微波介電陶瓷_圖文

1、電 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 微波陶瓷性能測試四 微波陶瓷體系五 微波陶瓷應(yīng)用2一 微波陶瓷概述1 概念微波陶瓷(介質(zhì)是指應(yīng)用于微波頻段( 300MHz3000GHz電路中作為介質(zhì)材料并完 成一種或多種功能的陶瓷?？梢杂米魑⒉娐分械慕^緣基片材料,也是 制造微波介質(zhì)濾波器和諧振器的關(guān)鍵材料。3 一 微波陶瓷概述2 微波頻段四個(gè)分波段:¾分米波段:=1m10cm, f=300MHz3GHz, 稱為特高頻段 UHF¾厘米波段:=10cm1cm, f=3GHz 30GHz, 稱為超高頻段 SHF¾毫米波段:=1

2、cm1mm, f=30GHz300GHz, 稱為極高頻段 EHF¾亞毫米波段:=1mm0.1mm, f=300GHz3000GHz稱為極超高頻段 SEHF5一 微波陶瓷概念2 微波特點(diǎn)¾微波的波長很短、方向性極強(qiáng),很適合于雷達(dá)等用 來發(fā)現(xiàn)和跟蹤目標(biāo)¾微 波 的 頻 率 高 、 信 息 容 量 大 , 在 其 300MHz 3000GHz 范圍內(nèi)所包含的可使用波段數(shù)是 0300MHz的長、中、短波范圍內(nèi)所包含的可使用波段的 1000倍,有利于用來進(jìn)行微波通訊¾微波能穿透高溫的電離層,特別適用于衛(wèi)星通訊6 10二 微波陶瓷基本特征2 品質(zhì)因數(shù) Q在微波頻率下

3、,介質(zhì)損耗 tan 要小,或者品質(zhì)因數(shù) Q 要高 (1/ tan 。一般要求 tan <10-4, Q >1000。 高 Q 有利于獲得良好的濾波特性及通訊質(zhì)量。 14二 微波陶瓷基本特征¾經(jīng)驗(yàn)規(guī)律:r 、 Q 及 f 具有下列的經(jīng)驗(yàn)規(guī)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:微波介質(zhì)陶瓷體系若有多相存在 時(shí),它的 r 、 Q 及 f 為各相值之和,其中 x 1、 x 2分別 為各相的體積分?jǐn)?shù)。用 f 的加和性,可使微波介質(zhì)陶瓷體系 f 做到可 調(diào)節(jié)。15三 微波陶瓷性能測

4、試兩端短路型介質(zhì)諧振器法 (Hakki-Coleman法 :準(zhǔn)確度高,無損測試,國際通用。1970年由 Hakki 和 Coleman 提出,又名平行板諧振法 或圓柱型介質(zhì)諧振器法。原理:將一個(gè)圓柱型的陶瓷諧振器放在兩個(gè)無限大彼此平行的導(dǎo)電 金屬板之間的中心,構(gòu)成一個(gè)半封閉型的傳輸諧振器,在兩個(gè)導(dǎo) 電板間諧振器的兩側(cè)分別插入兩個(gè)探針型耦合天線,用以饋入和 取出微波功率。探針連接到微波網(wǎng)絡(luò)分析儀,借以標(biāo)定諧振頻率、 插入損耗及諧振腔兩側(cè)的譜振線寬。由該系統(tǒng)可以測出一系列模 式的諧振頻率,然后根據(jù)相應(yīng)的微波與電磁場理論可以計(jì)算出微 波陶瓷的 r 、 Q 。 f 可通過與控溫箱聯(lián)用測出。16三 微波

5、陶瓷性能測試 陶瓷微波性能測量方法四 微波陶瓷體系¾鈣鈦礦體系鈣鈦礦化合物可以用 ABO3來表示, A 、 B 位可以是單一離子,也可由 2個(gè)離子復(fù)合而成。鈣鈦礦體系原本是用于制備多層電容器元件的,但 J.Kato研究了它們在微波頻率下的介電特性,發(fā)現(xiàn)其在微波頻率下同樣具有較高的介電常數(shù)和 Q值,同時(shí)具有近于零的諧振頻 率溫度系數(shù)。 鈣鈦礦結(jié)構(gòu)1718四 微波陶瓷體系¾鈣鈦礦體系已研究的鈣鈦礦化合物主要可分成下列 5種:1 單純鈣鈦礦化合物,即 A 、 B 位均是單一離子:如 CaTiO 3, CaZrO 3, BaZrO 3等;2 A位復(fù)合鈣鈦礦化合物,即 A 位由 (A

6、1+1/2, A3+1/2 復(fù)合組成:如 (Na1/2La 1/2TiO 3, (Li1/2Pr 1/2TiO 3等;3 B位復(fù)合鈣鈦礦化合物,即 B 位由 (B2+1/3, B5+2/3 、 (B3+1/2, B5+1/2 或 (B3+2/3, B6+1/3 等復(fù)合組成:如 Ba(Co1/3Nb 2/3O 3, Ba(Mg1/3Ta 2/3O 3等;4 前述鈣鈦礦化合物間的復(fù)合;5 含 Pb 的鈣鈦礦化合物:如 (Pb0.7Ca 0.3ZrO 3, (Pb0.4Ca 0.6(Mg1/3Nb 2/3O 3等。19四 微波陶瓷體系¾類鈣鈦礦體系 (BaO-Ln2O 3-TiO 2BaO

7、-Ln 2O 3-TiO 2系是目前開展工作較多的微波陶瓷系統(tǒng)之 一,其中 Ln 為鑭系稀土元素,如 Nd , Sm , La 等。這類材料的介 電系數(shù) r 位居微波介質(zhì)陶瓷材料之首,且隨著組成的變動, r 可在 2090(或更高相當(dāng)大范圍內(nèi)變化。Ln3+可以是鑭系元素中任一元素或它們之間的復(fù)合,當(dāng) r (BaO:Ln 2O 3:TiO 2 =1:1:4或 1:1:5時(shí),材料的介電性能 最佳。 BaO 可以部分用 SrO 、 PbO 、 Bi 2O 3置換,或全部用 CaO 、 Li 2O 取代或 CaO-Li 2O 復(fù)合取代。在 l2GHz范圍內(nèi),該體系所具 有的 Q ·f 值,已

8、能滿足手機(jī)實(shí)際使用要求。四 微波陶瓷體系¾鈦鐵礦體系MgTiO 3陶瓷 Q=20000(10GHz。 MgTiO 3具有的鈦 鐵礦結(jié)構(gòu),實(shí)際上是一種有序型剛玉結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu) 和-Al2O 3中一樣,氧離子按六方密堆排列,不同的 是兩個(gè) Al3+為 Mg2+和 Ti4+取代。這種取代是很有規(guī)律 的,例如一層的 Al3+全為 Mg2+取代,另一層全為 Ti4+所取代,兩層交疊排列。屬于這類氧化物的有 FeTiO 3 、 NiTiO3、 CoTiO 3、MnTiO 3、 MgTiO 3、 ZnTiO 3等。20四 微波陶瓷體系 ¾鈦鐵礦體系另外,由于鈦酸鹽的 f 為 負(fù)值 ,而

9、TiO2陶瓷具有高的 r 和低的損耗 (r=104, Q·f=42000GHz ,且f 為正并且較大 (f= +450ppm/ 。這樣考慮到 f的 加 和 性 , 可 研 制 出 TiO2M 2+TiO 3(M2+=Zn , Mn , Fe 系列陶瓷,這些系列均能獲得 f 為零的陶瓷 材料。如 ZnTiO3-TiO 2體系。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 微波陶瓷應(yīng)用 在微波電路中的應(yīng)用主要有以下幾方面： ¾ 用作微波電路的介質(zhì)基片 起著電路元器件及線路的承載、支撐和絕緣作用； ¾ 用作微波電路的電容器 起著電路或元件之間的耦合及儲能作用； ¾ 用作微波電路