微波介质陶瓷材料及其应用

本 科 毕 业 设 计

论文题目 微波介质陶瓷材料及其应用 学生姓名 杨 威 学 号 053622025 所属院部 电子与信息工程学院 专 业 电子信息科学与技术 班 级 2005级二班 指导教师 熊 钢

2009年5月

摘 要

摘 要

微波介质陶瓷作为一种新型电子材料，在现代通信中被用作谐振器、滤波器、介质基片、介质天线、介质导波回路等，广泛应用于微波技术的许多领域。可用于移动通讯、卫星通讯和军用雷达等方面。随着科学技术日新月异的发展，通信信息量的迅猛增加，以及人们对无线通信的要求，使用卫星通讯和卫星直播电视等微波通信系统己成为当前通信技术发展的必然趋势。这就使得微波材料在民用方而的需求逐渐增多，如手机、汽车电话、蜂窝无绳电话等移动通信和卫星直播电视等新的应用装置。本课题综述国内外微波介质陶瓷的应用现状，阐明微波介质陶瓷材料应用中存在的问题，指明微波陶瓷材料今后的研究方向。

关 键 词：微波介质陶瓷材料；应用；发展

I

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ABSTRACT

Microwave dielectric ceramics as a new electronic material, in modern communications were used to resonator, filter, dielectric substrate, dielectric antenna, medium wave guide loop, widely used in many fields of microwave technology. It can be used in mobile communications, satellite communications and military radar, etc. With the rapid development of science and technology, the communication rapid increase of information, and the requirements for wireless communication, using satellite communications and satellite live TV etc microwave communication system, the communication technology has become an inevitable trend. This makes the material in civil microwave and demand increase gradually, such as mobile phone, cellular and cordless auto mobile communication and satellite TV broadcast on new application equipment.This paper present situation of the application of microwave dielectric ceramic dielectric ceramics, microwave problems existing in the application of microwave ceramics, pointing out the direction of future research.

KEY WORDS: Microwave dielectric ceramic materials; Application; Development

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目 录

目 录

1 绪论 ...................................................................................................................................... 1 2微波介质陶瓷材料的发展 ................................................................................................... 3 2.1微波介质陶瓷材料的发展背景 .................................................................................... 3 2.2国内外微波介质陶瓷材料的发展 ................................................................................ 3 3微波介质陶瓷材料的应用 ................................................................................................... 4 3.1微波介质陶瓷的性能要求 ............................................................................................ 5 3.2微波介质陶瓷材料的分类 ............................................................................................ 6 3.2.1低介微波介质陶瓷体系 ......................................................................................... 6 3.2.2中介微波介质陶瓷体系 ......................................................................................... 8 3.2.3高介微波介质陶瓷 ................................................................................................. 9 3.3 微波介质陶瓷材料的主要应用 ..................................................................................11 3.3.1 介质谐振器 .......................................................................................................... 12 3.3.2介质滤波器 ........................................................................................................... 13 3.3.3其它方面的应用 ................................................................................................... 13 4微波介质陶瓷材料存在的问题和展望 ............................................................................. 15 致 谢 .................................................................................................................................... 17 参考文献 ................................................................................................................................ 18

即可）：Equation Chapter 1 Section 1 III

3微波介质陶瓷材料的应用

的矩形， TM010为主模的圆杆形等。圆柱形谐振器的介质体置于金属容器内，微波能量是封闭的，损耗小，无负荷Q值高，不足的是体积较大。在高端微波中圆柱形和矩形介质谐振器有广泛应用。TEM 谐振模式的损耗大，但器件体积最小的，多用于1GHz左右的低端频率。TM010 模可与同轴线或波导发生强耦合[18]。谐振器的带宽增大，介质体积也较小。近年来，还开发出开口环形(频率漂移小)、迭层式双介质(线性调谐范围宽、温补线性化)。以及TM110模(损耗极小、温度稳定性好)的介质谐振器，用于微波体效应管和双极型晶体管，以及砷化镓场效应晶体管等器件的电路中。在通信和雷达系统中作为本机振荡，最大市场是卫星广播电视接收设备[19]。

3.3.2介质滤波器

介质滤波器通常是由数个谐振器纵向多级连接构成，可进行级向耦合，其显著特点是插损极小，耐功率性好。商品化生产最多的是移动通信的携带电话、无绳电话、汽车电话、基台的带通、带阻滤波器以及一体化收、发双工器。在800～1000MHz范围内系列化的介质滤波器有近百个品种，可满足各国移动通信的需要[20]。其技术指标为t插损2～3dB，波纹小于ldB，电压驻波比约1.5，带宽有1MHz、10MHz、5MHz、12.5MHz、16.5MHz等系列，带外抑制在规定频带内可达35dB以上。某些特殊要求点可达60dB以上。毫米波用介质带通滤波器在30GHz、50GHz、90GHz下，无负荷Q值分别为3400、2400、1500。滤波器特性在各频带良好。

图3-2介质滤波器

3.3.3其它方面的应用

微波介质陶瓷除制作频率器件外，也可作电介质基片、介质天线、介质波导线路、20GHz左右的超小型片式电容器等的基础材料使用。随着微波电路集成化和不断扩大的应用范围。对微波介质陶瓷材料的需求会越来越高，今后几年内，材料的稳定性会

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进一步提高；εf在2～2000范围内可调，适应多种用途；τf 可在-100～300℃范围变化；更方便地获得零温度系数的介质谐振器；Q值在微波频率下接近100000，比现有材料提高一个数量级，损耗大幅度下降[21]。

Equation Chapter (Next) Section 1 14

4微波介质陶瓷材料存在的问题和展望

4微波介质陶瓷材料存在的问题和展望

微波介质陶瓷各个体系的发展已趋于成熟，但仍然存在一些问题：目前对微波介质陶瓷的研究大部分是通过大量实验而得出的经验总结，却没有完整的理论来阐述微观结构与介电性能的关系。探索和总结各个体系的晶体结构、缺陷、化学键、晶界等对其介电性能的具体影响，以完整的理论模型展示出来，才能在这个领域有所突破。

介电常数、品质因数和谐振频率温度系数三者之间彼此制约，掺杂改性弥补某些性能不足体系的缺陷、降低低介体系的谐振频率温度系数并追求高频下(大于10GHz)超低损耗的极限、提高高介体系的品质因数以及探索更高介电常数(大于 120)的新材料体系将是微波介质陶瓷的发展趋势，从(Ag1-xAx)(Nb1-yTay)O3 的出现说明这方面的研究还存在着很大的空间[22]。

另外，采用新的成型方式、制备方法和烧结技术来继续提高已有体系的介电性能，仍会是研究的重点，如用湿化学方法合成粉体，等静压成型，微波烧结、热压烧结等技术在研究中将逐渐取代传统固相烧结方式。

目前国外对微波介质陶瓷的应用主要集中于无绳电话和手机上，日本、美国和德国技术较为领先。国内对微波介质陶瓷的研究始于20世纪80年代初，原料供应、工艺水平、生产规模及测试设备等与国外还存在很大的差距，尤其在介电常数低于20的各体系的产业化上较为落后，很多器件和产品依靠进口，随着通讯事业的发展，提高微波介质陶瓷的产业化水平，使得各性能优异的材料体系从研究走向应用，是亟待解决的问题[23]。

烧结温度过高是微波介质陶瓷走向生产应用的最大障碍，低温共烧陶瓷(LTCC)技术能有效降低烧结温度，促进微波介质陶瓷的产业化。故对微波介质陶瓷低温共烧的研究将是其制造工艺的发展趋势。近些年来国内外对微波介质陶瓷低温共烧的研究多集中于低介和中介体系，预计对高介体系低温共烧的研究也将成为微波介质陶瓷的一个发展方向。

随着数据移动通讯和卫星通讯的迅速发展，特别上微波器件多层设计思想的提出，微波器件的小型化、工作高频化与多频化进程的加快，微波介质陶瓷的低温烧结、低损耗以及介电常数可调、微波器件的进一步实用化必然成为新一轮研究的热点；高介电材料的研究虽然有所降温，但在制作贴片式微波器件方面仍然会在相当长的时间内占有重要地位。目前，微波介质陶瓷领域的热点有：传统微波介质陶瓷的低温烧结以及中低温烧结微波介质陶瓷新体系的开发；高介电常数微波介质新体系探索；微波介质陶瓷低损耗的极限与超低损耗；频率捷变微波介质陶瓷等；微波材料实用化。

随着微波技术的不断发展, 一方面促进了微波介质陶瓷材料新体系新应用的不断出现；另一方面, 也对微波陶瓷材料的性能提出了更高的要求。要满足这些要求, 首

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先是研制出性能更优异的新材料, 同时, 采用新工艺新技术来提高材料在组成与结构方面的均匀性及致密性已成为发挥材料优良性能不可忽视的问题。

目前, 在微波陶瓷材料研究领域亟须解决的课题是：（1）对已有材料的性能要进一步提高, 以满足微波技术向高、精、尖方向发展；（2）微波介质材料性能的微观机理尚不十分清楚,缺乏理论性的解释和材料研制的理论指导, 须加强微波陶瓷的理论研究；（3）特殊频段（小于2GHz,大于12GHz）上用的新材料, 尚待开发。

展望微波陶瓷材料的研制, 其具体目标是获得如下性能的一系列新材料: 1、介电常数在10～200之间, 而且比较稳定； 2、损耗尽可能降低, 使谐振品质因数大于104量级； 3、频率温度系数达到10-6/℃数量级, 尽量趋近于0。

总之, 随着新材料的开发和应用, 微波介质陶瓷将显示出强大的生命力和无限广阔的前景。

Equation Chapter (Next) Section 1

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致 谢

致 谢

本学位论文是在熊钢老师的悉心指导下完成的，从论文选题到完成论文都浸透了老师的大量心血和精力，熊老师渊博的知识、严谨的治学态度和求实精神、忘我的工作作风、学术上的远见和生活上的平易近人，时刻激励着我，是我毕生学习的榜样。熊老师平时对我们说过的话对我以后的学习和工作都产生了深远的影响！值此论文完成之际，特向熊老师致以诚挚的感激和无尽的敬意！

在课题研究中，得到了课题组丁松乾、刘海涛、胡江坤、沈晨、闫瑞瑞同学的关心和帮助。与他们进行了多次有益的探讨和学术交流，得到了许多启发，对于他们的支持和帮助表示诚挚的谢意！

最后，向所有给予我关心和帮助的领导、老师、亲人、同学和朋友再次表示衷心的感谢！感谢母校对我四年的教育和培养！

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/v6ng.html