Ca 5 Mg 4 （VO 4 ） 6 微波介质陶瓷的制备及性能研究
发布时间：2021-08-30 00:10
微波通信的高速发展亟需性能优异的微波电子元器件,这对微波介质陶瓷提出了更高的技术要求,而低温共烧陶瓷技术恰好能满足以上需求。本论文对低温烧结Ca5Mg4（VO4）6微波介质陶瓷进行研究了,陶瓷样品的制备采用固相反应法,同时运用元素非化学计量比和B位离子取代两种方法来提高其微波介电性能。通过XRD、SEM等测试手段,本论文对陶瓷样品进行了物相组成和微观形貌分析,同时辅以晶格能、键能等理论计算研究了微波介电性能变化的内在规律。在V元素和Ca元素的非化学计量比研究中,陶瓷样品的Q×f值因相对密度的减小出现了明显恶化。而对于Mg元素非化学计量比Ca5Mg4+x（VO4）6（-0.05≤x≤0.15）陶瓷样品,其Q×f值在x=0.05时相较于化学计量比样品有了明显的提升,具体微波介电性能如下:εr=9.93、Q×f=56192GHz、τf=-48.3ppm/℃。相关测试表明,此时...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
介电常数频谱
横电（TEnmp）模式、横磁（TMnmp）模式和混合（HEnmp或EHnmp）模式（n,m,p=1,2,3,…）[41]。TEnmp模式中，电磁波的传播方向上有磁场分量而无电场分量；TMnmp模式中，电磁波的传播方向上有电场分量而无磁场分量；而HEnmp或EHnmp模式中电磁波的传播方向上既有电场分量也有磁场分量。以上谐振模式的选择与圆柱形谐振器的厚度（H）和直径（D）有关[42]：当H>D时，谐振模式一般为TM010；而当H<D时，谐振模式一般为TE011。另外，H与D的比值还会影响介质谐振器的Q×f值，且当H/D=0.4时Q×f值最大[43,44]。图1-2介质谐振器形状结构从上可以看出，目前对于介质谐振器的外形设计及谐振模式的研究已趋于成熟，以上两者不再是限制介质谐振器性能主要影响因素。因此，面对5G技术对介质谐振器的信号延迟、损耗和稳定性方面提出的更高要求，最为有效的解决方法是开发出微波介电性能优异的介质陶瓷。具体性能需求如下：（1）介电常数式(1-2)表明，微波介质陶瓷中的信号传输延迟介与介电常数呈负相关；而由(1-8)和式(1-9)可以看出，介电损耗会随着介电常数的增大而增大，且外场频率越高，介电损耗的增大越为明显。以上理论分析说明，介电常数越小越有利于降低介质谐振器的信号延迟和损耗。（2）品质因数介质谐振器的损耗主要来源于以下四个方面：介质材料固有的介电损耗（tanδd）；介质谐振器向空气中辐射造成的辐射损耗（tanδr）；介质谐振器外包裹金属腔体后周围产生的电导损耗（tanδc）；介质谐振器工作时与外界电路耦合引起的外部损耗（tanδext）。其中，介电损耗会减弱微波介质谐振器的信号传输，且损耗产生的热量会影响器件的正常工作和使用寿命。因而采用高Q×f值（低介电损耗）的微波介质陶瓷有助于实现介质谐振器的低
电子科技大学硕士学位论文22陶瓷样品的烧结温度随着V5+离子含量的减少出现了大幅上升。图3-2Ca5Mg4V6+xO24(-0.1≤x≤0.1)陶瓷样品的SEM图：(a)x=-0.1、(b)x=-0.05、(c)x=0、(d)x=0.05、(e)x=0.13.2.4微波介电性能分析依据上文对XRD图谱的分析可知，Ca5Mg4V6+xO24(-0.1≤x≤0.1)陶瓷样品均为单一晶相，第二相并非本实验中微波介电性能的影响因素，故以下内容将从其他方面分析微波介电性能的变化规律。3.2.4.1介电常数图3-3为Ca5Mg4V6+xO24(-0.1≤x≤0.1)陶瓷样品的介电常数与理论介电常数和相对密度之间的关系。其中，理论值εtheo的计算由式(1-11)得到，对于本实验，式中离子极化率的计算公式如下：2222α5α(Ca)4α(Mg)(6x)α(V)24α(O)++++=++++(3-1)上式中各离子极化率数值均取自R.D.Shannon的报道[78]：α(Ca2+)=3.173，α(Mg2+)=1.333，α(V5+)=2.923，α(O2+)=2.003。图3-3Ca5Mg4V6+xO24(-0.1≤x≤0.1)陶瓷样品的介电常数、理论介电常数与相对密度
【参考文献】：
期刊论文
[1]微波介质陶瓷材料应用现状及其研究方向[J]. 马调调. 陶瓷. 2019(04)
[2]离子极化与键型关系的研究[J]. 吕自学,王亚军,张建梅. 河西学院学报. 2002(05)
[3]电介质的极化机制与介电常量的分析[J]. 肖冬萍,田强. 大学物理. 2001(09)
[4]离子的极化率[J]. 冯玉彪,张绍印,孙洪涛,李源,朱艳云. 大连轻工业学院学报. 2000(02)
[5]介质圆柱谐振器模式图[J]. 徐泰. 复旦学报(自然科学版). 1988(03)
博士论文
[1]Ba(B’1/3Nb2/3)O3（B’=Mg.Zn,Ni,Co）基陶瓷的结构与微波介电性能[D]. 孙土来.浙江大学 2015
硕士论文
[1]MgTiO3基微波介质陶瓷制备及其谐振器天线设计[D]. 谢璐智.中国地质大学(北京) 2019
[2]Li2Mg4TiO7介质陶瓷微波性能及其低温烧结研究[D]. 刘青青.济南大学 2018
[3]介质多模滤波器研究[D]. 黄庆涛.华南理工大学 2016
[4]介质谐振腔体滤波器的研究与设计[D]. 王陆山.西南交通大学 2013
[5]TM模式陶瓷介质双工器的研究与实现[D]. 刘晓静.电子科技大学 2010
本文编号：3371655
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
介电常数频谱
横电（TEnmp）模式、横磁（TMnmp）模式和混合（HEnmp或EHnmp）模式（n,m,p=1,2,3,…）[41]。TEnmp模式中，电磁波的传播方向上有磁场分量而无电场分量；TMnmp模式中，电磁波的传播方向上有电场分量而无磁场分量；而HEnmp或EHnmp模式中电磁波的传播方向上既有电场分量也有磁场分量。以上谐振模式的选择与圆柱形谐振器的厚度（H）和直径（D）有关[42]：当H>D时，谐振模式一般为TM010；而当H<D时，谐振模式一般为TE011。另外，H与D的比值还会影响介质谐振器的Q×f值，且当H/D=0.4时Q×f值最大[43,44]。图1-2介质谐振器形状结构从上可以看出，目前对于介质谐振器的外形设计及谐振模式的研究已趋于成熟，以上两者不再是限制介质谐振器性能主要影响因素。因此，面对5G技术对介质谐振器的信号延迟、损耗和稳定性方面提出的更高要求，最为有效的解决方法是开发出微波介电性能优异的介质陶瓷。具体性能需求如下：（1）介电常数式(1-2)表明，微波介质陶瓷中的信号传输延迟介与介电常数呈负相关；而由(1-8)和式(1-9)可以看出，介电损耗会随着介电常数的增大而增大，且外场频率越高，介电损耗的增大越为明显。以上理论分析说明，介电常数越小越有利于降低介质谐振器的信号延迟和损耗。（2）品质因数介质谐振器的损耗主要来源于以下四个方面：介质材料固有的介电损耗（tanδd）；介质谐振器向空气中辐射造成的辐射损耗（tanδr）；介质谐振器外包裹金属腔体后周围产生的电导损耗（tanδc）；介质谐振器工作时与外界电路耦合引起的外部损耗（tanδext）。其中，介电损耗会减弱微波介质谐振器的信号传输，且损耗产生的热量会影响器件的正常工作和使用寿命。因而采用高Q×f值（低介电损耗）的微波介质陶瓷有助于实现介质谐振器的低
电子科技大学硕士学位论文22陶瓷样品的烧结温度随着V5+离子含量的减少出现了大幅上升。图3-2Ca5Mg4V6+xO24(-0.1≤x≤0.1)陶瓷样品的SEM图：(a)x=-0.1、(b)x=-0.05、(c)x=0、(d)x=0.05、(e)x=0.13.2.4微波介电性能分析依据上文对XRD图谱的分析可知，Ca5Mg4V6+xO24(-0.1≤x≤0.1)陶瓷样品均为单一晶相，第二相并非本实验中微波介电性能的影响因素，故以下内容将从其他方面分析微波介电性能的变化规律。3.2.4.1介电常数图3-3为Ca5Mg4V6+xO24(-0.1≤x≤0.1)陶瓷样品的介电常数与理论介电常数和相对密度之间的关系。其中，理论值εtheo的计算由式(1-11)得到，对于本实验，式中离子极化率的计算公式如下：2222α5α(Ca)4α(Mg)(6x)α(V)24α(O)++++=++++(3-1)上式中各离子极化率数值均取自R.D.Shannon的报道[78]：α(Ca2+)=3.173，α(Mg2+)=1.333，α(V5+)=2.923，α(O2+)=2.003。图3-3Ca5Mg4V6+xO24(-0.1≤x≤0.1)陶瓷样品的介电常数、理论介电常数与相对密度
【参考文献】：
期刊论文
[1]微波介质陶瓷材料应用现状及其研究方向[J]. 马调调. 陶瓷. 2019(04)
[2]离子极化与键型关系的研究[J]. 吕自学,王亚军,张建梅. 河西学院学报. 2002(05)
[3]电介质的极化机制与介电常量的分析[J]. 肖冬萍,田强. 大学物理. 2001(09)
[4]离子的极化率[J]. 冯玉彪,张绍印,孙洪涛,李源,朱艳云. 大连轻工业学院学报. 2000(02)
[5]介质圆柱谐振器模式图[J]. 徐泰. 复旦学报(自然科学版). 1988(03)
博士论文
[1]Ba(B’1/3Nb2/3)O3（B’=Mg.Zn,Ni,Co）基陶瓷的结构与微波介电性能[D]. 孙土来.浙江大学 2015
硕士论文
[1]MgTiO3基微波介质陶瓷制备及其谐振器天线设计[D]. 谢璐智.中国地质大学(北京) 2019
[2]Li2Mg4TiO7介质陶瓷微波性能及其低温烧结研究[D]. 刘青青.济南大学 2018
[3]介质多模滤波器研究[D]. 黄庆涛.华南理工大学 2016
[4]介质谐振腔体滤波器的研究与设计[D]. 王陆山.西南交通大学 2013
[5]TM模式陶瓷介质双工器的研究与实现[D]. 刘晓静.电子科技大学 2010
本文编号：3371655
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