(無機)介電材料與元器件：第四章 微波介質(zhì)陶瓷

1、第四章 微波介質(zhì)陶瓷介電材料與器件介電材料與器件 微波通常定義為在電磁波譜中300MHz-300GHz的頻率范圍或者是波長為1mm至1m介電材料與器件射頻/微波的特性 因此,可以制成尺寸、體積合適的天線,用來傳輸信息,實現(xiàn)通信；可接收物體所引起的回波或其他物體發(fā)射的微弱信號,用來確定物體的方向、距離和特征,實現(xiàn)雷達探測射頻/微波的基本特性導(dǎo)致其應(yīng)用于現(xiàn)代通訊似光性射頻/微波能像光線一樣在空氣或其他媒體中沿直線以光速傳播,在不同的媒體界面上存在入射和反射現(xiàn)象。這是因為射頻/微波的波長很短,比地球上的一般物體（如艦船、導(dǎo)彈、房屋等）的幾何尺寸小的多或在同一個數(shù)量級。當(dāng)射頻/微波照射到這些物體上時將

2、產(chǎn)生明顯的反射,對于某些物體將會產(chǎn)生鏡面反射介電材料與器件 射頻/微波照射某些物體時,能夠深入物體的內(nèi)部。微波（特別是厘米波段）信號能穿透電離層,成為人們探測外層空間的宇宙窗口；能夠穿透云霧、植被、積雪和地表層,具有全天候的工作能力,是遙感技術(shù)的重要手段；能夠穿透生物組織,是醫(yī)學(xué)透熱療法的重要方法；能穿透等離子體,是等離子體診斷、研究的重要手段穿透性介電材料與器件一般情況下,射頻/微波的量子能量還不夠大,不足以改變物質(zhì)分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或破壞物質(zhì)分子的鍵結(jié)構(gòu)。由物理學(xué)可知,在外加電磁場周期力的作用下,物質(zhì)內(nèi)分子、原子和原子核會產(chǎn)生多種共振現(xiàn)象,其中,許多共振頻率就處于射頻/微波頻段。這就為研究物質(zhì)

3、內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供了強有力的實驗手段,從而形成了一門獨立的分支學(xué)科微波波譜學(xué)。另一方面,利用物質(zhì)的射頻/微波共振特性,可以用某些特定的物質(zhì)研制射頻/微波元器件,完成許多射頻/微波系統(tǒng)的建立非電離性介電材料與器件射頻/微波頻帶比普通的中波、 短波和超短波的頻帶要寬幾千倍以上,這就意味著射頻/微波可以攜帶的信息量要比普通無線電波可能攜帶的信息量大的多。因此,現(xiàn)代生活中的移動通信、 多路通信、 圖像傳輸、 衛(wèi)星通信等設(shè)備全都使用射頻/微波作為傳送手段。射頻/微波信號還可提供相位信息、 極化信息、 多普勒頻移信息等。這些特性可以被廣泛應(yīng)用于目標(biāo)探測、 目標(biāo)特征分析、 遙測遙控、 遙感等領(lǐng)域。信息性介電材料與

4、器件微波加熱利用的是微波的什么特性？為什么不能將金屬放入微波爐中？微波通訊應(yīng)用領(lǐng)域的使用頻率會否越來越高？思考介電材料與器件微波煮食法水分子以 表示；食物分子以 表示。磁電管產(chǎn)生微波，微波以每秒25億次的頻率拉動食物中的水分子。水分子間的此種快速運動形成摩擦，因而生熱。熱能傳導(dǎo)至附近的食物分子。介電材料與器件雖然微波經(jīng)常用頻率來表示，其實它與其他波段的真正區(qū)別來自于輻射源。微波波譜被分成幾個不同的波段介電材料與器件微波頻率使用范圍介電材料與器件長程軍事雷達搜索工作范圍在450MHZ左右；超高頻電視廣播在470-870MHZ；大多數(shù)蜂窩電話信號在900MHZ左右；空中交通控制雷達頻率稍高于1GH

5、Z；從外空發(fā)射信號到地球的空間遙測系統(tǒng)頻率稍低于2GHZ；通過對流層散射而獲得長程通訊的對流層通訊系統(tǒng)應(yīng)用稍高于2GHZ的頻率；微波加熱設(shè)備工作在2.45GHz；機場雷達搜索工作在稍高于3GHZ頻率；點對點微波中繼，便攜式電話，電視頻道等信號頻率稍低于4GHz；人造通訊衛(wèi)星，向下傳輸在4GHZ頻率，向上傳輸在6GHZ頻率；演播室發(fā)射機連接在稍高于7GHZ，播音和電視信號從演播室發(fā)射到發(fā)射機處；機載射擊控制雷達在10GHZ；稍高于10GHZ的頻率為另一個電話通訊的微波中繼信號；稍低于20GHZ為另一衛(wèi)星向下傳輸帶，向上傳輸帶為稍高于30GHZ，這些帶也可能用于將來衛(wèi)星通訊；警察雷達設(shè)定在24GH

6、Z和10.25GHz。大氣高吸收的頻率在30-300GHz, 長程通訊和雷達系統(tǒng)應(yīng)用不大實際，但是可以不被大氣吸收而傳播的大氣窗仍然存在于這些帶之間。導(dǎo)彈搜尋系統(tǒng)就用了94GHZ的大氣窗。介電材料與器件 無線電報 1895年，意大利馬可尼成功地進行了2.5公里距離的無線電報傳送實驗。1896年，波波夫進行了約250米距離的類似試驗, 1899年, 無線電報跨越英吉利海峽的試驗成功；1901年，跨越大西洋的3200公里距離的試驗成功。馬可尼以其在無線電報等領(lǐng)域的成就，獲得了1909年的諾貝爾獎金物理學(xué)獎。無線電報的發(fā)明，開始了利用電磁波時期。相關(guān)發(fā)展歷史介電材料與器件雷達（Radio Detec

7、tion and Ranging） 二次世界大戰(zhàn)前夕，飛機成為主要進攻武器。英、美、德、法等國競相研制一類能夠早期警戒飛機的裝置。1936年，英國的瓦特設(shè)計的警戒雷達最先投入了運行。有效地警戒了來自德國的轟炸機。1938年，美國研制成第一部能指揮火炮射擊的火炮控制雷達。1940年，多腔磁控管的發(fā)明，微波雷達的研制成為可能。1944年，能夠自動跟蹤飛機的雷達研制成功。1945年，能消除背景干擾顯示運動目標(biāo)的顯示技術(shù)的發(fā)明,使雷達更加完善。在整個第二次世界大戰(zhàn)期間,雷達成了電磁場理論最活躍的部分。介電材料與器件衛(wèi)星通信技術(shù) 1958年, 美國發(fā)射低軌的“斯科爾”衛(wèi)星成功,這是第一顆用于通信的試驗衛(wèi)

8、星。1964年,借助定點同步通信衛(wèi)星首次實現(xiàn)了美、 歐、非三大洲的通信和電視轉(zhuǎn)播。1965年,第一顆商用定點同步衛(wèi)星投入運行。1969年, 大西洋、太平洋和印度洋上空均已有定點同步通信衛(wèi)星,衛(wèi)星地球站已遍布世界各國，這些衛(wèi)星地球站又和本國或本地區(qū)的通信網(wǎng)接通。衛(wèi)星通信經(jīng)歷10年的發(fā)展，終趨于成熟。介電材料與器件 衛(wèi)星定位技術(shù) 1957年衛(wèi)星發(fā)射成功后，人們試圖將雷達引入衛(wèi)星，實現(xiàn)以衛(wèi)星為基地對地球表面及近地空間目標(biāo)的定位和導(dǎo)航。1958年底，美國開始研究實施這一計劃，于1964年研究成功子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。1973年美國提出了由24顆衛(wèi)星組成的實用系統(tǒng)新方案，即GPS計劃。它是英文Naviga

9、tion Satellite Timing and Ranging /Global Positioning System 的字頭縮寫NAVSTAR/GPS的簡稱，其含義是利用導(dǎo)航衛(wèi)星進行測時和測距。1990年最終的GPS方案是由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成。介電材料與器件人造衛(wèi)星圖介電材料與器件微波圖全天域360度宇宙微波背景輻射影像照介電材料與器件微波介質(zhì)諧振器的發(fā)展1936-1937年, 貝爾電話實驗室的Southworh和同事們從電子通訊的觀點研究了相關(guān)電介質(zhì)圓柱體波導(dǎo)的性質(zhì)1897年，Rayleigh無限長的電介質(zhì)圓柱體可以導(dǎo)通一定頻率的電磁波Hansen指出如果長的電介質(zhì)繞成

10、環(huán)狀，且端點連接在一起，它將永久的一圈圈的導(dǎo)通一定頻率的波, 充當(dāng)電子諧振器的作用介電材料與器件 美國的Richtmyer在1939年發(fā)展了諧振器的理論，創(chuàng)造性提出一個概念他理論上證明了諧振頻率可以從諧振器發(fā)射到自由空間，并能被其他器件接收，可以在電子通訊方面發(fā)揮作用電介質(zhì)諧振器由于社會沒有對微波器件的足夠應(yīng)用需求，電介質(zhì)諧振器直到60年代末才得以大力發(fā)展。介電材料與器件1962年Silverman測量了SrTiO3的微波介電損耗；Okaya和Barash在同一年測量了50K至室溫的TiO2和SrTiO3單晶在GHz下的介電常數(shù)，用的方法是補償發(fā)射線法。 1960年， Hakki和Colema

11、n用平行金屬板樣品放置法(parallel metal plate sample holder), 簡單且精確地測量了微波頻率下的介電特性Yobayashi在后來改良了此法。測量方法的發(fā)明，大大推動了微波材料的研究。 在60年代，幾位科學(xué)工作者研究了電介質(zhì)在微波頻率下的性質(zhì)，并試圖制造微波器件介電材料與器件1968年，Cohn用TiO2陶瓷設(shè)計了第一個微波濾波器，但是這個濾波器并沒有得到實際應(yīng)用，因為它的比較大的頻率溫度系數(shù)450oC/ppm1972年Masse等發(fā)展了BaTi4O9陶瓷1974年美國貝爾實驗室OBryan等發(fā)展了Ba2Ti9O20陶瓷1977年，(MATSUSHITA ELE

12、CT IND CO LTD) Kawashima等人研究了Ba(Zn1/3Ta2/3)O3微波介電陶瓷。直到介電材料與器件在BaO-TiO2二元陶瓷成功應(yīng)用于微波領(lǐng)域的同時，其他原應(yīng)用于低頻的溫度穩(wěn)定電介質(zhì)也受到大力關(guān)注如MgTiO3-CaTiO3體系(1977年，MURATA MANUFACTURING CO LTD Wakino等)ZrO2-TiO2-SnO2體系(西門子AG, Wolfram等，1981年)Kolar 等人1978年在BaO-Nd2O3-TiO2體系發(fā)展了高介電常數(shù)的微波介質(zhì)陶瓷介電材料與器件微波介質(zhì)陶瓷的重要參數(shù)介電常數(shù)品質(zhì)因數(shù)溫度系數(shù)介電材料與器件在微波頻率下，主要是

13、電子和離子極化機制對偶極矩和介電常數(shù)起主導(dǎo)作用。由于電子位移極化在介電常數(shù)中所占成分極小，所以起主要作用的是離子極化。經(jīng)典介電函數(shù)公式：在微波頻率下復(fù)介電常數(shù)介電材料與器件 當(dāng)諧振器長度L正好等于半波長的整數(shù)倍時，在長度方向上發(fā)生諧振。諧振器尺寸與介電常數(shù)的平方根成反比 從元件的小型化考慮，通常需要高的介電常數(shù)，因為微波元件的尺寸與介電常數(shù)的平方根成反比 當(dāng)微波在電介質(zhì)材料中傳播時，其波長與在空氣中傳播時的波長具有以下關(guān)系介電材料與器件品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)Q是微波系統(tǒng)能量損耗的一個度量標(biāo)準(zhǔn)。微波諧振器的損耗是由介質(zhì)損耗，導(dǎo)體損耗，輻射損耗和外部損耗等4個部分組成。其中Qd介質(zhì)品質(zhì)因數(shù)，Qc導(dǎo)體品質(zhì)

14、因數(shù)，Qr輻射品質(zhì)因數(shù)W是所有儲存的電能，w是諧振角頻率，P代表不同途徑耗散的能量。這些項的總和被稱為空載品質(zhì)因數(shù)。介電材料與器件QL可以從實驗所得的諧振峰計算有載品質(zhì)因素定義介電材料與器件諧振頻率溫度系數(shù)在最簡單的基本模中，標(biāo)準(zhǔn)波的波長近似等于諧振器的寬度(ld=D) 這里幾個微分項分別是諧振頻率溫度系數(shù)，線性膨脹系數(shù)，介電常數(shù)溫度系數(shù)上述公式對溫度微分可得到諧振頻率溫度系數(shù)：表征諧振器熱穩(wěn)定的參數(shù)，意味著隨著溫度改變，諧振頻率的偏移量所以標(biāo)準(zhǔn)波的頻率為介電材料與器件溫度穩(wěn)定的電子器件，比如蜂窩電話，需要微波諧振器的溫度系數(shù)盡可能接近0。微波電路中通常有一些比較低的tf值，所以諧振器有時需要

15、去補償這些內(nèi)在的偏移值，所以諧振器的tf值通常非0，但非常小。上面公式又可以簡單寫為實驗上， tf可以通過測量諧振峰頻率隨溫度變化的偏移來獲得介電材料與器件微波介質(zhì)陶瓷 er和Qf 低介電常數(shù) 頻率捷變 超低損耗 鈣鈦礦 新型鎢青銅 焦綠石BaTiO 微波介質(zhì)陶瓷 規(guī)律分類結(jié)構(gòu) 代表er和tf 中介電常數(shù) 高介電常數(shù) ZrTiO BaZnTaO 介電材料與器件介電材料與器件介電常數(shù)與品質(zhì)因數(shù)的關(guān)系1介電材料與器件介電常數(shù)與品質(zhì)因數(shù)的關(guān)系2介電材料與器件介電常數(shù)與溫度系數(shù)的關(guān)系介電材料與器件介電材料與器件鈣鈦礦材料簡單鈣鈦礦復(fù)合鈣鈦礦缺陷鈣鈦礦八面體扭轉(zhuǎn)離子有序介電材料與器件簡單鈣鈦礦材料常見簡

16、單鈣鈦礦化合物有：CaTiO3,CaZrO3,SrTiO3,LaAlO3等諧振頻率溫度系數(shù)為零時的固溶體有：(Ba,Sr)ZrO3,Sr(Zr,Ti)O3等結(jié)構(gòu)許容因子分子式：ABO3結(jié)構(gòu)許容因子越接近1鈣鈦礦相穩(wěn)定這類微波介質(zhì)的特征:固溶體;溫度系數(shù)可調(diào)，可獲得近零溫度系數(shù); Qf值可達到數(shù)萬介電材料與器件簡單鈣鈦礦陶瓷的有關(guān)微波性能組分介電常數(shù)品質(zhì)因數(shù)Qf(GHz)諧振頻率溫度系數(shù)tf(ppm/oC)CaTiO31758320930SrTiO330433001700CaZrO33026400-27SrZrO33013600-60BaZrO3358800SmAlO320.465000-74N

17、dAlO322.358000-33LaAlO319.624500-56介電材料與器件復(fù)合鈣鈦礦材料 鈣鈦礦結(jié)構(gòu)具有很強的通融性，以致可以用多種不同化合價的離子置換A或B位離子。若以一般的形式表示這種復(fù)合鈣鈦礦，就成(A1, A1,. Am)( B1, B1Bn)O30 xAi1, 0 xBj1,xAi和xBj為各離子的摩爾分?jǐn)?shù);kAi和kBj為各離子的化合價介電材料與器件復(fù)合鈣鈦礦因為在微波頻率下有著非常高的品質(zhì)因素所以得到廣泛的關(guān)注，尤其是Ba基，如BaMg1/3Ta2/3O3在復(fù)合鈣鈦礦材料中，提高材料的有序度，通常能大幅度提高材料的品質(zhì)因數(shù)。介電材料與器件缺陷型鈣鈦礦以Ba.Ln.TiN

18、b等離子為示范，分子式: Ban-mLnmTin+m-5Nb4-mO3n其中0m4, 5n, 當(dāng)m分別為0和4時，為BanTin-5Nb4O3n和Ban-4Ln4Tin-1O3n, 其中當(dāng)n為5時，為 Ba5Nb4O15 和BaLn4Ti4O15, Ba也可被Ca和Sr等置換。分子式：AnBn-1O3n代表性材料：Ba5Nb4O15B位陽離子缺陷型鈣鈦礦引起了廣泛關(guān)注，因為A位可以被2價和3價占據(jù)，B位可以被4價和5價占據(jù)，形成了一個非常大的一類介電材料與器件erQf(GHz)tf(ppm/oC)Ba5Nb4a4LaTiNb3a2La3Ti3

19、NbO1542.821700-8BaLa4Ti4O154547000-11SrLa4Ti4O1543.850200-14CaLa4Ti4O1541.150240-25Ba5Nb4O15介電材料與器件氧八面體扭轉(zhuǎn)氧八面體總是會繞某一對稱軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)相鄰的氧八面體也會發(fā)生扭轉(zhuǎn)xyDISPLAY First layer Second layer+ tilting about 001 DISPLAY DISPLAY介電材料與器件Second LayerFirst Layer-+- - ? + -? - -+ + + +- ? - - + + + + +ba- ? - + - -? - -介電材料與器件扭

20、轉(zhuǎn)類型的幾個原則分別用+,-,0來表示延扭轉(zhuǎn)軸近鄰八面體同向，反向和不轉(zhuǎn)，如:a+b-c0鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中只有23種八面體扭轉(zhuǎn)形式假設(shè)在雙倍(doubled)晶胞中同向扭轉(zhuǎn)(inphase + tilt)會導(dǎo)致奇-奇-偶的XRD晶格衍射峰,如：c+ 130, 310反向扭轉(zhuǎn)(antiphase + tilt)會導(dǎo)致奇-奇-奇的XRD晶格衍射峰,如： c- 131, 311介電材料與器件Serial numberSymbolSpace group3-tilt systems(1)a+b+c+apbp cp Immm(No.71)(2)a+b+b+apbp=cpImmm (No.71)(3)a+a+a

21、+ap=bp=cpIm3 (No.204)(4)a+b+c-apbpcpPmmn (No.59)(5)a+a+c-ap=bpcpPmmn (No.59)(6)a+b+b-apbp=cpPmmn (No.59)(7)a+a+a-ap=bp=cpPmmn (No.59)(8)a+b-c-apbpcp, a90oA21/m11 (No.11)(9)a+a-c-ap=bpcp , a90oA21/m11 (No.11)(10)a+b-b-apbp=cp , a90oPmnb (No.62)(11)a+a-a-apbp=cp , abg90oPmnb (No.62)(12)a-b-c-apbpcp ,

22、abg90oF (No.2)(13)a-b-b-apbp=cp , abg90oI2/a (No.15)(14)a-a-a-ap=bp=cp , a=b=g=90oR c (No.167)2-tilt systems(15)a0b+c+apbpcpImmm (No.71)(16)a+b+b+apbp=cpI4/mmm (No.139)(17)a0b+c-apbpcpBmmb (No.63)(18)a0b+b-apbp=cpBmmb (No.63)(19)a0b-c-apbpcp , a90oF2/m11 (No.12)(20)a0b-b-apbp=cp , a90oImcm (No.74)1-

23、tilt systems(21)a0a0c+ap=bpcpC4/mmb (No.127)(22)a0a0c-ap=bp2/3時，A2位置空位的引入導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。通常較大的陽離子主要分布在A1和A2位置介電材料與器件介電性能影響因數(shù)材料的Qf值受稀土元素離子半徑大小影響，當(dāng)同為x=2/3處，Ba離子與Rn離子半徑相差越大，內(nèi)應(yīng)力越小，品質(zhì)因素越高介電常數(shù)主要受三個因素影響TiO6八面體的體積；氧八面體的傾斜；Rn和Ba的極化率 在早期的114陶瓷的研究中，科學(xué)工作者經(jīng)常攙入Pb或者Bi來獲得高介電常數(shù)和近零諧振頻率溫度系數(shù)介電材料與器件介電常數(shù)通常TiO6八面體體積越大，Ti離子活動空間越大，

24、極化率越大，介電常數(shù)越高，在固溶體Ba6-3xLn8+2xTi18O54中，x增加，晶胞體積增加很小，所以必須考慮TiO6傾斜帶來的貢獻。Ba6-3xLn8+2xTi18O54 中，當(dāng)x增加時，2個Ln置換3個Ba，整個分子極化率隨x的增加而減少導(dǎo)致最終介電常數(shù)降低。同樣，隨著原子序數(shù)的增加，Ln元素離子極化率降低，導(dǎo)致介電常數(shù)降低。氧八面體的傾斜角的變化與晶格參數(shù)成反比，當(dāng)x增加時，晶胞體積減小，傾斜角增加介電材料與器件溫度系數(shù)x增加，晶胞體積減小，諧振頻率溫度系數(shù)朝負方向發(fā)展；稀土元素元素原子序數(shù)增加，離子半徑減小，諧振頻率溫度系數(shù)向負方向發(fā)展。雖然溫度系數(shù)的變化仍然沒有理解透徹，但是諧振

25、頻率溫度系數(shù)隨著晶胞體積的增加而向正方向發(fā)展，很可能來自于氧八面體的傾斜，因為體積減小，傾斜角增加，才能給諧振頻率溫度系數(shù)帶來負的貢獻，如在鈣鈦礦中一樣具體表現(xiàn)諧振頻率溫度系數(shù)近0的陶瓷可以通過不同的正負溫度系數(shù)補償獲得，具體方法之一是不同稀土元素之間互相置換介電材料與器件焦綠石結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)分析性能分析 發(fā)展歷史介電材料與器件Bi 基焦慮石結(jié)構(gòu)如Bi2O3-ZnO-Nb2O5，因為低燒結(jié)溫度和高介電常數(shù)，早在1970年代就被研究；1990年，Yan等系統(tǒng)研究了Bi2O3-ZnO-Nb2O5陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)和介電性能，發(fā)現(xiàn)介電常數(shù)在70-165間，溫度系數(shù)為500ppm/oC，燒結(jié)溫度小于銀的熔點；

26、1992年研究了Bi2O3-(CaO,ZnO)-Nb2O5陶瓷的微波性能；1993年Liu等在Bi2O3-ZnO-Nb2O5中，分別考察了BixZn2/3Nb4/3O4+3x/2, BixZn8/3-xNb4/3O6+x/2, BixZn2-2x/3Nb2-x/3O7 等三個系統(tǒng)在各自x范圍內(nèi)的晶體結(jié)構(gòu)和介電關(guān)系。雖然早期工作對晶體結(jié)構(gòu)和介電性能重復(fù)性差，并理解有偏差，但隨著眾多科學(xué)實驗的進行，Bi2O3-ZnO-Nb2O5體系內(nèi)晶體結(jié)構(gòu)與介電性能逐漸明朗。發(fā)展歷史介電材料與器件介電材料與器件結(jié)構(gòu)介電材料與器件有關(guān)性能2個最受關(guān)注的成分是Bi2(Zn2/3Nb4/3)O7和Bi1.5Zn1.0

27、Nb1.5O7前者為Zirconalte結(jié)構(gòu)，早期也被叫做正交焦慮石結(jié)構(gòu)，空間群為C2/c, 晶胞參數(shù)為a=13.103,b=7.673,c=12.158,b=101.318o介電常數(shù)溫度系數(shù)170ppm/oC, 介電常數(shù)80,Qf2500GHz后者為立方焦慮石結(jié)構(gòu)，介電常數(shù)130，10G下tand=0.115,TCC=-390ppm/oC介電材料與器件通過控制BiNbO4的出現(xiàn)，陶瓷可與Ag共燒。Guha指出當(dāng)出現(xiàn)液相時，2者結(jié)構(gòu)會隨成分偏移而變化Valant指出，A/B的比值將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的變化，而且固溶體范圍也隨著變化介電材料與器件低介電常數(shù)類介電常數(shù):e50,000GHz應(yīng)用領(lǐng)域:大多數(shù)高

28、純度的低介裝置瓷通過適當(dāng)改性都符合這一類要求，如：剛玉，鎂橄欖石等一些高溫超導(dǎo)材料在室溫下具有良好的微波特性如：Y2BaCuO5等一些其他結(jié)構(gòu)材料，如SrLaAlO4介電材料與器件中介電常數(shù)類中介電常數(shù):20-70，品質(zhì)因數(shù)為數(shù)千到數(shù)萬多代表性陶瓷有ZrO-TiO2,Ba2Ti9O20等鈣鈦礦及類鈣鈦礦材料等columbite鈳鐵礦介電材料與器件高介電常數(shù)類高介電常數(shù):70Ba6Ln8Ti18O54,Li2O-Ln2O3-TiO2-CaO鉛基鈣鈦礦系列Bi焦綠石系列鈮鉭酸銀系列其他如Bi2O3-TiO2介電材料與器件Li2O-CaO-Ln2O3-TiO2體系 這個體系本質(zhì)上是Li0.5Ln0.

29、5TiO3與CaTiO3或者(Ca,Ln)TiO3化合物的固熔體最先由Takahashi等人報導(dǎo)了一批高介電常數(shù)，較大的負諧振頻率溫度系數(shù)的材料Li0.5Ln0.5TiO3當(dāng)它與其他的高介電常數(shù)，較大的正諧振頻率溫度系數(shù)的材料如CaTiO3或(Ca,Ln)TiO3復(fù)合時，就能獲得近零諧振頻率溫度系數(shù)，且保持高介電常數(shù)。如CaTiO3- Li0.5Nd0.5TiO3介電材料與器件Ag(Nb,Ta)O3系列Kim等加入2%的CuO可以在920度燒結(jié)，F(xiàn)rance等用Cu直接置換，Hu等用Bi置換ANT，也都在單相材料中獲得了溫度穩(wěn)定的陶瓷。AgNbO3和AgTaO3的研究最初興趣是其中的復(fù)雜相變，

30、隨后Kana等研究了Ag(Nb,Ta)O3陶瓷的介電性能，而且發(fā)現(xiàn)無序反鐵電區(qū)在微波至100GHz沒有發(fā)生馳豫現(xiàn)象Valant等深入研究了ANT的成分化學(xué)，并對微波性能進行測試。利用粗大顆?；旌峡梢钥刂瞥煞纸M成，獲得2種成分共存的陶瓷，并獲得了溫度穩(wěn)定陶瓷。是目前所知介電常數(shù)最高400，且溫度系數(shù)可以調(diào)節(jié)到復(fù)合應(yīng)用范圍的材料(50ppm/oC)介電材料與器件介電材料與器件AgNb1-xTaxO32種成分粉末混合得到的性能介電材料與器件Lead based 鈣鈦礦但Kato等人1992年，研究了鈣置換鉛后， 其在微波頻率下的介電性能，發(fā)現(xiàn)其具有高介電常數(shù)和較高的Qf值，所涉及的材料：(Pb,Ca

31、)ZrO3(Pb,Ca)Mg1/3Nb2/3O3(Pb,Ca)Ni1/3Nb2/3O3(Pb,Ca)Fe1/2Nb1/2O3(Pb,Ca)Li1/4Nb3/4O3隨后又發(fā)現(xiàn)，在B位引入Ti離子，能提高介電常數(shù)和品質(zhì)因數(shù)鉛基鈣鈦礦系列長期用來制備低頻電容器及壓電器件等介電材料與器件韓國的kim, 上海大學(xué)的yang等，重點對(Pb,Ca)Fe1/2Nb1/2O3進行了深入研究。在這一類改性材料中，Ca離子，或CaFe1/2Nb1/2O3， CaTiO3的加入，作用首先是將相變點移向低溫，且高溫部分介電曲線變得平緩，甚至比CaTiO3更平緩，但如果想得到近零諧振頻率溫度系數(shù)，仍然需要終端產(chǎn)物為正諧

32、振頻率溫度系數(shù)，主要貢獻是氧八面體的扭轉(zhuǎn)所帶來的貢獻。介電材料與器件超低介電損耗類這類陶瓷主要是鋇基復(fù)合鈣鈦礦陶瓷，如BaMg1/3Ta2/3O3，Qf值可高達40萬GHz以上，還有Al2O3等，Qf值可達68萬GHz 在厘米，毫米波段使用的衛(wèi)星通訊以及軍事應(yīng)用等通訊系統(tǒng)要求介電材料在微波頻率高頻段（如10GHz）具有特別高的Q值，即特別低的介電損耗但這類陶瓷的燒結(jié)工藝始終需要改善介電材料與器件微波電場可調(diào)類 1961年美國斯坦福大學(xué)D.A.Johnson等人撰寫了題為“陶瓷非線性介質(zhì)的微波特性”的報告，為鐵電陶瓷移相器的研究奠定了基礎(chǔ)，從此人們開始將這種非線性介質(zhì)材料一應(yīng)用于微波器件。早在1

33、954年，美國的C.B.Sharpe和C.G.Brokus對鐵電微波材料特性進行了研究介電材料與器件1963年美國軍事電子實驗室正式提出關(guān)于“微波鐵電移相器及開關(guān)”(Microwave Ferroelectrics Phase Shifters and Switches)的報告，同年，發(fā)現(xiàn)用鐵電陶瓷材料制作的電光波導(dǎo)相移器可以展示微波相移，但當(dāng)時的所做器件損耗值高達5dB，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和造價高等因素限制了它的發(fā)展，為滿足相控陣天線的發(fā)展需要，電光相移器必須有強大的處理能力，低的插入損耗，快的開關(guān)速度，低的驅(qū)動功率，小的相移誤差，小體積和輕型化。經(jīng)過幾十年的研究，直到80年代才有了不少論文發(fā)表，90

34、年代（1992-1998），美國軍事電子實驗室已經(jīng)進入了電光相移器可行性研究階段，此時，收到了普遍關(guān)注介電材料與器件幾個重要參數(shù)可調(diào)度(tunability)介電損耗(tand)優(yōu)化因子(Factor of Merit, FoM)介電常數(shù)(er) 介電材料與器件可調(diào)度(tunability)可調(diào)度是電場可調(diào)電介質(zhì)陶瓷的最重要的性能參數(shù)，直接決定了材料體系的研究價值和應(yīng)用前景?？烧{(diào)度定義：某特定工作溫度和測試頻率下，材料介電常數(shù)隨外加直流偏置電場變化而變化的百分比可見，可調(diào)度是外加直流偏置電場的函數(shù)。追求高的可調(diào)度是電場可調(diào)電介質(zhì)陶瓷領(lǐng)域的基本目標(biāo)通常要求可調(diào)度最好能夠達到50介電材料與器件介電

35、損耗(tand) 損耗問題是電場可調(diào)電介質(zhì)材料研究面臨的主要問題。例如微波調(diào)諧BST材料應(yīng)用的主要難點就是介電損耗過高，影響器件的正常運行，降低器件的靈敏度。通常對電場可調(diào)電介質(zhì)材料，要求在工作電壓，溫度和頻率范圍內(nèi)，損耗應(yīng)該低于0.01,且越低越好 介電損耗：極化行為不能跟上外場頻率變化而出現(xiàn)介電弛豫時，發(fā)生的能量散失。通常包括兩項，一是復(fù)介電常數(shù)虛部(e”)，另一是漏導(dǎo)損耗。測試頻率w下，施加了電場的損耗可以表示為介電材料與器件優(yōu)化因子(Factor of Merit) 自然，材料的優(yōu)化因子越大越好對現(xiàn)有研究的電場可調(diào)電介質(zhì)陶瓷材料的分析，高可調(diào)度和低介電損耗是一對互相制約的因素?？烧{(diào)度保

36、持在較高水平時，介電損耗也往往很高；一旦損耗可以控制和降低，可調(diào)度也不可避免地隨之降低因此，引入一個綜合考慮介電損耗和可調(diào)度的性能參數(shù)，以評估所研究的電場可調(diào)電介質(zhì)材料，成為優(yōu)化因子介電材料與器件介電常數(shù)(er) 介電常數(shù)是電介質(zhì)材料的重要性能參數(shù)。電場可調(diào)電介質(zhì)陶瓷材料實際應(yīng)用中，如果介電常數(shù)過高，會嚴(yán)重影響器件的信號反應(yīng)速度另一方面，高的介電常數(shù)還會造成系統(tǒng)整體的阻抗不匹配因此，根據(jù)實際應(yīng)用領(lǐng)域和工作參數(shù)，調(diào)整材料的介電常數(shù)，是十分必需。介電材料與器件介電材料與器件Ba(Zn1/3Ta2/3)O3陶瓷實驗證明，長時間的熱處理得到改善的有序度，從而得到最高的Q值。純材料如果要得到非常高的Q值

37、需要在1400oC處理100小時，不能滿足商業(yè)應(yīng)用的實際需求長時間熱處理帶來Q值變化，暗示著金屬離子在晶格位置上的有序無序轉(zhuǎn)變對介電性能具有重要影響完全的有序化過程是相當(dāng)緩慢的，正常合成時通常得到高度無序的材料介電材料與器件 Davie等發(fā)現(xiàn)，在(1-x)Ba(Zn1/3Ta2/3)O3-xBaZrO3固溶體中，當(dāng)x10000,Ba2Ti9O20, K=39, TCF=4ppm/oC,Q10000BaO-TiO2體系介電材料與器件因為材料Ti含量比較高，所以材料對燒結(jié)氣氛非常敏感，低價置換可以一定程度抑制Ti離子的還原?；瘜W(xué)-結(jié)構(gòu)-性質(zhì)比較特殊改變Ba/Ti比例，或者一些元素置換，導(dǎo)致陶瓷出現(xiàn)

38、雜相，但這些雜相可以一定程度改善陶瓷溫度系數(shù)性能，所以這類材料常常希望獲得多相混合物介電材料與器件ZrO2-TiO2體系 ZrTiO4材料看似簡單其實復(fù)雜，是一種已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于微波器件中的材料。ZrTiO4 的晶體結(jié)構(gòu)是a-PbO2型。當(dāng)材料加熱到1200oC或者以上時，熵對晶體的能量具有主要貢獻，此時，Zr和Ti表現(xiàn)為完全無序。在低溫時，由泡林規(guī)則可知，Ti應(yīng)該是八面體配位，Zr應(yīng)該是立方體配位，所以形成有序結(jié)構(gòu)。介電材料與器件有序化的過程是緩慢的，在陶瓷加工過程中通常需要數(shù)小時，所以加工參數(shù)比如冷卻速率，對最后相的形成有非常重要的影響。完全有序和無序之間的部分有序更加復(fù)雜，涉及到不同的鈦

39、氧八面體和鋯氧立方體的次序，他們依賴于冷卻速率和具體的鋯鈦的比值。在陽離子有序化過程中，緊密堆積的氧晶格變形，導(dǎo)致一晶軸縮短。反之，可以通過觀察晶軸的長短變化，來判斷有序的變化介電材料與器件 ZrTiO4的晶體學(xué)特征對介電性能影響較小但很重要。高溫下制備的純ZrTiO4中，Zr和Ti完全無序，微波下的介電性能是，K=43,TCK=58ppm/oC,Q=3100；當(dāng)樣品在1050oC熱處理長時間，得到了良好有序的Zr/Ti排列，微波介電性能是，K=38, TCK=76ppm/oC, Q=2100. 通常，無序?qū)е翾值惡化，但在ZrTiO4中無序材料更高的Q值意味著仍有其他影響因數(shù)沒有理解。介電材

40、料與器件雖然Zr/Ti的無序比較重要，但部分Sn替代Zr時表現(xiàn)并不突出。Sn替代Zr導(dǎo)致TCK減少至滿足材料的實際應(yīng)用。因為Zr，Ti和Sn都是4價，Sn既可能替代Zr也可能替代Sn，在一定范圍內(nèi)，將存在一個均勻區(qū)域，化學(xué)式為，Zr1-xTi1-ySnx+yO4。最好的性能出現(xiàn)在Sn置換Zr，分子式為Zr1-xSnxTiO4，固溶范圍近似為0 x0.4。在組分為x=0.2和0.3時，最低的TCF和最高的Q值同時獲得。在幾乎同一成分，2個重要性質(zhì)同時得到優(yōu)化。 介電材料與器件通常，摻入第三元素至ZrTiO4一類材料中時，將更有利于無序的發(fā)生。因為部分混合導(dǎo)致熵增，從而使得無序相更穩(wěn)定。從微觀區(qū)域

41、來看，Sn替代材料的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜施主和受主對ZrTiO4攙雜，對微波介電損耗具有不同影響。Michiura等用Fe2O3攙雜，大幅度增加的微波介電損耗解釋為晶粒內(nèi)大量的Fe3+離子和氧空位。當(dāng)用Ta2O5攙雜時，材料在微波頻率獲得了高品質(zhì)因素，甚至在還原氣氛下進行熱處理。高Q值被認(rèn)為是Ta的電荷補償，導(dǎo)致更少的氧空位。還原氣氛熱處理后的Ta攙雜的材料，在低頻下具有高損耗，是空間電荷極化的影響。介電材料與器件內(nèi)在損耗可以由遠紅外光譜來決定，所以這個方法現(xiàn)在長用來表征典型的微波陶瓷和相關(guān)物質(zhì)。因為在遠紅外頻率范圍，內(nèi)在損耗遠大于外在損耗，所以遠紅外數(shù)據(jù)對加工條件沒有在微波頻率下測量敏感，遠紅外光譜

42、簡化了尋找新的低損耗微波陶瓷。另一方面，可以推斷是否通過先進加工手段如sol-gel法得到了微波陶瓷的最低損耗極限。用這個工藝，ZTS和BMT分別得到了Qf值為75000GHz，250000GHz的陶瓷。這些與從FIR數(shù)據(jù)計算的內(nèi)在損耗結(jié)果一致。介電材料與器件微波電介質(zhì)的應(yīng)用基礎(chǔ)理論介質(zhì)諧振器的應(yīng)用微波介質(zhì)材料的測試介電材料與器件電磁能量是以電磁波的形式在傳輸線中傳播的。傳輸線是用來引導(dǎo)電磁波做定向傳播的一種導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，所以傳輸線又可稱為波導(dǎo)。在傳輸線引導(dǎo)下定向傳播的電磁波被稱為導(dǎo)行電磁波，簡稱為導(dǎo)波?？v向電場為零的表示為TE波或TE模；縱向磁場為零的波型稱為橫磁波，表示為TM波或TM模?；A(chǔ)理

43、論介電材料與器件為了提高諧振頻率，必須減小電路中的電感、電容；要獲得高頻諧振一般要通過減小元件和導(dǎo)線尺寸來實現(xiàn)。微波波長很短可與元件尺寸比擬，容易發(fā)生電磁輻射，一味減小尺寸，只會增加損耗。所以微波頻段必須采用特殊的微波諧振電路。在普通的集中參數(shù)的電路里，一個電感器和一個電容器并聯(lián)，便組成了一個最簡單的LC并聯(lián)諧振回路。介電材料與器件天線地線介電材料與器件矩形波導(dǎo)圓波導(dǎo)平行雙線同軸線微帶線傳輸線介電材料與器件微波濾波器是用來分離不同頻率微波信號的一種器件。 微波濾波器按作用分類，可劃分為低通、高通、帶通和帶阻等四種類型的濾波器 微波濾波器介電材料與器件為了描述濾波器的濾波特性，一般常用的是插入衰

44、減隨頻率變化的曲線。插入衰減的定義為式中Pi為濾波器所接信號源的最大輸出功率，PL為濾波器的負載吸收功率。微波濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)有：工作頻帶的中心頻率、帶寬、通帶內(nèi)允許的最大衰減、阻帶內(nèi)允許的最小衰減、阻帶向通帶過渡時的陡度和通帶內(nèi)群時延的變化等。 介電材料與器件一、利用四分之一波長傳輸線并聯(lián)電抗元件的濾波器 濾波器的結(jié)構(gòu)是：在一特性阻抗為Z0的傳輸線上，每隔p/4的距離就并接一個電抗性元件(它的實際結(jié)構(gòu)可以是短路支線、膜片或螺釘)，設(shè)其阻抗分別為Z1、Z2、Z3、Z4、Z5和Z6，RL是濾波器所接的負載。如圖。 介電材料與器件二、利用高低阻抗線構(gòu)成的濾波器 右圖是利用高低阻抗線構(gòu)成的微波濾

45、波器的原理性示意圖及其等效電路。適當(dāng)選取每段傳輸線的長度和它的特性阻抗，并按一定順序把它們級聯(lián)在一起，就構(gòu)成了這種型式的濾波器。 實際中應(yīng)用的濾波器遠不止上面講的這些，例如，利用耦合傳輸線之間的相互作用，利用諧振腔或許多諧振腔的級聯(lián)等，都可以構(gòu)成微波濾波器。介電材料與器件微波諧振器又稱作微波諧振腔，它廣泛應(yīng)用于微波信號源、微波濾波器及波長計中。它相當(dāng)于低頻集中參數(shù)的LC諧振回路，是一種基本的微波元件。諧振腔是速調(diào)管、磁控管等微波電子管的重要組成部分。 微波諧振器可由一段兩端短路或兩端開路的傳輸線段組成，電磁波在其上呈駐波分布，即電磁能量不能傳輸，只能來回振蕩。因此，微波諧振器是具有儲能與選頻特

46、性的微波元件。 微波諧振器可以定性地看作是由集中參數(shù)LC諧振回路過渡而來的，如圖所示。 微波諧振器介電材料與器件 一、諧振器的電磁能量關(guān)系及品質(zhì)因數(shù)Q 微波諧振器中電磁能量關(guān)系和集中參數(shù)LC諧振回路中能量關(guān)系有許多相似之處介電材料與器件但微波諧振器和LC諧振回路也有許多不同之處。1、LC諧振回路的電場能量集中在電容器中，磁場能量集中在電感器，而微波諧振器是分布參數(shù)回路，電場能量和磁場能量是空間分布的； 2、LC諧振回路只有一個諧振頻率，而微波諧振器一般有無限多個諧振頻率；微波諧振器可以集中較多的能量，且損耗較小，因此它的品質(zhì)因數(shù)遠大于LC集中參數(shù)回路的品質(zhì)因數(shù)，另外，微波諧振器有不同的諧振模式

47、(即諧振波型)。微波諧振器有兩個基本參量：諧振頻率f0 (或諧振波長0 )和品質(zhì)因數(shù)Q。介電材料與器件（一）諧振頻率f0 諧振頻率f0是指諧振器中該模式的場量發(fā)生諧振時的頻率，也經(jīng)常用諧振波長0表示。它是描述諧振器中電磁能量振蕩規(guī)律的參量。（二）、品質(zhì)因數(shù)Q 品質(zhì)因數(shù)Q是微波諧振器的一個主要參量，它描述了諧振器選擇性的優(yōu)劣和能量損耗的大小，其定義為式中W0為諧振器中的儲能，PL為諧振器中的損耗功率。介電材料與器件二、同軸諧振腔 同軸諧振腔通常分為/2型、/4型及電容加載型三種。其工作特點簡要介紹如下。(一) /2型同軸諧振腔/2型同軸諧振腔由兩端短路的一段同軸線構(gòu)成介電材料與器件由上式可導(dǎo)出諧

48、振波長0與腔體長度l的關(guān)系為或/2型同軸諧振腔的品質(zhì)因數(shù)為 當(dāng)(b/a)=3.6時，同軸腔的品質(zhì)因數(shù)Q0達最大。介電材料與器件(二) /4型同軸諧振腔 由于這類同軸腔內(nèi)導(dǎo)體長度為0/4的奇數(shù)倍，故稱為四分之一波長型同軸諧振腔。/4型同軸諧振腔 (三) 電容加載型同軸諧振腔 介電材料與器件三 矩形諧振腔 矩形諧振腔是由一段兩端短路的矩形波導(dǎo)構(gòu)成，它的橫截面尺寸為ab，長度為l，如下圖所示。 諧振波長諧振條件與/2型同軸諧振腔相同，波導(dǎo)中傳輸?shù)牟ㄊ巧⒉?。介電材料與器件矩形諧振腔諧振波長計算公式 式中c為波導(dǎo)中相應(yīng)模式的截止波長。此式也適用于圓柱諧振腔。對于矩形腔有TE101模的諧振波長為 它為最

49、低諧振模。 介電材料與器件四、圓柱諧振腔 圓柱諧振腔是由一段長度為l，兩端短路的圓波導(dǎo)構(gòu)成，其圓柱腔半徑為R。圓柱腔中場分布分析方法和諧振波長的計算與矩形腔相同。式中m、n和p分別表示場分量沿沿圓周、半徑和腔長度方向分布的駐波數(shù)。介電材料與器件 三種常用諧振模式圓柱腔中最常用的三個諧振模式為TM010模、TE111模和TE011模。TE011模 圓柱腔TE011模的諧振波長0的計算公式為介電材料與器件五、微帶諧振器 由微帶線構(gòu)成的具有諧振特性的元件，總有一部分未被導(dǎo)體包圍，未能構(gòu)成腔體，所示稱為微帶諧振器。微帶諧振器有微帶線段諧振器、微帶環(huán)形諧振器和微帶盤形諧振器等形式。 （一）、/2和/4微帶諧振器 微帶線是一種準(zhǔn)TEM波傳輸線，因此和同軸諧振腔