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    三大類(lèi)微波介質(zhì)陶瓷材料

    作者:admin 瀏覽量:70 來(lái)源:本站 時(shí)間:2024-03-26 09:51:02

    信息摘要:

    三大類(lèi)微波介質(zhì)陶瓷材料 提起電磁波,大家應該并不陌生,而微波就是電磁波中的一種。微波通常是指頻率介于300MHz到300Ghz,波長(cháng)從1m到0.1mm,微波通訊在現代社會(huì )生活中發(fā)揮著(zhù)重要的作用,根據波長(cháng)可進(jìn)一步分為亞毫米波、毫米波、厘米波、分米波四個(gè)分波段。微波介質(zhì)陶瓷則是應用于微波通信領(lǐng)域的陶瓷材


    三大類(lèi)微波介質(zhì)陶瓷材料

          提起電磁波,大家應該并不陌生,而微波就是電磁波中的一種。微波通常是指頻率介于300MHz到300Ghz,波長(cháng)從1m到0.1mm,微波通訊在現代社會(huì )生

    活中發(fā)揮著(zhù)重要的作用,根據波長(cháng)可進(jìn)一步分為亞毫米波、毫米波、厘米波、分米波四個(gè)分波段。微波介質(zhì)陶瓷則是應用于微波通信領(lǐng)域的陶瓷材料之一,

    在軍用及民用領(lǐng)域有廣泛的應用,其主要應用于微波諧振器、濾波器與振蕩器,微波電路中的絕緣基片材料,和高性能陶瓷基微波板材。

    ▽微波頻段的四個(gè)分波段

    圖片1.png

    ▽微波介質(zhì)陶瓷的應用

      

         微波介質(zhì)陶瓷的發(fā)展動(dòng)力主要源于微波移動(dòng)通信的發(fā)展需求。為實(shí)現微波設備的小型化、高穩定性和廉價(jià)的途徑是微波電路的集成化,金屬諧振腔和金屬波

    導體積和重量過(guò)大,大大限制了微波集成電路的發(fā)展,采用微波介質(zhì)陶瓷制作的諧振器與微波管、微帶線(xiàn)等構成的微波混合集成電路,可使器件尺寸達到毫米量

    級,這就使微波陶瓷成為實(shí)現微波控制功能的基礎和關(guān)鍵材料。為此需要開(kāi)發(fā)一系列適合于微波范圍內具有高性能、高可靠工作特性的電子材料與元器件,微波

    介質(zhì)陶瓷正是在這一背景下迅速發(fā)展起來(lái)的電介質(zhì)材料,具有低微波損耗、高介電常數、頻率溫度系數小等特點(diǎn)。

          近年來(lái)微波介質(zhì)材料的研究開(kāi)發(fā)主要圍繞以下兩大方向開(kāi)展。1)追求超低損耗的極限(即最大Qf值);2)探索更高相對介電常數(>100乃至>150)的新材料體系。

    前者是為了更好的適應高可靠性與更高頻率應用的需要,后者主要是為了滿(mǎn)足未來(lái)微波器件的小型化要求。

    ▽高介電常數εr有利于器件的小型化、集成化

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    三大類(lèi)微波介質(zhì)陶瓷

    目前已開(kāi)發(fā)的微波介質(zhì)材料體系種類(lèi)很多,現以微波介電性能的特點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi),將其分成三大類(lèi),1)低εr、高Q值材料;2)中等εr和Q值材料;3)

    高εr低Q值材料。(PS:關(guān)于微波介質(zhì)陶瓷的三大性能指標介電常數(εr),品質(zhì)因素Q或介質(zhì)損耗(tanδ)和諧振頻率溫度系數(τf)。請看本文第

    三部分說(shuō)明)

    ▽微波介質(zhì)陶瓷按介電常數分類(lèi)

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    圖片5.jpg

    01

    低εr、高Q值材料

           隨著(zhù)移動(dòng)通信與軍用雷達等微波通訊技術(shù)的發(fā)展,具有低介電常數(εr<15)、高品質(zhì)因數(介電損耗tanδ<10-4)與近零諧振頻率溫度系數(τf≈0)的電介

    質(zhì)陶瓷材料,在微波毫米波通信系統中作為諧振器、濾波器、微波導線(xiàn)與微波基板等元器件的應用研究備受人們關(guān)注,低的介電常數能夠降低電磁信號

    的交互耦合作用,并提高信號傳輸與響應速度;高品質(zhì)因數(Qf 值)能夠降低信號傳輸過(guò)程中的能量消耗,增加器件的選頻性;近零諧振頻率溫度系數能

    夠保證器件工作對環(huán)境溫度漂移的穩定性。

           目前該系列陶瓷主要有Al2O3基和硅酸鹽基等系列,Al2O3基微波介質(zhì)陶瓷作為通信介質(zhì)諧振器主要應用在10~300GHZ微波-亞微米波的頻率范圍內,

    以及應用在時(shí)鐘的超穩定振蕩器上和電路基板上,其介電常數的分布大致為(10~15)。而硅酸鹽基微波介質(zhì)陶瓷主要應用在微波-毫米波頻率范圍內,

    其介電常數的分布為(5~10)。由于固有的燒結溫度較低及原材料比較豐富,是目前低介電常數材料研究的熱點(diǎn),各類(lèi)硅酸鹽陶瓷如橄欖石Mg2SiO4、

    硅鋅石Zn2SiO4、堇青石Mg2Al4Si5O18、透輝石CaMgSi2O6、鈣鈉斜長(cháng)石(K,Na)AlSi3O8、鋇長(cháng)BaAl2Si2O8以及Mg2SiO4-Ba3(VO4)2復合陶瓷等低介電

    常數微波介質(zhì)陶瓷被廣泛研究。從微波性能的比較來(lái)說(shuō),[Si,AlO4]四面體環(huán)狀鏈接的堇青石具有比[SiO4]四面體鏈狀與骨架狀連接的透輝石與長(cháng)石等硅酸

    鹽陶瓷高的品質(zhì)因數,有比[SiO4]四面體島狀分布的鎂橄欖石與硅鋅石好的諧振頻率溫度系數可調性。

    02

    中等εr和Q值材料

           中等介電常數和Q值的微波介質(zhì)陶瓷其介電常數一般40左右,這類(lèi)微波介質(zhì)陶瓷的介電常數居中,Q值較高,做成的諧振器選頻好、插入的損耗低是

    用來(lái)做LTCC微波介質(zhì)天線(xiàn)的首選材料。而B(niǎo)aTi4O9是中等介電常數εr的代表材料,早期的BaTi4O9陶瓷主要應用于第一代無(wú)線(xiàn)通信基站中,其結構簡(jiǎn)單,

    相組成隨溫度變化改變較小,諧振頻率溫度系數小,其固有的燒結溫度較高,經(jīng)研究發(fā)現添加玻璃相后陶瓷的燒結溫度可降至900℃左右,并保持一定的微

    波介電性能,可滿(mǎn)足LTCC產(chǎn)業(yè)化的要求。


         許多學(xué)者分別對不同的低熔點(diǎn)玻璃或氧化物對各種微波介質(zhì)陶瓷體系進(jìn)行摻加研究表明,要獲得介電常數居中,Q值較高且溫度穩定性?xún)?yōu)異的低溫燒結

    的微波介質(zhì)陶瓷可以通過(guò)在微波介質(zhì)陶瓷里加入氧化物(B2O3、ZnO等)或低熔點(diǎn)的玻璃(MgO-CaO-Al2O3-SiO2、BaO-ZnO-B2O3等)來(lái)實(shí)現,或尋求

    新的固有燒結溫度比較低的微波介質(zhì)陶瓷材料體系。


    03

    高εr低Q值材料

           眾所周知,微波介質(zhì)諧振器的尺寸大小由其所用材料的介電常數εr決定,εr越大微波介質(zhì)諧振器的尺寸越小,因此在信息化浪潮席卷全球的今天,為滿(mǎn)

    足通信和信息終端的小型化、輕量化和便攜化,人們努力尋找介質(zhì)材料減小諧振電路的尺寸,因而高εr微波介質(zhì)陶瓷的研究在當今微波介質(zhì)陶瓷的研究中是

    一個(gè)十分活躍的分支。高介電微波介質(zhì)陶瓷主要指介電常數分布在60左右的微波陶瓷,日前人們開(kāi)展研究工作較多的體系為L(cháng)i2O-Nb2O5-TiO2系、

    BaO-LnIO3-TiO2系及鉛基鈣鈦礦系。此外,研究表明高介電微波介質(zhì)陶瓷Q值較小,通過(guò)適當的摻雜改性可將介電常數提高,在適當的配方和工藝條件下,

    同時(shí)可以獲得較高的Q值和較低的燒結溫度。


    微波介質(zhì)陶瓷的三大性能指標


    微波介質(zhì)陶瓷瓷介性能的主要參數和普通電介質(zhì)材料一樣,主要包括介電常數(εr),品質(zhì)因素Q或介質(zhì)損耗(tanδ)和諧振頻率溫度系數(τf)。

    01

    相對介電常數εr

    在微波頻率下,相對介電常數εr越大,介質(zhì)元件尺寸可做得越?。≒S:在微波頻段εr基本上為定值,可以認為它是不隨頻率變化的)。在介電常數為εr的介質(zhì)中,

    微波的波長(cháng)反比于εr的平方根。在同樣的諧振頻率f0下,介質(zhì)諧振器的形狀與尺寸又取決于微波的波長(cháng)。因此,在相同的諧振頻率f0之下,介電常數εr越大,介

    質(zhì)諧振器的尺寸就越小,電磁能量也越能集中于介質(zhì)體內,受周?chē)h(huán)境的影響也越小。這既有利于介質(zhì)諧振器件的小型化,也有利高品質(zhì)化。國際上實(shí)用化的εr

    已超過(guò)100。

    ▽?xiě)冒咐和S介質(zhì)諧振器

    圖片6.png

          同軸型介質(zhì)諧振器主要用于移動(dòng)電話(huà)基站和衛星通信,是中間有孔的陶瓷圓柱體,其長(cháng)度L可見(jiàn)下式(式中c為真空中電磁波的速度)。

    圖片8.jpg

           與材料的關(guān)系:微波介質(zhì)陶瓷的介電常數主要取決于材料結構中的晶相和制備工藝,與使用頻率基本無(wú)關(guān)。對于微波介質(zhì)陶瓷,要想獲得較高的εr值,

    從陶瓷工程學(xué)的角度看,除了從組成上考慮微觀(guān)的晶相類(lèi)型和組合外,在工藝上使晶粒生長(cháng)充分外,結構致密也是提高εr值的有效途徑。


    02

    品質(zhì)因數Q

           高Q有利于獲得良好的濾波特性及通訊質(zhì)量,品質(zhì)因數Q主要受介質(zhì)損耗(tanδd)、歐姆損耗(tanδc)和輻射損耗(tanδλ)等三個(gè)因素影響。公式Q-1=

    tanδd+tanδc+tanδλ;早在1969年,Hakki曾研究了各種諧振模式的傳輸特點(diǎn),認為材料的Q值主要由介質(zhì)損耗決定。對于微波介質(zhì)材料,tanδc與tanδλ可

    忽略,Q約與tanδd成反比關(guān)系。由于微波介質(zhì)諧振腔要求tanδd小于10-4量級才有實(shí)用價(jià)值,所以材料研究中如何提高Q值是一個(gè)重要課題。


           在微波頻段范圍內,品質(zhì)因數Q值與微波頻率f有關(guān),Q=1/tanδ =ε’(ω)/ε”(ω) ≈ωT2/(γω)=ωT2/(2πγf),不同的測試頻率有不同的Q值,對于同一材料,

    為了得到較高的Q值,在較低的微波頻率下使用是更為有利的。式中:ε’(ω)---有功介電常數;ε”(ω)---無(wú)功介電常數;γ---材料衰減系數;ωT---材料固有角

    頻率,單位為rad/s;ω---微波頻率為f時(shí)的角頻率,單位為rad/s。在特定的頻率下,Q與γ成反比,為了減小材料的tanδ或增大Q值,必須使衰減常數γ盡可

    能小。


           與材料的關(guān)系:在完整的晶體中,γ取決于點(diǎn)陣振動(dòng)的非諧和項;在多晶陶瓷中,晶粒晶界、雜質(zhì)和缺陷成為γ增大的主要原因。因此,在微波介質(zhì)陶瓷

    的制造中必須盡可能使用高純原料,并盡力控制工藝以制出雜質(zhì)少、缺陷少且晶粒均勻分布的陶瓷。


    03

    諧振頻率溫度系數τf

           通信器件的工作環(huán)境溫度是不斷變化的,從而影響設備的使用性能。這就要求材料的諧振頻率不能隨溫度的變化太大,通信使用要求接近零的諧振頻率

    溫度系數。諧振頻率溫度系數τf要為零或近于零,盡可能小的溫漂系數可保證元器件的中心頻率不隨溫度變化而產(chǎn)生漂移,提高器件的工作穩定性。

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           與材料的關(guān)系:諧振頻率溫度系數τf應很小,一般要求τf范圍在(-10~+10)X10-6/℃。目前,國際上已實(shí)用化的微波介質(zhì)陶瓷的τf都接近于零。微波介

    質(zhì)陶瓷頻率溫度系數主要由介質(zhì)陶瓷的線(xiàn)膨脹系數和介電常數的溫度系數決定,單相陶瓷很難滿(mǎn)足τf為零的要求,因此,一般是選擇采用不同諧振頻率溫度

    系數的兩相或多相材料的復合,來(lái)實(shí)現正負溫度系數數值的抵消以達到最終近零的目標。通過(guò)元素取代來(lái)調節微波介質(zhì)陶瓷介電響應中離子位移極化的比例,

    以獲得具有近零τf的微波介質(zhì)陶瓷。




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