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第四章-1 微波介质陶瓷


第四章 微波介质陶瓷及微波元器件
一、微波介质陶瓷
二、微波元器件

一、微波介质陶瓷(MWDC)
1. 微波介质陶瓷概述
2. 结构与性能的关系

3. 主要的微波介质陶瓷体系

1. 微波介质陶瓷概述
微波介质陶瓷的定义
微波介质陶瓷是指应用于微波频段(300MHz ~
300GHz)电路中作为介质材料完成一种或多种功 能的陶瓷,是现代通讯中广泛使用的介质谐振器 (DR)、介质滤波器(DF)、介质振荡器(DRO)、移相 器、微波电容器以及微波基板等微波元器件的关键 材料。 它是近三十年发展起来的一种新型的功能电子陶 瓷,具有低微波损耗、高介电常数和小的谐振频率 温度系数等特点,已广泛应用于微波通信领域。

微波介质陶瓷的研究进展
1939年
Richtmyer 提出的微波谐 振器尺寸与介质材料的介电常 数的平方根成反比的结论,为 微波器件的小型化和集成化奠 定了理论基础

60年代
已制备出TiO2微波介质滤 波器,但其谐振频率温度系 数τ? 太大而无法实用化

70年代
1971年Masse等人第一次 提出了BaTi4O9作为微波介质 材料的可能性,1975 年贝尔 实验室报告进一步改进BaOTiO2系统的材料

80年代至今
已经成功地研制出 Ba(Zn1/3Ta2/3)O3 微波高端频率 Ba(Mg1/3Ta2/3)O3 (8~30GHz) BaO-Ln2O3-TiO2(Ln=Nd,Sm) 等体系,使其达到了实用阶段

微波介质陶瓷的实用器件

微波介质陶瓷的应用领域

GPS定位系统

卫星通讯

微波介质陶瓷

军事雷达

民用移动电话

广泛应用于移动通信、卫星通讯、军事雷达、卫星定位导航系统等军用和民用领域。

微波介质陶瓷的生产厂家及市场需求
国际厂家 目前微波介质陶瓷和器件的生产水平以下 面公司为最高

日本Murata 公司 德国EPCOS 公司 美国Trans-Tech 公司 Narda MICROWAVE-WEST 公司 英国Morgan Electro Ceramics公司
其产品的应用范围已在300MHz~40GHz 系列化,年产值均达十亿美元以上

20101108-2 eight

国内厂家
国内微波介质陶瓷材料及器件的生产厂有 浙江正原电气股份有限公司、 潮州三环(集团)股份有限公司、 景华电子有限责任公司(999 厂)、 苏州捷嘉电子有限公司等。 其中浙江正原电气股份有限公司是目前 国内最大的无绳电话双工器和数字移动通 信微波介质双工滤波器生产厂,年产量超 过5 000 万只。 国内厂家在技术水平、产品品种和生产规 模上与国外相比有较大差距。

市场需求

国内移动通信市场发展速度位居世界第一, 据统计,到 2010 年 1 月为止,我国移动电话用户 数已达到10.6亿户,在蜂窝通信系统中微波基站 发射机、接收机以及移动电话均需要大量的微波 介质陶瓷滤波器、振荡器、双工器,仅此一项对 微波介质陶瓷元器件的国内市场需求就达数亿元。 随着市场需求不断扩大,人们在积极寻求性 能更为优异的微波介质陶瓷。

2. 微波介质陶瓷的主要性能要求
高εr
高的介电常数,以利于器件的 小型化

高 Q

高的品质因数,以保证优良的 选频特性

低τf

尽可能小的谐振频率温度系数, 以确保频率稳定性

2.1 介电常数及其影响因素
? 0 ?d =

??r

微波在电介质体内传输时,无论采取何种模 式,谐振器的尺寸都在λd/2~λd/4 的整数倍之 间,式中λd 是微波在电介质中的波长。因为微波 在电介质中的波长与εr 的平方根成反比:λ0 是 电磁波在真空中的波长,所以器件的小型化要求
材料有高的介电常数

2.2 Q值及其影响因素
品质因数Q 是微波系统能量损耗的一个度量标准。 对于微波谐振器,损耗由四种类型组成:介质损耗,导 体损耗,辐射损耗和外部损耗。介质品质因数Qd,导体 品质因数Qc,辐射品质因数Qr 分别表示为:
Qd = 2ωW1 Pd Qc = 2ωW1 Pc Qr = 2ωW1 Pr

式中:W 1是所有储存的电能;ω是谐振角频率;Pd,c,r代表不同途径 耗散的能量。这些项的总和被称为无载品质因数Q0

? 1 Q0 =?? (

Qd



1
Qc



1 ?
Qr
)

 1

?1 1 ? QL =?? + ?Q0 Qext ?

 1

有载品质因数QL定义如

右面公式 ,其中1/Qext为 外部损耗。
Q L可以从实验所得的谐 振峰计算出来,式中:f0 为谐振峰中心频率, Δf(at3dB)为谐振峰衰减 3 dB 时的频率之差。

QL =

f0  f (at 3dB)

在微波范围内微波介质陶瓷的Q· f 乘积基本保持不变, 因此一般情况下,用Q· f 的乘积来衡量微波介质陶瓷损 耗的大小 但是从上面的公式对比可以看出,大的Q· f 值与高介电 常数相矛盾

2.3 谐振频率温度系数及其影响因素
谐振频率温度系数τf ,是描述谐振器热稳定性的 参数,也就是指随着温度变化的谐振频率的漂移程度

一些通讯用的电子设备,例如手机,要求微波谐振器的 τf 值尽量等于零。 通常微波线路有一些低的本征τf ,电路中的谐振器元件需要 去补偿这些固有的漂移。因此,谐振器的 τf 值是一些低的有 限的非零的值

2.4 非本征因素对介电性能的影响
非本征因素的影响机制与晶格缺陷(如位错)、 杂质、结构有序-无序度、微结构(如孔隙)、晶粒 大小等有关。实际晶体不可能是完美的,因而非 本征因素通常在微波陶瓷的研究中占据着主导地 位,对它的研究是指导我们调整工艺参数、改善 材料介电性的重要依据。

3. 主要的微波介质陶瓷体系
经过近三十年的发展,已有大批微波介质陶瓷得到了 研究开发。
根据介电常数的大小,可以将这些材料分为三类:

低介电常数类 中介电常数类 高介电常数类

3.1

低介电常数类

有序的Ba(Zn1/3Ta2/3)O3结构

低介电常数类指εr<30,Qf >50,000GHz,τf <±5ppm/℃的MWDC,主要包括 Al2O3,MgAl2O4,Y2BaCuO5,Zn2SiO4,Mg2SiO4,Mg2TiO4,复合钙钛矿 陶瓷A(B‘1/3B“2/3)O3等。
主要应用于微波器件基板和高端微波元器件,在卫星通讯、军事通讯等系统 中使用。

3.2

中介电常数类

BaTi4O9 晶体结构

中等介电常数类是指其介电常数介于30-70之间的MWDC,主 要应用于4GHz~8GHz频率范围内的卫星通信及移动通讯基站。 这类材料主要有BaTi4O9、Ba2Ti9O20、(Zr,Sn)TiO4等

3.3

高介电常数类

Ba6-3xLn8+2xTi18O54 晶体结构

高介电常数类指其介电常数大于70的MWDC,主要用于工作 在f<4GHz的低频波段的民用移动通讯系统中作为介质谐振器件。 这类材料主要包括BaO-Ln2O3-TiO2 系列、CaO-Li2O-Ln2O3TiO2系列和铅基钙钛矿系列。近年来,BaO-TiO2-Ta2O5/Nb2O5 体 系的微波介电特性引起了人们的注意,因为其填满型四方钨青铜结 构化合物具有比BLT系更高的εr>110。

当前微波介质陶瓷存在的问题

微波介质陶瓷器件的发展趋势为微型化、低 损耗、高稳定及片式化,生产大规模、低成本 等。相应微波介质材料的发展趋势为介电常数和 温度系数的系列化,但目前的微波介质陶瓷材料 体系却不能完全令人满意,具体体现在如下几个 方面

? 低介电常数材料体系 低ε和高Q值的微波介质陶瓷材料体系 的烧结温度高,保温时间长,而且组分易挥发,使产物偏离 预期的组成并形成多相结构,从而导致材料性能的劣化和不 稳定性;另外含钽原料成本较高 ? 中介电常数材料体系 中等介电常数材料体系中BaO-TiO2系的 BaTi4O9,Ba2Ti9O20相区很窄,很难获得纯相,性能不容易控 制;至于(Zr,Sn)TiO4则制备比较困难,而且介电常数偏低,在 保持Q值不降低的前提下很难满足进一步小型化的需求 ? 高介电常数材料体系 高介电常数材料主要是综合性能较差, Qf值较小,随着频率的增加Q值变小,很难满足高频化、高可 靠性的发展需求。但微波通讯系统的小型化、集成化发展的趋 势,对于探索更高介电常数 (>110) 的新材料体系提出了强烈 的要求

微波介质陶瓷的应用
表1 微波介质陶瓷的应用分类
陶瓷材料种类 应用领域 应用 频率稳定化振荡器 种类 1.耿式二极管 2.GaAs-FET振荡器 3.双极晶体管放大器 1.TE01δ模式介质滤波器 2.同轴介质滤波器 3.介质片状滤波器 1.圆棒、管、放条形介质线路 2.圆棒、管、放条形图像线路 1.棒形天线 2.平板天线 3.天线阵 1.单层电容(SLC) 2.多层电容(MLC)

介质谐振器

滤波器 带通滤波器 带阻滤波器 回路基片 波导线路 介质天线

微波介质陶瓷 介质基片 介质波导线路

电容器

片式电容器

MWDC 所制作的微波元器件已广泛应用在蜂 窝式移动通信系统、汽车电话、电视卫星接

收系统、军事雷达和全球卫星定位系统等领
域,对现代通信工具的小型化、集成化发挥

着越来越大的作用,对提高微波电路的可靠
性及降低成本亦将产生重大的影响。


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