微波陶瓷概述
发布时间：
2024-04-30
表征微波陶瓷的性能有三个主要依据，分别是相对介电常数（εr），品质因子（Q×f）以及谐振频率温度系数（τf）[23]。
表征微波陶瓷的性能有三个主要依据，分别是相对介电常数（εr），品质因子（Q×f）以及谐振频率温度系数（τf）[23]。通常来说，在实际应用中一般要求材料达到合适的介电常数，高的品质因子和近零的谐振频率温度系数。下面对三个参数详细介绍：
2.品质因子
电介质绝缘体在外场作用下，不同形式的束缚电荷形成极化，这种极化会导致对交变电场的响应出现滞后，这种情况下，在束缚电荷发生微量移动时，可能会导致移动过程中摩擦或弹性碰撞的出现，导致损耗的产生。品质因子Q则是用来衡量损耗的重要参数，它与介电损耗呈反比（Q=1/tanθ）[32]。损耗的出现会降低载波能量，减弱信号传输能力。除此以外，消耗的能力转化为热能，使器件温度升高，导致信号稳定性下降。由于品质因子Q与频率f有如下关系，但Q×f的乘积为定值，故通常使用Q×f来作为衡量不同材料介电损耗的指标[33]。
在实际应用中，品质因数Q被定义为谐振频率f0与谐振频率峰-3dB处峰宽∆f0的比值来表示。如图1-4所示[34]，品质因子Q越大，谐振峰型越尖，越有利于频率选择，在要求频率下发生干扰的概率越小。
工程上品质因数与谐振峰相关参数关系示意图
对于介质谐振器而言，有载损耗主要分为电导损耗、介质损耗、辐射损耗和外部损耗四部分组成[35]，如式1-6所示，
式中QL，Qd，Qe，Qr，Qext分别为有载、介质、电导、辐射和外部品质因子。从本质上来说，材料的介电损耗分为本征损耗和非本征损耗[36]。本征损耗主要是交变电场与晶体声子系统相互作用而产生的损耗，主要是由晶体结构和材料成分所决定[37]。而非本征损耗主要是由于材料中结构与微结构的缺陷引起，如第二相、孔隙、晶界、位错、离子空位等[38]。本征损耗一定程度上代表了该材料所能达到的损耗最低值，实际情况中由于非本征损耗的存在会导致介电损耗进一步增大。
在实际情况中，影响非本征损耗的因素较多，主要涉及到工艺过程、微观结构和晶体缺陷等，故优化Q×f值主要也从调控非本征损耗入手。下面对常用的优化方向和方法进行简要描述：
（1）优化工艺环境：微波介质陶瓷损耗对环境温度、湿度的敏感性体现了控制实验和测试环境的重要性[39]。在制备前，需要对原材料粉末进行烘干或煅烧；在制备过程中要控制环境的湿度，尽量在比较干燥的环境下实验测试，以保证实验和测试结果的可行性。
（2）保证原料纯度：由于杂质的存在会导致介电损耗大幅度增加，故在实际生产中需要保证原材料的纯度。在早期对BaTi4O9[40]的研究中发现原材料中的微量杂质导致Q×f值降低了一半；同样发现球磨中引入的杂质也会导致Q×f值的降低。故在实际制备过程中，一般选用纯度较高的原材料，并且对于特殊原材料，如可吸收水形成结晶水的镧系元素氧化物，需要在指定温度下煅烧预处理后使用。除此以外，还需考虑原材料的粒度、形状等因素对于后续烧结性能的影响。
控制相组成与微结构[41]：第二相的存在会对Q×f值产生较大的影响，故在进行材料组分设计时以单相材料为主，尽量减少第二相。Kim[42]等人在研究Ba(Ni1/3Nb2/3)O3陶瓷中发现，其产生的BaNb2O6第二相会导致Q×f值下降。但当第二相的Q×f值优于主相或对致密化产生促进作用时，第二相的出现可能会导致Q×f值的上升。Davies[43]等人在Ba(Zn1/3Ta2/3)O3陶瓷中发现的Ba8ZnTa6O24第二相具有高Q值，从而提高了材料的Q×f值；Fan[43]等通过研究发现，Ca2+离子过量时所产生的适量第二相（如CaSmAl3O7，CaO和Sm2O3等）有利于促进材料微观结构致密化，进而提高Q×f值。
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