第5章4微波介质陶瓷

5.5 微波介质陶瓷 (Microwave dielectric ceramics)
1
1
5.5 微波介质陶瓷 (Microwave dielectric ceramics)
在电磁辐射的全频谱中,通常将甚高频(30-300 MH z)至近红 外(750 GHz)波段标为微波。一般常将微波波段定义为300 MHz-3000 GHz，其波长范围为1m-0.1mm，即分米波至亚 毫米波。其中又划分为四个波段。 分米波段：λ=1m-10 cm，f=300 MHz-3GHz，甚高频段
近零的频率温度系数 f 0
即谐振频率稳定性好。介质谐振器一般都是以介质陶瓷的
某种振动模式的频率作为其中心频率，为了消除谐振器的
谐振频率特性的温度漂移，必须使 f 0
一般介质陶瓷体的热膨胀系数αL为正，故介电常数温度 系数 τε 必须为负，才能使 τf接近零，因此应找出介电常 数温度系数为负的陶瓷材料。
8
5.5 微波介质陶瓷
微波陶瓷的介电性能
介质谐振器的典型工作模式
由于微波陶瓷介质工作在微波频率下，介质材料的主要 特性参数(εr 、tgδ、 τf)具有某些特殊要求。对εr而言，由 于时间常数大的电极化形式在微波条件下来不及产生， 而电子位移式极化在介电常数中所占成分极小，所以起 主要作用的是金属离子位移式极化。
P.R.China: 6 companys mainly
浙江正原电气股份有限公司、潮州三环(集团)股份有限公司、景华电子有限责任 公司(999厂)、苏州捷嘉电子有限公司、浙江嘉康电子有限公司、福建南安讯通电 子公司、高斯贝尔公司、嘉兴佳利电子有限公司、西安广芯电子科技有限公司、 张家港燦勤电子元件有限公司、武汉凡谷电子技术股份有限公司、江苏江佳电子 股份有限公司
23
23
5.5 微波介质陶瓷
屏蔽腔谐振法
谐振腔体通常具有很高的 Q 因子，并且在特定的频 率发生谐振。如果将一材料样品放入腔体中，将会改变 腔体的谐振频率和品质因子Q 值。通过这两个参数值的 变化，可以得到材料样品的介电常数 这种方法目前具有最高的测量精度，尤其适合于低损 耗物质的测量，缺点是无法支持宽带的材料测量。
13
13
14
14
5.5 微波介质陶瓷
介质谐振器性能要求： 高的εr （一般 εr =30~100），有利于介质器件与整体小
型化，使电磁能量尽可能集中于介质体内。 在微波频率下介质损耗很小,高Q =(tan δ)-1＞103 ，保证
最佳的选频特性。 要求近零的谐振频率温度系数TCf(τf),一般在-50~l00℃，
24
24
5.5 微波介质陶瓷
Agilent Technologies instruments and fixtures
25
25
5.5 微波介质陶瓷
屏蔽腔谐振法
N5230C-220 PNA-L network analyzer 10 MHz to 20 GHz, 2 port, standard test set 85071E Material measurement software
22
22
5.5 微波介质陶瓷
平行板谐振法具有测量简单、快速、准确的优点，平 行板测试夹具较易制备，比较适用于介电常数适中、介 质损耗较小(即高Q值)的微波介质陶瓷的测量，但不适用 于介质损耗大的微波介质陶瓷的测量。 该方法对介电常数的测量误差一般小于0.5 %，对Q值 的测量误差一般小于15%。 对Q值及谐振频率温度系数的精确测量则需要用屏蔽腔 谐振法来测量。
另一种则是用于微波电路中的介质陶瓷。其中包括用于 微波集成电路(MIC)介质基片、介质波导、微波天线 (Antennae)及微波电容器等。
5
5
Dielectric Resonators
谐振器件
介质波导
Dielectric Patch Antenna
微波天线
微波滤波器 介质基片 介质电容器
9
9
5.5 微波介质陶瓷
d D
fr

c
0
fr d d
1
d c
2
r
fr c

d
r
1 2



c

D
1 2

r
λd介质波导波长；D-圆柱样品直径；fr谐振频率；C-自 由空间光速； λ0自由空间波； υd非磁性介质光速
D 0
1

在一定的频率下，谐振器的尺寸与介电常数的平方成反
Avoidance Sensors Dielectric Resonator Antennas Motion Detectors
7
7
Famous company
Japan: Murata村田制作所 Germany: EPCOS(S+M) USA: Skyworks Solutions Inc. 陶瓷分部 Trans-Tech USA: Narda Microwave-West Mini-Circuits England: Morgan Electro Ceramics
Cross section of the TE01δ Dielectric Resonator
26
26
5.5 微波介质陶瓷
27
27
Fra Baidu bibliotek
5.5 微波介质陶瓷
Resonant cavity measurement
28
28
5.5 微波介质陶瓷
按介电常数分类 低 εr (高 Q ) εr =25～30，Q=(1～3)×104，τf ≈0， f≥8GHz ，卫星直播等微波通信机中作为介质谐振器件 中 εr (中Q ) εr ≈40，Q=(6～9)×103，τf ≤5×10-6/℃ f =4～8GHz, 主要用于卫星基站、微波军用雷达及微波 通信系统中作为介质谐振器件
微波信号由于其频率极高，波长极短，具有如下特点： 由于频率高，信息容量大，所以十分有利于在通信技术
领域中应用。 可进行直线传播，具有很强的传播方向性．以及高能量
和对于金属目标的强反射能力。因此，在雷达、导航等 方面有利于提高发射和跟踪目标的准确性。 对不同介质具有强穿进和强吸收能力。从面可实现穿透 高空中电离层的卫星通信。进行微波医疗诊断、微波探 伤，以及作为微波吸收材料和发热体。 微波设备的数字化可实现通信的保密性。
11
11
5.5 微波介质陶瓷
在微波频段 εr基本上为定值，不随频率而变化。 要使微波介质陶瓷具有高εr值。除需考虑微观晶相类型及 其组合外，应在工艺上保证晶粒生长充分，结构致密。
12
12
5.5 微波介质陶瓷
tan r0 2 f
ω0；γ衰减因子
Qf r0 2 cons tan t
20
测试频率<1GHz,可用阻抗分析仪如HP4294A
21
21
5.5 微波介质陶瓷
Q值的测量
样品Q值可以通过测量TE011, 谐振峰的宽度计算出来。
Q fr f
相 对
△f为3dB频带宽度(BW)
辐 射
功
率
τf值的测量
f

f2 f1 f1 T2 T1
f1和f2分别是温度T1和T2时的谐振频率
αε很小或近于零）, τf= ±20 ppm /℃，保证器件的中心 频率不随温度漂移
MLCC基片、支撑件及介质波导衬底，要求有尽可能小的εr 。 吸收材料则要求介质损耗大
15
5.5 微波介质陶瓷
微波介质陶瓷性能测试方法
对微波介质陶瓷材料而言，由于介电常数跨度大、介质损 耗低，使用谐振法比较合适。在谐振法中开式腔法比较容 易实现，同时其测试范围也较宽，所以国际上最常用。
(VHF)， 厘米波段： λ =10cm-1cm，f=3GHz-30GHz，超高频段
(SHF)； 毫米波段： λ =1cm-1mm，f=30GHz-300GHz，极高频
段(EHF) 亚毫米波段： λ =1mm-0.1mm，f=300GHz-3000GHz，
极超高频段(SEHF)。
2
5.5 微波介质陶瓷 (Microwave dielectric ceramics)
4
4
5.5 微波介质陶瓷
实现微波设备的小型化、高稳定性和廉价的途径是微波电
路的集成化。由于金属谐振腔和金属波导体积和重量过大，
大大限制了微波集成电路的发展，而微波介质陶瓷制作的
谐振器与微波管、微带线等构成的微波混合集成电路，可
使器件尺寸达到毫米量级。这就使微波陶瓷成为实现微波 控制功能的基础和关键材料。它的应用大致分为两个方面. 从而对性能也有两种不同要求: 一种是用于介质谐振器(dielectric resonator )DR的功能 陶瓷，其中用于包括带通(阻）滤波器(filters )、分频器、 耿氏二极管、双工器和多工器、调制解调器(modem）等 固体振荡器(oscillators)中的稳倾元件;
比，因此为使介质器件与整体小型化，必须使介电常数
最大化。
10
10
5.5 微波介质陶瓷
谐振频率温度系数
TCf-temperature coefficient of resonance frequency
1 fr 1 D 1 1 r
f
fr T
L

D

2
T
2 r T αL膨胀系数
16
16
17
17
5.5 微波介质陶瓷
平行板谐振法(the parallel plate resonator method)
Hakki-coleman and Courtney
将直径为D(15mm)、长度为L(5-10mm)的圆柱形试样放置 在两个平行的金属板中，微波功率通过由样品和两个平行 金属板组成的腔体藕合。输入和输出通过两个天线藕合。 在某一频率下(该频率主要由介电常数和陶瓷样品的尺寸 来决定)，该腔体的阻抗达到最小，即产生谐振，此时穿 过的功率最大。腔体的谐振特性可通过网络分析仪来得到 直观显示。实际测量中，常用TE011模来确定陶瓷样品的 介电性质。因为测试装置可以在网络分析仪上产生许多不 同模式的谐振峰，只有TE011模比较容易确认。实际测试 中是通过升高或降低上层金属板的办法在频谱图上确定 TE011谐振峰的，当上层金属板升高时， TE011模的峰保持 不动而其它模的峰会快速移动。
Dielectric Filter
6
6
Applications for Temperature Stable Dielectric Resonators
Typical Applications Cellular Base Station
Filters and Combiners PCS/PCN Filters and Combiners Direct Broadcast Satellite Receivers Police Radar Detectors LMDS/MMDS Wireless Cable TV Automobile Collision
在微波范围内，微波介质的εr及Qf值均基本不变。因此对 于同一材料，在较低频率下可获得更高的Q值;而衰减因 子γ越大，Q值越小。理想晶体中， γ取决于晶格振动的非 谐项，在多晶陶瓷中晶粒、晶界、杂质和缺陷成为损耗 增大的主要原因。为获得低损耗、高Q值的微波介质陶瓷 ，必须尽可能使用高纯原料，并尽力控制工艺以制出杂 质少、缺陷少、晶粒均匀分布的陶瓷。
3
分米波 VHF
厘米波 SHF
毫米波 亚毫米 EHF SEHF
Frequency bands covered by the various wireless technologies (*includes ‘Bluetooth’; Harald Blatand (Bluetooth) was a famous King of Denmark c.960 who is known for encouraging communication between people).
18
18
5.5 微波介质陶瓷
系统硬件: 矢量网络分析仪、接口卡、平行板测试夹具、带藕合环 的半刚性电缆、高低温箱和安装自动测试软件的计算机 介电常数的测试 对所测试样品，其D和L已知，fr 可以通过该方法精确地测试出来， 则可以通过公式计算出介电常数。
D/L=0.4-0.6
19
19
Apparatus for measuring the microwave characteristics of dielectrics. Inset, detail showing specimen between conducting planes, and antennas.