24微波-66页PPT资料

•1.概述•2.介质谐振器•3.微波介质陶瓷的结构与性能•4.主要的体系•5.测试微波介质陶瓷1.概述：微波频带及微波陶瓷微波的波长短，方向性强，可用于雷达来发现和跟踪目标；另外，由于微波频率高，信息量大，非常适合于微波通讯；其对高空电离层的穿透性可用于卫星通讯。近年来，移动通讯系统，电缆电视系统，卫星通信系统的迅速发展，对微波领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，制造出高品质的微波介质谐振器已成为国内外高技术陶瓷研究的一个重要课题。微波特点“主动拒止系统”(ActiveDenialSystem,ADS)微波介质陶瓷广泛用于微波振荡器和微波滤波器，而微波介质谐振器是其基本器件。为了获得高的品质因数和减小尺寸，不同应用频率，通常采用不同模式的谐振器，在较低频率下，主要以带状线谐振器或微带线谐振器为主，但由于受金属传输线（一般为银）低品质因数的限制，此类谐振器的品质因数不会太高，但体积可以做得很小。在高频下，可以采用介质谐振器，由于不需要金属化，其品质因数可以做得很高。微波介质陶瓷除可以用来制作高稳定、高Q谐振器和滤波器外，还广泛用于制作双工器、GPS（全球定位系统）天线、微波集成电路基板、微波电容器等。2.介质谐振器1）集中参数的谐振回路：LCf21谐振回路的损耗通常用回路的品质因数Q表示,Q越大损耗越小.并联谐振回路的品质因数等于:rQCLCL1f2LCrrr,rC、rL分别式电容和电感的内阻缺点：受工艺技术的限制，其电感、电容和电阻都不可能很小，因而它的谐振频率和Q值也不可能很高。一般集中参数谐振回路的谐振频率低于300MHz，Q值小于500。谐振器的本质是什么？2）分布参数回路――空腔谐振器。它是一个中空的金属盒子，有方形、圆柱形或其它形状，以一定方式将电磁波耦合到腔体中。谐振腔的谐振频率与其形状。几何尺寸、耦合到谐振腔中的电磁波的振动模式有关。谐振腔的优点之一是有较高的品质因数，例如，容易做到Q40000。谐振腔的Q值取决于谐振腔的形状、体积、腔内壁金属的表面电导率和加工精度等因数。保持谐振腔有较高的Q值，同时缩小其体积，是微波器件小型化、集成化的一个重要方向。由电磁波理论知，如果电介质的介电常数为r，那么介质中的波长为空气中波长的r1如果将电介质填充谐振腔，谐振腔的尺寸也将缩小到r1按此原理设计的谐振腔即称介质谐振器。3.1微波介质陶瓷的主要性能微波介质陶瓷材料是制造微波元器件的关键材料，除了要求必备的机械强度、化学稳定性及经时稳定性外，还要求它具有不同于一般电子陶瓷的特殊性能，微波介质陶瓷要具有以下三个主要性能指标：在微波频率下，相对介电常数εr要大，一般要大于15。在介电常数为εr的介质中，电磁波的波长与成正比，而在同样谐振频率f0下，介质谐振器的形状与尺寸又取决于电磁波的波长，即：r/1其中：λ介—电磁波在介质中的波长，λ空—电磁波在空气中的波长，εr—介质材料的相对介电常数。因此，在同样的谐振频率f0下，εr越大，介质谐振器的尺寸就越小，电磁能量也越集中于介质体内，受周围环境的影响也越小。这既有利于介质谐振器件的小型化，也有利于其高品质化，目前高介微波介质陶瓷的εr已超过100，以此来满足元器件小型化的要求。高Q有利于获得良好的滤波特性及通讯质量。?RC并联回路，BW以HZ为单位）=f0/QLQL=RCf0BW=1/RC对于同一材料，为了较高的Q值，在较低的频率下使用更有利！介质谐振器件以陶瓷的某种振动模式的谐振频率作为其中心频率。早期电介质用于微波介质谐振器的困难就在于此！其中L为热膨胀系数，为介电常数温度系数同时满足三个条件，微波介质陶瓷的要求比较苛刻！3.2微波介质陶瓷的主要材料及分类近年来，为了适用微波技术的需求，微波介质陶瓷材料发展迅速，已研究开发了多种满足不同性能要求的微波介质材料。这些微波陶瓷可按介电性能和材料体系进行分类：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系统及它们之间的复合系统微波介质陶瓷材料。其εr=25-30，Q=（1-3）×104（在f10GHz），τf≈0。它们主要用于f≥10GHz的卫星直播等微波通信机中作为介质谐振器件。中介中Q值材料。主要是以BaTi4O9，BaTi9O20和(Zr,Sn)TiO4等为基的微波介质材料。其εr≈40，Q=（6-8）×103（在f=3-4GHz）。τf≈0。它们主要用于微波军用雷达及微波通信中作为介质谐振器件。高介低Q类材料。主要是以简称为BLT的BaO-Ln2O3-TiO2(其中Ln为Sm,Nd等稀土元素)为基的微波介质陶瓷，其εr=80-90，Q=(2-5)×103(在1-3GHz下)，τf=(10±5)×10-6/℃，它主要用于低微波频段(f2GHz)的民用移动通信系统中作为介质谐振器件。这是当前微波介质陶瓷研究的热点之一。（1）按陶瓷材料的εr大小，可将其分为三类：为何按照介电系数分类呢？？材料介电常数rQf(GHz)测试频率(GHz)频温系数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)TiO4384900070BaSm2Ti5O14788000221BaNd2Ti5O148940002-50Bi2O3-BaO-Nd2O3-TiO288200040(Pb,Ca)ZrO3105360033.7PbO-BaO-Nd2O3-TiO290520013几种典型微波介质材料及主要性能按组成系统特点，常用的微波介质陶瓷材料可分为三个体系：（2）按组成系统分类：(1)BaO-TiO2体系BaO-TiO2体系中含有多种化合物，其中具有优异微波介电性能的主要有BaTi4O9和Ba2Ti9O20。Ba2Ti9O20具有比BaTi4O9更好的介电性能，目前已被用作制造微波介质谐振器材料，并得到了广泛的应用。在70年代和80年代初曾被广泛研究，但在过去十几年中又曾经被忽视，尤其是BaTi4O9系。主要原因是该系统Q值低且无法控制，τf又不易调整，最近，由于BaO-TiO2体系微波陶瓷体系简单、价格便宜等因素又重新得到重视。其新配方性能好，通过改变BT4/B2T9比例，该体系在整个微波频段范围内都可应用。于是人们又开始注意用于蜂窝式移动通信系统滤波器的钛酸钡盐新一代材料的发展。(2)BaO-R2O3-TiO2系统BaO-R2O3-TiO2系统是在BaTiO3系中加入稀土氧化物而派生出来的，是目前微波介质陶瓷研究的热点之一，也是高εr微波介质陶瓷的典型代表。其中R2O3（或Ln2O3）为镧系稀土氧化物。以BaO-R2O3-TiO2为基础，通过掺杂、改变各组分比例，又可得到一系列介电性能不同、性能优异的微波介质陶瓷。根据R2O3中的稀土元素，该系统又可分为三个体系:1.BaO-Nd2O3-TiO2系2.BaO-Sm2O3-TiO2系3.BaO-La2O3-TiO2系(3)A(B’1/3B’’2/3)O3系列由于现代通信系统正在向高频方向发展，因而要求微波介质材料在高频（10GHz）时具有高Q值。目前研究发现，具有复合钙钛矿结构的A(B’1/3B’’2/3)O3系列材料在很高的微波频率下具有极低的介质损耗，其中B’可以是Mg、Ni、Co、Mn、Zn、Ca等，B’’为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。这一系列材料具有优异的微波性能，是目前已实用化的重要的高Q微波介质陶瓷。微波介质陶瓷应具有的介电性能为：高介电常数高品质因数低谐振频率温度系数3.3微波介质陶瓷的结构与性能微波频段内介质的极化机制主要是电子位移极化和离子位移极化，因此微波介质陶瓷的介电常数起因于所有构成离子的电子极化率和离子极化率之和。微波介质陶瓷要求具有高的介电常数，高介电常数离子晶体的结构特点是在晶体结构中具有氧八面体。3.3.1（1）介电常数电介质的极化机制？电子极化离子极化晶格振动的一维模型理论高介微波介质中的氧八面体钙钛矿结构示意图氧八面体的极化3.3.1（2）介质损耗介质损耗3.3.1（3）谐振频率温度系数如何获得零谐振频率温度系数3.3.2微波陶瓷的结构-性能关系以具有类钙钛矿钨青铜结构的BaO-R2O3-TiO2（其中R为稀土元素Ln）体系陶瓷为例说明介电性能与晶体结构的相关性。BaO-R2O3-TiO2体系微波陶瓷是目前研究得最多并已实用化的高介微波介质陶瓷，为该体系陶瓷的组成关系钨青铜结构是由共点氧八面体形成，八面体以共顶点的形式沿c轴叠置成堆垛，各堆垛再以共点的形式联接起来。氧八面体联接形成三种不同形状的空隙，即A1、A2和C，其平面形态分别是菱形、五边形和三角形，配位数分别是12、15和9，其中A2的体积最大，A1次之，C最小Ba6-3xSm8+2xTi18O54（x=0.7）固溶体的晶体结构理想的A1和A2空隙的构形该结构与钙钛矿结构类似，Ti与O的比例保持在1:3，三元系固溶体的组成在BaTiO3－R2Ti3O9连线上，形成钨青铜结构，大离子半径的Ba2+和R3＋处于[TiO6]八面体形成的三维框架的空隙中，为维持电中性，2个R3＋取代3个Ba2＋，即理想的A1和A2空隙的构形13223AVRBa13223AVRBa半径最大的Ba2＋进入A2空隙，半径次之的稀土离子R3＋处于A1空隙，A1和A2填满，而空间最小的三角形空隙全空，Ti4＋进入氧八面体空隙中。钨青铜晶体形态通常为针状或长棒状，长度方向为c轴方向介电性能与结构的相关性：（a）Ba和R有序导致高的品质因数Ba6-3xR8+2xTi18O54固溶体陶瓷的介电性能与组成的关系Ba6-3xR8+2xTi18O54固溶体陶瓷的介电性能与组成的关系Ba6-3xR8+2xTi18O54固溶体陶瓷的介电性能与组成的关系晶格应变与组成的关系对于x=2/3组成，随稀土离子半径减小，Q值增大，这说明Ba与R的离子半径差越大，晶格应变越小介电常数与频率温度系数介电常数受三个方面的影响:（1）[TiO6]氧八面体的大小（2）[TiO6]氧八面体的倾斜程度（3）Ba和R离子的极化率。钨青铜结构中氧八面体的倾斜介电常数和温度系数与单胞体积的关系固溶体中的介电常数还正比于晶胞参数或晶胞体积，随x增大，晶胞参数或体积增加，介电常数会线性增加3.3.3高介高Q微波陶瓷的组成与结构设计原则1.对于设计高Q陶瓷材料，晶体结构知识，如超晶格、离子有序化、离子占位等至关重要。2.因晶格应变降低Q值，因此应选择低晶格应变的组成以获得高Q的材料。3.具有对称中心的晶体一般有利于高Q值，提高离子在晶格中的有序化可以提高品质因数。4.要得到高介电常数，应选择大的八面体体积和小的倾斜角。5.选择具有高极化率的离子以获得高介电常数。6.利用正、负温度系数材料复合获得零温度系数4.微波陶瓷体系目前最通用的介质陶瓷微波介电性能的测试方法为圆柱形介质谐振器法，又称开腔法。该法是将圆柱形试样放置在两个镀金的圆形铜平板之间，通过与网络分析仪连接的耦合天线，在试样中激发TE01振动模式，由谐振频率计算介电常数，由3dB带宽计算品质因数Q。左图为开腔谐振器的结构示意图。通过与计算机连接，可以实现微波性能的快速自动测试，右图是微波介电性能测试系统示意图。5.微波介电性能的测试微波性能自动测试系统介电特性测试结果