24微波復(fù)習(xí)課程

1.概述2.介質(zhì)諧振器3.微波介質(zhì)陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能4.主要的體系5.測(cè)試微波介質(zhì)陶瓷

1.概述：微波頻帶及微波陶瓷微波的波長(zhǎng)短，方向性強(qiáng)，可用于雷達(dá)來(lái)發(fā)現(xiàn)和跟蹤目標(biāo)；另外，由于微波頻率高，信息量大，非常適合于微波通訊；其對(duì)高空電離層的穿透性可用于衛(wèi)星通訊。近年來(lái)，移動(dòng)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(duì)微波領(lǐng)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(zhì)的微波介質(zhì)諧振器已成為國(guó)內(nèi)外高技術(shù)陶瓷研究的一個(gè)重要課題。微波特點(diǎn)“主動(dòng)拒止系統(tǒng)”(ActiveDenialSystem,ADS)

微波介質(zhì)陶瓷廣泛用于微波振蕩器和微波濾波器，而微波介質(zhì)諧振器是其基本器件。為了獲得高的品質(zhì)因數(shù)和減小尺寸，不同應(yīng)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(zhì)因數(shù)的限制，此類諧振器的品質(zhì)因數(shù)不會(huì)太高，但體積可以做得很小。在高頻下，可以采用介質(zhì)諧振器，由于不需要金屬化，其品質(zhì)因數(shù)可以做得很高。微波介質(zhì)陶瓷除可以用來(lái)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(zhì)諧振器1）集中參數(shù)的諧振回路：諧振回路的損耗通常用回路的品質(zhì)因數(shù)Q表示,Q越大損耗越小.并聯(lián)諧振回路的品質(zhì)因數(shù)等于:,rC、rL分別式電容和電感的內(nèi)阻缺點(diǎn)：受工藝技術(shù)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(shù)諧振回路的諧振頻率低于300MHz，Q值小于500。諧振器的本質(zhì)是什么？2）分布參數(shù)回路――空腔諧振器。它是一個(gè)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(dòng)模式有關(guān)。諧振腔的優(yōu)點(diǎn)之一是有較高的品質(zhì)因數(shù)，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(nèi)壁金屬的表面電導(dǎo)率和加工精度等因數(shù)。保持諧振腔有較高的Q值，同時(shí)縮小其體積，是微波器件小型化、集成化的一個(gè)重要方向。由電磁波理論知，如果電介質(zhì)的介電常數(shù)為r，那么介質(zhì)中的波長(zhǎng)為空氣中波長(zhǎng)的如果將電介質(zhì)填充諧振腔，諧振腔的尺寸也將縮小到按此原理設(shè)計(jì)的諧振腔即稱介質(zhì)諧振器。3.1微波介質(zhì)陶瓷的主要性能微波介質(zhì)陶瓷材料是制造微波元器件的關(guān)鍵材料，除了要求必備的機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性及經(jīng)時(shí)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(zhì)陶瓷要具有以下三個(gè)主要性能指標(biāo)：在微波頻率下，相對(duì)介電常數(shù)εr要大，一般要大于15。在介電常數(shù)為εr的介質(zhì)中，電磁波的波長(zhǎng)與成正比，而在同樣諧振頻率f0下，介質(zhì)諧振器的形狀與尺寸又取決于電磁波的波長(zhǎng)，即：其中：λ介—電磁波在介質(zhì)中的波長(zhǎng)，λ空—電磁波在空氣中的波長(zhǎng)，εr—介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)。因此，在同樣的諧振頻率f0下，εr越大，介質(zhì)諧振器的尺寸就越小，電磁能量也越集中于介質(zhì)體內(nèi)，受周圍環(huán)境的影響也越小。這既有利于介質(zhì)諧振器件的小型化，也有利于其高品質(zhì)化，目前高介微波介質(zhì)陶瓷的εr已超過100，以此來(lái)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(zhì)量。?RC并聯(lián)回路，BW以HZ為單位）=f0/QL

QL=RCf0

BW=1/RC

對(duì)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(zhì)諧振器件以陶瓷的某種振動(dòng)模式的諧振頻率作為其中心頻率。早期電介質(zhì)用于微波介質(zhì)諧振器的困難就在于此！其中

L為熱膨脹系數(shù)，

為介電常數(shù)溫度系數(shù)

同時(shí)滿足三個(gè)條件，微波介質(zhì)陶瓷的要求比較苛刻！3.2微波介質(zhì)陶瓷的主要材料及分類近年來(lái)，為了適用微波技術(shù)的需求，微波介質(zhì)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(zhì)材料。這些微波陶瓷可按介電性能和材料體系進(jìn)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(fù)合系統(tǒng)微波介質(zhì)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(jī)中作為介質(zhì)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(zhì)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(dá)及微波通信中作為介質(zhì)諧振器件。高介低Q類材料。主要是以簡(jiǎn)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(zhì)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(dòng)通信系統(tǒng)中作為介質(zhì)諧振器件。這是當(dāng)前微波介質(zhì)陶瓷研究的熱點(diǎn)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(shù)分類呢？？材料介電常數(shù)

r

Q

f(GHz)測(cè)試頻率(GHz)頻溫系數(shù)

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(zhì)材料及主要性能按組成系統(tǒng)特點(diǎn)，常用的微波介質(zhì)陶瓷材料可分為三個(gè)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(zhì)諧振器材料，并得到了廣泛的應(yīng)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(jīng)被忽視，尤其是BaTi4O9系。主要原因是該系統(tǒng)Q值低且無(wú)法控制，τf又不易調(diào)整，最近，由于BaO-TiO2體系微波陶瓷體系簡(jiǎn)單、價(jià)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(gè)微波頻段范圍內(nèi)都可應(yīng)用。于是人們又開始注意用于蜂窩式移動(dòng)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(lái)的，是目前微波介質(zhì)陶瓷研究的熱點(diǎn)之一，也是高εr微波介質(zhì)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(chǔ)，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(zhì)陶瓷。根據(jù)R2O3中的稀土元素，該系統(tǒng)又可分為三個(gè)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(zhì)材料在高頻（>10GHz）時(shí)具有高Q值。目前研究發(fā)現(xiàn)，具有復(fù)合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)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(zhì)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(shí)用化的重要的高Q微波介質(zhì)陶瓷。微波介質(zhì)陶瓷應(yīng)具有的介電性能為：高介電常數(shù)高品質(zhì)因數(shù)低諧振頻率溫度系數(shù)

3.3微波介質(zhì)陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能

微波頻段內(nèi)介質(zhì)的極化機(jī)制主要是電子位移極化和離子位移極化，因此微波介質(zhì)陶瓷的介電常數(shù)起因于所有構(gòu)成離子的電子極化率和離子極化率之和。微波介質(zhì)陶瓷要求具有高的介電常數(shù)，高介電常數(shù)離子晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在晶體結(jié)構(gòu)中具有氧八面體。3.3.1（1）介電常數(shù)電介質(zhì)的極化機(jī)制？電子極化離子極化晶格振動(dòng)的一維模型理論高介微波介質(zhì)中的氧八面體鈣鈦礦結(jié)構(gòu)示意圖氧八面體的極化3.3.1（2）介質(zhì)損耗介質(zhì)損耗3.3.1（3）諧振頻率溫度系數(shù)如何獲得零諧振頻率溫度系數(shù)3.3.2微波陶瓷的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系以具有類鈣鈦礦鎢青銅結(jié)構(gòu)的BaO-R2O3-TiO2（其中R為稀土元素Ln）體系陶瓷為例說(shuō)明介電性能與晶體結(jié)構(gòu)的相關(guān)性。BaO-R2O3-TiO2體系微波陶瓷是目前研究得最多并已實(shí)用化的高介微波介質(zhì)陶瓷，為該體系陶瓷的組成關(guān)系鎢青銅結(jié)構(gòu)是由共點(diǎn)氧八面體形成，八面體以共頂點(diǎn)的形式沿c軸疊置成堆垛，各堆垛再以共點(diǎn)的形式聯(lián)接起來(lái)。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(shù)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(jié)構(gòu)理想的A1和A2空隙的構(gòu)形該結(jié)構(gòu)與鈣鈦礦結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(gè)R3＋取代3個(gè)Ba2＋，即理想的A1和A2空隙的構(gòu)形半徑最大的Ba2＋進(jìn)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(jìn)入氧八面體空隙中。

鎢青銅晶體形態(tài)通常為針狀或長(zhǎng)棒狀，長(zhǎng)度方向?yàn)閏軸方向介電性能與結(jié)構(gòu)的相關(guān)性：（a）Ba和R有序?qū)е赂叩钠焚|(zhì)因數(shù)Ba6-3xR8+2xTi18O54固溶體陶瓷的介電性能與組成的關(guān)系Ba6-3xR8+2xTi18O54固溶體陶瓷的介電性能與組成的關(guān)系Ba6-3xR8+2xTi18O54固溶體陶瓷的介電性能與組成的關(guān)系晶格應(yīng)變與組成的關(guān)系對(duì)于x=2/3組成，隨稀土離子半徑減小，Q值增大，這說(shuō)明Ba與R的離子半徑差越大，晶格應(yīng)變?cè)叫〗殡姵?shù)與頻率溫度系數(shù)介電常數(shù)受三個(gè)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(jié)構(gòu)中氧八面體的傾斜介電常數(shù)和溫度系數(shù)與單胞體積的關(guān)系

固溶體中的介電常數(shù)還正比于晶胞參數(shù)或晶胞體積，隨x增大，晶胞參數(shù)或體積增加，介電常數(shù)會(huì)線性增加3.3.3高介高Q微波陶瓷的組成與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則1.對(duì)于設(shè)計(jì)高Q陶瓷材料，晶體結(jié)構(gòu)知識(shí)，如超晶格、離子有序化、離子占位等至關(guān)重要。2.因晶格應(yīng)變降低Q值，因此應(yīng)選擇低晶格應(yīng)變的組成以獲得高Q的材料。3.具有對(duì)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(zhì)因數(shù)。4.要得到高介電常數(shù)，應(yīng)選擇大的八面體體積和小的傾