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微波介质陶瓷材料初探

作者:万喜堂    更新时间:2020-12-02 23:00

  早在1939年,Richtmyer首次通过理论论证将金属作为主要材料用以设计谐振器的可行性,但由于无法找到恰当的介质,因而发展缓慢。微波介质陶瓷的探索阶段是在上个世纪60年代到来的,1960年,Okaya开始了的介电性能的研究,在对于滤波器的尝试制作进程中,由于无法解决温度系数的问题失败了。

  在60年代末期,Hakki与Coleman一同提出了对于微波介质陶瓷的测量方式和其性能评判标准。70年代,微波介质陶瓷实现了从理论到应用的重要一步,无论是美国研发的K38系列陶瓷还是由日本研发的Ba2Ti9O20陶瓷,都拥有优异的性能,从而为微波谐振器小型化的实现提供了材料基础。80年代,日本继续研发出了BMT、BZT等性能优异的介电陶瓷系列,从而引导了微波陶瓷新材料的潮流。随后,欧洲的各个国家相继开展了针对微波介质陶瓷的科研进程。

  直到80年代初期,我国才开始微波介电陶瓷的相关研究,相比国际水平,我国起步晚了很多。我国缺少先进的理论基础,并且也不了解先进的工艺流程,更没有高端的实验设备,相较于国外成熟的应用技术,我国的行业技术水平距离实际应用还有很大差距。因此,我们最初的研究方法是借鉴国外的成熟材料体系进行模仿和重复。

  近年来,由于国家的大力投入,我国微波介质陶瓷行业从理论基础,到工艺水平,再到生产设备与科研设备都实现了飞速的发展,涌现出大批优秀的介质陶瓷研发的高校、公司、研究所。与美、日等先进国家相比,受限于起步晚、设备差、原材料缺乏等原因,我国现阶段研究水平仍有较大提升空间,研究成果还无法支撑国内微波通讯技术的需求。

  为了满足人们对电子产品轻型化、体积更小、集成化的需求,在无线通讯技术高速进步的如今,我们有必要开发出高性能、高可靠性、低成本新型材料,这对微波介质材料而言,也是难度更大的挑战。

  决定介电陶瓷是否实用有三个重要的要素:品质因素(Q×f)、相对介电常数(εr)、对于谐振频率的温度稳定性(τf),它们相互制约,同时也有一定联系,但是研究发现,想要同时取得三个参数的最佳值,并非易事。

  微波介电陶瓷中,研究的核心内容:陶瓷的介电损耗问题。陶瓷,是一个包含主晶相、晶界、孔隙、缺陷、夹杂物、第二相、玻璃相等微结构的统一体结构,而且这些微观结构对陶瓷的介电性能影响很大。

  各种因素对介电损耗的影响程度是不同的,可以将介电损耗具体分成两大类,一类是由产生了不同的主晶相导致损耗的不一样,属于本征介电损耗一类;另外一类是由于工艺条件的影响产生的损耗。由显微结构引起的,如晶界、孔隙等属于非本征介电损耗。

  就当今的市场而言,微波陶瓷在下列几个方向的元件中被使用得最多:作为微带天线、滤波器等微波元件的基板材料,作为腔体滤波器等微波器件的谐振子。多数能够实际应用的微波陶瓷都具有损耗低、温度系数接近0、稳定性强等优势,因此微波电路中的谐振器通常都会使用微波介质陶瓷,可以说谐振器是介电陶瓷应用中一个极其常用的方向。

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万喜堂
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