微带滤波器用高K介质陶瓷材料研究

发布时间：2020-07-10 15:01

【摘要】：随着现代通讯设备向着小型化、高频率化和集成化的飞速发展,对微带线陶瓷滤波器的大小和工作频率的要求也越来与高。这不仅仅对滤波器设计提出了更高的要求,对滤波器介质基板材料的各项性能的要求也越来越高。本文正是从上述要求出发,研究了相对介电常数为25左右,谐振频率温度系数趋近于0的微波介质陶瓷材料的配方。以0.85MgTiO_3-0.15Ca_(0.6)La_(0.8/3)TiO_3微波介质陶瓷材料(以下简称为85MLC)为研究对象,系统的研究了非化学计量比,ZnO掺杂,Co_2O_3掺杂,Nd_2O_3掺杂,SnO_2掺杂对材料的物相组成,微观形貌,介电性能的影响。采用固相反应法,在本实验室合成了0.85MgTiO_3-0.15Ca_(0.6)La_(0.8/3)TiO_3陶瓷,并对其物相组成,微观结构及微波介电性能进行了表征。XRD结果表明85MLC陶瓷的主晶相为MgTiO_3,次晶相为Ca_(0.6)La_(0.8/3)TiO_3,并且伴有少量的杂相MgTi_2O_5。85MLC的最佳烧结温度为1255oC,烧结温度过高会导致陶瓷晶粒的不正常生长,陶瓷样品的致密度变低。揭示了非化学计量比对85MLC体系陶瓷晶相组成、微观形貌及介电性能的影响规律。实验结果表明钛缺失或者过量对85MLC陶瓷的晶相组成基本无影响。钛的缺失使得陶瓷样品表面出现了气孔,当钛的含量增加时,气孔消失,陶瓷变得致密,这表明TiO_2的掺入可以提高陶瓷的致密度,但是当体系中钛含量较多时,体系中生成了更多的MgTi_2O_5杂相,对陶瓷样品的性能产生了不利影响研究了ZnO掺杂对85MLC陶瓷的物相组成、微观形貌及微波介电性能的影响规律。实验结果结果表明,ZnO可以促进陶瓷晶粒的生长,从而提升了致密度,略微提升了陶瓷样品的相对介电常数。然而由于ZnO的易挥发性导致了体系中TiO_2的含量相对较多,随着ZnO掺杂量的增多,体系中的杂相略微增多,些许恶化了陶瓷的Q×f值。研究了Co_2O_3的掺杂对85MLC陶瓷的物相组成、微观形貌及微波介电性能的影响规律。结果表明少量的Co_2O_3的掺杂可抑制体系中杂相MgTi_2O_5的产生,从而改善陶瓷材料的Q×f值。但当Co_2O_3的掺杂量过多后,又会产生新的杂相Mg2TiO4,恶化了陶瓷材料的性能。研究了Nd_2O_3的掺杂对85MLC陶瓷晶相结构、微观形貌及介电性能的影响规律。分析发现由于Nd3+离子的离子极化率较La3+离子的离子极化率要低,导致陶瓷体系的相对介电常数有所降低,与此同时体系的Q×f值也有所降低。但是当x=0.2时,陶瓷样品的谐振频率温度系数最接近于零。研究了SnO_2掺杂对85MLC陶瓷的物相组成、有序度、微观形貌及介电性能的影响规律。实验结果表明SnO_2少量掺杂可有有效地提高陶瓷的烧结致密度,由于SnO_2的在高温下极容易挥发,陶瓷表面出现了大量的气孔,然而陶瓷内部相较与陶瓷表面气孔要少,十分致密。在本课题所研究中,获得如下具有较优微波性能的体系(测试频率6.2GHz):(1)0.85Mg0.90Zn0.10TiO_3-0.15Ca_(0.6)La_(0.8/3)TiO_3:εr=25.04,Q×f=43363GHz。(2)Mg0.85Ca0.09La0.04Ti0.95O_3:εr=23.49,Q×f=55984 GHz,τf=+3.28ppm/℃。(3)0.85MgTiO_3-0.15Ca0.6La0.6/3Nd0.2/3TiO_3:εr=24.76,Q×f=47500GHz,τf=+0.5ppm/℃。(4)0.85MgTiO_3-0.15Ca_(0.6)La_(0.8/3)TiO_3-0.010SnO_2:εr=24.96,Q×f=50500GHz。(5)0.85MgTiO_3-0.15Ca_(0.6)La_(0.8/3)TiO_3+1wt%Co_2O_3:εr=24.28,Q×f=55000GHz。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN713;TQ174.75
【图文】：

陶瓷滤波器,微带线滤波器

因此加强对微波介质陶瓷材料的研究就显得十分重要。微成为事关国民经济以及国家安全的命脉，所以加强对微波介质陶自主知识产权的关键材料，成为了各个国家的共识。外研究现状外研究状况基微带线滤波器是一种微波无源器件，其品质因数较高、损耗较各种通信设备中，其最大的特点就是体积小，重量轻，承载功率器件的小型化。主要应用在无线接收机、无线发射机等设备的振电路中，以实现阻抗的匹配，减少功率的消耗，降低信噪比等。电路中控制电路的输出频率、输出电流、输出功率。然而由于制大，基片材料要求高，所以目前高端的陶瓷基微带线滤波器仅仅少数几家公司提供，DLI 公司相应的微带线滤波器如图 1-2 所示，如图 1-3 所示。这些公司基本垄断了高端陶瓷基微带线滤波器的市技术封锁，国内很多单位为使用这些产品付出了很高的成本。

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图 1-3 滤波器的 S 参数特性以美国为代表的发达国家拥有十分完整的技术以及先进的加工设备，目前获得了可以大规模商业化应用的微波介质陶瓷材料。人们对微波介质陶瓷的始于 20 世纪 60 年代，Barash 和 okaya 于 1962 年研究了使用 TiO2单晶制作微波器，TiO2的介电常数较高，损耗较低，但是温度稳定性比较差[14,15]。上世0 年代是全球微波介质陶瓷研究和生产的黄金时期，美国和日本在这个时期取很大的成果。美国首先研究出了可以实用的 K38 材料，接着日本也提出了各能优秀的不同类型的微波介质陶瓷材料，例如 R-04C，R-09C。其后英国、法德国等欧洲发达国家也相继投入了大量人力物力进行相关产品的研究。最近，由于人们要求与需求的逐渐提高，使得微波设备向着更加小型化的方向发展而对微波介质陶瓷各项性能的要求逐渐提高，又引起了人们对微波介质陶瓷的新一轮研究热潮。日本村田、松下等多家公司都有着适用于不同场合、不件的微波介质陶瓷材料产品。欧美等发达国家的研究机构也不断有新的关于介质陶瓷材料应用的研究论文发表。中国台湾在 2010 年左右也出现了关于微

离子极化率

r 0 (1-1)其中εr是传输介质的相对介电常数，λ0是电磁波在真空中传输时的波长。从公式(1-1)可以看出，对于同样波长的电磁波来说，其在不同相对介电常数εr的基板材料中传输时，其波长也将不相同，具体来说，介质材料的相对介电常数越高，在其中传输的电磁波的波长就越小，这就使得电路中的电磁波波长就越短，微带线的线宽越小，从而器件的尺寸也越小。当介质基板材料的相对介电常数较高时，在其中传输的电磁波的波长短，也使得电磁波的能量基本集中在介质基板附近，这就使得电磁波受到环境因素的影响也将减小，使得屏蔽盒的体积减小，从而减小了器件的体积。小的元器件体积使得最终的系统集成度也较高，节约了成本。因此，为了实现器件的小型化，就要提高介质材料的相对介电常数。微波介质陶瓷介质材料的相对介电常数的大小主要取决于材料的本征结构，这与组成元素的极化率等相关，介电常数高的材料代表该材料在电场的作用下的极化能力强[17,18]，微观粒子有着不同的极化机制，主要有：电子位移极化，离子位移极化，取向极化和空间电荷极化[19]。图 1-3 给出了各种常见离子的离子极化率。

【参考文献】