微波介質(zhì)陶瓷的研究現(xiàn)狀及其分析

崔傳文　姜明　劉學(xué)偉

摘 要 目前國(guó)內(nèi)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(mǎn)足集成化、高性能的要求，這阻礙了微波介質(zhì)器件的應(yīng)用。本文旨在研究微波介質(zhì)陶瓷對(duì)于實(shí)現(xiàn)微波器件的集成化和高品質(zhì)化具有重要的理論研究意義和應(yīng)用的探索價(jià)值。

關(guān)鍵詞 陶瓷 微波 介質(zhì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM28 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

制備多層微波介質(zhì)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(mǎn)足了器件片式集成化的要求。目前國(guó)內(nèi)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(mǎn)足集成化、高性能的要求，這阻礙了微波介質(zhì)器件的應(yīng)用。研究微波介質(zhì)陶瓷對(duì)于實(shí)現(xiàn)微波器件的集成化和高品質(zhì)化具有重要的理論研究意義和應(yīng)用的探索價(jià)值。

1微波介質(zhì)陶瓷的性能參數(shù)

微波介質(zhì)陶瓷是指應(yīng)用于微波頻段電路中作為介質(zhì)材料并完成一種或多種功能的陶瓷，是現(xiàn)代通訊中廣泛使用的諧振器、濾波器、介質(zhì)基片等微波元器件的關(guān)鍵材料。評(píng)價(jià)微波介質(zhì)陶瓷材料，主要看薄膜材料的介電常數(shù)（ ）、介電損耗（tan ）和諧振頻率的溫度系數(shù)（ f）這三個(gè)技術(shù)參數(shù)的先進(jìn)性和實(shí)用性，以體現(xiàn)微波介質(zhì)器件的小型化和高品質(zhì)化的要求。具體的性能要求為：

（1）具有較高介電常數(shù)（ ），且溫度穩(wěn)定性好。介電常數(shù)，用于衡量絕緣體儲(chǔ)存電能的性能。介電常數(shù)代表了電介質(zhì)的極化程度，也就是對(duì)電荷的束縛能力，介電常數(shù)越大，對(duì)電荷的束縛能力越強(qiáng)。眾所周知，微波設(shè)備實(shí)現(xiàn)小型化、高穩(wěn)定及廉價(jià)的方式是微波電路的集成化。在微波電路集成化的進(jìn)程中，金屬波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了平面微帶集成化，微波管實(shí)現(xiàn)了小型化。

（2）近零的諧振頻率的溫度系數(shù)（ f）。介質(zhì)諧振器件一般都是以微波介質(zhì)陶瓷的某種振動(dòng)模式的頻率作為其中心頻率的。同時(shí)，通信器件的工作環(huán)境溫度不可能一成不變。如果微波介質(zhì)材料的諧振頻率隨溫度變化較大，濾波器的載波信號(hào)在不同的溫度下就會(huì)漂移，從而影響設(shè)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(shí)際要求范圍大致是-40℃～+100℃溫區(qū)，在這個(gè)范圍內(nèi)，微波介質(zhì)陶瓷材料的頻率溫度系數(shù) f要小。

（3）在微波頻段，介電損耗（tan ）要小，高的品質(zhì)因子（Q）。濾波器的一個(gè)重要要求是插入損耗低，微波介質(zhì)材料的介質(zhì)損耗是影響介質(zhì)濾波器插入損耗的一個(gè)主要因素。微波介質(zhì)材料Q值與介質(zhì)損耗tan 成反比關(guān)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(zhì)材料，可獲得良好的濾波特性及通信質(zhì)量。至少要求 在微波頻段，介質(zhì)損耗要小，tan <10-4，品質(zhì)因數(shù)要高，Q≥10000。

2微波介質(zhì)陶瓷的分類(lèi)

2.1低介電常數(shù)類(lèi)

低介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷是最早應(yīng)用的微波介質(zhì)陶瓷，其相對(duì)介電常數(shù) r一般來(lái)說(shuō)小于20，其Q·f值很高，主要應(yīng)用于微波機(jī)板以及高端的微波元器件。主要有Al2O3、MgO、Ln2BaCuO5等。

Ln2BaCuO5微波介質(zhì)陶瓷不但性能優(yōu)異，而且燒結(jié)溫度比較低，因而是一類(lèi)很有應(yīng)用前景的微波介質(zhì)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(shù)的微波介質(zhì)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(shù)類(lèi)

中介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷主要是指介電常數(shù) 介于30-70之間的微波介質(zhì)陶瓷，主要應(yīng)用于衛(wèi)星通訊以及移動(dòng)通訊基站。這類(lèi)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(shí)）， 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(zhì)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(zhì)諧振器的材料，并得到廣泛的應(yīng)用。

2.3高介電常數(shù)類(lèi)

由于高介電常數(shù)可以大大的減少微波通信器件的尺寸，故在過(guò)去的幾十年里，高介電常數(shù)的微波介質(zhì)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(shù)微波介質(zhì)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(lái)制備多層電容器元件的，但J.Kato研究了他們?cè)谖⒉l率下的介電特性，發(fā)現(xiàn)他們?cè)谖⒉l率下同樣具有較高的 r和Q值，同時(shí)具有接近于零的 f。另外，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，若想進(jìn)一步提高 r，僅靠單一材料難以實(shí)現(xiàn)，今后發(fā)展的趨勢(shì)是將不同的材料系列進(jìn)行復(fù)合，利用復(fù)合效應(yīng)來(lái)獲得 r更高，Q值更高、 f近乎零的微波介質(zhì)陶瓷。

參考文獻(xiàn)

[1] 賈琳蔚，李曉云，丘泰，賈杪蕾.微波介質(zhì)陶瓷分類(lèi)及各體系研究進(jìn)展.材料導(dǎo)報(bào)，2008，22（4）：10-12.

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

[3] 徐國(guó)瑛.微波介質(zhì)諧振器的研制.上海航天，1990（4）：8-13.