第3章介電陶瓷3

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時間:2019-03-06

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1、§5微波介質(zhì)陶瓷材料微波介質(zhì)陶瓷材料¢高介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷的系列化研究---應(yīng)用背景:移動電話、GPS、無繩電話¢ε=80-85,Qf≥9500GHz,τf=0±10ppm/℃¢ε=90-100,Qf≥6000GHz,τf=0±10ppm/℃¢ε>100,Qf≥4000GHz,τf=0±15ppm/℃微波介質(zhì)陶瓷材料¢中等介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷的系列化研究---應(yīng)用背景:衛(wèi)星通訊、移動電話基站¢ε=30-50,Qf≥50,000GHz,τf=0±10ppm/℃¢低損耗微波介質(zhì)陶瓷的系列化---應(yīng)用背景:數(shù)據(jù)移動通訊、衛(wèi)星通訊¢ε=18-22,Qf≥60,000GHz,τf=0±10ppm

2、/℃¢ε=20-30,Qf>100,000GHz,-5ppm/℃≤τ≤+5ppm/℃f1微波介質(zhì)陶瓷的主要性能(1)高的相對介電常數(shù)εr,以減小諧振器的尺寸1λ0Size∝λ=dεεrr在共振系的電介質(zhì)內(nèi),微波的波長反比于ε。在同樣的諧r振頻率f下,ε越大,介質(zhì)諧振器的尺寸就越小。0r(2)低的介質(zhì)損耗tanδ(或高品質(zhì)因數(shù)Q值)以保證優(yōu)良的選頻性高Qf有利于波段控帶寬:制,可讓許多頻道分配到同一個波段?BW=2Δf中品質(zhì)因數(shù)有載品質(zhì)因數(shù):一般:tanδ<10-4,QL=f0/BWQ>1000f-Δfff+Δf000頻率?(3)諧振頻率溫度系數(shù)τ盡可能接近于0f1?fτ=頻率溫度系數(shù)應(yīng)接

3、近于零,一般對高Qffr?T值材料,τ=-5~+5×10-6/oC,對高介f材料,τ=-10~+10×10-6/oCf對于直徑為D的圓柱形陶瓷諧振器,CCf=≈r1/2D1/2?λεεt1t2Drr品質(zhì)因數(shù)1?f1?D11?εrrτ==??ff?TD?T2ε?Trr即:1τ=?(α+τ)‘fL2ε頻率?f0f0介質(zhì)的極化機(jī)制無外加電場—+—++—+—++——+—++——+—電子極化離子極化偶極子極化空間電荷極化有外加電場++——++————++—+—+——E+—+——?在微波頻率下,微波介質(zhì)陶瓷介電常數(shù)的頻率無關(guān)性。?只有電子極化、離子極化(原子極化)電子極化¢電子極化率公式222Nev

4、?ωeloα=el2222224πm(v?ω)+γωelo¢m是振子的質(zhì)量,ω是角頻率,N是諧振子的濃度,V是振子在可見光和紫外線下發(fā)生色elo散的電子諧振頻率Kirkwood發(fā)現(xiàn)電子極化率主要由價電子決定,并隨著原子量增大而升高,而且陰離子的極化率比陽離子的高。此外,具有較小的價帶和導(dǎo)帶之間的帶寬的材料的電子極化率也較高離子極化¢離子晶體的介電常數(shù)與頻率的關(guān)系2(ze)/mVε0ε(ω)=ε(∞)+2ωTV為單胞體積,m為離子的約化質(zhì)量,γ為阻尼因數(shù),ω為點(diǎn)陣振動模向光學(xué)模的角頻率,Tε(∞)為由電子極化所引起的介電常數(shù)(≈1),ε為遠(yuǎn)比微波頻率為低時的靜介電0常數(shù),z為離子價離子晶體

5、的ε(ω)不會因頻率而變化,在微波下保持恒定高介微波介質(zhì)中的氧八面體¢Ba(Mg1/3Nb2/3)O3等復(fù)合鈣鈦礦微波介質(zhì)陶瓷的結(jié)構(gòu)¢鉛基復(fù)合鈣鈦礦系微波介質(zhì)陶瓷的結(jié)構(gòu)¢鈣鈦礦結(jié)構(gòu)高介微波介質(zhì)中的氧八面體¢BaO-Ln2O3-TiO2系微波介質(zhì)陶瓷的結(jié)構(gòu)¢類鈣鈦礦鎢青銅結(jié)構(gòu)氧八面體的極化¢中心陽離子在外場作用下發(fā)生離子極化¢各離子在誘發(fā)內(nèi)電場作用下發(fā)生電子¢大的氧八面體體積及正反饋效小的偏轉(zhuǎn)角極化應(yīng),進(jìn)一步增強(qiáng)極¢選擇高極化率離子形化的作用成氧八面體介質(zhì)損耗¢微波介質(zhì)陶瓷在微波頻段內(nèi)介質(zhì)損耗通常起因于:¢本征損耗:由非調(diào)諧晶格振動引起¢非本征損:(1)由晶格缺陷(如點(diǎn)缺陷、空位、取代原子

6、或締合缺陷等)引起聲子散射導(dǎo)致的損耗。(2)實(shí)際陶瓷中的雜質(zhì)缺陷偶極子或空間電荷在位錯、晶界、包裹物和第二相等界面上的弛豫過程引起的損耗。介質(zhì)損耗¢本征介質(zhì)損耗與頻率的關(guān)系fγjjtanδ=ω?∑?4jε(0)ωjTO¢為了減小材料的tanδ,必須使阻尼系數(shù)γ盡可能小。在完整晶體中,γ取決于點(diǎn)陣振動的非諧振項(xiàng);在多晶陶瓷中,晶粒間界、雜質(zhì)和缺陷成為了γ增大的主要原因Qf為一常數(shù)諧振頻率溫度系數(shù)1τ=?(α+τ)fL2ε由Clausius-Mossotti方程εr?1Nα=ε+23εr0(εr?1)(εr+2)?1??α?1??α???V?1??V??τ=??+???????ε??T?V?

7、TV?T?3εr?3α??Vα??T??P??P?(ε?1)(ε+2)rr()=A+B+C3εr¢第一項(xiàng)(A)為極化率對溫度的直接依賴性,與晶格振動的力常數(shù)有關(guān),通常為負(fù)值?!榈诙偷谌?xiàng)(B和C)為體積膨脹引起極化率的變化,通常為正值?!榻殡姵?shù)的溫度系數(shù)的符號和大小取決于A和B+C項(xiàng)的相對大小如何獲取零諧振頻率溫度系數(shù)?¢溫度系數(shù)的混合法則τ=xτ+xτf1f12f2¢選用正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)的兩種或多種材料混合¢如:AB1/

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