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微波介质陶瓷:与微波“共舞”的那些事儿
2020年03月17日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:204
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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。

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

微弱

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

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

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

 

Ba2Ti9O20SEM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

 


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