在浩瀚的宇宙中，電磁波“家族”一直在用跳動的舞姿傳遞著能量和信息。這個“舞蹈世家”，不僅有炫彩奪目的“可見光”、熱情奔放的“紅外線”、高冷敏銳的“紫外線”，還有傳遞信息的“微波”……每個舞者都有自己獨一無二的舞臺，微波的舞臺是300MHz-3000GHz，比“可見光”的舞臺可要大得多。

電磁波“家族”

對于一個優(yōu)秀的舞者而言，舞伴的重要性不言而喻。在追求小型化、集成化的科技領(lǐng)域，“信息使者”微波的新舞伴是——微波介質(zhì)陶瓷。這種陶瓷的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與微波的電磁輻射相互作用時，可降低微波的速度，使其因“慢動作”的舞姿而平添美感。微波介質(zhì)陶瓷的關(guān)鍵性能參數(shù)是介電常數(shù)、品質(zhì)因數(shù)Q和頻率溫度系數(shù)。

1 微波介質(zhì)陶瓷的關(guān)鍵性能參數(shù)

1.1 介電常數(shù)ε_r

作為一名合格的舞伴，微波介質(zhì)陶瓷本身藏有許多“舞動”的基因——偶極子（數(shù)量為n）。在微波的電場作用下，偶極子會通過極化作用跳動一步（電偶極矩μ可表征步子大小），當(dāng)電場消失時，偶極子又會恢復(fù)原狀。介電常數(shù)可表征偶極子的極化能力，根據(jù)克勞修斯-莫索蒂方程，介電常數(shù)ε_r可與偶極子數(shù)量n和電偶極矩μ建立關(guān)系：n和μ越大，介電常數(shù)ε_r越高。

微波介質(zhì)陶瓷是典型的多相系統(tǒng)，既含有結(jié)晶相，又含有玻璃相和氣相。這種多相系統(tǒng)的介電常數(shù)取決于各相的介電常數(shù)、體積濃度以及相與相之間的配置情況，可利用混合物法則進行計算。另外，陶瓷的介電常數(shù)差異是由內(nèi)部不同的極化機制決定的，其極化機制列于下表。

表 陶瓷的極化機制

微波介質(zhì)陶瓷的介電常數(shù)越高，微波在其中的傳播速度越慢，波長越短，器件尺寸可以做得越小。

介電常數(shù)越大，器件越小

1.2 品質(zhì)因數(shù)Q

跳舞可不是個輕松活兒。與微波“共舞”時，微波介質(zhì)陶瓷雖然“舞步”簡單，但也會因極化損耗、電導(dǎo)損耗、電離損耗、結(jié)構(gòu)損耗等原因耗費一部分能量，統(tǒng)稱為介質(zhì)損耗。品質(zhì)因數(shù)Q值的大小等于介質(zhì)損耗的倒數(shù)，且與頻率、溫度有關(guān)。高Q值可保證獲得優(yōu)良的選頻特性。

為獲得高Q值的微波介質(zhì)陶瓷，應(yīng)盡可能選擇高純原料，同時減少雜質(zhì)和缺陷，獲得均勻一致的陶瓷晶粒。

1.3 諧振頻率溫度系數(shù)Tcf

不斷變化的工作環(huán)境溫度會影響微波器件的使用性能。這就要求微波介質(zhì)陶瓷的諧振頻率不能隨溫度發(fā)生過多變化。較小的諧振頻率溫度系數(shù)Tcf，可保證器件的中心頻率不隨溫度發(fā)生漂移。

2 微波介質(zhì)陶瓷的分類

在下面的趨勢圖中，品質(zhì)因數(shù)Q和介電常數(shù)ε_r呈反比例關(guān)系，據(jù)此可以得到三大類微波介質(zhì)陶瓷：低介電常數(shù)+高Q值陶瓷、中介電常數(shù)+中Q值陶瓷和高 介電常數(shù)+低Q值陶瓷。

品質(zhì)因數(shù)Q與介電常數(shù)ε_r的關(guān)系圖

表 微波介質(zhì)陶瓷的分類

Ba₂Ti₉O₂₀的SEM圖

某鎢青銅型陶瓷SEM圖

3 微波介質(zhì)陶瓷的應(yīng)用

微波介質(zhì)陶瓷現(xiàn)已成為實現(xiàn)微波控制功能的基礎(chǔ)和關(guān)鍵材料。它的應(yīng)用大致分兩個方面：

一種是用于微波電路中的介質(zhì)陶瓷，包括介質(zhì)基片、介質(zhì)波導(dǎo)、微波天線及微波電容器等。

介質(zhì)基片

介質(zhì)波導(dǎo)

微波天線

介質(zhì)電容器

另一種則是用于介質(zhì)諧振器DR的功能陶瓷，包括濾波器、分頻器、耿式二極管、調(diào)制解調(diào)器等。其中，濾波器遇上了5G時代的大潮，成為了風(fēng)口浪尖的那只“會跳舞的豬”。

諧振器件

濾波器

粉體圈 作者王京