微波介質(zhì)陶瓷材料應(yīng)用現(xiàn)狀及其研究方向

馬調(diào)調(diào)

(榆林市天然氣化工有限責(zé)任公司 陜西 榆林 718100)

前言

陶瓷的發(fā)展史是人類(lèi)文明史的一個(gè)縮影，現(xiàn)代人在研究古代歷史的時(shí)候，各個(gè)時(shí)期留存下來(lái)的陶瓷便是最有價(jià)值的線索。當(dāng)陶瓷這一古老的工藝發(fā)展成陶瓷科學(xué)的時(shí)候，她便成了對(duì)我們生活能產(chǎn)生重大影響的一門(mén)學(xué)科。近半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，隨著陶瓷材料的研究和開(kāi)發(fā)，在與人類(lèi)生活息息相關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域，如電子、通訊、能源、交通、宇宙探索和國(guó)家安全等，都能找到陶瓷的身影?？梢哉f(shuō)現(xiàn)代人的生活離不開(kāi)陶瓷，陶瓷的進(jìn)步給人類(lèi)帶來(lái)的是生活方式的日新月異。微波介質(zhì)陶瓷是近二十多年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型的功能陶瓷材料。它是指應(yīng)用于微波頻率(主要是300 MHz～30 GHz 頻段)電路中作為介質(zhì)材料并完成一種或多種功能的陶瓷材料，是制造微波介質(zhì)濾波器和諧振器的關(guān)鍵材料。它具有高介電常數(shù)、低介電損耗、溫度系數(shù)小等優(yōu)良性能，適用于制造多種微波元器件，能滿(mǎn)足微波電路小型化、集成化、高可靠性和低成本的要求。

近年來(lái)，由于微波通信事業(yè)的迅速發(fā)展，衛(wèi)星通信、汽車(chē)電話和便攜式電話等移動(dòng)通信領(lǐng)域?qū)π⌒突?、高性能化的微波電路和微波器件的需求量日益增加，更高頻帶的利用也在計(jì)劃之中。這就要求作為情報(bào)通信社會(huì)的支撐，要不斷開(kāi)發(fā)具有更加優(yōu)越性能的新型材料。由于微波信號(hào)的頻率極高，波長(zhǎng)極短，信息容量大，有強(qiáng)方向性、穿透性和吸收能力，并且微波設(shè)備可實(shí)現(xiàn)通信的保密性，有利于在通信技術(shù)領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)微波設(shè)備的小型化、高穩(wěn)定性和廉價(jià)的途徑是微波電路的集成化。傳統(tǒng)的金屬諧振腔和金屬波導(dǎo)體積和質(zhì)量過(guò)大，限制了微波集成電路的發(fā)展。而微波介質(zhì)陶瓷能很好地解決這些問(wèn)題，使得微波介質(zhì)陶瓷在近二十多年來(lái)得到迅速的發(fā)展，成為制造微波介質(zhì)濾波器和諧振器的關(guān)鍵材料。微波介質(zhì)陶瓷具有高介電常數(shù)、低微波損耗、溫度系數(shù)小等優(yōu)良性能，適于制作各種微波器件，如電子對(duì)抗、導(dǎo)航、通訊、雷達(dá)、家用衛(wèi)星直播電視接受機(jī)和移動(dòng)電話等設(shè)備中的微波振蕩器、濾波器和鑒頻器，能滿(mǎn)足微波電路小型化、集成化、高可靠性和低成本的要求。隨著移動(dòng)通信的發(fā)展，微波介質(zhì)陶瓷的研究越來(lái)越受到人們的重視[1]。隨著微波技術(shù)的迅速發(fā)展，信息化社會(huì)對(duì)微波介質(zhì)陶瓷材料的要求也會(huì)越來(lái)越高，其應(yīng)用前景也會(huì)越來(lái)越好。但目前的體系還不能令人滿(mǎn)意，還存在一些問(wèn)題。對(duì)微波介質(zhì)材料性能的微觀機(jī)理有待于進(jìn)一步研究，希望能從理論上了解影響陶瓷材料微波損耗的機(jī)理，找出晶體的微觀結(jié)構(gòu)和材料微波介電性能之間的關(guān)系。另外現(xiàn)有的制備工藝也有待于進(jìn)一步改進(jìn)。目前多采用常規(guī)的高溫固相反應(yīng)方法制備，不僅燒結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，很難獲得致密的結(jié)構(gòu)，而且組分易揮發(fā)，使產(chǎn)物偏離預(yù)期的組成并形成多相結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致材料性能的劣化和不穩(wěn)定性。近年來(lái)軟化學(xué)法作為一種先進(jìn)的材料制備方法，已經(jīng)在功能陶瓷的制備方面開(kāi)辟了一種新的工藝路線。我們相信，隨著研究的深入和新型燒結(jié)技術(shù)的運(yùn)用，最終可實(shí)現(xiàn)微波介質(zhì)陶瓷材料組成、結(jié)構(gòu)與性能的可調(diào)控性，微波介電材料將顯示出廣闊的應(yīng)用前景。

1 微波介質(zhì)陶瓷材料的發(fā)展

1.1 微波介質(zhì)陶瓷材料的發(fā)展背景

近年來(lái)，移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)、藍(lán)牙技術(shù)以及無(wú)線局域網(wǎng)(WLA)等現(xiàn)代通信技術(shù)得到了飛速發(fā)展。這種飛速發(fā)展極大地帶動(dòng)了對(duì)現(xiàn)代通信相關(guān)元器件的需求。對(duì)微波諧振器、濾波器、振蕩器、移相器、微波電容器以及微波基板等元器件這種龐大的市場(chǎng)需求，再加上微波介質(zhì)陶瓷制作的介質(zhì)諧振器等微波元器件具有體積小、質(zhì)量輕、性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，因此微波介質(zhì)陶瓷也發(fā)展得相當(dāng)迅速，其市場(chǎng)也迅速擴(kuò)大，并且在現(xiàn)代通信工具的微型化、片式化、集成化方面起著舉足輕重的作用。正是這種強(qiáng)大的市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，微波介質(zhì)陶瓷得到了廣泛而深入的研究。世界各國(guó)都在對(duì)其加大投入進(jìn)行廣泛的研究，陸續(xù)開(kāi)發(fā)出新的材料體系。這些體系要得到工業(yè)應(yīng)用，必須在性能上要滿(mǎn)足高介電常數(shù)、低介電損耗以及良好的頻率穩(wěn)定性，當(dāng)然還要求低的成本。

1.2 國(guó)內(nèi)外微波介質(zhì)陶瓷材料的發(fā)展

微波，一般是指頻率介于300 MHz～300 GHz，波長(zhǎng)介于1 m～1 mm的電磁波。在整個(gè)電磁波頻譜中，微波處于超短波和紅外波之間。與普通的無(wú)線電波相比，微波的頻率高，可用頻帶寬，信息容量大，可以實(shí)現(xiàn)多路通信；微波的波長(zhǎng)很短，方向性極強(qiáng)，很適合于雷達(dá)等發(fā)現(xiàn)和跟蹤目標(biāo)；同時(shí)微波能穿透高空的電離層，因而特別適用于衛(wèi)星通訊等。鑒于微波的這些特點(diǎn)，微波技術(shù)在通信領(lǐng)域的應(yīng)用有著廣闊的前景[2]。微波介質(zhì)陶瓷是指應(yīng)用于微波頻段電路中作為介質(zhì)材料并完成一種或多種功能的陶瓷，1939年，B Q Richtmeyer從理論上提出介質(zhì)陶瓷材料可作諧振器的設(shè)想后, 美國(guó)率先開(kāi)始了微波介質(zhì)陶瓷材料的研制，到70年代美國(guó)最先研制出實(shí)用化的K38材料。接著, 日本在80年代提出了R-04C、R-09C等不同類(lèi)型材料的微波性能。其后，法國(guó)、德國(guó)等歐洲國(guó)家也相繼開(kāi)始了這方面的研究。目前，日本在該領(lǐng)域的研究已后來(lái)居上，村田、松下、NGK等公司都有其各具特色的微波介質(zhì)材料體系；美國(guó)、歐洲也未停止研究工作，不斷有微波介質(zhì)陶瓷的研究報(bào)告發(fā)表。隨著微波應(yīng)用范圍的拓展，亟須滿(mǎn)足特殊頻段使用要求的微波介質(zhì)陶瓷材料?，F(xiàn)在，移動(dòng)通信用εr≥60的材料和毫米波、亞毫米波回路集成化的介質(zhì)波導(dǎo)線路用εr≤30的材料，正成為世界性的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。1992年7月，日本松下電氣公司在高介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷材料上取得進(jìn)展，研制出鈣酸鉛體系的Pb-Zr-Ca新材料，其εr≥110，Q·f≥1 200 GHz，τf≤30×10-6/℃。這是至今為止εr最高的微波介質(zhì)陶瓷材料[3～4]。

我國(guó)對(duì)微波介質(zhì)陶瓷材料的研制始于20世紀(jì)80年代初。由于材料、工藝水平低，測(cè)試評(píng)價(jià)困難等因素，基本上是重復(fù)與追蹤國(guó)外的研究工作。20世紀(jì)80年代重復(fù)國(guó)外BaO-TiO2系微波介質(zhì)陶瓷的研究，90年代則追蹤國(guó)外的Ba(Zn1/3，Ta2/3)O3、Ba(Mg1/3，Ta2/3)O3以及BaO-Sm2O3-TiO2、BaO-La2O3-TiO2等體系(分別簡(jiǎn)寫(xiě)為BZT、BMT及BST、BLT)的研究工作，如華南理工大學(xué)的BMT-BZT系材料、上?？萍即髮W(xué)的BST系材料、799廠和999廠的九鈦鋇、電子科技大學(xué)的BaO-Nd2O3-TiO2等。這些研究工作或者缺少對(duì)τf的測(cè)試，或者對(duì)τf的測(cè)試因采用了太粗糙的設(shè)備(如波長(zhǎng)儀)而數(shù)據(jù)不精確，其水平與應(yīng)用都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)微波通訊技術(shù)發(fā)展的需要。自1991年以來(lái)，電子部和國(guó)家科委加強(qiáng)了對(duì)微波介質(zhì)陶瓷材料的研究工作，北京建筑材料研究院、電子科技大學(xué)信息材料學(xué)院等研究單位憑借其雄厚的科研實(shí)力和先進(jìn)的測(cè)試設(shè)備，都把微波介質(zhì)陶瓷作為“ 八五”、“ 九五”攻關(guān)的重要課題，力爭(zhēng)趕上世界水平。電子科技大學(xué)已經(jīng)有初步的研究成果，如低損耗的BZT-BMT材料達(dá)到相當(dāng)水平，用先進(jìn)的HIP工藝制備BaO-Nd2O3-TiO2微波陶瓷屬?lài)?guó)內(nèi)外首創(chuàng)。

2 微波介質(zhì)陶瓷材料的應(yīng)用

2.1 微波介質(zhì)陶瓷的性能要求

評(píng)價(jià)微波介質(zhì)陶瓷介電性能的參數(shù)主要有3個(gè)，相對(duì)介電常數(shù)εr、品質(zhì)因數(shù)Q·f及諧振頻率溫度系數(shù)τf=-6.8×10-6/℃。應(yīng)用于微波電路的介質(zhì)陶瓷，除了必備的機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性及經(jīng)時(shí)穩(wěn)定性外，應(yīng)滿(mǎn)足如下介電特性的要求[5～6]：

1)在微波頻率下材料相對(duì)介電常數(shù)εr應(yīng)較大，以便于器件小型化。由微波傳輸理論可知：微波在介質(zhì)體內(nèi)傳輸，無(wú)論采用何種模式，諧振器的尺寸都大約在λ/2～λ/4的整數(shù)倍間。微波在介質(zhì)體內(nèi)傳輸時(shí)的波長(zhǎng)λ與它在自由空間傳輸時(shí)的波長(zhǎng) λ0有如下關(guān)系：

εr——材料相對(duì)介電常數(shù)。

所以，一方面，在相同的諧振頻率下，εr越大，介質(zhì)諧振器的尺寸就越小，電磁能量越能集中于介質(zhì)體內(nèi)，受周?chē)h(huán)境的影響也小。這既有利于介質(zhì)諧振器件的小型化，也有利于其高品質(zhì)化。另一方面，諧振頻率越高，波長(zhǎng)越短，介質(zhì)諧振器的尺寸在相對(duì)介電常數(shù)不是很大的情況下也可以很小，不同的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)εr的要求不同，通常要求εr>10。

2)在微波頻率下的介電損耗tanδ應(yīng)很小，即介質(zhì)的品質(zhì)因子Q·f(=1/tanδu)要高，以保證優(yōu)良的選頻特性和降低器件在高頻下的插入損耗。共振系的損耗tanδu由電介質(zhì)的損耗tanδD、輻射損耗tanδR和電介質(zhì)的支撐物及其周?chē)饘偃萜鞯膶?dǎo)體損耗tanδC組成，只有使用低損耗的微波電介質(zhì)陶瓷，才有可能制出高Q·f值的諧振器件。

3)接近于零的頻率溫度系數(shù)τf。材料的諧振頻率溫度系數(shù)τf是用來(lái)衡量諧振器諧振頻率溫度穩(wěn)定性的一個(gè)參數(shù)，τf越大，則表明器件的中心頻率隨溫度的變化而產(chǎn)生的漂移越大，將無(wú)法保證器件在溫度變化著的環(huán)境中工作的高穩(wěn)定性。諧振頻率的溫度系數(shù)與電介質(zhì)的線膨脹系數(shù)α、介電常數(shù)的溫度系數(shù)存在以下關(guān)系：

式中： τf——頻率溫度系數(shù)；

α——電介質(zhì)的線膨脹系數(shù)；

τε——介電常數(shù)的溫度系數(shù)。

2.2 微波介質(zhì)陶瓷材料的分類(lèi)

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)微波介質(zhì)陶瓷的研究已經(jīng)漸為完善，在微波頻段下，各種極化機(jī)制穩(wěn)定，材料的介電常數(shù)基本不隨頻率的變化而變化，根據(jù)介電常數(shù)的大小將其歸為低介、中介和高介3大類(lèi)，著重對(duì)各種典型體系的結(jié)構(gòu)、介電性能、目前存在的問(wèn)題和改性情況進(jìn)行概述[7]。

2.2.1 低介微波介質(zhì)陶瓷體系

2.2.1.1 Al2O3-TiO2系

α-Al2O3屬三方晶系，剛玉型結(jié)構(gòu)，O2-按畸變的六方緊密堆積，Al3+填充于2/3的八面體空隙中。α-Al2O3的微波介電性能：εr=10，Q·f=500 000 GHz，τf= 6×10-5/℃ ，品質(zhì)因數(shù)高，但存在燒結(jié)溫度高、諧振頻率溫度系數(shù)為較大的負(fù)值等缺點(diǎn)，摻入CuO可有效降低燒結(jié)溫度，摻入TiO2可調(diào)節(jié)其溫度系數(shù)，如經(jīng)退火處理的0.9Al2O3-0.1TiO2具有優(yōu)異的介電性能：εr=12.4，Q·f=117 000 GHz,τf=1.5×10-6/℃，常用于制備微波集成電路的基片。Al2O3-TiO2系中摻入金屬氧化物可制得MAl2O4-TiO2(M=Mg、Zn等)，通式為(1-x)MAl2O4-xTiO2。純MgAl2O4的εr=8.75，Q·f=68 900 GHz，tanδ=0.000 17(12.3 GHz)，但τf=-7.5×10-5/℃。TiO2的作用同樣是調(diào)節(jié)τf值，如0.75MgAl2O4-0.25TiO2的εr和τf分別為11.04和-1.2×10-5/℃，tanδ=0.000 07(7.5 GHz)，綜合性能比純MgAl2O4有明顯改善。

2.2.1.2 R2Ba(Cu1-xAx)O5系

R2Ba(Cu1-xAx)O5(R=Y、Sm、Nd、Yb等，A=Mg、Zn)屬于單斜晶系，空間群為Pnma，結(jié)構(gòu)中含CuO5棱椎形多面體、R2O11多面體和BaO11多面體，取代元素A可提高Q·f值。如Y2BaCuO5的εr=9.4，Q·f=3 831 GHz，τf=-3.5×10-5/℃，而Y2Ba(Cu0.8Mg0.2)O5的微波介電性能為：εr=9.53，Q·f=4 2287 GHz，τf=3.88×10-5/℃。該體系頻率溫度系數(shù)呈現(xiàn)較大的負(fù)值，需要探索新的改性方法以調(diào)節(jié)其溫度系數(shù)。

2.2.1.3 A(B'1/3B''2/3)O3系

Q·f=ωr2/(2πγ)=常數(shù)

式中： Q·f——品質(zhì)因素，GHz；

ωr——為材料的固有角頻率；

γ——衰減系數(shù)。

ωr為材料的固有角頻率，γ為材料的衰減系數(shù)，在一定微波頻率下，材料的Q·f值基本保持不變，故在高頻下使用需首選Q·f值較高的材料。B位取代的復(fù)合鈣鈦礦型微波介質(zhì)陶瓷符合該要求，常應(yīng)用于高頻、低損耗領(lǐng)域。通常A為Ca、Ba或Sr，B'為Mg、Zn或Ni，B''為Nb或Ta。

做好實(shí)習(xí)學(xué)生思想政治工作必須按照規(guī)范化的要求，健全工作機(jī)制，加強(qiáng)學(xué)生思政教育隊(duì)伍建設(shè)。重視對(duì)專(zhuān)兼職學(xué)生管理工作者和輔導(dǎo)員的專(zhuān)題培訓(xùn)，提高他們的政治素質(zhì)和管理水平。加強(qiáng)師德師風(fēng)教育、建立健全相應(yīng)的工作激勵(lì)機(jī)制，提高他們的工作積極性。另外要加強(qiáng)黨、團(tuán)組織建設(shè)，實(shí)現(xiàn)黨團(tuán)建設(shè)陣地“戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移”，做到哪里有黨員、團(tuán)員就把黨小組和團(tuán)小組建到哪里。還要建立一批穩(wěn)定的校外實(shí)習(xí)基地并與實(shí)習(xí)單位建立起長(zhǎng)期合作、雙贏的關(guān)系，根據(jù)不同企業(yè)的特點(diǎn)對(duì)實(shí)習(xí)學(xué)生開(kāi)展有針對(duì)性的思想政治教育。

鈣基Ca(B'1/3B''2/3)O3的介電常數(shù)一般為20～40，Q·f值均在10 000以上，但溫度系數(shù)均是較大的負(fù)值，如該體系中Ca(Mg1/3Ta2/3)O3的值最高，為78 000 GHz，溫度系數(shù)卻為-61×10-6/℃。鈣基的A(B'1/3B''2/3)O3型陶瓷總體性能欠佳，應(yīng)用前景有一定的局限性。

鋇基Ba(B'1/3B''2/3)O3在A(B'1/3B''2/3)O3系中具有最好的介電性能，可用于制備各種介質(zhì)諧振器和穩(wěn)頻振蕩器。如純Ba(Mg1/3Ta2/3)O3(BMT)的介電常數(shù)可達(dá)24.5～24.7，Q·f為26 000 GHz，達(dá)到1.7×10-6/℃，但燒結(jié)溫度高于1 500 ℃，由此會(huì)造成組分的揮發(fā)，材料性能惡化。據(jù)報(bào)道通過(guò)共沉淀法制備粉體，可使BMT陶瓷的燒結(jié)溫度降低180～250 ℃，介電性能：Q·f=65 000 GHz，εr=23～25，τf=(0～3)×10-6/℃，但工藝復(fù)雜，不適合產(chǎn)業(yè)化；加入少量MgO-Al2O3-CaO-ZnO助燒劑，可使燒結(jié)溫度降至1 350 ℃，但會(huì)生成Ba5Ta4O15和Ba4Ta2O9等雜相，影響材料的介電性能。故需尋找更有效的方式降低該體系的燒結(jié)溫度[10]。

Ba(Mg1/3Ta2/3)O3和Ba(Mg1/3Zr2/3)O3(BZT)等陶瓷是有序一無(wú)序混合的鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)，有序結(jié)構(gòu)空間群為Pm3m，無(wú)序結(jié)構(gòu)的空間群為P3ml，其Q·f值很大程度上取決于晶格的有序度，較長(zhǎng)的燒結(jié)時(shí)間可以增加有序度，Q·f值會(huì)大幅度提高。但對(duì)于Ba(Zn1/3Nb2/3)O3(BZN)，1 350 ℃以下燒結(jié)的無(wú)序結(jié)構(gòu)的值卻比該溫度以上燒結(jié)的有序結(jié)構(gòu)的值還要高,故Ba(B'1/3B''2/3)O3系Q·f值與微結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系還有待深入研究。

2.2.1.4 鈦酸鎂系列

鈦酸鎂主要有3種晶體：正鈦酸鎂(Mg2TiO4)、二鈦酸鎂(MgTi2O5)和偏鈦酸鎂(MgTiO3)。其中正鈦酸鎂為反尖晶石型結(jié)構(gòu)，偏鈦酸鎂為鈦鐵礦型結(jié)構(gòu)。正鈦酸鎂以(Mg)[Ti，Mg]O4為主晶相，在1 MHz下介電常數(shù)、介電損耗和諧振頻率溫度系數(shù)分別為14、3×10-4和6×10-5/℃。二鈦酸鎂的晶粒易異常長(zhǎng)大，且介質(zhì)損耗較大，沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。

偏鈦酸鎂在13 GHz下εr=21，Q·f=160 000 GHz，τf=5×10-5/℃。加入6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的CuO-B2O3-V2O5助燒劑可使MgTiO3,燒結(jié)溫度由1 400 ℃降至900 ℃，滿(mǎn)足產(chǎn)業(yè)化的要求。為解決溫度系數(shù)為較大負(fù)值的問(wèn)題，通常摻雜少量CaTiO3，(正溫度系數(shù))對(duì)其改性，效果最好的是0.95MgTiO3-0.05CaTiO3系統(tǒng)：εr=20～21，Q·f=56 000 GHz，τf≈0×10-6/℃，可用來(lái)制備高精度、熱穩(wěn)定高頻電容器以及GPS天線等。但純MgTiO3，燒結(jié)溫度范圍窄，較難合成，且在燒結(jié)中會(huì)生成雜相。如何最大程度上減少二鈦酸鎂相的生成是實(shí)際生產(chǎn)中需注重的問(wèn)題。

2.2.1.5 AWO4系

AWO4(A=Ca、Sr、Ba、Zn、Mg)的結(jié)構(gòu)主要是由A2+半徑?jīng)Q定的，A2+的半徑較小時(shí)(A=Mg、Zn和Mn時(shí))易形成黑鎢礦結(jié)構(gòu)，A2+和W6+與氧的配位數(shù)都為6，氧離子形成六方緊密堆積；A2+半徑較大時(shí)，則會(huì)形成白鎢礦結(jié)構(gòu)，A2+和W6+與氧原子的配位數(shù)分別為8和4，氧離子形成立方緊密堆積。

該體系燒結(jié)溫度較低(1 100～1 200 ℃)，品質(zhì)因數(shù)高，當(dāng)A為Ca、Sr、Ba、Zn、Mg時(shí)，εr分別為10.0、8.58、8.27、16.58和8.75，Q·f值都在20 000 GHz以上，但τf數(shù)值均為較大的負(fù)值(-40×10-5/℃以下)。國(guó)外有研究介紹，可通過(guò)向該體系中添加RNbO4(R=La,Nd,Sm)混合成(1-x)AWO4-xRNbO4的方法對(duì)其進(jìn)行改性，0.7CAWO4-0.3NdNbO4在1 150 ℃下燒結(jié)3 h后其τf可達(dá)-1.5×10-5/℃。且隨x增大，其εr有所提高，也得到一定改善，如0.5CAWO4-0.5NdNbO4的τf可達(dá)3.9×10-6/℃，改性效果較為明顯。但原料成本較高，如能探索出更好的方式有效調(diào)節(jié)溫度系數(shù)，將會(huì)有很好的應(yīng)用前景。

2.2.1.6 AB2O6系

Lee等最早研究了AB2O6(A=Ca、Mg、Mn、Co、Ni、Zn；B=Nb、Ta)的介電性能，如表1所示。

表1 AB2O6系的介電性能

MgTa2O6和MgNB2O6的Q·f值較高，但τf不理想：前者的τf為3×10-5/℃，后者的τf為-7×10-5/℃，兩者復(fù)合后在1 450 ℃下燒結(jié)4 h，得到的Mg(Ta1-xNbx)2O6陶瓷，x=0.25時(shí)介電性能較為優(yōu)異：εr= 27.9，Q·f=33 100 GHz，τf=-7×10-7/℃ 。目前國(guó)內(nèi)對(duì)該體系研究較少，原料成本和燒結(jié)溫度都較高，暫時(shí)較難實(shí)用化。

2.2.2 中介微波介質(zhì)陶瓷體系

2.2.2.1 (Zr,Sn)TiO4系

該體系是一種目前應(yīng)用比較廣泛的中介微波介質(zhì)陶瓷體系，Q·f值高，τf值低，其通式為ZnxTiySnzO4(x+y+z=2)。Sn的作用是提高Q·f值，但會(huì)略微降低εr,其中(Zr0.8Sn0.2)TiO4(ZST)材料的介電性能最好。εr=38，Q·f=7 000 GHz，τf≈0×10-6/℃，因其具有較好的溫度穩(wěn)定性，用它制備的介質(zhì)諧振器可解決窄帶諧振器的頻率漂移問(wèn)題。

(Zr1-xSnx)TiO4陶瓷的主晶相是以斜方ZrTiO4為基的(Zr，Sn)TiO4固溶體，在x<0.3時(shí)，為單相(Zr1-xSnx)TiO4固溶體；在0.3

ZST難以燒結(jié)致密，而εr的大小又與其致密化程度有關(guān)，通常采用堿金屬氧化物作為助燒劑促進(jìn)燒結(jié)。另外，摻雜BaO也能在對(duì)其介電常數(shù)和諧振頻率溫度系數(shù)影響不大的前提下很大程度地提高體系的Q·f值。

2.2.2.2 BaO-TiO2系

該體系主要有兩種性能優(yōu)異的化合物，BaTi4O9(BT4)和Ba2Ti9O20(B2T9)。

BT4屬于正交晶系，在4 GHz下，εr=38，Q·f=9 000 GHz，τf=-4.9×10-5/℃。加入少量WO3可調(diào)節(jié)其溫度系數(shù)，如加入摩爾分?jǐn)?shù)為10%的WO3改性，可使其溫度系數(shù)接近于10×10-6/℃。

B2T9在4 GHz下，Q·f為8 000 GHz，介電常數(shù)為40左右，溫度系數(shù)為2×10-6/℃，B2T9化合物的形成是個(gè)緩慢的過(guò)程，且在燒結(jié)過(guò)程中會(huì)形成少量BT4和TiO2。BT4的存在對(duì)B2T9的性能影響較小，但TiO2(τf=4.5×10-4/℃)存在會(huì)增大體系的τf值。B2T9在1 400 ℃以上分解為BT4和TiO2，因此燒結(jié)時(shí)必須在1 400 ℃以下達(dá)到致密化才能使材料具有較好的性能。同時(shí)研究表明：在1 000 ℃退火10～15 h可提高B2T9的Q·f值。

BT4在BaO-TiO2體系的介電損耗較小，B2T9在體系中的諧振頻率溫度系數(shù)較低。加入一定的改性劑，將兩者按一定比例混合，制備的復(fù)相陶瓷在低頻和高頻下都能適用，且原料成本較低并已廣泛應(yīng)用于各種諧振器和濾波器的制備中。

以具有中等介電常數(shù)的微波陶瓷材料BaO0.15ZnO4TiO2、BaZn2Ti4O11及BaTi5O11為研究對(duì)象，通過(guò)加入低熔點(diǎn)的玻璃以及氧化物成功地降低了材料的燒結(jié)溫度。對(duì)于BaO0.15ZnO4TiO2(BZT)陶瓷，通過(guò)加入燒結(jié)助劑Li2O-B2O3-SiO2(LBS)玻璃成功降低其燒結(jié)溫度到950 ℃以下。LBS玻璃在燒結(jié)過(guò)程中形成的液相與BZT陶瓷反應(yīng)生成BaTi5O11和BaTi(BO3)2，其中BaTi(BO3)2為異常大晶粒。LBS玻璃在低溫?zé)Y(jié)時(shí)出現(xiàn)的液相能夠形成液相燒結(jié)機(jī)制，促進(jìn)陶瓷燒結(jié)致密,并且在燒結(jié)過(guò)程中LBS玻璃形成的液相與BZT陶瓷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，為燒結(jié)提供了額外的能量，使得陶瓷可以克服更高的激活能并燒結(jié)致密。此外，液相的存在進(jìn)一步加快了反應(yīng)的速率，同樣促進(jìn)了燒結(jié)。燒結(jié)過(guò)程中同時(shí)存在液相燒結(jié)與化學(xué)反應(yīng)，為液相與反應(yīng)燒結(jié)。該陶瓷的介電常數(shù)主要受樣品致密度與物相組成影響，和體積密度變化趨勢(shì)大致相同。適量LBS玻璃使得陶瓷在低溫時(shí)燒結(jié)致密，能夠提高Q·f值，但過(guò)量LBS玻璃會(huì)導(dǎo)致明顯的異常大晶粒出現(xiàn)，破壞陶瓷的致密結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致Q·f值惡化。摻入5wt%LBS玻璃并在900 ℃燒結(jié)時(shí)獲得的BZT陶瓷具有較好的微波介電性能：εr=27.88，Q·f=14 795 GHz，τf=5.15×10-6/℃。固相法合成的LBS與LBS玻璃作為燒結(jié)助劑時(shí)有相似的結(jié)果。為進(jìn)一步改善BZT陶瓷在低溫?zé)Y(jié)時(shí)的致密度與微波介電性能，研究了復(fù)合摻雜對(duì)BZT陶瓷的影響。LBS玻璃和LaBO3同時(shí)作為燒結(jié)助劑時(shí)具有比LBS玻璃更低的熔點(diǎn)，能夠在更低的燒結(jié)溫度時(shí)出現(xiàn)液相并溶入BZT陶瓷。在燒結(jié)過(guò)程中，LaBO3的加入不會(huì)改變陶瓷的晶相，并且能夠抑制LBS玻璃與BZT陶瓷的反應(yīng)，減少BaTi(BO3)2的含量，從而抑制了異常大晶粒的出現(xiàn)。因此，復(fù)合摻雜的BZT陶瓷能夠在更低的溫度下燒結(jié)致密(875 ℃)，并且得到更加優(yōu)異的微波介電性能，εr=30.75，Q·f=14 279 GHz，τf=2.07×10-6/℃。相比于LBS玻璃單獨(dú)摻雜的BZT陶瓷，復(fù)合摻雜的BZT陶瓷不僅可以在更低的溫度形成液相，并且抑制了LBS玻璃與BZT陶瓷的化學(xué)反應(yīng)，降低了體系的燒結(jié)激活能。復(fù)合摻雜的協(xié)同作用更進(jìn)一步的促進(jìn)了BZT陶瓷的燒結(jié)過(guò)程。加入燒結(jié)助劑Li2O-B2O3(LB)玻璃，使BaZn2Ti4O11陶瓷燒結(jié)溫度降低到950 ℃以下并獲得優(yōu)異的微波介電性能。研究發(fā)現(xiàn)LB玻璃在低溫?zé)Y(jié)時(shí)形成液相并與BaZn2Ti4O11陶瓷反應(yīng)生成Zn2Ti3O8以及BaTi(BO3)2，導(dǎo)致異常大晶粒出現(xiàn)。BaZn2Ti4O11陶瓷在低溫時(shí)的燒結(jié)機(jī)理和BZT陶瓷相似，同樣為液相與反應(yīng)燒結(jié)，只是液相與陶瓷的反應(yīng)生成物不同。LB玻璃摻雜BaZn2Ti4O11陶瓷的介電常數(shù)和體積密度的變化趨勢(shì)大致相同，主要受陶瓷致密度和物相組成影響。適量LB玻璃的加入能有效促進(jìn)陶瓷在低溫時(shí)燒結(jié)致密，提高樣品的Q·f值。但過(guò)量LB玻璃會(huì)導(dǎo)致明顯異常大晶粒的出現(xiàn)，破壞陶瓷的致密結(jié)構(gòu)。此外，LB玻璃和生成的BaTi(BO3)2具有相對(duì)較低的Q·f值，這都會(huì)嚴(yán)重導(dǎo)致Q·f值下降。通過(guò)摻雜TiO2可以使陶瓷獲得近零的頻率溫度系數(shù)。綜合考慮，摻雜6wt%LB玻璃與10wt%TiO2并在875 ℃燒結(jié)獲得的BaZn2Ti4O11介質(zhì)陶瓷有優(yōu)異的微波介電性能：εr=25.6，Q·f=31 508 GHz，τf=1.95×10-6/℃。通過(guò)加入CuO，使用固相法合成出了BaTi5O11(BT5)陶瓷基料。以BaO-ZnO-B2O3(BZB)玻璃為燒結(jié)助劑，使其燒結(jié)溫度降低到了950 ℃以下。BZB玻璃在燒結(jié)過(guò)程中形成液相并且能夠溶于BaTi5O11陶瓷。BZB玻璃形成的液相在燒結(jié)過(guò)程中不與BT5陶瓷發(fā)生反應(yīng)，可以在低溫?zé)Y(jié)時(shí)獲得純的BT5相，燒結(jié)過(guò)程為純的液相燒結(jié)。因此，由于液相的出現(xiàn)，BZB玻璃摻雜BaTi5O11陶瓷在低溫?zé)Y(jié)時(shí)的激活能明顯小于純的BaTi5O11陶瓷在高溫?zé)Y(jié)時(shí)的激活能。BZB玻璃摻雜BT5微波介質(zhì)陶瓷的介電常數(shù)主要受BZB玻璃含量影響。主要影響Q·f值的因素變?yōu)樘沾傻闹旅芏扰cBZB玻璃的含量。摻雜4wt%BZB玻璃并在900 ℃燒結(jié)時(shí)的BT5陶瓷具有優(yōu)異的微波介電性能：εr=38.87，Q·f=29 163 GHz，τf=33.7×10-6/℃。

2.2.3 高介微波介質(zhì)陶瓷

微波在介質(zhì)體內(nèi)傳播時(shí)的波長(zhǎng)λ與其在自由空間傳播時(shí)的波長(zhǎng)存在下式關(guān)系：

式中： λ0——自由空間傳輸時(shí)的波長(zhǎng)；

εr—材料相對(duì)介電常數(shù)。

εr越大，λ越小，從而諧振器尺寸越小，并且εr越大，電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下的極化能力愈強(qiáng)，電磁能量也容易集中在電介質(zhì)內(nèi)，使受到周?chē)h(huán)境的影響小。因此高的介電常數(shù)能促進(jìn)微波通訊設(shè)備、諧振器的小型化和集成化，在高電容量的集成電路中以及低頻下工作的通訊設(shè)備中應(yīng)用廣泛。

2.2.3.1 BaO-R2O3-TiO2系

長(zhǎng)期以來(lái)，BaO-R2O3-TiO2系(R為鑭系稀土元素)一直是人們研究最多的體系，通式為Ba6-3xR8+2xTi18O54(BLT)，在BaO-R2O3-TiO2三元系統(tǒng)中，Ba6-3aR8+2xTi18O54固溶體形成區(qū)域固定在BaTiO3和BaLn2Ti4O12(或Ba3.75Ln9.5Ti18O54)的連線上，Ti∶O為1∶3。

隨X的減少，BA2+增多，由于BA2+的極性比La3+的極性大，系統(tǒng)總極性增強(qiáng)，εr值也會(huì)隨之增加。當(dāng)x=2/3時(shí)，Ba6-3aR8+2xTi18O54微波介質(zhì)陶瓷具有最高Q·f值；在R=Sm的系統(tǒng)中Q·f=10 549 GHz；R=Nd的系統(tǒng)中Q·f=10 010 GHz；R=Pr的系統(tǒng)中Q·f=6 611 GHz；R=La的系統(tǒng)中Q·f=2 024 GHz。故BaO-Nd2O3-TiO2和BaO-Sm2O3-TiO2最具實(shí)用價(jià)值，它們的介電常數(shù)高(70～80)，通過(guò)摻雜改性提高其溫度穩(wěn)定性是以后研究的重點(diǎn)[9]。

2.2.3.2 CaO-Li2O-R2O3-TiO2系

CaO-Li2O-R2O3-TiO2體系是(1-x)(Li1/2R1/2)TiO3-xCaTiO3，是使用高εr低Q·f值、較大的正τf的CaTiO3與高εr和較大的負(fù)τf的(Li1/2R1/2)TiO3復(fù)合而成的高εr和低τf的微波介質(zhì)材料。當(dāng)CaO∶LiO2∶R2O3∶TiO2=16∶9∶12∶63時(shí)，介電性能最好，如當(dāng)R為Sm且按如上比例燒結(jié)后，εr=105，Q·f=4 630 GHz，τf=1.3×10-5/℃ 。

表2 CBLST系的微波介電性能

CaO-Li2O-R2O3-TiO2系是對(duì)BaO-R2O3-TiO2體系的擴(kuò)展，各方面的性能比BaO-R2O3-TiO2體系均衡，是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)方向。

2.2.3.3 (A'1-xA''x)BO3型

CaTiO3是ABO3化合物中鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的代表，鈣鈦礦晶格結(jié)構(gòu)中鈦氧八面體中鈦離子的相互作用產(chǎn)生了很大的內(nèi)電場(chǎng)，從而使其擁有較高的介電常數(shù)，在7 GHz下εr高達(dá)170，Q·f為36 000 GHz，τf為8×10-4/℃。(A'1-xA''x)BO3型微波介質(zhì)陶瓷結(jié)構(gòu)和性能與其類(lèi)似，有以下2類(lèi)典型材料[10]：

第一類(lèi)是由堿金屬和鑭系金屬取代A位的(A'1-xA''x)-TiO3陶瓷，隨R的不同，材料的結(jié)構(gòu)取不同晶系的鈣鈦礦構(gòu)型：當(dāng)R=La時(shí)，為立方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)；R=Nd、Pr時(shí)，為四方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)；R=Sm時(shí)，為正交鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。因此該系列材料的介電性能因鑭系元素的不同變化極大。如表3所示，該系列陶瓷的εr一般都在80以上，但τf值不理想，故通常不能單獨(dú)使用，而作為補(bǔ)償材料摻雜到其他體系中[11]。

表3 A位取代的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)化合物的介電性能

第二類(lèi)是一種新型高介微波介質(zhì)陶瓷，用堿金屬離子(K+、Na+、Li+)部分取代AgNbO3中的Ag+而制備的(A'1-xA''x)-NbO3系陶瓷，具有很高的介電常數(shù)。天津大學(xué)所研究的對(duì)(A'1-xA''x)-NbO3同時(shí)進(jìn)行B位取代的(A'1-xA''x)(Nb1-yTay)O3系陶瓷性能更為優(yōu)異，當(dāng)A為Na且Ag/Na及Nb/Ta的摩爾比均為3/2時(shí)，可使tanδ降低為4×10-4，εr達(dá)到340；當(dāng)A為K且Ag/K及Nb/Ta的摩爾比分別為9∶1和4∶1時(shí)，εr和tanδ分別為619.5和0.014 2，其因超高的介電常數(shù)而受到很多學(xué)者的重視，但原料成本較高，合成復(fù)雜，離實(shí)際應(yīng)用還有一段距離[12～13]。CuO和BaCu(B2O5)兩種低熔點(diǎn)化合物都能顯著地降低Li3Mg2NbO6的燒結(jié)溫度。其中摻入0.1wt%BaCu(B2O5)的Li3Mg2NbO6陶瓷在950 ℃的條件下燒結(jié)4h能夠取得最較好的微波介電性能：εr=14.27，Q·f=55 521 GHz，τf=18.2×10-6/℃，并且摻雜后的陶瓷與金屬銀有良好的化學(xué)兼容性。而當(dāng)CuO摻雜量為0.5wt%時(shí)，Li3Mg2NbO6陶瓷在950 ℃的燒結(jié)溫度下能夠取得優(yōu)異的微波介電性能：εr=15.03，Q·f=72 135 GHz，τf=-23.01×10-6/℃。

2.2.3.4 鉛基鈣鈦礦系

鉛基鈣鈦礦系主要是指(Pb1-xCax)ZrO3、(Pb1-xCax)HfO3、(Pb1-xCax)(Fe1/2Nb1/2)O3、(Pb1-xCax)(Fe1/2Ta1/2)O3、(Pb1-xCax)(Mg1/3Nb2/3)O3、(Pb1-xCax){(Fe1/2Nb1/2)1-ySny}O3等系列材料。該系列綜合了復(fù)合鈣鈦礦系列中A位取代和B位取代兩種方式的優(yōu)點(diǎn)，有兩個(gè)顯著的特征：介電常數(shù)較高，頻率溫度系數(shù)較??；介電常數(shù)隨鉛含量的增加而增大，隨B位離子半徑的增大而減小[14]。

該系列有較高的εr但品質(zhì)因數(shù)較低(Q·f<2 000 GHz)，通常對(duì)其進(jìn)行B位取代，以提高Q·f值，尤其是Sn的引入能使[(Nb，F(xiàn)e)O6]八面體壓縮，外電場(chǎng)作用下，Nb5+、Fe3+移動(dòng)困難，降低整個(gè)諧振子的阻尼系數(shù)，損耗減小，Q·f值顯著提高，而εr降低不明顯，如(Pb0.45Ca0.55){(Fe0.5Nb0.5)0.9Sn0.1}O3的Q·f為8 600 GHz，εr=8 600，τf≈0×10-6/℃。

PbO易揮發(fā)，阻礙陶瓷的致密化，且Pb的缺位會(huì)造成晶格缺陷，形成第二相(焦綠石相)，因此燒結(jié)中需加入PbZrO3、ZrO2作為埋粉以抑制PbO的揮發(fā)。精確控制原料純度和配比、較好地控制燒結(jié)氣氛和工藝是該體系產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。

2.3 微波介質(zhì)陶瓷材料的主要應(yīng)用

微波介質(zhì)陶瓷應(yīng)用范圍廣泛，在微波電路中的應(yīng)用主要有如下幾個(gè)方面[15～16]：

1)用作微波電路的介質(zhì)基片，起著電路元器件及線路的承載、支撐、絕緣的作用；

2)用作微波電路的電容器，起著電路或元件之間的耦合及儲(chǔ)能作用；

3)用作微波電路的介質(zhì)天線，起著集中吸收儲(chǔ)存電磁波能量的作用；

4)用作微波電路的介質(zhì)波導(dǎo)，起著引導(dǎo)電磁波沿一定方向傳播的作用；

5)用作微波電路的介質(zhì)諧振器件，起著類(lèi)似一般電子電路中LC諧振電路的作用。

其中，最后一項(xiàng)的應(yīng)用是最主要的。因?yàn)閷?shí)現(xiàn)微波設(shè)備的小型化、高穩(wěn)定性和廉價(jià)的途徑是微波電路的集成化。早期金屬諧振腔和金屬波導(dǎo)體積和質(zhì)量過(guò)大，大大限制了微波集成電路的發(fā)展，由微波介質(zhì)陶瓷做成的介質(zhì)諧振器，可按設(shè)計(jì)要求將若干諧振器耦合在一起，制成一系列為滿(mǎn)足微波電路各方面需要的腔體塊狀微波器件，如：濾波器、穩(wěn)頻震蕩器及放大器等介質(zhì)諧振式選頻器件，體積小、質(zhì)量輕介質(zhì)諧振器件的出現(xiàn)能排除微波電路小型化與集成化方向上的最大障礙。陶瓷介質(zhì)微波器件體積小、損耗低、穩(wěn)定好、承受功率高、可在惡劣條件下工作，最高應(yīng)用頻率可達(dá)90 GHz，不僅在民用中廣泛應(yīng)用，而且在軍用通信中受到重視。腔體塊狀陶瓷介質(zhì)微波器件有分體和聯(lián)體兩種結(jié)構(gòu)，前者是由幾個(gè)諧振器耦合而成；后者是在一個(gè)陶瓷塊體上制作幾個(gè)諧振器及其間的耦合結(jié)構(gòu)，使器件體積大大減小，但小型化有限，不能滿(mǎn)足移動(dòng)通信市場(chǎng)日益發(fā)展的要求。利用低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷與導(dǎo)體漿料的共燒技術(shù)和精細(xì)疊層工藝，制成片式多層微波頻率器件具有小型化、可表面貼裝、性能優(yōu)良、可靠性高、可承受波峰焊和再流焊等諸多優(yōu)點(diǎn) LTCC技術(shù)的出現(xiàn)，微波器件小型化得到迅速發(fā)展，如天線、雙工器、濾波器、平衡-不平衡轉(zhuǎn)換等疊層微波器件獲得廣泛應(yīng)用。

微波介質(zhì)陶瓷材料主要用作微波頻率器件:介質(zhì)諧振器和介質(zhì)濾波器(帶通、帶阻、雙工器)兩大類(lèi)組件，常作為汽車(chē)電話、攜帶電話等移動(dòng)通信(900 MHz)和衛(wèi)星廣播電視(12 GHz)用元器件，從數(shù)百兆赫茲到毫米波頻段，也有應(yīng)用實(shí)例[17]。

2.3.1 介質(zhì)諧振器

用微波介質(zhì)陶瓷制作的介質(zhì)諧振器(見(jiàn)圖1)，可視為將特定頻率的微波封閉在介質(zhì)空間內(nèi)的兩端開(kāi)路的一段介質(zhì)波導(dǎo)或一端開(kāi)路的同軸諧振腔，這種器件有多種形狀和結(jié)構(gòu)。

圖1 介質(zhì)諧振器

常用的有以TE108為主模的圓柱形，TEM 為主模的同軸形與帶狀線形，TE118為主模的矩形， TM010為主模的圓桿形等。圓柱形諧振器的介質(zhì)體置于金屬容器內(nèi)，微波能量是封閉的，損耗小，無(wú)負(fù)荷Q值高，不足的是體積較大。在高端微波中圓柱形和矩形介質(zhì)諧振器有廣泛應(yīng)用。TEM 諧振模式的損耗大，但器件體積最小的，多用于1 GHz左右的低端頻率。TM010 ?？膳c同軸線或波導(dǎo)發(fā)生強(qiáng)耦合[18]。諧振器的帶寬增大，介質(zhì)體積也較小。近年來(lái)，還開(kāi)發(fā)出開(kāi)口環(huán)形(頻率漂移小)、迭層式雙介質(zhì)(線性調(diào)諧范圍寬、溫補(bǔ)線性化)。以及TM110模(損耗極小、溫度穩(wěn)定性好)的介質(zhì)諧振器，用于微波體效應(yīng)管和雙極型晶體管，以及砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管等器件的電路中。在通信和雷達(dá)系統(tǒng)中作為本機(jī)振蕩，最大市場(chǎng)是衛(wèi)星廣播電視接收設(shè)備[19]。

2.3.2 介質(zhì)濾波器

介質(zhì)濾波器(見(jiàn)圖2)通常是由數(shù)個(gè)諧振器縱向多級(jí)連接構(gòu)成，可進(jìn)行級(jí)向耦合，其顯著特點(diǎn)是插損極小，耐功率性好。商品化生產(chǎn)最多的是移動(dòng)通信的攜帶電話、無(wú)繩電話、汽車(chē)電話、基臺(tái)的帶通、帶阻濾波器以及一體化收、發(fā)雙工器。在800～1 000 MHz范圍內(nèi)系列化的介質(zhì)濾波器有近百個(gè)品種，可滿(mǎn)足各國(guó)移動(dòng)通信的需要[20]。其技術(shù)指標(biāo)為t插損2～3 dB，波紋小于1 dB，電壓駐波比約1.5，帶寬有1 MHz、5 MHz、10 MHz、12.5 MHz、16.5 MHz等系列，帶外抑制在規(guī)定頻帶內(nèi)可達(dá)35 dB以上。某些特殊要求點(diǎn)可達(dá)60 dB以上。毫米波用介質(zhì)帶通濾波器在30 GHz、50 GHz、90 GHz下，無(wú)負(fù)荷Q值分別為3 400、2 400、1 500，濾波器特性在各頻帶良好。

圖2 介質(zhì)濾波器

2.3.3 其它方面的應(yīng)用

微波介質(zhì)陶瓷除制作頻率器件外，也可作電介質(zhì)基片、介質(zhì)天線、介質(zhì)波導(dǎo)線路、20 GHz左右的超小型片式電容器等的基礎(chǔ)材料使用。隨著微波電路集成化和不斷擴(kuò)大的應(yīng)用范圍。對(duì)微波介質(zhì)陶瓷材料的需求會(huì)越來(lái)越高，今后幾年內(nèi)，材料的穩(wěn)定性會(huì)進(jìn)一步提高；εf在2～2 000范圍內(nèi)可調(diào)，適應(yīng)多種用途；τf可在-100×10-6/℃～300×10-6/℃范圍變化；更方便地獲得零溫度系數(shù)的介質(zhì)諧振器；Q·f值在微波頻率下接近100 000 GHz，比現(xiàn)有材料提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，損耗大幅度下降[21]。

3 微波介質(zhì)陶瓷材料存在的問(wèn)題和展望

微波介質(zhì)陶瓷各個(gè)體系的發(fā)展已趨于成熟，但仍然存在一些問(wèn)題：目前對(duì)微波介質(zhì)陶瓷的研究大部分是通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)而得出的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，卻沒(méi)有完整的理論來(lái)闡述微觀結(jié)構(gòu)與介電性能的關(guān)系。探索和總結(jié)各個(gè)體系的晶體結(jié)構(gòu)、缺陷、化學(xué)鍵、晶界等對(duì)其介電性能的具體影響，以完整的理論模型展示出來(lái)，才能在這個(gè)領(lǐng)域有所突破。

介電常數(shù)、品質(zhì)因數(shù)和諧振頻率溫度系數(shù)3者之間彼此制約，摻雜改性彌補(bǔ)某些性能不足體系的缺陷、降低低介體系的諧振頻率溫度系數(shù)并追求高頻下(大于10 GHz)超低損耗的極限、提高高介體系的品質(zhì)因數(shù)以及探索更高介電常數(shù)(大于120)的新材料體系將是微波介質(zhì)陶瓷的發(fā)展趨勢(shì)，從(Ag1-xAx)(Nb1-yTay)O3的出現(xiàn)說(shuō)明這方面的研究還存在著很大的空間[22]。

另外，采用新的成形方式、制備方法和燒結(jié)技術(shù)來(lái)繼續(xù)提高已有體系的介電性能，仍會(huì)是研究的重點(diǎn)，如用濕化學(xué)方法合成粉體、等靜壓成形、微波燒結(jié)、熱壓燒結(jié)等技術(shù)在研究中將逐漸取代傳統(tǒng)固相燒結(jié)方式。

目前國(guó)外對(duì)微波介質(zhì)陶瓷的應(yīng)用主要集中于無(wú)繩電話和手機(jī)上，日本、美國(guó)和德國(guó)技術(shù)較為領(lǐng)先。國(guó)內(nèi)對(duì)微波介質(zhì)陶瓷的研究始于20世紀(jì)80年代初，原料供應(yīng)、工藝水平、生產(chǎn)規(guī)模及測(cè)試設(shè)備等與國(guó)外還存在很大的差距，尤其在介電常數(shù)低于20的各體系的產(chǎn)業(yè)化上較為落后，很多器件和產(chǎn)品依靠進(jìn)口，隨著通訊事業(yè)的發(fā)展，提高微波介質(zhì)陶瓷的產(chǎn)業(yè)化水平，使得各性能優(yōu)異的材料體系從研究走向應(yīng)用，是亟待解決的問(wèn)題[23]。

燒結(jié)溫度過(guò)高是微波介質(zhì)陶瓷走向生產(chǎn)應(yīng)用的最大障礙，低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)能有效降低燒結(jié)溫度，促進(jìn)微波介質(zhì)陶瓷的產(chǎn)業(yè)化[24]。故對(duì)微波介質(zhì)陶瓷低溫共燒的研究將是其制造工藝的發(fā)展趨勢(shì)。近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)微波介質(zhì)陶瓷低溫共燒的研究多集中于低介和中介體系，預(yù)計(jì)對(duì)高介體系低溫共燒的研究也將成為微波介質(zhì)陶瓷的一個(gè)發(fā)展方向。

隨著數(shù)據(jù)移動(dòng)通訊和衛(wèi)星通訊的迅速發(fā)展，特別是微波器件多層設(shè)計(jì)思想的提出，微波器件的小型化、工作高頻化與多頻化進(jìn)程的加快，微波介質(zhì)陶瓷的低溫?zé)Y(jié)、低損耗以及介電常數(shù)可調(diào)、微波器件的進(jìn)一步實(shí)用化必然成為新一輪研究的熱點(diǎn)[24～26]；高介電材料的研究雖然有所降溫，但在制作貼片式微波器件方面仍然會(huì)在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)占有重要地位。目前，微波介質(zhì)陶瓷領(lǐng)域的熱點(diǎn)有：傳統(tǒng)微波介質(zhì)陶瓷的低溫?zé)Y(jié)以及中低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷新體系的開(kāi)發(fā)；高介電常數(shù)微波介質(zhì)新體系探索；微波介質(zhì)陶瓷低損耗的極限與超低損耗；頻率捷變微波介質(zhì)陶瓷等；微波材料實(shí)用化。

隨著微波技術(shù)的不斷發(fā)展，一方面促進(jìn)了微波介質(zhì)陶瓷材料新體系新應(yīng)用的不斷出現(xiàn)；另一方面, 也對(duì)微波陶瓷材料的性能提出了更高的要求。要滿(mǎn)足這些要求, 首先是研制出性能更為優(yōu)異的新材料，同時(shí)，采用新工藝、新技術(shù)來(lái)提高材料在組成與結(jié)構(gòu)方面的均勻性及致密性。這已成為發(fā)揮材料優(yōu)良性能不可忽視的問(wèn)題。

目前，在微波陶瓷材料研究領(lǐng)域亟須解決的課題是：

1)對(duì)已有材料的性能要進(jìn)一步提高，以滿(mǎn)足微波技術(shù)向高、精、尖方向發(fā)展；

2)微波介質(zhì)材料性能的微觀機(jī)理尚不十分清楚，缺乏理論性的解釋和材料研制的理論指導(dǎo)，須加強(qiáng)微波陶瓷的理論研究；

3)特殊頻段(小于2 GHz，大于12 GHz)上用的新材料，尚待開(kāi)發(fā)。

展望微波陶瓷材料的研制，其具體目標(biāo)是獲得如下性能的一系列新材料：

1)介電常數(shù)在10～200之間，而且比較穩(wěn)定；

2)損耗盡可能降低，使諧振品質(zhì)因數(shù)大于104量級(jí)；

3)頻率溫度系數(shù)達(dá)到10-6/℃數(shù)量級(jí)，盡量趨近于0。

總之，隨著新材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，微波介質(zhì)陶瓷將顯示出強(qiáng)大的生命力和無(wú)限廣闊的前景。