提起電磁波，大家應該并不陌生，而微波就是電磁波中的一種。微波通常是指頻率介于300MHz到300Ghz，波長從1m到0.1mm，微波通訊在現代社會生活中發揮著重要的作用，根據波長可進一步分為亞毫米波、毫米波、厘米波、分米波四個分波段。微波介質陶瓷則是應用于微波通信領域的陶瓷材料之一，在軍用及民用領域有廣泛的應用，其主要應用于微波諧振器、濾波器與振蕩器，微波電路中的絕緣基片材料，和高性能陶瓷基微波板材。

▽微波頻段的四個分波段

▽微波介質陶瓷的應用

微波介質陶瓷的發展動力主要源于微波移動通信的發展需求。為實現微波設備的小型化、高穩定性和廉價的途徑是微波電路的集成化，金屬諧振腔和金屬波導體積和重量過大，大大限制了微波集成電路的發展，采用微波介質陶瓷制作的諧振器與微波管、微帶線等構成的微波混合集成電路，可使器件尺寸達到毫米量級，這就使微波陶瓷成為實現微波控制功能的基礎和關鍵材料。為此需要開發一系列適合于微波范圍內具有高性能、高可靠工作特性的電子材料與元器件，微波介質陶瓷正是在這一背景下迅速發展起來的電介質材料，具有低微波損耗、高介電常數、頻率溫度系數小等特點。

近年來微波介質材料的研究開發主要圍繞以下兩大方向開展。1）追求超低損耗的極限(即最大Qf值)；2）探索更高相對介電常數（>100乃至>150）的新材料體系。前者是為了更好的適應高可靠性與更高頻率應用的需要，后者主要是為了滿足未來微波器件的小型化要求。

▽高介電常數εr有利于器件的小型化、集成化

三大類微波介質陶瓷

目前已開發的微波介質材料體系種類很多，現以微波介電性能的特點進行分類，將其分成三大類，1）低εr、高Q值材料；2）中等εr和Q值材料；3）高εr低Q值材料。（PS:關于微波介質陶瓷的三大性能指標介電常數（εr），品質因素Q或介質損耗（tanδ）和諧振頻率溫度系數（τf）。請看本文第三部分說明）

▽微波介質陶瓷按介電常數分類

1、低εr、高Q值材料

隨著移動通信與軍用雷達等微波通訊技術的發展，具有低介電常數( εr<15)、高品質因數(介電損耗tan δ<10-4)與近零諧振頻率溫度系數( τf≈0)的電介質陶瓷材料，在微波毫米波通信系統中作為諧振器、濾波器、微波導線與微波基板等元器件的應用研究備受人們關注，低的介電常數能夠降低電磁信號的交互耦合作用，并提高信號傳輸與響應速度；高品質因數( Qf 值)能夠降低信號傳輸過程中的能量消耗，增加器件的選頻性；近零諧振頻率溫度系數能夠保證器件工作對環境溫度漂移的穩定性。

目前該系列陶瓷主要有Al2O3基和硅酸鹽基等系列，Al2O3基微波介質陶瓷作為通信介質諧振器主要應用在10~300GHZ微波-亞微米波的頻率范圍內，以及應用在時鐘的超穩定振蕩器上和電路基板上，其介電常數的分布大致為（10~15）。而硅酸鹽基微波介質陶瓷主要應用在微波-毫米波頻率范圍內，其介電常數的分布為（5~10）。由于固有的燒結溫度較低及原材料比較豐富，是目前低介電常數材料研究的熱點，各類硅酸鹽陶瓷如橄欖石Mg2SiO4、硅鋅石Zn2SiO4、堇青石Mg2Al4Si5O18、透輝石CaMgSi2O6、鈣鈉斜長石(K,Na)AlSi3O8、鋇長BaAl2Si2O8以及Mg2SiO4-Ba3(VO4)2復合陶瓷等低介電常數微波介質陶瓷被廣泛研究。從微波性能的比較來說，[Si,AlO4]四面體環狀鏈接的堇青石具有比[SiO4]四面體鏈狀與骨架狀連接的透輝石與長石等硅酸鹽陶瓷高的品質因數，有比[SiO4]四面體島狀分布的鎂橄欖石與硅鋅石好的諧振頻率溫度系數可調性。

2、中等εr和Q值材料

中等介電常數和Q值的微波介質陶瓷其介電常數一般40左右，這類微波介質陶瓷的介電常數居中，Q值較高，做成的諧振器選頻好、插入的損耗低是用來做LTCC微波介質天線的首選材料。而BaTi4O9是中等介電常數εr的代表材料，早期的BaTi4O9陶瓷主要應用于第一代無線通信基站中，其結構簡單，相組成隨溫度變化改變較小，諧振頻率溫度系數小,其固有的燒結溫度較高，經研究發現添加玻璃相后陶瓷的燒結溫度可降至900℃左右，并保持一定的微波介電性能，可滿足LTCC產業化的要求。

許多學者分別對不同的低熔點玻璃或氧化物對各種微波介質陶瓷體系進行摻加研究表明，要獲得介電常數居中，Q值較高且溫度穩定性優異的低溫燒結的微波介質陶瓷可以通過在微波介質陶瓷里加入氧化物（B2O3、ZnO等）或低熔點的玻璃（MgO-CaO-Al2O3-SiO2、BaO-ZnO-B2O3等）來實現，或尋求新的固有燒結溫度比較低的微波介質陶瓷材料體系。

3、高εr低Q值材料

眾所周知，微波介質諧振器的尺寸大小由其所用材料的介電常數εr決定，εr越大微波介質諧振器的尺寸越小，因此在信息化浪潮席卷全球的今天，為滿足通信和信息終端的小型化、輕量化和便攜化，人們努力尋找介質材料減小諧振電路的尺寸，因而高εr微波介質陶瓷的研究在當今微波介質陶瓷的研究中是一個十分活躍的分支。高介電微波介質陶瓷主要指介電常數分布在60左右的微波陶瓷，日前人們開展研究工作較多的體系為Li2O-Nb2O5-TiO2系、BaO-LnIO3-TiO2系及鉛基鈣鈦礦系。

此外，研究表明高介電微波介質陶瓷Q值較小，通過適當的摻雜改性可將介電常數提高，在適當的配方和工藝條件下，同時可以獲得較高的 Q值和較低的燒結溫度。

微波介質陶瓷的三大性能指標

微波介質陶瓷瓷介性能的主要參數和普通電介質材料一樣，主要包括介電常數（εr），品質因素Q或介質損耗（tanδ）和諧振頻率溫度系數（τf）。

1、相對介電常數εr

在微波頻率下，相對介電常數εr越大，介質元件尺寸可做得越小（PS: 在微波頻段εr基本上為定值，可以認為它是不隨頻率變化的）。在介電常數為εr的介質中，微波的波長反比于εr的平方根。在同樣的諧振頻率f0下，介質諧振器的形狀與尺寸又取決于微波的波長。因此，在相同的諧振頻率f0之下，介電常數εr越大，介質諧振器的尺寸就越小，電磁能量也越能集中于介質體內，受周圍環境的影響也越小。這既有利于介質諧振器件的小型化，也有利高品質化。國際上實用化的εr已超過100。

▽應用案例：同軸介質諧振器

同軸型介質諧振器主要用于移動電話基站和衛星通信，是中間有孔的陶瓷圓柱體，其長度L可見下式（式中c為真空中電磁波的速度）。

與材料的關系：微波介質陶瓷的介電常數主要取決于材料結構中的晶相和制備工藝，與使用頻率基本無關。對于微波介質陶瓷，要想獲得較高的εr值，從陶瓷工程學的角度看，除了從組成上考慮微觀的晶相類型和組合外，在工藝上使晶粒生長充分外，結構致密也是提高εr值的有效途徑。

2、品質因數Q

高Q有利于獲得良好的濾波特性及通訊質量，品質因數Q主要受介質損耗（tanδd）、歐姆損耗(tanδc)和輻射損耗(tanδλ)等三個因素影響。公式Q-1=tanδd+tanδc+tanδλ；早在1969年，Hakki曾研究了各種諧振模式的傳輸特點，認為材料的Q值主要由介質損耗決定。對于微波介質材料，tanδc與tanδλ可忽略，Q約與tanδd成反比關系。由于微波介質諧振腔要求tanδd小于10-4量級才有實用價值，所以材料研究中如何提高Q值是一個重要課題。

在微波頻段范圍內，品質因數Q值與微波頻率f有關，Q= 1/tanδ = ε’(ω)/ε”(ω) ≈ ωT2/(γω) =ωT2/(2πγf)，不同的測試頻率有不同的Q值，對于同一材料，為了得到較高的Q值，在較低的微波頻率下使用是更為有利的。式中：ε’(ω)---有功介電常數；ε”(ω)---無功介電常數；γ---材料衰減系數；ωT---材料固有角頻率，單位為rad/s；ω---微波頻率為f時的角頻率，單位為rad/s。在特定的頻率下，Q與γ成反比，為了減小材料的tanδ或增大Q值，必須使衰減常數γ盡可能小。

與材料的關系：在完整的晶體中，γ取決于點陣振動的非諧和項；在多晶陶瓷中，晶粒晶界、雜質和缺陷成為γ增大的主要原因。因此，在微波介質陶瓷的制造中必須盡可能使用高純原料，并盡力控制工藝以制出雜質少、缺陷少且晶粒均勻分布的陶瓷。

3、諧振頻率溫度系數τf

通信器件的工作環境溫度是不斷變化的，從而影響設備的使用性能。這就要求材料的諧振頻率不能隨溫度的變化太大，通信使用要求接近零的諧振頻率溫度系數。諧振頻率溫度系數τf要為零或近于零，盡可能小的溫漂系數可保證元器件的中心頻率不隨溫度變化而產生漂移，提高器件的工作穩定性。

與材料的關系：諧振頻率溫度系數τf應很小，一般要求τf范圍在（-10~+10）X10-6/℃。目前，國際上已實用化的微波介質陶瓷的τf都接近于零。微波介質陶瓷頻率溫度系數主要由介質陶瓷的線膨脹系數和介電常數的溫度系數決定，單相陶瓷很難滿足τf為零的要求，因此，一般是選擇采用不同諧振頻率溫度系數的兩相或多相材料的復合，來實現正負溫度系數數值的抵消以達到最終近零的目標。通過元素取代來調節微波介質陶瓷介電響應中離子位移極化的比例，以獲得具有近零τf的微波介質陶瓷。

粉體圈編輯：Alpha

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