的温度稳定电介质也受到大力关注如MgTiO3-CaTiO3体系(1977年，MURATA MANUFACTURING CO LTD Wakino等)ZrO2-TiO2-SnO2体系(西门子AG, Wolfram等，1981年)Kolar 等人1978年在BaO-Nd2O3-TiO2体系发展了高介电常数的微波介质陶瓷介电材料与器件微波介质陶瓷的重要参数介电常数品质因数温度系数介电材料与器件在微波频率下，主要是

13、电子和离子极化机制对偶极矩和介电常数起主导作用。由于电子位移极化在介电常数中所占成分极小，所以起主要作用的是离子极化。经典介电函数公式：在微波频率下复介电常数介电材料与器件 当谐振器长度L正好等于半波长的整数倍时，在长度方向上发生谐振。谐振器尺寸与介电常数的平方根成反比 从元件的小型化考虑，通常需要高的介电常数，因为微波元件的尺寸与介电常数的平方根成反比 当微波在电介质材料中传播时，其波长与在空气中传播时的波长具有以下关系介电材料与器件品质因数品质因数Q是微波系统能量损耗的一个度量标准。微波谐振器的损耗是由介质损耗，导体损耗，辐射损耗和外部损耗等4个部分组成。其中Qd介质品质因数，Qc导体品质

14、因数，Qr辐射品质因数W是所有储存的电能，w是谐振角频率，P代表不同途径耗散的能量。这些项的总和被称为空载品质因数。介电材料与器件QL可以从实验所得的谐振峰计算有载品质因素定义介电材料与器件谐振频率温度系数在最简单的基本模中，标准波的波长近似等于谐振器的宽度(ld=D) 这里几个微分项分别是谐振频率温度系数，线性膨胀系数，介电常数温度系数上述公式对温度微分可得到谐振频率温度系数：表征谐振器热稳定的参数，意味着随着温度改变，谐振频率的偏移量所以标准波的频率为介电材料与器件温度稳定的电子器件，比如蜂窝电话，需要微波谐振器的温度系数尽可能接近0。微波电路中通常有一些比较低的tf值，所以谐振器有时需要

15、去补偿这些内在的偏移值，所以谐振器的tf值通常非0，但非常小。上面公式又可以简单写为实验上， tf可以通过测量谐振峰频率随温度变化的偏移来获得介电材料与器件微波介质陶瓷 er和Qf 低介电常数 频率捷变 超低损耗 钙钛矿 新型钨青铜 焦绿石BaTiO 微波介质陶瓷 规律分类结构 代表er和tf 中介电常数 高介电常数 ZrTiO BaZnTaO 介电材料与器件介电材料与器件介电常数与品质因数的关系1介电材料与器件介电常数与品质因数的关系2介电材料与器件介电常数与温度系数的关系介电材料与器件介电材料与器件钙钛矿材料简单钙钛矿复合钙钛矿缺陷钙钛矿八面体扭转离子有序介电材料与器件简单钙钛矿材料常见简

16、单钙钛矿化合物有：CaTiO3,CaZrO3,SrTiO3,LaAlO3等谐振频率温度系数为零时的固溶体有：(Ba,Sr)ZrO3,Sr(Zr,Ti)O3等结构许容因子分子式：ABO3结构许容因子越接近1钙钛矿相稳定这类微波介质的特征:固溶体;温度系数可调，可获得近零温度系数; Qf值可达到数万介电材料与器件简单钙钛矿陶瓷的有关微波性能组分介电常数品质因数Qf(GHz)谐振频率温度系数tf(ppm/oC)CaTiO31758320930SrTiO330433001700CaZrO33026400-27SrZrO33013600-60BaZrO3358800SmAlO320.465000-74N

17、dAlO322.358000-33LaAlO319.624500-56介电材料与器件复合钙钛矿材料 钙钛矿结构具有很强的通融性，以致可以用多种不同化合价的离子置换A或B位离子。若以一般的形式表示这种复合钙钛矿，就成(A1, A1,. Am)( B1, B1Bn)O30 xAi1, 0 xBj1,xAi和xBj为各离子的摩尔分数;kAi和kBj为各离子的化合价介电材料与器件复合钙钛矿因为在微波频率下有着非常高的品质因素所以得到广泛的关注，尤其是Ba基，如BaMg1/3Ta2/3O3在复合钙钛矿材料中，提高材料的有序度，通常能大幅度提高材料的品质因数。介电材料与器件缺陷型钙钛矿以Ba.Ln.TiN

18、b等离子为示范，分子式: Ban-mLnmTin+m-5Nb4-mO3n其中0m4, 5n, 当m分别为0和4时，为BanTin-5Nb4O3n和Ban-4Ln4Tin-1O3n, 其中当n为5时，为 Ba5Nb4O15 和BaLn4Ti4O15, Ba也可被Ca和Sr等置换。分子式：AnBn-1O3n代表性材料：Ba5Nb4O15B位阳离子缺陷型钙钛矿引起了广泛关注，因为A位可以被2价和3价占据，B位可以被4价和5价占据，形成了一个非常大的一类介电材料与器件erQf(GHz)tf(ppm/oC)Ba5Nb4a4LaTiNb3a2La3Ti3

19、NbO1542.821700-8BaLa4Ti4O154547000-11SrLa4Ti4O1543.850200-14CaLa4Ti4O1541.150240-25Ba5Nb4O15介电材料与器件氧八面体扭转氧八面体总是会绕某一对称轴发生扭转相邻的氧八面体也会发生扭转xyDISPLAY First layer Second layer+ tilting about 001 DISPLAY DISPLAY介电材料与器件Second LayerFirst Layer-+- - ? + -? - -+ + + +- ? - - + + + + +ba- ? - + - -? - -介电材料与器件扭

20、转类型的几个原则分别用+,-,0来表示延扭转轴近邻八面体同向，反向和不转，如:a+b-c0钙钛矿结构中只有23种八面体扭转形式假设在双倍(doubled)晶胞中同向扭转(inphase + tilt)会导致奇-奇-偶的XRD晶格衍射峰,如：c+ 130, 310反向扭转(antiphase + tilt)会导致奇-奇-奇的XRD晶格衍射峰,如： c- 131, 311介电材料与器件Serial numberSymbolSpace group3-tilt systems(1)a+b+c+apbp cp Immm(No.71)(2)a+b+b+apbp=cpImmm (No.71)(3)a+a+a

21、+ap=bp=cpIm3 (No.204)(4)a+b+c-apbpcpPmmn (No.59)(5)a+a+c-ap=bpcpPmmn (No.59)(6)a+b+b-apbp=cpPmmn (No.59)(7)a+a+a-ap=bp=cpPmmn (No.59)(8)a+b-c-apbpcp, a90oA21/m11 (No.11)(9)a+a-c-ap=bpcp , a90oA21/m11 (No.11)(10)a+b-b-apbp=cp , a90oPmnb (No.62)(11)a+a-a-apbp=cp , abg90oPmnb (No.62)(12)a-b-c-apbpcp ,

22、abg90oF (No.2)(13)a-b-b-apbp=cp , abg90oI2/a (No.15)(14)a-a-a-ap=bp=cp , a=b=g=90oR c (No.167)2-tilt systems(15)a0b+c+apbpcpImmm (No.71)(16)a+b+b+apbp=cpI4/mmm (No.139)(17)a0b+c-apbpcpBmmb (No.63)(18)a0b+b-apbp=cpBmmb (No.63)(19)a0b-c-apbpcp , a90oF2/m11 (No.12)(20)a0b-b-apbp=cp , a90oImcm (No.74)1-

23、tilt systems(21)a0a0c+ap=bpcpC4/mmb (No.127)(22)a0a0c-ap=bp2/3时，A2位置空位的引入导致结构不稳定。通常较大的阳离子主要分布在A1和A2位置介电材料与器件介电性能影响因数材料的Qf值受稀土元素离子半径大小影响，当同为x=2/3处，Ba离子与Rn离子半径相差越大，内应力越小，品质因素越高介电常数主要受三个因素影响TiO6八面体的体积；氧八面体的倾斜；Rn和Ba的极化率 在早期的114陶瓷的研究中，科学工作者经常搀入Pb或者Bi来获得高介电常数和近零谐振频率温度系数介电材料与器件介电常数通常TiO6八面体体积越大，Ti离子活动空间越大，

24、极化率越大，介电常数越高，在固溶体Ba6-3xLn8+2xTi18O54中，x增加，晶胞体积增加很小，所以必须考虑TiO6倾斜带来的贡献。Ba6-3xLn8+2xTi18O54 中，当x增加时，2个Ln置换3个Ba，整个分子极化率随x的增加而减少导致最终介电常数降低。同样，随着原子序数的增加，Ln元素离子极化率降低，导致介电常数降低。氧八面体的倾斜角的变化与晶格参数成反比，当x增加时，晶胞体积减小，倾斜角增加介电材料与器件温度系数x增加，晶胞体积减小，谐振频率温度系数朝负方向发展；稀土元素元素原子序数增加，离子半径减小，谐振频率温度系数向负方向发展。虽然温度系数的变化仍然没有理解透彻，但是谐振

25、频率温度系数随着晶胞体积的增加而向正方向发展，很可能来自于氧八面体的倾斜，因为体积减小，倾斜角增加，才能给谐振频率温度系数带来负的贡献，如在钙钛矿中一样具体表现谐振频率温度系数近0的陶瓷可以通过不同的正负温度系数补偿获得，具体方法之一是不同稀土元素之间互相置换介电材料与器件焦绿石结构 结构分析性能分析 发展历史介电材料与器件Bi 基焦虑石结构如Bi2O3-ZnO-Nb2O5，因为低烧结温度和高介电常数，早在1970年代就被研究；1990年，Yan等系统研究了Bi2O3-ZnO-Nb2O5陶瓷的晶体结构和介电性能，发现介电常数在70-165间，温度系数为500ppm/oC，烧结温度小于银的熔点；

26、1992年研究了Bi2O3-(CaO,ZnO)-Nb2O5陶瓷的微波性能；1993年Liu等在Bi2O3-ZnO-Nb2O5中，分别考察了BixZn2/3Nb4/3O4+3x/2, BixZn8/3-xNb4/3O6+x/2, BixZn2-2x/3Nb2-x/3O7 等三个系统在各自x范围内的晶体结构和介电关系。虽然早期工作对晶体结构和介电性能重复性差，并理解有偏差，但随着众多科学实验的进行，Bi2O3-ZnO-Nb2O5体系内晶体结构与介电性能逐渐明朗。发展历史介电材料与器件介电材料与器件结构介电材料与器件有关性能2个最受关注的成分是Bi2(Zn2/3Nb4/3)O7和Bi1.5Zn1.0

27、Nb1.5O7前者为Zirconalte结构，早期也被叫做正交焦虑石结构，空间群为C2/c, 晶胞参数为a=13.103,b=7.673,c=12.158,b=101.318o介电常数温度系数170ppm/oC, 介电常数80,Qf2500GHz后者为立方焦虑石结构，介电常数130，10G下tand=0.115,TCC=-390ppm/oC介电材料与器件通过控制BiNbO4的出现，陶瓷可与Ag共烧。Guha指出当出现液相时，2者结构会随成分偏移而变化Valant指出，A/B的比值将导致结构的变化，而且固溶体范围也随着变化介电材料与器件低介电常数类介电常数:e50,000GHz应用领域:大多数高

28、纯度的低介装置瓷通过适当改性都符合这一类要求，如：刚玉，镁橄榄石等一些高温超导材料在室温下具有良好的微波特性如：Y2BaCuO5等一些其他结构材料，如SrLaAlO4介电材料与器件中介电常数类中介电常数:20-70，品质因数为数千到数万多代表性陶瓷有ZrO-TiO2,Ba2Ti9O20等钙钛矿及类钙钛矿材料等columbite钶铁矿介电材料与器件高介电常数类高介电常数:70Ba6Ln8Ti18O54,Li2O-Ln2O3-TiO2-CaO铅基钙钛矿系列Bi焦绿石系列铌钽酸银系列其他如Bi2O3-TiO2介电材料与器件Li2O-CaO-Ln2O3-TiO2体系 这个体系本质上是Li0.5Ln0.

29、5TiO3与CaTiO3或者(Ca,Ln)TiO3化合物的固熔体最先由Takahashi等人报导了一批高介电常数，较大的负谐振频率温度系数的材料Li0.5Ln0.5TiO3当它与其他的高介电常数，较大的正谐振频率温度系数的材料如CaTiO3或(Ca,Ln)TiO3复合时，就能获得近零谐振频率温度系数，且保持高介电常数。如CaTiO3- Li0.5Nd0.5TiO3介电材料与器件Ag(Nb,Ta)O3系列Kim等加入2%的CuO可以在920度烧结，France等用Cu直接置换，Hu等用Bi置换ANT，也都在单相材料中获得了温度稳定的陶瓷。AgNbO3和AgTaO3的研究最初兴趣是其中的复杂相变，

30、随后Kana等研究了Ag(Nb,Ta)O3陶瓷的介电性能，而且发现无序反铁电区在微波至100GHz没有发生驰豫现象Valant等深入研究了ANT的成分化学，并对微波性能进行测试。利用粗大颗粒混合可以控制成分组成，获得2种成分共存的陶瓷，并获得了温度稳定陶瓷。是目前所知介电常数最高400，且温度系数可以调节到复合应用范围的材料(50ppm/oC)介电材料与器件介电材料与器件AgNb1-xTaxO32种成分粉末混合得到的性能介电材料与器件Lead based 钙钛矿但Kato等人1992年，研究了钙置换铅后， 其在微波频率下的介电性能，发现其具有高介电常数和较高的Qf值，所涉及的材料：(Pb,Ca

31、)ZrO3(Pb,Ca)Mg1/3Nb2/3O3(Pb,Ca)Ni1/3Nb2/3O3(Pb,Ca)Fe1/2Nb1/2O3(Pb,Ca)Li1/4Nb3/4O3随后又发现，在B位引入Ti离子，能提高介电常数和品质因数铅基钙钛矿系列长期用来制备低频电容器及压电器件等介电材料与器件韩国的kim, 上海大学的yang等，重点对(Pb,Ca)Fe1/2Nb1/2O3进行了深入研究。在这一类改性材料中，Ca离子，或CaFe1/2Nb1/2O3， CaTiO3的加入，作用首先是将相变点移向低温，且高温部分介电曲线变得平缓，甚至比CaTiO3更平缓，但如果想得到近零谐振频率温度系数，仍然需要终端产物为正谐

32、振频率温度系数，主要贡献是氧八面体的扭转所带来的贡献。介电材料与器件超低介电损耗类这类陶瓷主要是钡基复合钙钛矿陶瓷，如BaMg1/3Ta2/3O3，Qf值可高达40万GHz以上，还有Al2O3等，Qf值可达68万GHz 在厘米，毫米波段使用的卫星通讯以及军事应用等通讯系统要求介电材料在微波频率高频段（如10GHz）具有特别高的Q值，即特别低的介电损耗但这类陶瓷的烧结工艺始终需要改善介电材料与器件微波电场可调类 1961年美国斯坦福大学D.A.Johnson等人撰写了题为“陶瓷非线性介质的微波特性”的报告，为铁电陶瓷移相器的研究奠定了基础，从此人们开始将这种非线性介质材料一应用于微波器件。早在1

33、954年，美国的C.B.Sharpe和C.G.Brokus对铁电微波材料特性进行了研究介电材料与器件1963年美国军事电子实验室正式提出关于“微波铁电移相器及开关”(Microwave Ferroelectrics Phase Shifters and Switches)的报告，同年，发现用铁电陶瓷材料制作的电光波导相移器可以展示微波相移，但当时的所做器件损耗值高达5dB，波导结构和造价高等因素限制了它的发展，为满足相控阵天线的发展需要，电光相移器必须有强大的处理能力，低的插入损耗，快的开关速度，低的驱动功率，小的相移误差，小体积和轻型化。经过几十年的研究，直到80年代才有了不少论文发表，90

34、年代（1992-1998），美国军事电子实验室已经进入了电光相移器可行性研究阶段，此时，收到了普遍关注介电材料与器件几个重要参数可调度(tunability)介电损耗(tand)优化因子(Factor of Merit, FoM)介电常数(er) 介电材料与器件可调度(tunability)可调度是电场可调电介质陶瓷的最重要的性能参数，直接决定了材料体系的研究价值和应用前景。可调度定义：某特定工作温度和测试频率下，材料介电常数随外加直流偏置电场变化而变化的百分比可见，可调度是外加直流偏置电场的函数。追求高的可调度是电场可调电介质陶瓷领域的基本目标通常要求可调度最好能够达到50介电材料与器件介电

35、损耗(tand) 损耗问题是电场可调电介质材料研究面临的主要问题。例如微波调谐BST材料应用的主要难点就是介电损耗过高，影响器件的正常运行，降低器件的灵敏度。通常对电场可调电介质材料，要求在工作电压，温度和频率范围内，损耗应该低于0.01,且越低越好 介电损耗：极化行为不能跟上外场频率变化而出现介电弛豫时，发生的能量散失。通常包括两项，一是复介电常数虚部(e”)，另一是漏导损耗。测试频率w下，施加了电场的损耗可以表示为介电材料与器件优化因子(Factor of Merit) 自然，材料的优化因子越大越好对现有研究的电场可调电介质陶瓷材料的分析，高可调度和低介电损耗是一对互相制约的因素。可调度保

36、持在较高水平时，介电损耗也往往很高；一旦损耗可以控制和降低，可调度也不可避免地随之降低因此，引入一个综合考虑介电损耗和可调度的性能参数，以评估所研究的电场可调电介质材料，成为优化因子介电材料与器件介电常数(er) 介电常数是电介质材料的重要性能参数。电场可调电介质陶瓷材料实际应用中，如果介电常数过高，会严重影响器件的信号反应速度另一方面，高的介电常数还会造成系统整体的阻抗不匹配因此，根据实际应用领域和工作参数，调整材料的介电常数，是十分必需。介电材料与器件介电材料与器件Ba(Zn1/3Ta2/3)O3陶瓷实验证明，长时间的热处理得到改善的有序度，从而得到最高的Q值。纯材料如果要得到非常高的Q值

37、需要在1400oC处理100小时，不能满足商业应用的实际需求长时间热处理带来Q值变化，暗示着金属离子在晶格位置上的有序无序转变对介电性能具有重要影响完全的有序化过程是相当缓慢的，正常合成时通常得到高度无序的材料介电材料与器件 Davie等发现，在(1-x)Ba(Zn1/3Ta2/3)O3-xBaZrO3固溶体中，当x10000,Ba2Ti9O20, K=39, TCF=4ppm/oC,Q10000BaO-TiO2体系介电材料与器件因为材料Ti含量比较高，所以材料对烧结气氛非常敏感，低价置换可以一定程度抑制Ti离子的还原。化学-结构-性质比较特殊改变Ba/Ti比例，或者一些元素置换，导致陶瓷出现

38、杂相，但这些杂相可以一定程度改善陶瓷温度系数性能，所以这类材料常常希望获得多相混合物介电材料与器件ZrO2-TiO2体系 ZrTiO4材料看似简单其实复杂，是一种已经被广泛应用于微波器件中的材料。ZrTiO4 的晶体结构是a-PbO2型。当材料加热到1200oC或者以上时，熵对晶体的能量具有主要贡献，此时，Zr和Ti表现为完全无序。在低温时，由泡林规则可知，Ti应该是八面体配位，Zr应该是立方体配位，所以形成有序结构。介电材料与器件有序化的过程是缓慢的，在陶瓷加工过程中通常需要数小时，所以加工参数比如冷却速率，对最后相的形成有非常重要的影响。完全有序和无序之间的部分有序更加复杂，涉及到不同的钛

39、氧八面体和锆氧立方体的次序，他们依赖于冷却速率和具体的锆钛的比值。在阳离子有序化过程中，紧密堆积的氧晶格变形，导致一晶轴缩短。反之，可以通过观察晶轴的长短变化，来判断有序的变化介电材料与器件 ZrTiO4的晶体学特征对介电性能影响较小但很重要。高温下制备的纯ZrTiO4中，Zr和Ti完全无序，微波下的介电性能是，K=43,TCK=58ppm/oC,Q=3100；当样品在1050oC热处理长时间，得到了良好有序的Zr/Ti排列，微波介电性能是，K=38, TCK=76ppm/oC, Q=2100. 通常，无序导致Q值恶化，但在ZrTiO4中无序材料更高的Q值意味着仍有其他影响因数没有理解。介电材

40、料与器件虽然Zr/Ti的无序比较重要，但部分Sn替代Zr时表现并不突出。Sn替代Zr导致TCK减少至满足材料的实际应用。因为Zr，Ti和Sn都是4价，Sn既可能替代Zr也可能替代Sn，在一定范围内，将存在一个均匀区域，化学式为，Zr1-xTi1-ySnx+yO4。最好的性能出现在Sn置换Zr，分子式为Zr1-xSnxTiO4，固溶范围近似为0 x0.4。在组分为x=0.2和0.3时，最低的TCF和最高的Q值同时获得。在几乎同一成分，2个重要性质同时得到优化。 介电材料与器件通常，掺入第三元素至ZrTiO4一类材料中时，将更有利于无序的发生。因为部分混合导致熵增，从而使得无序相更稳定。从微观区域

41、来看，Sn替代材料的结构非常复杂施主和受主对ZrTiO4搀杂，对微波介电损耗具有不同影响。Michiura等用Fe2O3搀杂，大幅度增加的微波介电损耗解释为晶粒内大量的Fe3+离子和氧空位。当用Ta2O5搀杂时，材料在微波频率获得了高品质因素，甚至在还原气氛下进行热处理。高Q值被认为是Ta的电荷补偿，导致更少的氧空位。还原气氛热处理后的Ta搀杂的材料，在低频下具有高损耗，是空间电荷极化的影响。介电材料与器件内在损耗可以由远红外光谱来决定，所以这个方法现在长用来表征典型的微波陶瓷和相关物质。因为在远红外频率范围，内在损耗远大于外在损耗，所以远红外数据对加工条件没有在微波频率下测量敏感，远红外光谱

42、简化了寻找新的低损耗微波陶瓷。另一方面，可以推断是否通过先进加工手段如sol-gel法得到了微波陶瓷的最低损耗极限。用这个工艺，ZTS和BMT分别得到了Qf值为75000GHz，250000GHz的陶瓷。这些与从FIR数据计算的内在损耗结果一致。介电材料与器件微波电介质的应用基础理论介质谐振器的应用微波介质材料的测试介电材料与器件电磁能量是以电磁波的形式在传输线中传播的。传输线是用来引导电磁波做定向传播的一种导波结构，所以传输线又可称为波导。在传输线引导下定向传播的电磁波被称为导行电磁波，简称为导波。纵向电场为零的表示为TE波或TE模；纵向磁场为零的波型称为横磁波，表示为TM波或TM模。基础理

43、论介电材料与器件为了提高谐振频率，必须减小电路中的电感、电容；要获得高频谐振一般要通过减小元件和导线尺寸来实现。微波波长很短可与元件尺寸比拟，容易发生电磁辐射，一味减小尺寸，只会增加损耗。所以微波频段必须采用特殊的微波谐振电路。在普通的集中参数的电路里，一个电感器和一个电容器并联，便组成了一个最简单的LC并联谐振回路。介电材料与器件天线地线介电材料与器件矩形波导圆波导平行双线同轴线微带线传输线介电材料与器件微波滤波器是用来分离不同频率微波信号的一种器件。 微波滤波器按作用分类，可划分为低通、高通、带通和带阻等四种类型的滤波器 微波滤波器介电材料与器件为了描述滤波器的滤波特性，一般常用的是插入衰

44、减随频率变化的曲线。插入衰减的定义为式中Pi为滤波器所接信号源的最大输出功率，PL为滤波器的负载吸收功率。微波滤波器的主要技术指标有：工作频带的中心频率、带宽、通带内允许的最大衰减、阻带内允许的最小衰减、阻带向通带过渡时的陡度和通带内群时延的变化等。 介电材料与器件一、利用四分之一波长传输线并联电抗元件的滤波器 滤波器的结构是：在一特性阻抗为Z0的传输线上，每隔p/4的距离就并接一个电抗性元件(它的实际结构可以是短路支线、膜片或螺钉)，设其阻抗分别为Z1、Z2、Z3、Z4、Z5和Z6，RL是滤波器所接的负载。如图。 介电材料与器件二、利用高低阻抗线构成的滤波器 右图是利用高低阻抗线构成的微波滤

45、波器的原理性示意图及其等效电路。适当选取每段传输线的长度和它的特性阻抗，并按一定顺序把它们级联在一起，就构成了这种型式的滤波器。 实际中应用的滤波器远不止上面讲的这些，例如，利用耦合传输线之间的相互作用，利用谐振腔或许多谐振腔的级联等，都可以构成微波滤波器。介电材料与器件微波谐振器又称作微波谐振腔，它广泛应用于微波信号源、微波滤波器及波长计中。它相当于低频集中参数的LC谐振回路，是一种基本的微波元件。谐振腔是速调管、磁控管等微波电子管的重要组成部分。 微波谐振器可由一段两端短路或两端开路的传输线段组成，电磁波在其上呈驻波分布，即电磁能量不能传输，只能来回振荡。因此，微波谐振器是具有储能与选频特

46、性的微波元件。 微波谐振器可以定性地看作是由集中参数LC谐振回路过渡而来的，如图所示。 微波谐振器介电材料与器件 一、谐振器的电磁能量关系及品质因数Q 微波谐振器中电磁能量关系和集中参数LC谐振回路中能量关系有许多相似之处介电材料与器件但微波谐振器和LC谐振回路也有许多不同之处。1、LC谐振回路的电场能量集中在电容器中，磁场能量集中在电感器，而微波谐振器是分布参数回路，电场能量和磁场能量是空间分布的； 2、LC谐振回路只有一个谐振频率，而微波谐振器一般有无限多个谐振频率；微波谐振器可以集中较多的能量，且损耗较小，因此它的品质因数远大于LC集中参数回路的品质因数，另外，微波谐振器有不同的谐振模式

47、(即谐振波型)。微波谐振器有两个基本参量：谐振频率f0 (或谐振波长0 )和品质因数Q。介电材料与器件（一）谐振频率f0 谐振频率f0是指谐振器中该模式的场量发生谐振时的频率，也经常用谐振波长0表示。它是描述谐振器中电磁能量振荡规律的参量。（二）、品质因数Q 品质因数Q是微波谐振器的一个主要参量，它描述了谐振器选择性的优劣和能量损耗的大小，其定义为式中W0为谐振器中的储能，PL为谐振器中的损耗功率。介电材料与器件二、同轴谐振腔 同轴谐振腔通常分为/2型、/4型及电容加载型三种。其工作特点简要介绍如下。(一) /2型同轴谐振腔/2型同轴谐振腔由两端短路的一段同轴线构成介电材料与器件由上式可导出谐

48、振波长0与腔体长度l的关系为或/2型同轴谐振腔的品质因数为 当(b/a)=3.6时，同轴腔的品质因数Q0达最大。介电材料与器件(二) /4型同轴谐振腔 由于这类同轴腔内导体长度为0/4的奇数倍，故称为四分之一波长型同轴谐振腔。/4型同轴谐振腔 (三) 电容加载型同轴谐振腔 介电材料与器件三 矩形谐振腔 矩形谐振腔是由一段两端短路的矩形波导构成，它的横截面尺寸为ab，长度为l，如下图所示。 谐振波长谐振条件与/2型同轴谐振腔相同，波导中传输的波是色散波。介电材料与器件矩形谐振腔谐振波长计算公式 式中c为波导中相应模式的截止波长。此式也适用于圆柱谐振腔。对于矩形腔有TE101模的谐振波长为 它为最

49、低谐振模。 介电材料与器件四、圆柱谐振腔 圆柱谐振腔是由一段长度为l，两端短路的圆波导构成，其圆柱腔半径为R。圆柱腔中场分布分析方法和谐振波长的计算与矩形腔相同。式中m、n和p分别表示场分量沿沿圆周、半径和腔长度方向分布的驻波数。介电材料与器件 三种常用谐振模式圆柱腔中最常用的三个谐振模式为TM010模、TE111模和TE011模。TE011模 圆柱腔TE011模的谐振波长0的计算公式为介电材料与器件五、微带谐振器 由微带线构成的具有谐振特性的元件，总有一部分未被导体包围，未能构成腔体，所示称为微带谐振器。微带谐振器有微带线段谐振器、微带环形谐振器和微带盘形谐振器等形式。 （一）、/2和/4微带谐振器 微带线是一种准TEM波传输线，因此和同轴谐振腔