在浩瀚的宇宙中,电磁波“家族”一直在用跳动的舞姿传递着能量和信息。这个“舞蹈世家”,不仅有炫彩夺目的“可见光”、热情奔放的“红外线”、高冷敏锐的“紫外线”,还有传递信息的“微波”……每个舞者都有自己独一无二的舞台,微波的舞台是300MHz-3000GHz,比“可见光”的舞台可要大得多。
电磁波“家族”
对于一个优秀的舞者而言,舞伴的重要性不言而喻。在追求小型化、集成化的科技领域,“信息使者”微波的新舞伴是——微波介质陶瓷。这种陶瓷的内部结构与微波的电磁辐射相互作用时,可降低微波的速度,使其因“慢动作”的舞姿而平添美感。微波介质陶瓷的关键性能参数是介电常数、品质因数Q和频率温度系数。
1 微波介质陶瓷的关键性能参数
1.1 介电常数εr
作为一名合格的舞伴,微波介质陶瓷本身藏有许多“舞动”的基因——偶极子(数量为n)。在微波的电场作用下,偶极子会通过极化作用跳动一步(电偶极矩μ可表征步子大小),当电场消失时,偶极子又会恢复原状。介电常数可表征偶极子的极化能力,根据克劳修斯-莫索蒂方程,介电常数εr可与偶极子数量n和电偶极矩μ建立关系:n和μ越大,介电常数εr越高。
微波介质陶瓷是典型的多相系统,既含有结晶相,又含有玻璃相和气相。这种多相系统的介电常数取决于各相的介电常数、体积浓度以及相与相之间的配置情况,可利用混合物法则进行计算。另外,陶瓷的介电常数差异是由内部不同的极化机制决定的,其极化机制列于下表。
表 陶瓷的极化机制
极化机制 | 电子位移极化 | 离子位移极化 | 松弛极化 |
相应电介质 | 一切陶瓷 | 离子介质 | 含松散结构、缺陷、杂质等 |
相应频率范围 | 直流-光频 | 直流-红外 | 直流-超高频 |
和温度关系 | 无关 | 温度升高,极化增强 | 随温度变化有极大值 |
能量消耗 | 无 | 微弱 | 有 |
实例 | 金红石瓷、钙钛矿瓷等 | 刚玉瓷、碱性氧化物含量低的玻璃等 | 硅酸盐玻璃、绿宝石、堇青石;含钛瓷等 |
微波介质陶瓷的介电常数越高,微波在其中的传播速度越慢,波长越短,器件尺寸可以做得越小。
介电常数越大,器件越小
1.2 品质因数Q
跳舞可不是个轻松活儿。与微波“共舞”时,微波介质陶瓷虽然“舞步”简单,但也会因极化损耗、电导损耗、电离损耗、结构损耗等原因耗费一部分能量,统称为介质损耗。品质因数Q值的大小等于介质损耗的倒数,且与频率、温度有关。高Q值可保证获得优良的选频特性。
为获得高Q值的微波介质陶瓷,应尽可能选择高纯原料,同时减少杂质和缺陷,获得均匀一致的陶瓷晶粒。
1.3 谐振频率温度系数Tcf
不断变化的工作环境温度会影响微波器件的使用性能。这就要求微波介质陶瓷的谐振频率不能随温度发生过多变化。较小的谐振频率温度系数Tcf,可保证器件的中心频率不随温度发生漂移。
2 微波介质陶瓷的分类
在下面的趋势图中,品质因数Q和介电常数εr呈反比例关系,据此可以得到三大类微波介质陶瓷:低介电常数+高Q值陶瓷、中介电常数+中Q值陶瓷和高 介电常数+低Q值陶瓷。
品质因数Q与介电常数εr的关系图
表 微波介质陶瓷的分类
介质陶瓷 | 低介电常数 高Q值 | 中介电常数 中Q值 | 高介电常数 低Q值 |
特例 | 复合钙钛矿 A(BXB'1-X)O3 Ba(Zn1/3Ta2/3)O3 | BaO-TiO2型 Ba2Ti9O20 | 钨青铜型 BaO-Nd2O3- TiO2 |
介电常数 | 29 | 40 | 83 |
Q值 | 10000 (@7GHz) | 8000 (@4GHz) | 2100 (@5GHz) |
TCf 10-6/K | 1 | 2 | 70 |
优化工艺 | 加少量Mn低温烧结,还可提高Q值; 高温热处理可提高Q值 | 1250-1275℃热处理,可提高Q值;添加Sn固溶可提高Q值 | 热处理可改善Q值;加入ZrO2可促进烧结,提高Q值 |
Ba2Ti9O20的SEM图
某钨青铜型陶瓷SEM图
3 微波介质陶瓷的应用
微波介质陶瓷现已成为实现微波控制功能的基础和关键材料。它的应用大致分两个方面:
一种是用于微波电路中的介质陶瓷,包括介质基片、介质波导、微波天线及微波电容器等。
介质基片
介质波导
微波天线
介质电容器
另一种则是用于介质谐振器DR的功能陶瓷,包括滤波器、分频器、耿式二极管、调制解调器等。其中,滤波器遇上了5G时代的大潮,成为了风口浪尖的那只“会跳舞的猪”。
谐振器件
滤波器
粉体圈 作者王京