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什么是微波介质陶瓷,它对微波通信又有哪些作用
浏览次数:(346)次 / 责任编辑:腾远智拓 / 更新时间:2021-11-01 17:44:07
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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材料,作为一种新型电子材料,在现代微波通信领域应用上非常广泛,常用于微波谐振器、滤波器、振荡器、移相器、微波电容器以及微波基板等,微波介质陶瓷材料主要应用于微波频段电路中作为介质材料,该类材料通常在微波频段内具有较高的相对介电常数(10~100)、非常低的介质损耗和接近零的谐振频率温度系数。

微波介质陶瓷

(图片声明:来源于网络,侵删)

 

微波介质陶瓷材料是制造微波元器件的关键材料。在具备必备的机械强度、化学稳定性及经时稳定性外,微波介质陶瓷材料还拥有不同于一般电子陶瓷的特殊性能。其中,相对介电常数εr ,品质因数和频率温度系数三个技术指标是确定该材料的先进性与实用性的重要指标。 

相对介电常数εr 

相对介电常数(relative permittivity),表征介质材料的介电性质或极化性质的物理参数。其值等于以预测材料为介质与以真空为介质制成的同尺寸电容器电容量之比,该值也是材料贮电能力的表征,也称为相对电容率。不同材料不同温度下的相对介电常数不同,利用这一特性可以制成不同性能规格的电容器或有关元件。 

相对介电常数的测量方法 

相对介电常数εr可以用静电场用如下方式测量:首先在两块极板之间为真空的时候测试电容器的电容C0。然后,用同样的电容极板间距离但在极板间加入电介质后测得电容Cx。相对介电常数可以用下式计算:

εr=Cx/C0

对于时变电磁场,物质的介电常数和频率相关,通常称为介电系数。

介电常数又叫介电系数或电容率,它是表示绝缘能力特性的一个系数,以希腊字母ε表示,单位为F/m(法拉/米)。

相对介电常数公式:C=(εS)/(4πkd)(平行电容计算)

电容器的极板间充满电介质时的电容与极板间为真空时的电容之比值称为(相对)介电常数。

电容器极板间充满电介质时,电容增大的倍数叫做电介质的介电常数,用ε表示。

平行板电容计算公式 C=(εS)/(4πkd) 中,ε就是介电常数。

在微波频率下,材料相对介电常数£,应较大,以便于器件小型化。根据微波传输理论:微波在介质体内传输,无论采用何种模式,谐振器的尺寸都大约在λ/2~λ4的整数倍间。

品质因数

在微波频率下的介质损耗tanδ应很小,即介质的品质因数Q(=1/tanδ)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。共振系的损耗由电介质的损耗、辐射损耗和电介质的支撑物及其周围金属容器的导体损耗组成。只有使用低损耗的微波介质陶瓷,才有可能制出高Q值的谐振器件。

品质因数一般指品质因子,品质因子或Q因子是物理及工程中的无量纲参数,是表示振子阻尼性质的物理量,也可表示振子的共振频率相对于带宽的大小, 高Q因子表示振子能量损失的速率较慢,振动可持续较长的时间,例如一个单摆在空气中运动,其Q因子较高,而在油中运动的单摆Q因子较低。高Q因子的振子一般其阻尼也较小。

 

频率温度系数

材料的谐振频率温度系数是表示温度变化时谐振器谐振频率变化的大小,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。

 

微波介质陶瓷的分类

(图片声明:来源于网络,侵删)

微波介质陶瓷的分类

微波陶瓷可以按介电性能和材料体系进行分类,分布分为低频微波介质陶瓷材料(0.8~4GHz)、中频微波介质陶瓷材料(4~8GHz)以及高频微波介质陶瓷材料(8~30GHz)三大类。

低频微波介质陶瓷的介电常数e,一般大于70,Q值相对较小,主要在0.8~4GHz频率范围内的民用移动通信系统中作为介质谐振器。

中频微波介质陶瓷一般指介电常数£,在30~70之间的微波介质陶瓷材料,主要用于4~8GHz频率范围内的微波军用雷达及通信系统中作为介质谐振器件。

高频微波介质陶瓷一般指介电常数在10~30之间,品质因数Q.f值非常高的微波介质陶瓷材料。复合钙钛矿结构型材料是使用最广泛的一种高频微波介质陶瓷,该系列材料的Q值相当高。 

时代发展

微波介质陶瓷技术,从上世纪1939年美国开始进行了微波介质陶瓷材料的研制。接着,日本以及法国、德国等欧洲国家相继开始这方面研究。随着日本对介质陶瓷进行大规模实用化生产,微波介质陶瓷材料得到了蓬勃发展和广泛应用,松下、村田等公司都研发出了各具特色的微波介质材料体系。目前微波陶瓷材料和器件的生产水平以日本村田公司、德国EPCOS公司、美国Trans-Tech公司、Narda Microwave-West公司、英国Morgan Electro Ceramics等公司为最高。

 

我国在微波介质陶瓷的研究起步较晚,最早起于80年代,到90年代后,微波介质陶瓷才被国家愈加重视,同时随着国内设备仪器和合成工艺等有了明显提升,我国陆续研发出了钛酸盐、钼酸盐和磷酸盐等一系列新型陶瓷材料。09年9月,国家发改委、工信部发布《电子信息产业调整和振兴计划》,微波介质陶瓷元器件被列入改造投资方向,15年5月,国务院发布《中国制造2025》,明确将微波介质陶瓷列为关键性战略材料。2017年4月,科技部发布《“十三五”材料领域科技创新专项规划》,侧重引导突破微波介质陶瓷制备关键技术,争取实现微波介质陶瓷供给侧改革,能够自主研发满足移动通信技术要求的新型微波介质陶瓷材料对国家的安全具有重要意义。

 

目前国内研究微波介质陶瓷的主要单位已经有中科院、中电13所以及清华大学、浙江大学、西安交通大学、华中科技大学以及电子科技大学等高校,但是对于不断新生的高频化、多频化、集成化、微型化和模块化的发展需求不断为微波介质陶瓷行业提出新的挑战。

 

关于国内微波介质陶瓷的研究内容包括以下几点:

1. 提高微波介质陶瓷的介电性能。利用离子置换、复合等多种方式对现有微波介质陶瓷材料体系的性能进行改善。

2. 降低微波介质陶瓷的烧结温度,满足低温陶瓷共烧技术的要求。降低烧结温度也可抑制某些基板成分高温下挥发或发生化学反应,还可以减少能源的消耗。

3. 改进工艺,开发新的材料合成技术,以获得性能更为优异的微波介质陶瓷材料,并降低生产成本。

4. 探索新的微波介质陶瓷材料体系。根据元素周期表中各元素本征特性关系,探索具有良好介电性能的新型微波介质陶瓷材料新体系。

5. 材料机理研究,改善陶瓷材料微波介电性能

 

困难与机遇

鉴于微波介质陶瓷行业的生产技术壁垒,国内供给能力较弱,需要结合多学科技术应用,同时要求下游通信行业需要不断升级研发实力对于新产品的快速响应能力。国内具备批量生产能力的只有几家,9成的市场几乎让国际龙头占据,且国内对于专业配套的产品质量检测中心较少,难以确保微波介质陶瓷及其元器件的高品质产出。

微波通信

 (图片声明:来源于网络,侵删)

面对5G,6G应用下,微波介质陶瓷元器件为移动通信基站,介质谐振器、介质滤波器、双工器和多工器均是通信基站射频单元的关键组件。大规模建立5G基站对微波介质陶瓷材料提出了高速、高频、高度集成化和超低损耗等性能要求,开发出具有低损耗、高稳定性等优异性能的微波介质陶瓷材料也是近年功能陶瓷方向研究的重点之一。

 

引用参考资料

《微波介质陶瓷》百度百科

《相对介电常数》百度百科

《微波介质陶瓷研究现状及其在5G/6G下的发展趋势》材料科学姑苏实验室

 

 


关键字:微波介质陶瓷  微波通信  
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