微波介质陶瓷材料体系研究综述.docx

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微波介质陶瓷材料体系研究综述

微波介质陶瓷材料体系研究综述

（桂林理工大学）

摘要：

介绍了微波介质陶瓷的应用及其性能要求,按照应用频域的不同,对微波介质陶瓷的材料体系进行分类讨论,将其划分为低频端、中频端以及高频端等三大类,指明了微波介质陶瓷的发展展望。

关键词:

微波陶瓷;介质陶瓷

引言

微波介质陶瓷是近十多年来发展起来的一种新型的功能陶瓷材料。

它是指应用于微波频率（主要是300MHz-30GHz频段）电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷材料，是制造微波介质滤波器和谐振器的关键材料。

它具有高介电常数、低介电损耗、温度系数小等优良性能,适于制造多种微波元器件,能满足微波电路小型化、集成化、高可靠性和低成本的要求。

用微波介质陶瓷材料做成的各类高性能器件,已被广泛应用于卫星电视、雷达、移动通讯、电子计算机及现代医学等众多领域[1]。

随着移动通信的发展,微波介质陶瓷已成为高技术陶瓷研究的重点项目之一[2]。

1微波介质陶瓷的应用及性能要求

1．1微波介质陶瓷的应用

微波介质陶瓷应用范围广泛,在微波电路中的应用主要有如下几个方面[3,4]:

（1）用作微波电路的介质基片,起着电路元器件及线路的承载、支撑、绝缘的作用;

（2）用作为微波电路的电容器,起着电路或元件之间的耦合及储能作用;（3）用作微波电路的介质天线,起着集中吸收储存电磁波能量的作用;（4）用作微波电路的介质波导,起着引导电磁波沿一定方向传播的作用；（5）用作微波电路的介质谐振器件,起着类似一般电子电路中LC谐振电路的作用。

其中,最后一项的应用是最主要的。

因为实现微波设备的小型化、高稳定性和廉价的途径是微波电路的集成化,早期金属谐振腔和金属波导体积和重量过大,大大限制了微波集成电路的发展,由微波介质陶瓷做成的介质谐振器,可按设计要求将若干谐振器耦合在一起,制成一系列为满足微波电路各方面需要的腔体块状微波器件,如:

滤波器、稳频震荡器及放大器等介质谐振式选频器件,体积小、重量轻介质谐振器件的出现能排除微波电路小型化与集成化方向上的最大障碍。

陶瓷介质微波器件体积小、损耗低、稳定好、承受功率高、可在恶劣条件下工作,最高应用频率可达90GHz,不仅在民用中广泛应用,而且在军用通信中受到重视。

腔体块状陶瓷介质微波器件有分体和联体两种结构,前者是由几个谐振器耦合而成;后者是在一个陶瓷块体上制作几个谐振器及其间的耦合结构,使器件体积大大减小,但小型化有限,不能满足移动通信市场日益发展的要求。

利用低温烧结微波介质陶瓷与导体浆料的共烧技术和精细叠层工艺,制成片式多层微波频率器件具有小型化、可表面贴装、性能优良、可靠性高、可承受波峰焊和再流焊等诸多优点。

LTCC技术的出现,微波器件小型化得到迅速发展,如天线、双工器、滤波器、平衡--不平衡转换等叠层微波器件获得广泛应用[5]。

1.2微波介质陶瓷的性能要求[6~8]

评价微波介质陶瓷介电性能的参数主要有三个：

相对介电常数εr、品质因数Q·f、谐振频率τf。

应用于微波电路的介质陶瓷,除了必备的机械强度、化学稳定性及经时稳定性外,还应满足如下介电特性的要求:

（1）在微波频率下材料相对介电常数εr应大,以便于器件小型化。

由微波传输理论可知:

微波在介质体内传输,无论采用何种模式,谐振器的尺寸都大约在λ/2~λ/4的整数倍间。

微波在介质体内传输时的波长λ与它在自由空间传输时的波长λ0有如下关系:

λ=λ0/ε0.5。

所以,相同的谐振频率下,εr越大,介质谐振器的尺寸就越小,电磁能量越能集中于介质体内,受周围环境的影响也小。

这既有利于介质谐振器件的小型化,也有利于其高品质化。

另一方面,谐振频率越高,波长越短,介质谐振器的尺寸在相对介电常数不是很大的情况下也可以很小,不同的应用领域,对εr的要求不同,通常要求εr>10。

（2）在微波频率下的介电损耗tanδ应很小,即介质的品质因子Q（=1/tanδu）要高,以保证优良的选频特性和降低器件在高频下的插入损耗。

共振系的损tanδu由电介质的损耗tanδD、辐射损耗tanδR和电介质的支撑物及其周围金属容器的导体损tanδC组成。

只有使用低损耗的微波电介质陶瓷,才有可能制出高Q值的谐振器件。

（3）接近于零的频率温度系数τf。

材料的谐振频率温度系数τf是用来衡量谐振器谐振频率温度稳定性的一个参数,τf越大,则表明器件的中心频率随温度的变化而产生的漂移越大,将无法保证器件在温度变化着的环境中工作的高稳定性。

谐振频率的温度系数与电介质的线膨胀系数a、介电常数的温度系数τε存在以下关系:

τf=-{a+1/2τε}

2低频端微波介质陶瓷材料（0.8~4GHz）

微波介质陶瓷可以按照组成、结构、介电性能以及应用频域来加以分类,按照应用频域划分,可大致将其分为低频端、中频端以及高频端等三大类。

低频端微波介质陶瓷一般介电常数εr大于Qf相对较小,主要包括钨青铜结构BaO-Ln2O3-TiO2系列、CaTiO3改性系列、改性铅基钙钛矿系列等。

它们主要在0.8~4GHz频率范围内的民用移动通信系统中作为介质谐振器件。

部分低频端微波介质材料的微波介电性能如表1所示。

表1部分低频端微波介质材料的微波介电性能

Materials      εr     Qf（GHz）  τf（ppm/℃） Ref

BaO-Nd2O3-Bi2O3-TiO2       90-92     6000      ~0      [9]

BaO-PbO-Nd2O3-TiO2        85-88     6000      0      [10]

Ba4.2Nd9.2Ti18O54           78       10000     -12       [11]

BaO（Sm0.9La0.1）2O3-5TiO2      90.7      8900       4.2      [12]

CaTiO3-Li1/2-3XSm1/2+XTiO3      100       6430       0       [13]

（Ca,La）TiO3-Li1/2Nd1/2TiO3     105       7000     4.5       [13]

（Pb,Ca）（Fe0。

5Nb0。

5）O3       91        4950      2.2       [13]

（Pb,Ca）（Me1/3Nb2/3）O3       73        4023      3.7      [13]

（Pb,Ca）（Zr,Ti）O3         72        16400      2.4        [13]

（Pb,Ca）ZrO3           110       3080       13.4    [13]

3中频端微波介质陶瓷材料（4~8GHz）

一般指介电常数εr在30-70之间,品质因数Q在（5-15）?

103之间的微波介质陶瓷材料。

主要是以BaTi4O9,Ba2Ti9O20和（Zr、Sn）TiO4等为基的MWDC材料以及低介电常数物质与CaTiO3、SrTiO3等的复合材料。

主要用于4~8GHz频率范围内的微波军用雷达及通信系统中作为介质谐振器件。

部分中频端微波介质材料的微波介电性能如表2所示。

表2部分中频端微波介质材料的微波介电性能

Materials        εr   Qf（GHz） τf（ppm/℃）   Ref

BaTi4O9             38   >58000    14      [14]

Ba2Ti9O20             39   >54000    4       [14]

（Zr0.8Sn0.2）TiO4           40   50000    3       [14]

CaTiO3-NdAlO3           44   45000    0       [14]

SrTiO3-LaAlO3          34   67461    -8      [15]

CaTiO3-Ca（Al1/2Nb1/2）O3      50   30000    0       [15]

4高频端微波介质陶瓷材料（8~30GHz）

一般指介电常数εr在10~30之间,品质因数Q?

f值非常高的微波介质陶瓷材料。

复合钙钛矿结构A（B1/3B"2/3）O3型材料是使用最广泛的一种高频端微波介质陶瓷,通式中A=Ba、Sr等;B=Mg、Zn、Mn、Co或Ni等;B"=Ta或Nb等。

系列材料的Q值相当高,在10GHz下仍高达10000以上,τf在零附近可调,εr大约30。

其中,Ba（Mg1/3Ta2/3）O3[16]性能最为优异:

εr=25,Q=16800（10.5GHz）,τf=4.4ppm/℃。

类MWDC材料由于品质因数高,具有良好的选频特征,一般应用在10GHz以上的卫星通信、雷达电子对抗等领域。

部分A（B1/3B"2/3）O3型材料的微波介电性能如表3所示。

表3部分A（B1/3B"2/3）O3型材料的微波介电性能

Materials   f（GHz）  εr     Q    τf（ppm/℃）

Ba（Mg1/3Ta2/3）O3   10.5   25   16800   4.4

Ba（Zn1/3Ta2/3）O3   11.4   30   14500   0.6

Ba（Mn1/3Ta2/3）O3    11.4   22   5100   34

Ba（Mg1/3Nb2/3）O3   9.9    32   5600   33

Ba（Zn1/3Nb2/3）O3    9.5    41   91500   31

Sr（Mg1/3Nb2/3）O3    10.3   33   2300   -14

Sr（Zn1/3Nb2/3）O3    9.2    40   4000   -39

5新工艺新技术

5.1溶胶一凝胶（Sol-Gel）法制备微波介质陶瓷材料

用这种方法能得到均匀的,颗粒很细的粉料.在很大程度上提高了瓷料的组成均匀性、结构均匀性和结构致密性,可大大降低陶瓷的烧结温度并缩短烧成周期,而且材料的介电性能也有所提高。

利用此法中的柠檬酸盐分解法,可获得纯的结晶完好的纳米级（30-50nm）的微粉,特点是获得样品的纯度高,烧结的温度低,通过控制烧成周期和温度可以调节微波介电性能,控制介质损耗。

吴毅强[17]以Zr（NO3）4·5H20、Ti（OC4H9）4、SnCl4·5H2O原料,用Sol-Gel法制备了微波介质陶瓷微粉,其Q值较传统方法有明显提高τf亦有改善,其具体制备工艺为:

在配制溶胶的过程中,溶液要保持澄清。

因为Zr（NO3）4·5H20溶于乙醇,所以要预先配制得Zr（NO3）4·5H2O的乙醇溶液备用。

制得的溶胶密封放置2-3d后,控制温度和湿度使溶胶的粘度逐渐增大,形成凝胶,再把凝胶放人干燥塔中充分干燥,得到干凝胶并在500-600℃锻烧干凝胶,最后得到微波介质瓷粉。

5．2掺杂改性

在微波频率下,点阵缺陷，空隙或其他微结构相对缺陷能强烈影响Q值。

为控制微观结构，常借助于某些掺杂剂,如在BaO-Nd2O3-TiO2微波介质陶瓷中,掺入Bi2O3可降低材料的谐振频率温度系数τf,但同时也使材料的tanδ增大,采用Sm取代部分Nd,形成BaO-Nd2O3-SmO3-TiO2（BNST）四元系陶瓷材料,可有效降低材料的τf。

而不降低材料的品质因素Q。

另外,工艺因素对微波介质陶瓷材料的性能有影响。

例如球磨时间,粘合剂浓度,用量,压力,保压时间,预烧温度等对性能也存在影响。

6微波介质陶瓷材料展望

微波陶瓷介质材料对发展微波介质谐振器,滤波器极为重要。

随着现代通讯技术的不断发展,尤其是移动通讯向着高可靠,小尺寸方向发展对材料的要求越来越高。

由于新技术的采用,今后数年内微波陶瓷介质材料的主要技术指标可望达到Q值100000（在微波频率下）即大约比目前要提高一个数量级:

介电常数εr在2~2000范围内系列化,以适应多种用途；谐振频率温度系数τf在（-100~+300）?

10-6/℃范围内系列化,有助于更方便地获得零温度系数的介质谐振器和滤波器等微波器件。

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