微波介质陶瓷：微波通信领域的关键材料
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发布时间：2022-08-04
微波介质陶瓷是近二十多年来发展起来的一种新型的功能陶瓷材料。是指应用于微波频率(主要是300MHz～30GHz频段)电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷材料，在军用及民用领域有广泛的应用。主要应用于微波谐振器、滤波器与振荡器，微波电路中的绝缘基片材料，和高性能陶瓷基微波板材。具有高介电常数、低介电损耗、温度系数小等优良性能。评价微波介质陶瓷介电性能的参数主要有３个，相对介电常数εr、品质因数Ｑ·ｆ及谐振频率温度系数τf＝－6.8×10－6/℃。
（图片来源：MARUWACo.，Ltd）
应用于微波电路的介质陶瓷，除了必备的机械强度、化学稳定性及经时稳定性外，应满足如下介电特性的要求：● 在微波频率下材料相对介电常数εr应较大，以便于器件小型化。● 在微波频率下的介电损耗tanδ应很小，即介质的品质因子Ｑ·ｆ(＝1/tanδu)要高，以保证优良的选频特性和降低器件在高频下的插入损耗。● 接近于零的频率温度系数τf。材料的谐振频率温度系数τf是用来衡量谐振器谐振频率温度稳定性的一个参数，τf越大，则表明器件的中心频率随温度的变化而产生的漂移越大，将无法保证器件在温度变化着的环境中工作的高稳定性。微波介质陶瓷元器件生产涉及到材料学、微波与电磁场、电子技术与应用、微波与射频测量技术、高精度机械制造技术、电磁兼容与可靠性技术等多学科理论与技术，学科领域复杂，技术壁垒高。从原料的角度看的话，为满足不同的应用领域要求，微波介质陶瓷主要是往里掺杂各种其他元素实现材料介电性能优化，因此材料体系是相当的复杂。
目前，国内外对微波介质陶瓷的研究已经渐为完善，在微波频段下，各种极化机制稳定，材料的介电常数基本不随频率的变化而变化，根据介电常数的大小将其归为低介、中介和高介３大类。● 低介微波介质陶瓷体系如Al2O3-TiO2系和钛酸镁系列等，因其高品质因数而被应用于对介质损耗要求比较严格的领域，如卫星通讯、军用雷达等方面；
● 中介微波介质陶瓷体系如(Zr,Sn)TiO4系具有高Q值，低谐振频率温度系数，可用于制备介质谐振器解决窄带谐振器的频率漂移问题；
● 高介微波介质陶瓷能促进微波通讯设备、谐振器的小型化和集成化，在高电容量的集成电路中以及低频下工作的通讯设备中应用广泛，高介微波介质陶瓷主要以BaO-Ln2O3-TiO2；CaO-Li2O-Ln2O3-TiO2和铅基钙钛矿系列材料。
微波介质陶瓷应用范围广泛，可用于介质谐振器、介质波导、介质滤波器、双工器、介质基片、陶瓷电容器、介质天线、微波传输线等。微波介质陶瓷材料主要用作微波频率器件：介质谐振器和介质滤波器两大类组件。
微波介质陶瓷的应用
介质滤波器通常由数个谐振器纵向多级链接构成，可进行级向耦合，其显著特点是插损绩效，耐功率性好。5G通信采用的陶瓷介质滤波器采用高介电常数的陶瓷材料制成的本体，并在陶瓷本体外表镀银，来形成介质谐振器，通过依次连接的多个介质谐振器以及各个谐振器之间的耦合形成介质滤波器。陶瓷介质滤波器的电磁波谐振发生在陶瓷介质材料内部，具有体积小、重量轻、抗温漂性能好等特点。介质谐振器可视为特定频率的微波封闭在界之空间内的两端开路的一段介质波导或一端的同轴谐振腔，这种器件有多种形状和结构，如圆柱形、圆杆型等，起着类似一般电子电路中LC谐振电路的作用。介质腔体滤波器是用介质材料做谐振器，装在铝合金腔体中。此外，微波介质陶瓷材料作为添加改性剂添加到高频微波覆铜板中，使得产品具有了低介电常数、低介质损耗的特性，不同介电常数的微波介质陶瓷粉料可以生产出规格不同而且介电常数十分稳定的优良板材。上世纪八十年代，美国罗杰斯公司首先提出以聚四氟乙烯为基，复合玻璃纤维布或陶瓷的基板技术，在高频微波电路领域已经获得了很多的应用。随着新材料的开发和应用，作为微波通信领域的关键材料,微波介质陶瓷将显示出强大的生命力和无限广阔的前景。
