2017畢業(yè)論文-微波介質陶瓷材料及其應用

1、<p>　　本 科 畢 業(yè) 設 計</p><p>　　論文題目 微波介質陶瓷材料及其應用 </p><p>　　學生姓名 </p><p>　　學 號 </p&g

2、t;<p>　　所屬院部 電子與信息工程學院 </p><p>　　專 業(yè) 電子信息科學與技術 </p><p>　　班 級 2005級二班 </p><p>　　指導教師

3、 </p><p><b>　　2009年5月</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　微波介質陶瓷作為一種新型電子材料，在現(xiàn)代通信中被用作諧振器、濾波器、介質基片、介質天線、介質導波回路等，廣泛應用于微波技術的許多領域?？捎糜谝苿油ㄓ?、衛(wèi)星通訊和軍用雷

4、達等方面。隨著科學技術日新月異的發(fā)展，通信信息量的迅猛增加，以及人們對無線通信的要求，使用衛(wèi)星通訊和衛(wèi)星直播電視等微波通信系統(tǒng)己成為當前通信技術發(fā)展的必然趨勢。這就使得微波材料在民用方而的需求逐漸增多，如手機、汽車電話、蜂窩無繩電話等移動通信和衛(wèi)星直播電視等新的應用裝置。本課題綜述國內外微波介質陶瓷的應用現(xiàn)狀，闡明微波介質陶瓷材料應用中存在的問題，指明微波陶瓷材料今后的研究方向。</p><p>　　關 鍵 詞：

5、微波介質陶瓷材料；應用；發(fā)展</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Microwave dielectric ceramics as a new electronic material, in modern communications were used to resonator, filter, dielectric subst

6、rate, dielectric antenna, medium wave guide loop, widely used in many fields of microwave technology. It can be used in mobile communications, satellite communications and military radar, etc. With the rapid development

7、of science and technology, the communication rapid increase of information, and the requirements for wireless communication, using satellite commun</p><p>　　KEY WORDS: Microwave dielectric ceramic materials;

8、 Application; Development</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　2微波介質陶瓷材料的發(fā)展3</p><p>　　2.1微波介質陶瓷材料的發(fā)展背景3</p><p>　　

9、2.2國內外微波介質陶瓷材料的發(fā)展3</p><p>　　3微波介質陶瓷材料的應用4</p><p>　　3.1微波介質陶瓷的性能要求5</p><p>　　3.2微波介質陶瓷材料的分類6</p><p>　　3.2.1低介微波介質陶瓷體系6</p><p>　　3.2.2中介微波介質陶瓷體系8</p

10、><p>　　3.2.3高介微波介質陶瓷9</p><p>　　3.3 微波介質陶瓷材料的主要應用11</p><p>　　3.3.1 介質諧振器12</p><p>　　3.3.2介質濾波器13</p><p>　　3.3.3其它方面的應用13</p><p>　　4微波介質陶瓷材料存在

11、的問題和展望15</p><p><b>　　致 謝17</b></p><p><b>　　參考文獻18</b></p><p><b>　　即可）：</b></p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　

12、陶瓷的發(fā)展史是人類文明史的一個縮影，現(xiàn)代人在研究古代歷史的時候，各個時期留存下來的陶瓷便是最有價值的線索。當陶瓷這一古老的工藝發(fā)展成陶瓷科學的時候，她便成了對我們生活能產生重大影響的一門學科。近半個多世紀以來，隨著陶瓷材料的研究和開發(fā)，在與人類生活息息相關的各個領域，如電子、通訊、能源、交通、宇宙探索和國家安全等，都能找到陶瓷的身影。可以說現(xiàn)代人的生活離不開陶瓷，陶瓷的進步給人類帶來的是生活方式的日新月異。微波介質陶瓷是近二十多年來發(fā)展

13、起來的一種新型的功能陶瓷材料。它是指應用于微波頻率（主要是300MHz ～30GHz 頻段）電路中作為介質材料并完成一種或多種功能的陶瓷材料，是制造微波介質濾波器和諧振器的關鍵材料。它具有高介電常數(shù)、低介電損耗、溫度系數(shù)小等優(yōu)良性能，適于制造多種微波元器件，能滿足微波電路小型化、集成化、高可靠性和低成本的要求。 </p><p>　　近年來,由于微波通信事業(yè)的迅速發(fā)展,衛(wèi)星通信、汽車電話和便攜式電話等移動通信領域

14、對小型化、高性能化的微波電路和微波器件的需求量日益增加,更高頻帶的利用也在計劃之中。這就要求作為情報通信社會的支撐,要不斷開發(fā)具有更加優(yōu)越性能的新型材料。由于微波信號的頻率極高,波長極短,信息容量大,有強方向性、穿透性和吸收能力,并且微波設備可實現(xiàn)通信的保密性,十分有利于通信技術領域和軍事領域中的應用。實現(xiàn)微波設備的小型化、高穩(wěn)定性和廉價的途徑是微波電路的集成化。傳統(tǒng)的金屬諧振腔和金屬波導體積和重量過大,限制了微波集成電路的發(fā)展。而微波

15、介質陶瓷能很好地解決這些問題。使得微波介質陶瓷在近二十多年來得到迅速的發(fā)展,成為制造微波介質濾波器和諧振器的關鍵材料。微波介質陶瓷具有高介電常數(shù)、低微波損耗、溫度系數(shù)小等優(yōu)良性能,適于制作各種微波器件,如電子對抗、導航、通訊、雷達、家用衛(wèi)星直播電視接受機和移動電話等設備中的微波振蕩器、濾波器和鑒頻器,能滿足微波電路小型化、集成化、高可靠性和低成本的要求。隨著移動通信的發(fā)展,微波介質陶瓷的研究越來越受到人們的重視[1]。隨著微波技術的迅速

16、發(fā)展,信息化社會對微波介質陶瓷材料的要求</p><p>　　2微波介質陶瓷材料的發(fā)展</p><p>　　2.1微波介質陶瓷材料的發(fā)展背景</p><p>　　近年來，移動通信、衛(wèi)星通信、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)、藍牙技術以及無線局域網(WLA)等現(xiàn)代通信業(yè)得到了飛速發(fā)展。這種飛速發(fā)展極大的帶動了現(xiàn)代通信相關元器件的需求。對微波諧振器、濾波器、振蕩器、移相器、微

17、波電容器以及微波基板等元器件這種龐大的市場需求，再加上微波介質陶瓷制作的介質諧振器等微波元器件具有體積小、質量輕、性能穩(wěn)定、價格便宜等優(yōu)點，因此微波介質陶瓷也發(fā)展得相當迅速，其市場也迅速擴大，并且在現(xiàn)代通信工具的微型化、片式化、集成化起著舉足輕重的作用。正是這種強大的市場驅動，微波介質陶瓷得到了廣泛而深入的研究。世界各國都在加大投入進行廣泛的研究，陸續(xù)開發(fā)出新材料體系。這些體系要得到工業(yè)應用，必須在性能上要滿足高介電常數(shù)、低介電損耗以及

18、良好的頻率穩(wěn)定性，當然還要求低的成本。</p><p>　　2.2國內外微波介質陶瓷材料的發(fā)展</p><p>　　微波，一般是指頻率介于300MHz-300GHz，波長介于lm-lmm的電磁波。在整個電磁波頻譜中，微波處于超短波和紅外波之間。與普通的無線電波相比，微波的頻率高，可用頻帶寬，信息容量大，可以實現(xiàn)多路通信；微波的波長很短，方向性極強，很適合于雷達等發(fā)現(xiàn)和跟蹤目標；微波能穿透高

19、空的電離層，因而特別適用于衛(wèi)星通訊等。鑒于微波的這些特點，微波技術在通信領域的應用有著廣闊的前景[2]。微波介質陶瓷，是指應用于微波頻段電路中作為介質材料并完成一種或多種功能的陶瓷，1939年，B.Q Richtmeyer從理論上提出介質陶瓷材料可作諧振器的設想后, 美國率先開始了微波介質陶瓷材料的研制。70年代美國最先研制出實用化的K38材料。接著, 日本在80年代提出了R-04C、R-09C等不同類型材料的微波性能。其后, 法國、德

20、國等歐洲國家也相繼開始了這方面的研究。目前, 日本在該領域的研究已后來居上, 村田、松下、NGK等公司都有其各具特色的微波介質材料體系;美國、歐洲也未停止研究工作, 不斷有微波介質陶瓷的研究報告發(fā)表。隨著微波應用范圍的拓廣,亟須滿足特殊頻段使用要求的微波介質陶瓷材料?，F(xiàn)在, 移動通信</p><p>　　我國對微波介質陶瓷材料的研制始于80年代初。由于材料、工藝水平低, 測試評價困難等因素, 基本上是重復與追蹤國

21、外的研究工作。80年代重復國外BaO—TiO2系微波介質陶瓷的研究, 90年代則追蹤國外的Ba(Zn1/3，，Ta2/3)O3 、Ba(Mg1/3，Ta2/3)O3以及BaO-Sm2O3-TiO2、BaO-La2O3-TiO2等體系（分別簡寫為BZT、BMT及BST、BLT）的研究工作, 如華南理工大學的BMT-BZT系材料, 上?？拼蟮腂ST系材料,799廠和999廠的九鈦鋇, 電子科技大學的BaO-Nd2O3-TiO2等。這些研究工

22、作或者缺少對τf的測試, 或者對τf的測試因采用了太粗糙的設備（如波長儀）而數(shù)據(jù)不精確, 其水平與應用都遠遠不能滿足國內微波通訊技術發(fā)展的需要。從1991年以來, 電子部和國家科委加強了對微波介質陶瓷材料的研究工作, 北京建材院、電子科技大學信息材料學院等研究單位憑借其雄厚的科研實力和先進的測試設備, 都把微波介質陶瓷作為“ 八五” 、“ 九五”攻關的重要課題, 力爭趕上世界水平。電子科大已經有初步的研究成果,如低損耗的BZT-BMT材

23、料達到相當</p><p>　　綜合微波陶瓷的發(fā)展歷史, 根據(jù)其發(fā)展特點大致可以分為60年代、70年代、80年代和90年代四個不同的發(fā)展階段。各階段的特點和代表材料的性能歸納于表2-1[5]。</p><p>　　表2-1 微波介質陶瓷發(fā)展概況</p><p>　　3微波介質陶瓷材料的應用</p><p>　　3.1微波介質陶瓷的性能要求&

24、lt;/p><p>　　評價微波介質陶瓷介電性能的參數(shù)主要有三個，及相對介電常數(shù)εr、品質因數(shù)Q·f、諧振頻率溫度系數(shù)τf =-6.8ppm/℃。應用于微波電路的介質陶瓷，除了必備的機械強度、化學穩(wěn)定性及經時穩(wěn)定性外，應滿足如下介電特性的要求[6]：</p><p>　　(1)在微波頻率下材料相對介電常數(shù)εr應大，以便于器件小型化。由微波傳輸理論可知：微波在介質體內傳輸，無論采用何種

25、模式，諧振器的尺寸都大約在λ/2～λ/4的整數(shù)倍間。微波在介質體內傳輸時的波長λ與它在自由空間傳輸時的波長 λ0有如下關系：</p><p>　　λ2＝λ20/εr （3-1）</p><p><b>　　式中：<

26、;/b></p><p>　　λ0——自由空間傳輸時的波長</p><p>　　λ——介質體內傳輸時的波長</p><p>　　εr——材料相對介電常數(shù)</p><p>　　所以，相同的諧振頻率下，εr越大，介質諧振器的尺寸就越小，電磁能量越能集中于介質體內，受周圍環(huán)境的影響也小。這既有利于介質諧振器件的小型化，也有利于其高品質化。另一

27、方面，諧振頻率越高，波長越短，介質諧振器的尺寸在相對介電常數(shù)不是很大的情況下也可以很小，不同的應用領域，對εr的要求不同，通常要求εr>10。</p><p>　　(2)在微波頻率下的介電損耗tan應很小，即介質的品質因子Q(=1/tanu)要高，以保證優(yōu)良的選頻特性和降低器件在高頻下的插入損耗。共振系的損耗tanu由電介質的損耗tanD、輻射損耗tanR和電介質的支撐物及其周圍金屬容器的導體損耗tanC組

28、成。只有使用低損耗的微波電介質陶瓷，才有可能制出高Q值的諧振器件。</p><p>　　(3)接近于零的頻率溫度系數(shù)τf。材料的諧振頻率溫度系數(shù)τf是用來衡量諧振器諧振頻率溫度穩(wěn)定性的一個參數(shù)，τf越大，則表明器件的中心頻率隨溫度的變化而產生的漂移越大，將無法保證器件在溫度變化著的環(huán)境中工作的高穩(wěn)定性。諧振頻率的溫度系數(shù)與電介質的線膨脹系數(shù) α、介電常數(shù)的溫度系數(shù)存在以下關系：</p><p&

29、gt;　　τf =－（α + τε） （3-2）</p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　τf——頻率溫度系數(shù)</p><p>　　α——電介質的線膨脹系數(shù)</p><p>　　τε——介電常數(shù)的溫

30、度系數(shù)</p><p>　　3.2微波介質陶瓷材料的分類</p><p>　　目前，國內外對微波介質陶瓷的研究已經漸為完善，在微波頻段下，各種極化機制穩(wěn)定，材料的介電常數(shù)基本不隨頻率的變化而變化，根據(jù)介電常數(shù)的大小將其歸為低介、中介和高介3大類，著重對各種典型體系的結構、介電性能、目前存在的問題和改性情況進行概述[7]。</p><p>　　3.2.1低介微波介質陶

31、瓷體系 </p><p>　　微波介質陶瓷具有高介高損耗、低介低損耗的規(guī)律，故低介體系因其高品質因數(shù)而被應用于對介質損耗要求比較嚴格的領域，如衛(wèi)星通訊、軍用雷達等方面[8,9]。</p><p>　　Al2O3 -TiO2 系</p><p>　　α-Al2O3 屬三方晶系，剛玉型結構，O2-按畸變的六方緊密堆積，Al3+填充于2/3的八面體空隙中。α-Al2O3

32、的微波介電性能：εr=10，Qf=500000GHz，τf = 6×10-5/℃ ，品質因數(shù)高，但存在燒結溫度高、諧振頻率溫度系數(shù)為較大的負值等缺點，摻CuO可有效降低燒結溫度，摻TiO2可調節(jié)其溫度系數(shù)，如經退火處理的0.9A1203-0.1TiO2 具有優(yōu)異的介電性能：εr =l2.4，Qf=117000GHz,τf=1.5×l0-6/℃，常用于制備微波集成電路的基片。Al2O3-TiO2 系中摻入金屬氧化物可制

33、得MAl2O4-TiO2(M=Mg、Zn等)，通式為(1-x)MAl2O4-xTiO2。純MgA12O4的εr =8.75，Qf=68900GHz，tanδ=0.00017(12.3GHz)，但τf =-7.5×10-5/℃。TiO2的作用同樣是調節(jié)τf值，如0.75MgAl2O4-0.25TiO2的εr 和τf 分別為11.04和-1.2×10-5/℃ ，tanδ=0.00007(7.5GHz)，綜合性能比純MgA

34、l204 有明顯改善。</p><p>　　2） R2Ba(Cu1-x Ax)O5系</p><p>　　R2Ba(Cu1-xAx)O5(R=Y、Sm、Nd、Yb等，A=Mg、Zn)屬于單斜晶系，空間群為Pnma，結構中含CuO5棱椎形多面體、R2O11多面體和BaO11多面體，取代元素A可提高Qf值。如Y2BaCuO5的εr=9.4，Qf=3831GHz，τf=-3．5×lO-

35、5/℃ ，而Y2Ba(Cu0.8Mg0.2)O5的微波介電性能為：εr=9.53，Qf=42287GHz，τf=3.88×lO-5/℃。該體系頻率溫度系數(shù)呈現(xiàn)較大的負值，需探索新的改性方法調節(jié)其溫度系數(shù)。</p><p>　　3）A(B'1/3B''2/3)O3系</p><p>　　Qf=ωr2/(2πγ)=常數(shù)

36、 （3-3）</p><p><b>　　式(3-3)中：</b></p><p><b>　　Qf——品質因素</b></p><p>　　ωr——為材料的固有角頻率</p><p><b>　　γ——衰減系數(shù)</b><

37、;/p><p>　　ωr為材料的固有角頻率，γ為材料的衰減系數(shù)，在一定微波頻率下，材料的Qf 值基本保持不變，故在高頻下使用需首選 Qf值較高的材料。B位取代的復合鈣鈦礦型微波介質陶瓷符合該要求，常應用于高頻、低損耗領域。通常A為Ca、Ba或Sr，B'為Mg、Zn或Ni，B''為Nb或Ta。</p><p>　　鈣基Ca(B'1/3B''2/3)

38、O3的介電常數(shù)一般為20～40，Qf值均在10000以上，但溫度系數(shù)均是較大的負值，如該體系中Ca(Mg1/3Ta2/3)O3的值最高，為78000GHz，溫度系數(shù)卻為-61×10-6/℃。鈣基的A(B'1/3B''2/3)O3型陶瓷總體性能欠佳，應用前景有一定的局限性。</p><p>　　鋇基Ba(B'1/3B''2/3)O3在A(B'1/3B

39、''2/3)O3系中具有最好的介電性能，可用于制備各種介質諧振器和穩(wěn)頻振蕩器。如純Ba(Mg1/3Ta2/3)O3(BMT)的介電常數(shù)可達24.5～24.7，Q為26000(9.8GHz)，達到1.7×l0-6/℃，但燒結溫度高于1500℃，由此會造成組分的揮發(fā)，材料性能惡化。據(jù)報道通過共沉淀法制備粉體，可使BMT陶瓷的燒結溫度降低180～250℃，介電性能：Qf=65000 GHz(10GHz)，εr=23～

40、25，τf=(0～3)×10-6/℃，但工藝復雜，不適合產業(yè)化；加入少量MgO-Al2O3-CaO-ZnO助燒劑，可使燒結溫度降至1350℃，但會生成Ba5Ta4O15和Ba4Ta2O9等雜相，影響材料的介電性能。故需尋找更有效的方式降低該體系的燒結溫度[10]。</p><p>　　Ba(Mg1/3Ta2/3)O3和Ba(Mg1/3Zr2/3)O3(BZT)等陶瓷是有序一無序混合的鈣鈦礦型結構，有序結

41、構空間群為Pm3m，無序結構的空間群為P3ml，其Q值很大程度上取決于晶格的有序度，較長的燒結時間可以增加有序度，Q值會大幅度提高。但對于Ba(Zn1/3Nb2/3)O3(BZN)，1350℃以下燒結的無序結構的值卻比該溫度以上燒結的有序結構的值還要高,故Ba(B'1/3B''2/3)O3系Qf值與微結構之間的關系還有待深入研究。</p><p><b>　　4）鈦酸鎂系列<

42、;/b></p><p>　　鈦酸鎂主要有3種晶體：正鈦酸鎂(Mg2TiO4)、二鈦酸鎂(MgTi2O5)和偏鈦酸鎂(MgTiO3)，其中正鈦酸鎂為反尖晶石型結構，偏鈦酸鎂為鈦鐵礦型結構。</p><p>　　正鈦酸鎂以(Mg)[Ti，Mg]O4為主晶相，在1MHz下介電常數(shù)、介電損耗和諧振頻率溫度系數(shù)分別為14、3×10-4和6×l0-5/℃ 。</p&g

43、t;<p>　　二鈦酸鎂的晶粒易異常長大，且介質損耗較大，沒有實用價值。</p><p>　　偏鈦酸鎂在13GHz下εr =21，Qf=160000，τf=5×l0-5/℃。加入6 %(質量分數(shù))的CuO-B2O3-V2O5助燒劑可使MgTiO3,燒結溫度由1400℃降至900℃，滿足產業(yè)化的要求。為解決溫度系數(shù)為較大負值的問題，通常摻雜少量CaTiO3，(正溫度系數(shù))對其改性，效果最好的

44、是0.95MgTiO3-0.05CaTiO3系統(tǒng)：εr=20～21，Qf=56000(7GHz),τf≈0×l0-6/℃，可用來制備高精度、熱穩(wěn)定高頻電容器以及GPS天線等。但純MgTiO3，燒結溫度范圍窄，較難合成，且在燒結中會生成雜相。如何最大程度上減少二鈦酸鎂相的生成是實際生產中需注重的問題。</p><p><b>　　5) AWO4系</b></p><

45、;p>　　AWO4(A=Ca、Sr、Ba、Zn、Mg)的結構主要是由A2+半徑決定的，A2+的離子半徑小時(A=Mg、Zn和Mn時)易形成黑鎢礦結構，A2+和w6+與氧的配位數(shù)都為6，氧離子形成六方緊密堆積；A2+半徑較大時，則會形成白鎢礦結構，A2+和w6+與氧原子的配位數(shù)分別為8和4，氧離子形成立方緊密堆積。</p><p>　　該體系燒結溫度較低(1100～1200℃)，品質因數(shù)高，當A為Ca、Sr、

46、Ba、Zn、Mg時，εr分別為10.0、8.58、8.27、16.58和8.75，Qf值都在20000GHz以上，但τf 數(shù)值均為較大的負值(-40×l0-5/℃以下)。國外有研究介紹，可通過向該體系中添加RNbO4(R=La，Nd，Sm)混合成(1-x)AWO4-xRNbO4的方法對其進行改性，0.7CaWO4—0.3NdNbO4在1150℃下燒結3h后其τf可達-1.5×l0-5/℃。且隨x增大，其εr有所提高，

47、也得到一定改善，如0.5CaWO4－0.5NdNbO4的τf 可達3.9×10-6/℃，改性效果較為明顯。但原料成本較高，如能探索更好的方式有效調節(jié)溫度系數(shù)，將會有很好的應用前景。</p><p><b>　　6) AB2O6系</b></p><p>　　Lee等最早研究了AB2O6(A=Ca、Mg、Mn、Co、Ni、Zn；B=Nb、Ta)的介電性能，如表

48、3-1所示。MgTa2O6和MgNb2O6的Qf值較高，但τf 不理想：前者的τf 為3×10-5/℃，后者的τf為-7×10-5/℃，兩者復合后在1450℃下燒結4h，得到的Mg(Ta1-xNbx)2O6 陶瓷，x=0.25時介電性能較為優(yōu)異：εr= 27.9，Qf=33100GHz，τf =-7×10-7/℃ 。目前國內對該體系研究較少，原料成本和燒結溫度都較高，暫時較難實用化。</p>

49、<p>　　表3-1 AB2O6系的介電性能</p><p>　　3.2.2中介微波介質陶瓷體系</p><p>　　1）(Zr,Sn)TiO4系</p><p>　　該體系是一種目前應用比較廣泛的中介微波介質陶瓷體系，Q值高，τf值低，其通式為ZnxTiySnzO4(x+y+z=2)。Sn的作用是提高Q值，但會略微降低εr ,其中(Zr0.8 Sn0.

50、2)TiO4(ZST)材料的介電性能最好。εr=38，Q=7000(7GHz)，τf≈0×10-6/℃ ，因較好的溫度穩(wěn)定性，用它制備的介質諧振器可解決窄帶諧振器的頻率漂移問題。</p><p>　　(Zr1-xSnx)TiO4陶瓷的主晶相是以斜方ZrTiO4為基的(Zr，Sn)TiO4固溶體，在x<O.3時，為單相(Zr1-xSnx)TiO4固溶體；在0.3< x<0.4時會形成(T

51、i,Sn)O2 固溶體，此固溶體作為第二相與(Zr1-xSnx)TiO4共存，共存體比單相(Zr1-xSnx)TiO4固溶體具有較高的εr、τf 和較低的Q值。</p><p>　　ZST難以燒結致密，而εr的大小又與其致密化程度有關，通常采用堿金屬氧化物作為助燒劑促進燒結。另外，摻雜BaO也能在對其介電常數(shù)和諧振頻率溫度系數(shù)影響不大的前提下很大程度地提高體系的Q值。</p><p>　　

52、2）BaO—TiO2系</p><p>　　該體系主要有兩種性能優(yōu)異的化合物，BaTi4O9(BT4)和Ba2Ti9O20(B2T9)</p><p>　　BT4屬于正交晶系，在4GHz下，εr=38，Q=9000，τf=-4.9×l0-5/℃。加入少量WO3可調節(jié)其溫度系數(shù)，如加入摩爾分數(shù)為10％的WO3改性，可使其溫度系數(shù)接近于0×l0-6/℃。</p>

53、<p>　　B2T9 在4GHz下,Q為8000，介電常數(shù)為40左右，溫度系數(shù)為2×10-6/℃，B2T9化合物的形成是個緩慢的過程，且在燒結過程中會形成少量BT4和TiO2。BT4的存在對B2T9的性能影響較小，但TiO2(τf=4.5×10-4/℃)存在會增大體系的τf值。B2T9在1400℃以上分解為BT4和TiO2，因此燒結時必須在1400℃以下達到致密化才能使材料具有較好的性能。同時研究表明在

54、1000℃退火10～15h可提高B2T9的Q值。</p><p>　　BT4在BaO—TiO2體系的介電損耗較小，B2T9在體系中的諧振頻率溫度系數(shù)較低。加入一定的改性劑，將兩者按一定比例混合，制備的復相陶瓷在低頻和高頻下都能適用，且原料成本較低并已廣泛應用于各種諧振器和濾波器的制備中。</p><p>　　3.2.3高介微波介質陶瓷</p><p>　　微波在介質

55、體內傳播時的波長λ與其在自由空間傳播時的波長存在如式(3-2)關系：</p><p>　　λ2＝λ20/εr （3-4）</p><p><b>　　式中：</b></p><p&g

56、t;　　λ0——自由空間傳輸時的波長</p><p>　　λ——介質體內傳輸時的波長</p><p>　　εr——材料相對介電常數(shù)</p><p>　　εr越大，λ越小，從而諧振器尺寸越小，并且εr越大，電介質在電場作用下的極化能力愈強，電磁能量也容易集中在電介質內，使受到周圍環(huán)境的影響小。因此高的介電常數(shù)能促進微波通訊設備、諧振器的小型化和集成化，在高電容量的集成

57、電路中以及低頻下工作的通訊設備中應用廣泛。</p><p>　　BaO—R2O3—TiO2系 </p><p>　　長期以來，BaO—R2O3—TiO2系(R為鑭系稀土元素)一直是人們研究最多的體系，通式為Ba6-3xR8+2xTi18O54(BLT)，在BaO—R2O3—TiO2三元系統(tǒng)中，Ba6-3aR8+2xTi18O54固溶體形成區(qū)域固定在BaTiO3和BaLn2Ti40l2(或B

58、a3.75Ln9.5Ti18O54)的連線上，Ti:O為1:3。</p><p>　　隨Ｘ的減少，Ba2+增多，由于Ba2+的極性比La3+的極性大，系統(tǒng)總極性增強，εr值也會隨之增加。當x=2/3時，Ba6-3xR8+2xTi18O54微波介質陶瓷具有最高Ｑf值；在R=Sm的系統(tǒng)中Ｑf=10549GHz；R=Nd的系統(tǒng)中Ｑf＝10010GHz；R=Pr的系統(tǒng)中Ｑf=6611GHz；R=La的系統(tǒng)中Qf=2024

59、GHz。故BaO—Nd2O3—TiO2和BaO—Sm2O3—TiO2最具實用價值，它們的介電常數(shù)高(70～80)，通過摻雜改性提高其溫度穩(wěn)定性是以后研究的重點[9]。</p><p>　　2) CaO—Li2O—R2O3—TiO2系</p><p>　　CaO-Li2O-R203-TiO2體系是(1-x)(Li1/2 Rl/2)TiO3-xCaTiO3，是使用高εr低Q值、較大的正τf 的

60、CaTiO3與高εr 和較大的負τf的(Li1/2R1/2)TiO3復合而成的高εr和低τf 的微波介質材料。當CaO：LiO2：R2O3：TiO2=16：9：12：63時介電性能最好，如當R為Sm且按如上比例燒結后，εr=105，Qf=4630GHz，τf=1.3×10-5/℃ 。</p><p>　　Yingchung Chen等制備的CaO—BaO—Li20—Sm2O3—TiO3(CBLST)，性

61、能優(yōu)異。</p><p>　　表 3-2 CBLST系的微波介電性能</p><p>　　CaO—Li2O—R203—TiO2系是對BaO—R2O3—TiO2體系的擴展，各方面的性能比BaO—R2O3—TiO2體系均衡，是目前研究的一個熱點方向。</p><p>　　3)(A'1-xA''x)BO3型</p><p&

62、gt;　　CaTiO3是ABO3化合物中鈣鈦礦結構的代表，鈣鈦礦晶格結構中鈦氧八面體中鈦離子的相互作用產生了很大的內電場，從而使其擁有較高的介電常數(shù)，在7GHz下εr高達170,Ｑf為36000GHz，τf為8×10-4/℃。(A'1-xA''x)BO3型微波介質陶瓷結構和性能與其類似，有以下兩類典型材料[10]。 </p><p>　　第一類是由堿金屬和鑭系金屬取代A位的(A&

63、#39;1-xA''x)—TiO3 陶瓷，隨R的不同，材料的結構取不同晶系的鈣鈦礦構型：當R=La時，為立方鈣鈦礦結構；R=Nd、Pr時，為四方鈣鈦礦結構；R=Sm時，為正交鈣鈦礦結構。因此該系列材料的介電性能因鑭系元素的不同變化極大。如表3-3所示，該系列陶瓷的εr一般都在80以上，但τf值不理想，故通常不能單獨使用，而作為補償材料摻雜到其他體系中[11]。</p><p>　　表 3-3 A

64、位取代的鈣鈦礦結構化合物的介電性能</p><p>　　Table 3 Dielectric properties of perovskite—type compounds For A site complex</p><p>　　第二類是一種新型高介微波介質陶瓷，用堿金屬離子(K+、Na+、Li+)部分取代AgNbO3中的Ag+而制備的(A'1-xA''x)—Nb

65、O3系陶瓷，具有很高的介電常數(shù)。天津大學所研究的對(A'1-xA''x)─NbO3同時進行B位取代的(A'1-xA''x）（Nb1-yTay）O3 系陶瓷性能更為優(yōu)異，當A為Na且Ag/Na及Nb/Ta的摩爾比均為3/2時，可使tan降低為4×10-4，εr達到340；當A為K且Ag/K及Nb/Ta的摩爾比分別為9：l和4：l時，εr 和tan分別為619.5和0.0142，其因

66、超高的介電常數(shù)而受到很多學者的重視，但原料成本較高，合成復雜，離實際應用還有一段距離[12,13]。</p><p><b>　　4）鉛基鈣鈦礦系</b></p><p>　　鉛基鈣鈦礦系主要是指(Pb1-xCax)ZrO3、(Pb1-xCax)HfO3、(Pb1-xCax)(Fe1/2Nb1/2)O3、(Pb1-xCax)(Fe1/2Ta1/2)O3 、(Pb1-x

67、Cax)(Mg1/3Nb2/3)O3 、 (Pb1-xCax){(Fe1/2Nb1/2)1-ySny}O3等系列材料。該系列綜合了復合鈣鈦礦系列中A位取代和B位取代兩種方式的優(yōu)點，有兩個顯著的特征：介電常數(shù)較高，頻率溫度系數(shù)較?。唤殡姵?shù)隨鉛含量的增加而增大，隨B位離子半徑的增大而減小[14]。</p><p>　　該系列有較高的εr但品質因數(shù)較低(Qf<2000GHz)，通常對其進行B位取代，以提高Q值，

68、尤其是Sn的引入能使[(Nb，F(xiàn)e)O6]八面體壓縮，外電場作用下，Nb5+、Fe3+移動困難，降低整個諧振子的阻尼系數(shù)，損耗減小,Qf值顯著提高，而εr降低不明顯，如(Pb0.45Ca0.55){(Fe0.5Nb0.5)0.9Sn0.1}O3的Qf為8600GHz,εr=8600GHz，τf≈0×10-6/℃。</p><p>　　PbO易揮發(fā)，阻礙陶瓷的致密化，且Pb的缺位會造成晶格缺陷，形成第二相

69、(焦綠石相)，因此燒結中需加入PbZrO3、ZrO2作為埋粉以抑制PbO的揮發(fā)。精確控制原料純度和配比、較好地控制燒結氣氛和工藝是該體系產業(yè)化的關鍵。</p><p>　　3.3 微波介質陶瓷材料的主要應用</p><p>　　微波介質陶瓷應用范圍廣泛，在微波電路中的應用主要有如下幾個方面[15,16]：</p><p>　　(1)用作微波電路的介質基片，起著電路元

70、器件及線路的承載、支撐、絕緣的作用；(2)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；(3)用作微波電路的介質天線，起著集中吸收儲存電磁波能量的作用；(4)用作微波電路的介質波導，起著引導電磁波沿一定方向傳播的作用；(5)用作微波電路的介質諧振器件，起著類似一般電子電路中LC諧振電路的作用。其中，最后一項的應用是最主要的。因為實現(xiàn)微波設備的小型化、高穩(wěn)定性和廉價的途徑是微波電路的集成化，早期金屬諧振腔和金屬波導體積和重量過

71、大，大大限制了微波集成電路的發(fā)展，由微波介質陶瓷做成的介質諧振器，可按設計要求將若干諧振器耦合在一起，制成一系列為滿足微波電路各方面需要的腔體塊狀微波器件，如：濾波器、穩(wěn)頻震蕩器及放大器等介質諧振式選頻器件，體積小、重量輕介質諧振器件的出現(xiàn)能排除微波電路小型化與集成化方向上的最大障礙。陶瓷介質微波器件體積小、損耗低、穩(wěn)定好、承受功率高、可在惡劣條件下工作，最高應用頻率可達90 GHz，不僅在民用中廣泛應用，而且在軍用通信中受到重視。腔體

72、塊狀陶瓷介質微波器件有分體和聯(lián)體兩種結構，前者是由幾個諧振器耦合而成；后者是在一</p><p>　　微波介質陶瓷材料主要用作微波頻率器件:介質諧振器和介質濾波器(帶通、帶阻、雙工器)兩大類組件，常作為汽車電話、攜帶電話等移動通信(900MHz)和衛(wèi)星廣播電視 (12GHz)用元器件，從數(shù)百MHz到毫米波頻段，也有應用實例[17]。</p><p>　　3.3.1 介質諧振器</p&

73、gt;<p>　　用微波介質陶瓷制作的介質諧振器，可視為將特定頻率的微波封閉在介質空間內的兩端開路的一段介質波導或一端開路的同軸諧振腔，這種器件有多種形狀和結構，</p><p>　　圖3-1 介質諧振器</p><p>　　常用的有以TE108為主模的圓柱形，TEM 為主模的同軸形與帶狀線形，TE118為主模的矩形， TM010為主模的圓桿形等。圓柱形諧振器的介質體置于金屬

74、容器內，微波能量是封閉的，損耗小，無負荷Q值高，不足的是體積較大。在高端微波中圓柱形和矩形介質諧振器有廣泛應用。TEM 諧振模式的損耗大，但器件體積最小的，多用于1GHz左右的低端頻率。TM010 ?？膳c同軸線或波導發(fā)生強耦合[18]。諧振器的帶寬增大，介質體積也較小。近年來，還開發(fā)出開口環(huán)形(頻率漂移小)、迭層式雙介質(線性調諧范圍寬、溫補線性化)。以及TM110模(損耗極小、溫度穩(wěn)定性好)的介質諧振器，用于微波體效應管和雙極型晶體管

75、，以及砷化鎵場效應晶體管等器件的電路中。在通信和雷達系統(tǒng)中作為本機振蕩，最大市場是衛(wèi)星廣播電視接收設備[19]。</p><p>　　3.3.2介質濾波器</p><p>　　介質濾波器通常是由數(shù)個諧振器縱向多級連接構成，可進行級向耦合，其顯著特點是插損極小，耐功率性好。商品化生產最多的是移動通信的攜帶電話、無繩電話、汽車電話、基臺的帶通、帶阻濾波器以及一體化收、發(fā)雙工器。在800～100

76、0MHz范圍內系列化的介質濾波器有近百個品種，可滿足各國移動通信的需要[20]。其技術指標為t插損2～3dB，波紋小于ldB，電壓駐波比約1.5，帶寬有1MHz、10MHz、5MHz、12.5MHz、16.5MHz等系列，帶外抑制在規(guī)定頻帶內可達35dB以上。某些特殊要求點可達60dB以上。毫米波用介質帶通濾波器在30GHz、50GHz、90GHz下，無負荷Q值分別為3400、2400、1500。濾波器特性在各頻帶良好。</p&g

77、t;<p><b>　　圖3-2介質濾波器</b></p><p>　　3.3.3其它方面的應用</p><p>　　微波介質陶瓷除制作頻率器件外，也可作電介質基片、介質天線、介質波導線路、20GHz左右的超小型片式電容器等的基礎材料使用。隨著微波電路集成化和不斷擴大的應用范圍。對微波介質陶瓷材料的需求會越來越高，今后幾年內，材料的穩(wěn)定性會進一步提高；ε

78、f在2～2000范圍內可調，適應多種用途；τf 可在-100～300℃范圍變化；更方便地獲得零溫度系數(shù)的介質諧振器；Q值在微波頻率下接近100000，比現(xiàn)有材料提高一個數(shù)量級，損耗大幅度下降[21]。</p><p>　　4微波介質陶瓷材料存在的問題和展望</p><p>　　微波介質陶瓷各個體系的發(fā)展已趨于成熟，但仍然存在一些問題：目前對微波介質陶瓷的研究大部分是通過大量實驗而得出的經驗

79、總結，卻沒有完整的理論來闡述微觀結構與介電性能的關系。探索和總結各個體系的晶體結構、缺陷、化學鍵、晶界等對其介電性能的具體影響，以完整的理論模型展示出來，才能在這個領域有所突破。</p><p>　　介電常數(shù)、品質因數(shù)和諧振頻率溫度系數(shù)三者之間彼此制約，摻雜改性彌補某些性能不足體系的缺陷、降低低介體系的諧振頻率溫度系數(shù)并追求高頻下(大于10GHz)超低損耗的極限、提高高介體系的品質因數(shù)以及探索更高介電常數(shù)(大于

80、120)的新材料體系將是微波介質陶瓷的發(fā)展趨勢，從(Ag1-xAx)(Nb1-yTay)O3 的出現(xiàn)說明這方面的研究還存在著很大的空間[22]。</p><p>　　另外，采用新的成型方式、制備方法和燒結技術來繼續(xù)提高已有體系的介電性能，仍會是研究的重點，如用濕化學方法合成粉體，等靜壓成型，微波燒結、熱壓燒結等技術在研究中將逐漸取代傳統(tǒng)固相燒結方式。</p><p>　　目前國外對微波介質

81、陶瓷的應用主要集中于無繩電話和手機上，日本、美國和德國技術較為領先。國內對微波介質陶瓷的研究始于20世紀80年代初，原料供應、工藝水平、生產規(guī)模及測試設備等與國外還存在很大的差距，尤其在介電常數(shù)低于20的各體系的產業(yè)化上較為落后，很多器件和產品依靠進口，隨著通訊事業(yè)的發(fā)展，提高微波介質陶瓷的產業(yè)化水平，使得各性能優(yōu)異的材料體系從研究走向應用，是亟待解決的問題[23]。</p><p>　　燒結溫度過高是微波介質陶

82、瓷走向生產應用的最大障礙，低溫共燒陶瓷(LTCC)技術能有效降低燒結溫度，促進微波介質陶瓷的產業(yè)化。故對微波介質陶瓷低溫共燒的研究將是其制造工藝的發(fā)展趨勢。近些年來國內外對微波介質陶瓷低溫共燒的研究多集中于低介和中介體系，預計對高介體系低溫共燒的研究也將成為微波介質陶瓷的一個發(fā)展方向。</p><p>　　隨著數(shù)據(jù)移動通訊和衛(wèi)星通訊的迅速發(fā)展，特別上微波器件多層設計思想的提出，微波器件的小型化、工作高頻化與多頻化

83、進程的加快，微波介質陶瓷的低溫燒結、低損耗以及介電常數(shù)可調、微波器件的進一步實用化必然成為新一輪研究的熱點；高介電材料的研究雖然有所降溫，但在制作貼片式微波器件方面仍然會在相當長的時間內占有重要地位[24]。目前，微波介質陶瓷領域的熱點有：傳統(tǒng)微波介質陶瓷的低溫燒結以及中低溫燒結微波介質陶瓷新體系的開發(fā)；高介電常數(shù)微波介質新體系探索；微波介質陶瓷低損耗的極限與超低損耗；頻率捷變微波介質陶瓷等；微波材料實用化。</p>&l

84、t;p>　　隨著微波技術的不斷發(fā)展, 一方面促進了微波介質陶瓷材料新體系新應用的不斷出現(xiàn)；另一方面, 也對微波陶瓷材料的性能提出了更高的要求。要滿足這些要求, 首先是研制出性能更優(yōu)異的新材料, 同時, 采用新工藝新技術來提高材料在組成與結構方面的均勻性及致密性已成為發(fā)揮材料優(yōu)良性能不可忽視的問題。</p><p>　　目前, 在微波陶瓷材料研究領域亟須解決的課題是：（1）對已有材料的性能要進一步提高, 以滿

85、足微波技術向高、精、尖方向發(fā)展；（2）微波介質材料性能的微觀機理尚不十分清楚,缺乏理論性的解釋和材料研制的理論指導, 須加強微波陶瓷的理論研究；（3）特殊頻段（小于2GHz,大于12GHz）上用的新材料, 尚待開發(fā)。</p><p>　　展望微波陶瓷材料的研制, 其具體目標是獲得如下性能的一系列新材料:</p><p>　　1、介電常數(shù)在10～200之間, 而且比較穩(wěn)定；</p>

86、;<p>　　2、損耗盡可能降低, 使諧振品質因數(shù)大于104量級；</p><p>　　3、頻率溫度系數(shù)達到10-6/℃數(shù)量級, 盡量趨近于0。</p><p>　　總之, 隨著新材料的開發(fā)和應用, 微波介質陶瓷將顯示出強大的生命力和無限廣闊的前景。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p&

87、gt;　　本學位論文是在熊鋼老師的悉心指導下完成的，從論文選題到完成論文都浸透了老師的大量心血和精力，熊老師淵博的知識、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和求實精神、忘我的工作作風、學術上的遠見和生活上的平易近人，時刻激勵著我，是我畢生學習的榜樣。熊老師平時對我們說過的話對我以后的學習和工作都產生了深遠的影響！值此論文完成之際，特向熊老師致以誠摯的感激和無盡的敬意！</p><p>　　在課題研究中，得到了課題組丁松乾、劉海濤、胡江

88、坤、沈晨、閆瑞瑞同學的關心和幫助。與他們進行了多次有益的探討和學術交流，得到了許多啟發(fā)，對于他們的支持和幫助表示誠摯的謝意！</p><p>　　最后，向所有給予我關心和幫助的領導、老師、親人、同學和朋友再次表示衷心的感謝！感謝母校對我四年的教育和培養(yǎng)！</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]干福熹.信息材料

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