電子陶瓷材料與器件的電磁測試及片式諧振器與濾波器的研制.pdf

1、材料和器件的測試屬于一個交叉的課題，它要求研究人員既要有電學(xué)的基礎(chǔ)，又要對材料的知識有比較深入的了解。隨著計算技術(shù)的發(fā)展，計算機在測試中的地位越來越重要，自動測試和計算技術(shù)已經(jīng)滲入到測試的各個方面，因而，自動測試還要求測試人員具有一定的計算機自動控制和軟件編制的能力。而隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，電子陶瓷在射頻/微波領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，對廣大陶瓷材料研究人員來說，這是一個比較陌生的領(lǐng)域，微波測試一般要用到電磁場或者微波網(wǎng)絡(luò)的

2、知識，測試系統(tǒng)的分析設(shè)計和測試中的計算都相當(dāng)復(fù)雜?；谶@些原因，有必要對電子陶瓷及器件的測試，從材料學(xué)和電學(xué)的角度，從理論和試驗兩個方面，作全面地分析討論，并對測試方法和技術(shù)進行研究。本文完整地研究了從低頻到微波范圍內(nèi)電子材料與器件的測試，設(shè)計和制作了一種新型的片式射頻諧振器和濾波器。從低頻到射頻/微波頻段的電磁參數(shù)測試是有很大不同的，本文詳細研究了基于集總參數(shù)的測試和基于分布參數(shù)的射頻/微波測試，研究了各種方法和相應(yīng)的測試

3、技術(shù)，設(shè)計了測試的硬件系統(tǒng)并編制了計算控制軟件，建立了自動化的測試系統(tǒng)。目前，移動通訊技術(shù)的發(fā)展，要求更多的電子元件的片式化和集成化，本文還對射頻諧振器和濾波器的片式化進行了研究，設(shè)計制作一種片式諧振器和濾波器并測試了它們的性能，得到了性能比較優(yōu)良的片式器件。對于電磁參數(shù)，在極寬的頻率范圍內(nèi)科學(xué)和工程上常采用復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率，在物理學(xué)和電子學(xué)中常采用復(fù)阻抗，而在化學(xué)和電力工程中則更喜歡采用電容率和功率因數(shù)，在通信工程中

4、常采用復(fù)傳輸因子，在光學(xué)中常采用復(fù)折射指數(shù)。從本質(zhì)上說，它們都是與材料的復(fù)介電常數(shù)ε和復(fù)磁導(dǎo)率μ相關(guān)的。因而，材料性能最本質(zhì)的測試就是復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率的測試。對射頻/微波器件而言，最重要的是其散射參數(shù)S的測試。本文將對這些參數(shù)的測試進行研究。在低頻范圍內(nèi)(0.01Hz～200MHz)內(nèi)，常采用集總參數(shù)法，基本的測量方法有三種：電橋法，諧振法，矢量阻抗法。目前應(yīng)用最廣泛的是矢量阻抗法。本文詳細研究了它的基本測試技術(shù)，包括

5、儀器校正方法和夾具補償技術(shù)，分析了測試中的各種測試模型，并開發(fā)了一套多樣品(5個)和多頻率(12個)的材料溫度性能自動測試系統(tǒng)，其溫度范圍為-200℃～250℃，配上高溫爐測試系統(tǒng)(西安交通大學(xué)電子材料研究所和同濟大學(xué)功能材料研究所共同開發(fā))，測試溫度可達上千度。在射頻/微波范圍，采用分布參數(shù)技術(shù)，基本的測量方法包括傳輸反射法、諧振腔法、自由空間法等。本文詳細研究了諧振法、傳輸反射法、開路同軸線反射法等常用的測試方法。它們

6、分別能完成低損耗、中高損耗材料的電磁性能測試。對諧振法，詳細研究了它的諧振模式，并提出了一種TE01n(n>1)多模式的介電性能測試法，發(fā)展了傳統(tǒng)的單頻點測試，并相應(yīng)地提出了一種模式識別的方法，能快速而準(zhǔn)確地進行識別模式；研究了腔體導(dǎo)電板的大小對測試誤差的影響，研究了導(dǎo)電板和樣品之間的空氣隙對測試的影響，分析了誤差的來源。實驗證明它可以用來測量低損耗(～10-4或更小)的介質(zhì)材料，介電常數(shù)測量精度高達0.1％。它也可用來測

7、試磁性能。開路同軸線反射法，它主要是用于液體和半固體狀材料的測試，其測試誤差主要來源于探頭和材料之間的空氣隙。本文提出了一種消除空氣隙效應(yīng)的方法，能很好地消除空氣隙帶來的影響。實驗證明，在消除這種影響前，介電常數(shù)誤差高達40％，空氣隙影響消除后，可減小到5％以內(nèi)。對于非標(biāo)準(zhǔn)的片式射頻/微波器件，由于沒有標(biāo)準(zhǔn)的測試夾具和校準(zhǔn)元件，完成精確的測試相當(dāng)困難。本文研究了片式器件的測試方法，制作了測試夾具，結(jié)合HP 8753E網(wǎng)絡(luò)分

8、析儀研究了三種校準(zhǔn)方法：測試端延長法，去嵌入法，SOLT全兩端口校準(zhǔn)法。詳細介紹了SOLT校準(zhǔn)方法中的Short、Open、Load、Thru元件的制作及其電參數(shù)的標(biāo)定。實驗測試了商用的濾波器和自行設(shè)計的濾波器，證明自行設(shè)計的夾具完全可以滿足片式射頻器件的測試需要。電子器件的片式化是電子器件發(fā)展的一大趨勢。本文分析了目前國內(nèi)國際常用的片式諧振器和濾波器的設(shè)計結(jié)構(gòu)和制作方法，并結(jié)合實驗室的條件，設(shè)計了一種集總和分布參數(shù)相結(jié)合的

9、諧振器和濾波器，并進行了性能模擬，研究了各種參數(shù)對器件性能的影響，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)和參數(shù)；采用流延和疊層工藝，采用共燒技術(shù)，制作了應(yīng)用在移動通訊頻段900MHz的器件，其中性能優(yōu)良的諧振器的Q值大于40，濾波器的帶內(nèi)損耗<5dB，帶外衰減大于25dB，已接近或相當(dāng)于商用器件的性能。關(guān)鍵詞：電子陶瓷、諧振器、濾波器、介電常數(shù)、磁導(dǎo)率、測試?yán)碚摗y試技術(shù)、儀器校正、夾具補償、溫譜測試、介質(zhì)諧振器測試腔、反射傳輸測試、同軸探針、片式陶瓷器