微波介質陶瓷的研究現狀及其分析

崔傳文　姜明　劉學偉

摘 要 目前國內外的研究主要是塊狀器件的研究，但是塊狀材料的尺寸最少也要，不能滿足集成化、高性能的要求，這阻礙了微波介質器件的應用。本文旨在研究微波介質陶瓷對于實現微波器件的集成化和高品質化具有重要的理論研究意義和應用的探索價值。

關鍵詞 陶瓷 微波 介質

中圖分類號：TM28 文獻標識碼：A

制備多層微波介質陶瓷薄膜器件，不僅可以減少電極的微波損耗，有望獲得器件的高性能，并且滿足了器件片式集成化的要求。目前國內外的研究主要是塊狀器件的研究，但是塊狀材料的尺寸最少也要，不能滿足集成化、高性能的要求，這阻礙了微波介質器件的應用。研究微波介質陶瓷對于實現微波器件的集成化和高品質化具有重要的理論研究意義和應用的探索價值。

1微波介質陶瓷的性能參數

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，是現代通訊中廣泛使用的諧振器、濾波器、介質基片等微波元器件的關鍵材料。評價微波介質陶瓷材料，主要看薄膜材料的介電常數（ ）、介電損耗（tan ）和諧振頻率的溫度系數（ f）這三個技術參數的先進性和實用性，以體現微波介質器件的小型化和高品質化的要求。具體的性能要求為：

（1）具有較高介電常數（ ），且溫度穩定性好。介電常數，用于衡量絕緣體儲存電能的性能。介電常數代表了電介質的極化程度，也就是對電荷的束縛能力，介電常數越大，對電荷的束縛能力越強。眾所周知，微波設備實現小型化、高穩定及廉價的方式是微波電路的集成化。在微波電路集成化的進程中，金屬波導實現了平面微帶集成化，微波管實現了小型化。

（2）近零的諧振頻率的溫度系數（ f）。介質諧振器件一般都是以微波介質陶瓷的某種振動模式的頻率作為其中心頻率的。同時，通信器件的工作環境溫度不可能一成不變。如果微波介質材料的諧振頻率隨溫度變化較大，濾波器的載波信號在不同的溫度下就會漂移，從而影響設備的使用性能。這就要求材料的諧振頻率不能隨溫度變化太大。溫度的實際要求范圍大致是-40℃～+100℃溫區，在這個范圍內，微波介質陶瓷材料的頻率溫度系數 f要小。

（3）在微波頻段，介電損耗（tan ）要小，高的品質因子（Q）。濾波器的一個重要要求是插入損耗低，微波介質材料的介質損耗是影響介質濾波器插入損耗的一個主要因素。微波介質材料Q值與介質損耗tan 成反比關系。Q值越大，濾波器的插入損耗就越低。即采用低損耗的介質材料，可獲得良好的濾波特性及通信質量。至少要求 在微波頻段，介質損耗要小，tan <10-4，品質因數要高，Q≥10000。

2微波介質陶瓷的分類

2.1低介電常數類

低介電常數微波介質陶瓷是最早應用的微波介質陶瓷，其相對介電常數 r一般來說小于20，其Q·f值很高，主要應用于微波機板以及高端的微波元器件。主要有Al2O3、MgO、Ln2BaCuO5等。

Ln2BaCuO5微波介質陶瓷不但性能優異，而且燒結溫度比較低，因而是一類很有應用前景的微波介質陶瓷。特別是Zn、Co、Ni部分置換Cu后，微波介電性能明顯改善，可以獲得近零的 f、高Q·f值的低介電常數的微波介質陶瓷。如Y2Ba（Cu0.5Zn0.5）O5微波介電性能如下： =14.2，Q·f=110665GHz（f=10.7GHz）、 f=-9.2？0-6/℃。

2.2 中介電常數類

中介電常數微波介質陶瓷主要是指介電常數 介于30-70之間的微波介質陶瓷，主要應用于衛星通訊以及移動通訊基站。這類陶瓷目前主要有BaTi4O9、Ba2Ti9O20、（Zr，Sn）TiO4以及CaTiO3-NdAlO3，其 r≈40，Q=（6～8）？03（在f為3～4GHz時）， f≈0。

BaO-TiO2體系中含有多種化合物，其中BaTi4O9 和 Ba2Ti9O20是BaO-TiO2體系中比較理想的兩種微波介質陶瓷材料。Ba2Ti9O20具有比BaTi4O9更好的介電性能，目前已被廣泛的用作制造微波介質諧振器的材料，并得到廣泛的應用。

2.3高介電常數類

由于高介電常數可以大大的減少微波通信器件的尺寸，故在過去的幾十年里，高介電常數的微波介質陶瓷研究最為廣泛的。主要有BaO-Ln2O3-TiO2、CaO-Li2O-Ln2O3-TiO2和Pb基鈣鈦礦系列。

Pb基鈣鈦礦系列高介電常數微波介質陶瓷主要有（Pb1-xCax）ZrO3、（Pb1-xCax）HfO3、（Pb1-xCax）（Mg1/3Nb2/3）O3和（Pb1-xCax） （Fe1/2Nb1/2）O3系材料。該系列材料原本是用來制備多層電容器元件的，但J.Kato研究了他們在微波頻率下的介電特性，發現他們在微波頻率下同樣具有較高的 r和Q值，同時具有接近于零的 f。另外，由于其結構的特殊性，若想進一步提高 r，僅靠單一材料難以實現，今后發展的趨勢是將不同的材料系列進行復合，利用復合效應來獲得 r更高，Q值更高、 f近乎零的微波介質陶瓷。

參考文獻

[1] 賈琳蔚，李曉云，丘泰，賈杪蕾.微波介質陶瓷分類及各體系研究進展.材料導報，2008，22（4）：10-12.

[2] 王光輝，梁小平，史奕同，陸青.高介電常數微波介質陶瓷材料的研究現狀.硅酸鹽通報，2008，27（2）：312-316.

[3] 徐國瑛.微波介質諧振器的研制.上海航天，1990（4）：8-13.