微波介质陶瓷的研究现状及其分析

崔传文　姜明　刘学伟

摘 要 目前国内外的研究主要是块状器件的研究，但是块状材料的尺寸最少也要，不能满足集成化、高性能的要求，这阻碍了微波介质器件的应用。本文旨在研究微波介质陶瓷对于实现微波器件的集成化和高品质化具有重要的理论研究意义和应用的探索价值。

关键词 陶瓷 微波 介质

中图分类号：TM28 文献标识码：A

制备多层微波介质陶瓷薄膜器件，不仅可以减少电极的微波损耗，有望获得器件的高性能，并且满足了器件片式集成化的要求。目前国内外的研究主要是块状器件的研究，但是块状材料的尺寸最少也要，不能满足集成化、高性能的要求，这阻碍了微波介质器件的应用。研究微波介质陶瓷对于实现微波器件的集成化和高品质化具有重要的理论研究意义和应用的探索价值。

1微波介质陶瓷的性能参数

微波介质陶瓷是指应用于微波频段电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷，是现代通讯中广泛使用的谐振器、滤波器、介质基片等微波元器件的关键材料。评价微波介质陶瓷材料，主要看薄膜材料的介电常数（ ）、介电损耗（tan ）和谐振频率的温度系数（ f）这三个技术参数的先进性和实用性，以体现微波介质器件的小型化和高品质化的要求。具体的性能要求为：

（1）具有较高介电常数（ ），且温度稳定性好。介电常数，用于衡量绝缘体储存电能的性能。介电常数代表了电介质的极化程度，也就是对电荷的束缚能力，介电常数越大，对电荷的束缚能力越强。众所周知，微波设备实现小型化、高稳定及廉价的方式是微波电路的集成化。在微波电路集成化的进程中，金属波导实现了平面微带集成化，微波管实现了小型化。

（2）近零的谐振频率的温度系数（ f）。介质谐振器件一般都是以微波介质陶瓷的某种振动模式的频率作为其中心频率的。同时，通信器件的工作环境温度不可能一成不变。如果微波介质材料的谐振频率随温度变化较大，滤波器的载波信号在不同的温度下就会漂移，从而影响设备的使用性能。这就要求材料的谐振频率不能随温度变化太大。温度的实际要求范围大致是-40℃～+100℃温区，在这个范围内，微波介质陶瓷材料的频率温度系数 f要小。

（3）在微波频段，介电损耗（tan ）要小，高的品质因子（Q）。滤波器的一个重要要求是插入损耗低，微波介质材料的介质损耗是影响介质滤波器插入损耗的一个主要因素。微波介质材料Q值与介质损耗tan 成反比关系。Q值越大，滤波器的插入损耗就越低。即采用低损耗的介质材料，可获得良好的滤波特性及通信质量。至少要求 在微波频段，介质损耗要小，tan <10-4，品质因数要高，Q≥10000。

2微波介质陶瓷的分类

2.1低介电常数类

低介电常数微波介质陶瓷是最早应用的微波介质陶瓷，其相对介电常数 r一般来说小于20，其Q·f值很高，主要应用于微波机板以及高端的微波元器件。主要有Al2O3、MgO、Ln2BaCuO5等。

Ln2BaCuO5微波介质陶瓷不但性能优异，而且烧结温度比较低，因而是一类很有应用前景的微波介质陶瓷。特别是Zn、Co、Ni部分置换Cu后，微波介电性能明显改善，可以获得近零的 f、高Q·f值的低介电常数的微波介质陶瓷。如Y2Ba（Cu0.5Zn0.5）O5微波介电性能如下： =14.2，Q·f=110665GHz（f=10.7GHz）、 f=-9.2？0-6/℃。

2.2 中介电常数类

中介电常数微波介质陶瓷主要是指介电常数 介于30-70之间的微波介质陶瓷，主要应用于卫星通讯以及移动通讯基站。这类陶瓷目前主要有BaTi4O9、Ba2Ti9O20、（Zr，Sn）TiO4以及CaTiO3-NdAlO3，其 r≈40，Q=（6～8）？03（在f为3～4GHz时）， f≈0。

BaO-TiO2体系中含有多种化合物，其中BaTi4O9 和 Ba2Ti9O20是BaO-TiO2体系中比较理想的两种微波介质陶瓷材料。Ba2Ti9O20具有比BaTi4O9更好的介电性能，目前已被广泛的用作制造微波介质谐振器的材料，并得到广泛的应用。

2.3高介电常数类

由于高介电常数可以大大的减少微波通信器件的尺寸，故在过去的几十年里，高介电常数的微波介质陶瓷研究最为广泛的。主要有BaO-Ln2O3-TiO2、CaO-Li2O-Ln2O3-TiO2和Pb基钙钛矿系列。

Pb基钙钛矿系列高介电常数微波介质陶瓷主要有（Pb1-xCax）ZrO3、（Pb1-xCax）HfO3、（Pb1-xCax）（Mg1/3Nb2/3）O3和（Pb1-xCax） （Fe1/2Nb1/2）O3系材料。该系列材料原本是用来制备多层电容器元件的，但J.Kato研究了他们在微波频率下的介电特性，发现他们在微波频率下同样具有较高的 r和Q值，同时具有接近于零的 f。另外，由于其结构的特殊性，若想进一步提高 r，仅靠单一材料难以实现，今后发展的趋势是将不同的材料系列进行复合，利用复合效应来获得 r更高，Q值更高、 f近乎零的微波介质陶瓷。

参考文献

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