电子陶瓷
第六章微波陶瓷
1
第六章微波陶瓷一
二
三
四
五微波陶瓷概述微波陶瓷基本特征微波陶瓷性能测试微波陶瓷体系微波陶瓷应用
2
一微波陶瓷概述
1 概念
微波陶瓷（介质）是指应用于微波频段（300MHz~3000GHz）电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷。
可以用作微波电路中的绝缘基片材料，也是制造微波介质滤波器和谐振器的关键材料。
3
一微波陶瓷概述
2 微波频段
四个分波段：
¾分米波段：λ=1m~10cm，f=300MHz~3GHz，
称为特高频段UHF
¾厘米波段：λ=10cm~1cm，f=3GHz ~30GHz，
称为超高频段SHF
¾毫米波段：λ=1cm~1mm，f=30GHz~300GHz，
称为极高频段EHF
¾亚毫米波段：λ=1mm~0.1mm，f=300GHz~3000GHz
称为极超高频段SEHF
5
一微波陶瓷概念
2 微波特点
¾微波的波长很短、方向性极强，很适合于雷达等用来发现和跟踪目标
¾微波的频率高、信息容量大，在其300MHz~3000GHz 范围内所包含的可使用波段数是0~300MHz的长、中、短波范围内所包含的可使用波段的1000倍，有利于用来进行微波通讯
¾微波能穿透高温的电离层，特别适用于卫星通讯
6
二微波陶瓷基本特征
2) 品质因数Q
在微波频率下，介质损耗tan δ要小，或者品质因数Q 要高(1/ tanδ) 。一般要求tan δ1000
。高Q 有利于获得良好的滤波特性及通讯质量。
10
二微波陶瓷基本特征
¾经验规律：
εr 、Q 及τf 具有下列的经验规律：
ln εr =x 1ln εr1+x 2ln εr2
1/Q =x 1/Q1+x 2/Q2
τf =x 1τf1+x 2τf2(1) (2)(3)
以上三式表明：微波介质陶瓷体系若有多相存在时，它的εr 、Q 及τf 为各相值之和，其中x 1、x 2分别为各相的体积分数。
用τf 的加和性，可使微波介质陶瓷体系τf 做到可调节。
14
三微波陶瓷性能测试
两端短路型介质谐振器法(Hakki-Coleman法):准确度高，无损测试，国际通用。
1970年由Hakki 和Coleman 提出，又名平行板谐振法或圆柱型介质谐振器法。
原理：
将一个圆柱型的陶瓷谐振器放在两个无限大彼此平行的导电金属板之间的中心，构成一个半封闭型的传输谐振器，在两个导电板间谐振器的两侧分别插入两个探针型耦合天线，用以馈入和取出微波功率。探针连接到微波网络分析仪，借以标定谐振频率、插入损耗及谐振腔两侧的谱振线宽。由该系统可以测出一系列模式的谐振频率，然后根据相应的微波与电磁场理论可以计算出微波陶瓷的εr 、Q 。τf 可通过与控温箱联用测出。
15
三
微波陶瓷性能测试
陶瓷微波性能测量方法
16
四微波陶瓷体系
¾钙钛矿体系
钙钛矿化合物可以用ABO 3
来表示，A 、B 位可以是单一离
子，也可由2个离子复合而成。
钙钛矿体系原本是用于制备
多层电容器元件的，但J.Kato
研究了它们在微波频率下的介
电特性，发现其在微波频率下
同样具有较高的介电常数和Q 值，同时具有近于零的谐振频
率温度系数。钙钛矿结构
17
四微波陶瓷体系
¾钙钛矿体系
已研究的钙钛矿化合物主要可分成下列5种：
1) 单纯钙钛矿化合物，即A 、B 位均是单一离子：如CaTiO 3，CaZrO 3，BaZrO 3等；
2) A位复合钙钛矿化合物，即A 位由(A1+1/2, A3+1/2) 复合组成：如(Na1/2La 1/2)TiO 3，(Li1/2Pr 1/2)TiO 3等；
3) B位复合钙钛矿化合物，即B 位由(B2+1/3, B5+2/3) 、(B3+1/2, B5+1/2) 或(B3+2/3, B6+1/3) 等复合组成：
如Ba(Co1/3Nb 2/3)O 3，Ba(Mg1/3Ta 2/3)O 3等；
4) 前述钙钛矿化合物间的复合；
5) 含Pb 的钙钛矿化合物：
如(Pb0.7Ca 0.3)ZrO 3，(Pb0.4Ca 0.6)(Mg1/3Nb 2/3)O 3等。
18
四微波陶瓷体系
¾类钙钛矿体系(BaO-Ln2O 3-TiO 2)
BaO-Ln 2O 3-TiO 2系是目前开展工作较多的微波陶瓷系统之一，其中Ln 为镧系稀土元素，如Nd ，Sm ，La 等。这类材料的介电系数εr 位居微波介质陶瓷材料之首，且随着组成的变动，εr 可在20~90（或更高）相当大范围内变化。
Ln3+可以是镧系元素中任一元素或它们之间的复合，当r (BaO：Ln 2O 3：TiO 2) ＝1：1：4或1：1：5时，材料的介电性能最佳。BaO 可以部分用SrO 、PbO 、Bi 2O 3置换，或全部用CaO 、Li 2O 取代或CaO-Li 2O 复合取代。在l~2GHz范围内，该体系所具有的Q ·f 值，已能满足手机实际使用要求。
19
四微波陶瓷体系
¾钛铁矿体系
MgTiO 3陶瓷[Q＝20000(10GHz)]。MgTiO 3具有的钛铁矿结构，实际上是一种有序型刚玉结构。这种结构和α-Al 2O 3中一样，氧离子按六方密堆排列，不同的是两个Al3+为Mg2+和Ti4+取代。这种取代是很有规律的，例如一层的Al3+全为Mg2+取代，另一层全为Ti4+所取代，两层交叠排列。
属于这类氧化物的有FeTiO 3、NiTiO 3、CoTiO 3、MnTiO 3、MgTiO 3、ZnTiO 3等。
20
四微波陶瓷体系
¾钛铁矿体系
另外，由于钛酸盐的τf 为负值，而TiO 2陶瓷具有高的εr 和低的损耗(εr ＝104，Q·f＝42000GHz) ，且τf 为正并且较大(τf = +450ppm/℃) 。这样考虑到τf 的加和性，可研制出TiO 2—M2+TiO 3(M2+＝Zn ，Mn ，Fe) 系列陶瓷，这些系列均能获得τf 为零的陶瓷材料。
如ZnTiO 3-TiO 2体系。
21
▲研究示例1:Low loss dielectrics in Pb(Mg1/3Nb 2/3)O 3-SrTiO 3system
In this study, the low loss paraelectric-phase SrTiO3 is incorporated into the Pb(Mg1/3Nb 2/3)O 3 matrix.
Chen X M et.al. Jpn.J.Appl.Phys.,
2001, 40: 4961-4964
23
▲研究示例2:A novel Low Temperature Co-firing Ceramic (LTCC)
material for telecommunication devices
In this study, the sintering temperature of the well-known dielectric ceramic (MgTiO3-CaTiO 3) was decreased from 1360o C to 900o C, suitable for the LTCC process.
●MMT-20 (MgCaTiO3) (2.3 mol%CaTiO3) ●ZSB(g), 60.3 mol% ZnO, 12.6 mol% SiO 2and 27.1 mol% B2O 3
24
五微波陶瓷应用
在微波电路中的应用主要有以下几方面：
¾用作微波电路的介质基片
起着电路元器件及线路的承载、支撑和绝缘作用；¾用作微波电路的电容器
起着电路或元件之间的耦合及储能作用；¾用作微波电路的介质天线
起着集中吸收储存电磁波能量的作用；¾用作微波电路的介质波导
起着导引电磁波沿一定方向传播的作用；¾用作微波电路的介质谐振器件（最主要应用）起着类似于一般电子线路中LC 谐振电路的作用
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材料楼228
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电子陶瓷
第六章微波陶瓷
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第六章微波陶瓷一
二
三
四
五微波陶瓷概述微波陶瓷基本特征微波陶瓷性能测试微波陶瓷体系微波陶瓷应用
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一微波陶瓷概述
1 概念
微波陶瓷（介质）是指应用于微波频段（300MHz~3000GHz）电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷。
可以用作微波电路中的绝缘基片材料，也是制造微波介质滤波器和谐振器的关键材料。
3
一微波陶瓷概述
2 微波频段
四个分波段：
¾分米波段：λ=1m~10cm，f=300MHz~3GHz，
称为特高频段UHF
¾厘米波段：λ=10cm~1cm，f=3GHz ~30GHz，
称为超高频段SHF
¾毫米波段：λ=1cm~1mm，f=30GHz~300GHz，
称为极高频段EHF
¾亚毫米波段：λ=1mm~0.1mm，f=300GHz~3000GHz
称为极超高频段SEHF
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一微波陶瓷概念
2 微波特点
¾微波的波长很短、方向性极强，很适合于雷达等用来发现和跟踪目标
¾微波的频率高、信息容量大，在其300MHz~3000GHz 范围内所包含的可使用波段数是0~300MHz的长、中、短波范围内所包含的可使用波段的1000倍，有利于用来进行微波通讯
¾微波能穿透高温的电离层，特别适用于卫星通讯
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二微波陶瓷基本特征
2) 品质因数Q
在微波频率下，介质损耗tan δ要小，或者品质因数Q 要高(1/ tanδ) 。一般要求tan δ1000
。高Q 有利于获得良好的滤波特性及通讯质量。
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二微波陶瓷基本特征
¾经验规律：
εr 、Q 及τf 具有下列的经验规律：
ln εr =x 1ln εr1+x 2ln εr2
1/Q =x 1/Q1+x 2/Q2
τf =x 1τf1+x 2τf2(1) (2)(3)
以上三式表明：微波介质陶瓷体系若有多相存在时，它的εr 、Q 及τf 为各相值之和，其中x 1、x 2分别为各相的体积分数。
用τf 的加和性，可使微波介质陶瓷体系τf 做到可调节。
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三微波陶瓷性能测试
两端短路型介质谐振器法(Hakki-Coleman法):准确度高，无损测试，国际通用。
1970年由Hakki 和Coleman 提出，又名平行板谐振法或圆柱型介质谐振器法。
原理：
将一个圆柱型的陶瓷谐振器放在两个无限大彼此平行的导电金属板之间的中心，构成一个半封闭型的传输谐振器，在两个导电板间谐振器的两侧分别插入两个探针型耦合天线，用以馈入和取出微波功率。探针连接到微波网络分析仪，借以标定谐振频率、插入损耗及谐振腔两侧的谱振线宽。由该系统可以测出一系列模式的谐振频率，然后根据相应的微波与电磁场理论可以计算出微波陶瓷的εr 、Q 。τf 可通过与控温箱联用测出。
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三
微波陶瓷性能测试
陶瓷微波性能测量方法
16
四微波陶瓷体系
¾钙钛矿体系
钙钛矿化合物可以用ABO 3
来表示，A 、B 位可以是单一离
子，也可由2个离子复合而成。
钙钛矿体系原本是用于制备
多层电容器元件的，但J.Kato
研究了它们在微波频率下的介
电特性，发现其在微波频率下
同样具有较高的介电常数和Q 值，同时具有近于零的谐振频
率温度系数。钙钛矿结构
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四微波陶瓷体系
¾钙钛矿体系
已研究的钙钛矿化合物主要可分成下列5种：
1) 单纯钙钛矿化合物，即A 、B 位均是单一离子：如CaTiO 3，CaZrO 3，BaZrO 3等；
2) A位复合钙钛矿化合物，即A 位由(A1+1/2, A3+1/2) 复合组成：如(Na1/2La 1/2)TiO 3，(Li1/2Pr 1/2)TiO 3等；
3) B位复合钙钛矿化合物，即B 位由(B2+1/3, B5+2/3) 、(B3+1/2, B5+1/2) 或(B3+2/3, B6+1/3) 等复合组成：
如Ba(Co1/3Nb 2/3)O 3，Ba(Mg1/3Ta 2/3)O 3等；
4) 前述钙钛矿化合物间的复合；
5) 含Pb 的钙钛矿化合物：
如(Pb0.7Ca 0.3)ZrO 3，(Pb0.4Ca 0.6)(Mg1/3Nb 2/3)O 3等。
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四微波陶瓷体系
¾类钙钛矿体系(BaO-Ln2O 3-TiO 2)
BaO-Ln 2O 3-TiO 2系是目前开展工作较多的微波陶瓷系统之一，其中Ln 为镧系稀土元素，如Nd ，Sm ，La 等。这类材料的介电系数εr 位居微波介质陶瓷材料之首，且随着组成的变动，εr 可在20~90（或更高）相当大范围内变化。
Ln3+可以是镧系元素中任一元素或它们之间的复合，当r (BaO：Ln 2O 3：TiO 2) ＝1：1：4或1：1：5时，材料的介电性能最佳。BaO 可以部分用SrO 、PbO 、Bi 2O 3置换，或全部用CaO 、Li 2O 取代或CaO-Li 2O 复合取代。在l~2GHz范围内，该体系所具有的Q ·f 值，已能满足手机实际使用要求。
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四微波陶瓷体系
¾钛铁矿体系
MgTiO 3陶瓷[Q＝20000(10GHz)]。MgTiO 3具有的钛铁矿结构，实际上是一种有序型刚玉结构。这种结构和α-Al 2O 3中一样，氧离子按六方密堆排列，不同的是两个Al3+为Mg2+和Ti4+取代。这种取代是很有规律的，例如一层的Al3+全为Mg2+取代，另一层全为Ti4+所取代，两层交叠排列。
属于这类氧化物的有FeTiO 3、NiTiO 3、CoTiO 3、MnTiO 3、MgTiO 3、ZnTiO 3等。
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四微波陶瓷体系
¾钛铁矿体系
另外，由于钛酸盐的τf 为负值，而TiO 2陶瓷具有高的εr 和低的损耗(εr ＝104，Q·f＝42000GHz) ，且τf 为正并且较大(τf = +450ppm/℃) 。这样考虑到τf 的加和性，可研制出TiO 2—M2+TiO 3(M2+＝Zn ，Mn ，Fe) 系列陶瓷，这些系列均能获得τf 为零的陶瓷材料。
如ZnTiO 3-TiO 2体系。
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▲研究示例1:Low loss dielectrics in Pb(Mg1/3Nb 2/3)O 3-SrTiO 3system
In this study, the low loss paraelectric-phase SrTiO3 is incorporated into the Pb(Mg1/3Nb 2/3)O 3 matrix.
Chen X M et.al. Jpn.J.Appl.Phys.,
2001, 40: 4961-4964
23
▲研究示例2:A novel Low Temperature Co-firing Ceramic (LTCC)
material for telecommunication devices
In this study, the sintering temperature of the well-known dielectric ceramic (MgTiO3-CaTiO 3) was decreased from 1360o C to 900o C, suitable for the LTCC process.
●MMT-20 (MgCaTiO3) (2.3 mol%CaTiO3) ●ZSB(g), 60.3 mol% ZnO, 12.6 mol% SiO 2and 27.1 mol% B2O 3
24
五微波陶瓷应用
在微波电路中的应用主要有以下几方面：
¾用作微波电路的介质基片
起着电路元器件及线路的承载、支撑和绝缘作用；¾用作微波电路的电容器
起着电路或元件之间的耦合及储能作用；¾用作微波电路的介质天线
起着集中吸收储存电磁波能量的作用；¾用作微波电路的介质波导
起着导引电磁波沿一定方向传播的作用；¾用作微波电路的介质谐振器件（最主要应用）起着类似于一般电子线路中LC 谐振电路的作用
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材料楼228
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