高介电常数微波介质陶瓷的研制及其同轴型滤波器的仿真
第16卷第4期功能材料与器件学报
V o l 16,N o 42010年8月
J OURNA L O F FUNCT IONA L M ATER I ALS AND DEV ICES
Aug .,2010
文章编号:1007-4252(2010)04-0299-06
收稿日期:2009-03-28; 修订日期:2009-11-03
作者简介:罗春娅(1979-),女,湖北宜昌人,讲师,硕士研究生,主要研究方向:微波介质器件(E -m a i:l l uo-chunya @hgnu .edu .cn).
通讯作者:胡明哲(1974-),男,湖北武汉人,副教授,博士,主要研究方向:微波材料与器件(E -ma i:l m zhu74@hubu .edu .cn).
高介电常数微波介质陶瓷的研制及其同轴型滤波器的仿真
罗春娅1
,黎慧2
,顾豪爽1
,马智超1
,胡明哲
1
(1.湖北大学物理与电子技术学院,武汉430062;2.广东省东莞市质量技术监督局,东莞523120)
摘要:本文研制了一种由双镧系元素组成的Ba O-Ln 2O 3-T i O 2(BLT )系高介电常数、低损耗材料,
并以该材料为基础,设计并研究了其独石型同轴滤波器。滤波器采用新颖的凹槽式电感耦合和一端金属面短路的 /4结构。利用HFSS 高频仿真软件对该滤波器的传输特性进行了仿真,表明其具有中心频率为1.83GH z 、带宽43MH z 、插入损耗小于0.5dB 、带内纹波为1.5dB 的优异的通带特性。关键词:BLT 系微波介质材料;同轴型带通滤波器;耦合结构;H FSS 仿真中图分类号:F16.6 文献标识码:A
H igh dielectric constantm icro wave dielectric cera m ics
sim ulation and research of coaxial filter
L UO Chun ya 1
,LI H u i 2
,GU H ao shuang 1
,MA Zh i chao 1
,HU M ing zhe
1
(1.Faculty of Physics and E lectronic Technology ,H ubeiUniversity ,W uhan 430062,Ch i n a ;2.Bureau o f Quality and Techno l o gy Super v isi o n o fDongguan C ity i n Guangdong Prov i n ce ,Dongguan 523120,Chi n a)Abst ract :A ne w k i n d o f h i g h dielectric constan,t l o w die lectric l o ss m icr ow ave cera m icsw as syn t h esized based on B a O-Ln 2O 3-T i O 2(BLT)syste m,where Ln represents double Lansile m ele m ents .Em ploy ing the ne w m ateria,l a coax ial m onoblock m icro w ave filter w as designed and i n vesti g ated .The filter m ade The resonators are coup led w ith a nove l str ucture and the length w as /4,one end w as short circu i.t H F SS so ft w are w as used to si m ulate the properties o f t h e band-pass filter and resu lts sho w ed t h at the coax i a l filter possessed an excellent band pass properti e sw ith its center frequency at 1.83GH z ,t h e band w idth o f 43MH z ,the i n sertion l o ss o f less than 0.5dB and the band pass ripple o f being 1.5dB .K ey w ords :BLT m icro w ave die lectric m a teria;l coax ial band-pass filter ;coup ling str ucture ;HFSS si m u lation
0 前言
随着目前移动通讯技术的迅猛发展,微波介质
滤波器不断小型化的趋势对介电材料的介电常数、介电损耗和温度稳定性都提出了越来越严格的要
求。由于Ba O-Ln2O3-T i O2三元系(其中Ln为镧系元素)微波介质陶瓷具有高的介电常数和低的介电损耗,因而引起了国内外学者广泛的研究兴趣[1-3]。该三元系陶瓷具有类钙钛矿钨青铜结构,其固溶体的化学式通常可表达为B a6-3x Ln8+2x T i18 O54,其中当Ln为La元素时,体系的介电常数可超过100[2],非常有利于微波器件的小型化,但其偏大的正谐振频率温度系数却使器件难以满足实用化要求。而当Ln为Sm元素时,BLT体系刚好具有负的谐振频率温度系数[4],因此有可能通过调整两种镧系元素的含量而把BLT体系制备成即具有高介电常数,又具有零温度系数的实用化陶瓷。
同轴型滤波器是一种导行TE M模式电磁波的梳状线滤波器,在这种结构中,电磁波在金属化短路端发生反射,并与开路端电磁波叠加形成沿Z轴的驻波振荡。再将几个同轴谐振器通过耦合结构耦合,就能构成带通滤波器传输电磁能量。耦合结构有多种[5,6],常见的主要是:外加电容板耦合,孔耦合及利用阶跃阻抗结构产生电容耦合等,本文采用的是一种利用谐振孔间的半圆型凹槽产生负载电感耦合的新颖耦合方式。
本文利用双镧系元素复合改性的Ba O-Ln2O3 -T i O2系高介电常数陶瓷为介质,采用凹槽感性耦合的四分之一波长同轴型滤波器结构,利用HFSS 高频仿真软件对该滤波器的微波特性进行了研究,并探讨了凹槽耦合结构的尺寸对滤波特性的影响。
1 实验方法
采用高纯BaCO3(99.0%)、Ln2O3(>99.5%)和T i O2(99.0%)粉体为原料,按照所需化学式的比例进行称量配料,以传统陶瓷工艺为制备手段,其中预烧制度为1250 下保温2h,烧结制度为在1340 的空气中保温3~7小时。
陶瓷样品的密度采用质量除以表观体积测量(表观密度)。样品的晶体结构和物相组成采用XRD(BRUKE,D8)测试,X射线源采用Cu靶K 1射线,其波长为0.15406nm,扫描范围为20到70。样品表面经抛光后采用H akk i-Co le m an方法测量微波介电性能,其中谐振频率温度系数在20-90 条件下获得。采用H FSS仿真软件对滤波器的微波特性进行了研究。2 实验结果与讨论
2.1 BLT介质材料
图1示出了BLT陶瓷烧结温度、保温时间和其表观体密度之间的关系。可以看出,陶瓷密度随烧结温度、保温时间的变化规律类似,都是先增加后减小。陶瓷烧结动力学的研究表明[11],保温时间和烧结温度在一定范围内可相互等效。当陶瓷保温时间较短时,晶粒生长往往不充分、不致密,晶界处的残留气孔会造成陶瓷密度的降低,而烧结温度过高的又会使陶瓷体内发生晶粒的异常长大,晶界处累积的应力难以释放而导致微裂纹的产生[12]。另外,高温时过快的晶界迁移速度也不利于气孔的排出,这些闭气孔和微裂纹的存在也会导致陶瓷密度的下降[12]。因此,本文最终确定的BLT陶瓷的烧结制度为1340 ,保温4.5小时。此时陶瓷的表观密度为5.667g/c m3,达到其XRD理论密度的96.8%
。
F i g.1 R e l a ti ons h i p bet ween s i nter i ng te m pe ra t ure and apparent densiti es i n BLT cera m i cs
图1 BLT系陶瓷烧结温度和表观密度间的关系图
图2为烧结温度1340 ,不同保温时间下BLT 样品的扫描电镜图片。从照片中可以看到BLT样品的陶瓷结构比较致密,有明显的长棒状晶粒,三个陶瓷晶体的生长均未观察到杂相,是典型的类钙钛矿晶体的显微结构形貌。在保温3小时时,晶粒生长较为不规则,但气孔较少,当保温时间变为4.5小时,气孔进一步减少,晶粒进一步长大,且比较均匀,形状比较一致,此时样品的密度达到最大。继续延长保温时间,晶粒进一步长大,但长大的程度不够规则,出现一些气孔,将对微波介电特性有一些影响。
图3为BLT陶瓷在1340 、4.5小时烧结条件下的XRD图谱。由XRD图谱可知BLT陶瓷形成了
300 功能材料与器件学报 16卷
F ig .2 Scanning e lectron m i croscopy o f BLT cera m i cs si nte red at 1340 for 3h ,4.5h and 7h
图2 BLT 系陶瓷在1340 随随保温时间变化的扫描电镜图
单一的钨青铜固溶体,在XRD 探测范围内无任何杂相。其XRD 图谱可用正交晶系,Pbnm (N o .62)空间群指标化
[2,13]
,且由3强峰(151)、(321)及(141)估
算的晶胞参数为a=1.21048nm,b=2.22765nm,c=0.76931n m 。由其c 轴的长度,可以推测BLT 陶瓷中的T i O 6八面体发生了一定程度的扭转与倾斜,使晶胞在c 轴方向的平移周期变成氧八面体高度的两倍,这种c 轴加倍的超晶格结构将对晶体的介电常数和温度系数等参数产生重要影响。
表一示出了1340 烧结条件下,陶瓷的介电常数 r 、品质因数Q f 和谐振频率温度系数!f 与保温
时间之间的变化关系。
F i g .3 XRD pattern o f the BLT sa m ple si ntered at 1340 f o r
4.5h
图3 BLT 陶瓷1340 、4.5小时烧结时的XRD 图谱
表1 陶瓷密度和其介电性能随其保温时间(1340 )的变化关系
T able 1 A ppearent dens i ty and d i e lec tric properti es of t he BLT cera m ics VS si nter i ng ti m e 性 能保温时间(h)密度
(g /c m 3) r Q*f(GH z)
T E011模频率
(GH z)
!f
(pp m / )3.05.60479.0643503.413617.144.55.66779.6572803.696013.467.0
5.562
78.06
6280
3.5756
-0.78
可以看出,在1340 的烧结条件下,随烧结时间的延长,陶瓷的介电常数 r 、品质因数Q f 都是随烧结时间先增加后降低。众所周知,对于相同化学
成分的陶瓷,密度是影响其介电常数和品质因数的重要物理参数。由于气孔可以看做是陶瓷中介电常数为1的第二相,因此根据李氏介电常数叠加法则[14]
,气孔的存在很显然会降低陶瓷的真实介电常数。此外,气孔的存在还会不同程度的影响陶瓷的品质因数Q f ,由于陶瓷内部的微波电场会在气孔与陶瓷晶粒的界面处会发生散射,使波阻抗和介电损
耗增加。根据K i m 等的研究[15]
,对于品质因数Q f
数量级为103
GH z 的介质陶瓷,其气孔率与Q f 的关
系可描述为:Q f =Q 0(1-1.5P ) (3),式中Q 0介质的本征品质因数,由远红外反射谱测得,P 为孔隙率。10%的孔隙率即可造成15%的陶瓷品质因数Q*f 的降低。因此,本文中BLT 陶瓷在1340 的烧结条件下,以4.5小时保温时间的微波特性为最佳,可达到:介电常数 f =79.65,品质因数Q*f=7280GH z(频率为3.696GH z),谐振频率温度系数!f =13.46ppm / 。2.2 滤波器电路设计
需设计的滤波器的性能为:中心频率f 0=
301
4期 罗春娅,等:高介电常数微波介质陶瓷的研制及其同轴型滤波器的仿真
1830MH z ;带内波动Ap <1.5dB ;插入损耗I L <2.5dB ;3dB 带宽B W =40MH z !5MH z 。采用现代微波滤波器的设计方法,信号由微带线引入,在同轴型陶
瓷体1/4波长谐振孔处谐振,谐振器间的能量通过其间的感性半圆槽进行磁耦合。首先根据所设计的
滤波器的指标确定级数。
F ig .4 (a)P ro t o type c ircu i try o f the l u m ped pa rame ters circu itry o f t he band-pass filter w ith ad m ittance i nve rters ;(b)Sche m atic structura l of t he des i gned BLT coax i a l d i e lectr i c filter
图4
(a)含导纳变换器的带通滤波器集中参数电路图;(b)BLT 介质同轴型滤波器结构示意图
2.2.1 滤波器级数及其等效电路
滤波器的级数是个重要的指标,直接关系到滤波器的插入损耗和带外抑制特性。由所设计的滤波器带内波动Ap<1.5dB 的要求,通过查1.0dB 波纹切比雪夫低通滤波器的阻带衰减特性图可知,滤波
器的级数n 需取整数3[7]
。同时可以确定其中各分立元件的值,再通过频率变换公式和导纳变换公式得出所需的切比雪夫带通滤波器的各导纳值[8]
。
含导纳变换的集中参数电路图如图4(a)所示。2.2.2 滤波器的结构设计
由图4(a)可确定介质滤波器的结构,如图4(b)所示。滤波器的高度为H,长为L ,厚度为W,即同轴线半径的两倍;耦合孔半径为R 。该滤波器是个包含三个谐振孔的陶瓷独块,每两个谐振孔通过上下两个半圆的耦合孔进行耦合,它们分别对应于图4(a)中的3个并联谐振臂和导纳变换J 12、J 23。谐振孔的内表面全部镀银,除了上表面和端口电极周围区域以及耦合槽开路外,介质块全部镀银。输入输出的耦合强弱可以通过调节输入输出电容的大小(即调节输入输出电极大小)来控制,而级间耦合强弱则可以通过调整耦合槽的半径来实现。根据微波传输线的理论
[7]
,谐振器高度H 、介电常数 r 与
谐振频率f 0(1830MH z)之间的关系,可以算出谐振
器的高度H 近似为4.7mm 。
考虑同轴介质谐振器的插入损耗与传输功率和
衰减有关,由同轴线最大传输功率公式
[9]
:P b r =
1 r
E 2
b r 120ln b
a
(1),得出其最大传输功率条件为b /a =1.65。同时考虑同轴线的衰减条件[9]
:a c =
R s 2?
(1a +1b l n b a ) (2),可知衰减最小时应有:b /a =3.
592。因此,兼顾两者,确定b /a=2~3。此外,考虑到滤波器安装的稳定性,本文采用的谐振器为外方内圆结构,因此还需应用基于圆形的同轴线向方形
做近似转换[10]
,b 圆/b 方=#/4。最终,考虑滤波器的最大传输功率要大于0.06W,选定a=0.3mm,b =0.75mm,从而滤波器长度L=6b=4.5mm 。2.2.3 滤波特性
图5(a)示出了上述滤波器采用H FSS 软件的仿真结果。该滤波器中心频率为f 0=1835MH z ,相对带宽B W =43MH z ,插入损耗I L 为0.34dB ,带内波动A p=1.5dB ,完全满足设计要求。此外,由于滤波器的耦合孔尺寸很难由滤波器等效电路精确计算,本文直接采用HFSS 软件对其进行调整,以找到最合适的耦合孔孔径。图5(b)为滤波器的插入损耗I L 及带宽B W 随耦合孔半径的变化规律。由图可见,这种凹槽耦合结构中,耦合半径的改变对滤波
302 功能材料与器件学报 16卷
器特性有着很大的影响。其中,插入损耗随耦合孔半径先迅速减小后又增加,在R =20mm 处,插损获得极小值0.34dB 。而带宽B W 则随耦合孔半径的增大单调递增,表明谐振孔间的能量耦合越来越强,
但耦合孔半径超过20mm 后带宽的增加已接近饱和。因此综合这两方面的特性,本文最终确定了耦
合孔半径为20mm
。
F ig .5 (a)HFSS si m ulated properti es o f /4coax ia l die l ectric filter ;(b)R elati onsh i p bet ween i nse rt loss ,band w i dth and coupli ng ra d i us i n t he coax ia l filters
图5 (a) /4同轴性介质滤波器的HFSS 仿真曲线;(b)同轴型滤波器中插入损耗、带宽随耦合孔半径的变化关系
3 结论
(1)本文采用双镧系元素复合改性的Ba O -Ln 2O 3-T i O 2(BLT)系高介电常数、低损耗材料为同轴型滤波器的基体材料。BLT 系陶瓷在1340 、4.5小时保温条件下的烧结性能最佳,在H akk i-Co le m an 开式腔法测量条件下可达到: r =79.65,Q*f =7280GH z(测试频率为3.696GH z)及!f =13.46pp m / 。
(2)采用现代微波滤波器的设计方法,选择中间半圆槽耦合方式的同轴型滤波器,当滤波器长4.5mm ,宽1.5mm,高4.7mm,谐振孔半径0.3mm,耦合孔半径0.2mm 时,H FSS 仿真结果为中心频率f0=1835MH z ,相对带宽B W =43MH z ,插入损耗为0.34dB ,带内波动1.5dB ,可完全满足设计要求。(3)在凹槽耦合的方式下,耦合孔半径的变化对滤波器的性能有着很大的影响,存在一个最佳的耦合孔半径使得同轴型滤波器的插入损耗最小。
致谢:
本文受到国家基金(项目编号:50572026)以及湖北省科技攻关(项目编号:07110674)等项目的资助,作者在此表示感谢。参考文献:
[1]K ensuke W,K aki m oto K I ,Ohsato H.M icrostruct ure and
m icrow av e d i e lectr i c properties of Ba4Sm9.33T i 18O 54ce ra m ics conta i n i ng colu mnar crysta ls[J].Journa l o f the Eu ropean Cera m i c So ciety ,2003,23:2535~2539.[2]Ohsa to H.
Sc i ence of tung stenbronze -type li ke Ba6-3xR 8+2xT i18O54(R =rare earth)m i cro w ave dielectr ic so li d so l uti ons [J].Journa l o f the European Cera m ic Soc i ety ,2001(21):2703~2711.
[3]Q i n N,L i u XQ,Chen XM.Phase T rans ition i n Ba6-3x
(S m 1-yLay)8+2xT i 18O 54(x =0.5)C eram ics .Journa l of the Am er i can C eram ic Soc i e t y ,2006,89(9):2796-2803.
[4]Ohsato H,K ato H,M iz u ta M et a.l ,M icrow ave dielectr ic
properti es o f t he Ba6-3x(S m 1-y ,R y)8+2xT i 18O 54(R =Nd and L a)soli d so l uti ons w it h zero te m pe rature coeffi c i ent o f t he resonate frequency [J].
Japanese Journa l of
A ppli ed Physics 1995(34):5413~5417.
[5]梁飞;吕文中;周东祥等.一种新型结构微波介质滤波
器的设计及仿真[J].压电与声光,2007(01):23~25.[6]吕文中;孙建;梁飞等低插损同轴型微波介质滤波器
的设计[J].电子元件与材料2004(5):6~8.
[7]甘本衤发,吴万春.现代微波滤波器的结构与设计[M ]
.北京:科学出版社,1973.
[8]廖承恩,陈达章.微波技术基础[M ].北京:国防工业
出版社,1979..
[9]李绪益.电磁场与微波技术(下册)[M ].第二版.华南
理工大学出版社,2000,63~64.
[10]赵宏锦译,M aki m oto M,Y a m ashita S .编.无线通信中的
303
4期 罗春娅,等:高介电常数微波介质陶瓷的研制及其同轴型滤波器的仿真
微波谐振器与滤波器[M].国防工业出版社,2002,55 ~58.
[11]H u M Z,Q i an J,Gu H S et a,l Phase for m a tion,si nte ri ng
behav i or and m icrow ave die l ectric properties o f b is m uth and m anganese co-doped[(Pb,Ca)L a](F e,N b)O3+?soli d so l uti on[J].Journal ofM ate rial Sc ience2006,41:6260-6265.
[12]李标荣编著电子陶瓷工艺原理[M]第一版华中科技
大学出版社1986.75-86.
[13]Ohsato H,Futam ata Y,Sakash ita H,e t a.l Confi gurati on
and coo rd i na ti on nu m ber o f ca tion po lyhedra of tungstenbro nze-type-li ke Ba6-3xSm8+2xT i18O54so li d soluti ons.
Journa l o f the Eu ropean Cera m i c Soc iety,23(2003):2529 .
[14]胡明哲,周东祥,龚树萍.微波介质陶瓷介电性影响因
素研究[J].材料导报2004(8):7~10.
[15]E.S.K i m,H.S.Pa rk,and K.H.Y oon,P oro sity depend
ence of m icro w ave d i e lectr i c prope rties o f comp l ex perovs kite(Pb0.5C a0.5)(Fe0.5T a0.5)O3ce ram ics M ater.
Che m.Phys.2003(213):213~217.
304 功能材料与器件学报 16卷
高K栅介质材料的研究进展
高K栅介质材料的研究进展 摘要：对于纳米线宽的集成电路, 需要高介电常数( 高k) 的栅极介质材料代替二氧化硅以保持一定的物理厚度和优良的漏电性能. 这些栅极候选材料必须有较高的介电常数, 合适的禁带宽度, 与硅衬底间有良好界面和高热稳定性. 此外, 其制备加工技术最好能与现行的硅集成电路工艺相兼容. 本文阐述了选择高k 栅介质材料的基本原则, 介绍了典型高k 栅介质材料性能, 并展现了引入高k 栅介质材料存在的问题. 关键词: 高k 栅介质金属氧化物 HfO2 1.传统晶体管结构及瓶颈 20世纪80年代以来，CMOS集成电路的快速发展大大促进了硅基微电子工业的发展，使其在市场的份额越来越大。而CMOS集成电路的快速发展又是得益于其电路基本单元——场效应管尺寸的缩小。场效应管尺寸缩小的关键因素就是作为栅介质层的二氧化硅（SiO2）膜厚的减小。二氧化硅的作用是隔离栅极和硅通道。作为栅介质层，二氧化硅有很多优点，如热和电学稳定性好，与硅的界面质量很好以及很好的电隔离性能等。但是随着器件尺寸的不断缩小，二氧化硅的厚度被要求减到2nm以下，随之产生了许多问题 例如：1、漏电流的增加，对于低功率器件，这将是不能忍受的，而事实上，现在低功率器件的市场需求却越来越大 2、杂质扩散。栅极、二氧化硅和硅衬底之间存在杂质的浓度梯度，所以杂质会从栅极中扩散到硅衬底中或者固定在二氧化硅中，这会影响器件的阈值电压，从而影响器件的性能。当二氧化硅的厚度减小时，杂质就更容易从栅极中扩散到硅衬底中。 所以，有必要寻求一种新的栅介质层来替代二氧化硅。从以上两个存在的问题可以看出，为了减小漏电流和降低杂质扩散，最直观的方法就是增加栅介质层的厚度，但是为了保持介质层的电容不变，新的栅介质层的介电常数必须比二氧化硅要大，而且介质层的介电常数越大，膜的厚度就可以越大，因此我们引入了高K介质。 2.高k 栅介质材料要求 ( 1) 高介电常数k.高介电常数k 能维持驱动电流, 减小漏电流密度. ( 2) 较大的禁带宽度. ( 3) 与Si 导带间的偏差大于1eV. ( 4) 在Si 衬底上有良好的热力学稳定性, 生产工艺过程中尽量不与Si 发生反应, 并且相互之间扩散要小. ( 5) 与Si 界面质量应较好.新型栅介质材料与Si 之间的界面, 界面态密度和缺陷密度要低, 尽量接近于SiO2 与Si 之间的界面质量, 以削弱界面电子俘获和载流子迁移率降低造成的影响。 ( 6) 非晶态结构.非晶结构栅介质材料是各向同性的, 不存在晶粒间界引起漏电流增大的现象,且较容易制备, 是新型栅介质材料的理想结构。 3 高k 材料的选择 最有希望取代SiO2 栅介质的高k 材料主要有两大类: 氮化物和金属氧化物. 3.1 氮化物 氮化物主要包括Si3N4, SiON 等.Si3N4 介电常数比SiO2 高, 作栅介质时漏电流比SiO2 小几个数量级, Si3N4 和Si 的界面状态良好, 不存在过渡层.但Si3N4 具有难以克服的硬度和脆性, 在硅基片上的界面态密度为1.2×1012eV- 1cm- 2, 因此Si3N4 并非理想的栅介质材料.超薄SiOxNy 可代替SiO2 作为栅介质, 这主要是由于SiOxNy 的介电常数比SiO2 要高, 在相同的 等效栅氧化层厚度下, SiOxNy 的物理厚度大于SiO2, 漏电流有所降低.在SiO2- Si 界面附近含有少量的氮, 这可以降低由热电子引起的界面退化, 而且氮可以阻挡硼的扩散. 东芝
微波介质陶瓷的介电特性数值计算
HUAZHONG UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Wuhan 430074, Hubei, P. R. China 中国·武汉 Tel(027)
《计算材料学》课程设计
指导老师：江建军
教授
电子科学与技术系 2004 年 6 月
电子 0102B3 组
1
HUAZHONG UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Wuhan 430074, Hubei, P. R. China 中国·武汉 Tel(027)
微波介质陶瓷的介电特性数值计算
万文涛 洪毅 黄文佳 陈婷 杨伟伟 王旭曦 袁大双 黄钏 饶伟 贺策林 李树平 （华中科技大学电子科学与技术系，武汉 430074）
摘要：对于微波介质陶瓷,建立数学模型,
讨论了介电常数与组分，温度，频率的关系。对于组分，重
点讨论运用蒙特卡罗有限元法计算出波介质陶瓷的宏观介电常数 ε m ，结果显示由二维模型和三维模型计 算得出的介电常数 ε m 大小位于串并联模型之间,而且由二维模型计算得出的介电常数 ε m 比由三维模型得 出的结果小，因为实际的一个由两相构成的微波介质陶瓷的相都是以三维形式分布的,所以由三维模型计 算出的介电常数 ε m 比用二维计算的结果要精确；对于频率，介电常数随它的变化不明显；由于温度的变 化灰引起结构以及组成物质的相的变化，只讨论了BaTiO3一类MWDC和温度的变化关系。
关键词：微波介质陶瓷；蒙特卡罗有限元法；介电常数；二相化合物
Dielectric Properties Culculated of MicroWave Dielectric Ceremoes(MWDC) ( Department of Electronics Science & Technology,Huazhong university,Wuhan 430074,China)
Abstract: As to the MicroWave Dielectric Ceremoes, the mathematics model is established,and the relations between dielectric constant and many factors is discussed,such as component,temperature and frequency.In the aspect of component, great importance is taken to using monte carlo and finite element method to culculate the macro dielectric constant of MWDC 。 The results are displayed in curves ,which use two-dimension and three-dimension models and are manifested between the results of serial model and parallel
model.Furthermore,the values which are simulated in two-dimension model are smaller than the ones in three-dimension,for the two-phase MWDC are distributed in three dimensions actually.So it’s preciser to use the three-dimemsion model.In the frequency of microwave,the dielectric constant doesn’t vary obviously.Besides, the changes of temperature can lead to the varieties of the construction and phases of materials,so we only discuss the changes with temperature of BaTiO3。 Keywords:MWDC,Monte Carlo method,finite element method,two-phased materies
电子 0102B3 组
2
最新9微波基础知识及测介电常数汇总
9微波基础知识及测 介电常数
实验五微波实验 微波技术是近代发展起来的一门尖端科学技术，它不仅在通讯、原子能技术、空间技术、量子电子学以及农业生产等方面有着广泛的应用，在科学研究中也是一种重要的观测手段，微波的研究方法和测试设备都与无线电波的不同。从图1可以看出，微波的频率范围是处于光波和广播电视所采用的无线电波之间，因此它兼有两者的性质，却又区别于两者。与无线电波相比，微波有下述几个主要特点 图1 电磁波的分类 1．波长短(1m —1mm)：具有直线传播的特性，利用这个特点，就能在微波波段制成方向性极好的天线系统，也可以收到地面和宇宙空间各种物体反射回来的微弱信号，从而 确定物体的方位和距离，为雷达定位、导航等领域提供了广阔的应用。 2．频率高：微波的电磁振荡周期(10-9一10-12s)很短，已经和电子管中电子在电极间的飞越时间(约10-9s)可以比拟，甚至还小，因此普通电子管不能再用作微波器件(振荡器、放大器和检波器)中，而必须采用原理完全不同的微波电子管(速调管、磁控管和行波管等)、微波固体器件和量子器件来代替。另外，微波传输线、微波元件和微波测量设备的线度与波长具有相近的数量级，在导体中传播时趋肤效应和辐射变得十分严重，一般无线电元件如电阻，电容，电感等元件都不再适用，也必须用原理完全不同的微波元件(波导管、波导元件、谐振腔等)来代替。
3．微波在研究方法上不像无线电那样去研究电路中的电压和电流，而是研究微波系统中的电磁场，以波长、功率、驻波系数等作为基本测量参量。 4．量子特性：在微波波段，电磁波每个量子的能量范围大约是10-6～10-3eV ，而许多原子和分子发射和吸收的电磁波的波长也正好处在微波波段内。人们利用这一特点来研究分子和原子的结构，发展了微波波谱学和量子电子学等尖端学科，并研制了低噪音的量子放大器和准确的分子钟，原子钟。(北京大华无线电仪器厂) 5．能穿透电离层：微波可以畅通无阻地穿越地球上空的电离层，为卫星通讯，宇宙通讯和射电天文学的研究和发展提供了广阔的前途。 综上所述微波具有自己的特点，不论在处理问题时运用的概念和方法上，还是在实际应用的微波系统的原理和结构上，都与普通无线电不同。微波实验是近代物理实验的重要组成部分。 实 验 目 的 1. 学习微波的基本知识； 2. 了解微波在波导中传播的特点，掌握微波基本测量技术； 3. 学习用微波作为观测手段来研究物理现象。 微波基本知识 一、电磁波的基本关系 描写电磁场的基本方程是： ρ=??D ， 0=??B
11.3 材料微波介电常数和磁导率测量
实验11.3 材料微波介电常数和磁导率测量 一、引言 隐身技术是通过控制、降低目标的可探测信号特征，使其不易被微波、红外、可见光、声波等各种探测设备发现、跟踪、定位的综合技术。其中，微波隐身（或称雷达波隐身）的研究早在20世纪30年代就开始了。现在已发展成集形状隐身、材料隐身等一体的高度复杂的技术，并已应用到导弹、飞机、舰船、装甲车辆、重要军事设施等许多武器装备上。 雷达隐身技术中，最简单的一种是涂覆型隐身技术。它是将吸波材料直接以一定的厚度涂覆在外壳以降低对微波的反射，减小雷达探测截面，提高隐身能力。而材料的微波介电常数和导弹磁率与吸波性能有关，本实验用开关短路法对其进行测量。 二、实验目的 1. 了解和掌握微波开路和短路的含意和实现方法。 2. 掌握材料微波介电常数和磁导率的原理和方法。 3. 了解微波测试系统元部件的作用。 三、实验原理 对于涂覆在金属平板（假定其为理想导体，下同）表面的单层吸波材料，空气与涂层界面处的输入阻抗为 ()d Z Z γεμγ γ th 0 = 其中Ω== 3770 0εμZ 是自由空间波阻抗，γ是电磁波在涂层中的传播常数，d 是吸收波涂层厚度，μγ，εγ分别为涂层的相对磁导率和相对介电常数。 当电磁波由空气向涂层垂直入射时，在界面上的反射系数为： Z Z Z Z Γ+-= 以分贝（dB ）表示的功率反射率为： R =20lg|Γ|
对多层涂覆，电磁波垂直入射到第n 层时，其输入阻抗为： ()() n n n n n n n n n n d Z d Z Z γηγηηth th 11--++= 其中，()()n n n n n εεμμη''-'''-'= j j 是第n 层的特征阻抗， ()()n n n n n c εεμμω γ''-'''-'=j j j 是第n 层的传播常数，d n 为第n 层的厚度，Z n -1为第n -1层入射面的输入阻抗。 理想导体平面的输入阻抗为0，最外层的输入阻抗可以通过迭代法得出，从而由前述公式得到反射率。 图1 一种基于测量线的波导测量装置 图2 传输线模型 由此可见，无论是单层涂覆还是多层涂覆，测出各层材料的复介电常数εr 和复磁导率μr ，及其余频率的关系是设计隐身涂层的关键。
High-K和Low-K电介质材料
High-K和Low-K电介质材料 不同电介质的介电常数k 相差很大，真空的k 值为1，在所有材料中最低；空气的k值为1.0006；橡胶的k值为2.5～3.5；纯净水的k值为81。工程上根据k值的不同，把电介质分为高k(high-k)电介质和低k(low-k)电介质两类。介电常数k ＞3.9 时，判定为high-k；而k≤3.9时则为low-k。IBM将low-k标准规定为k≤2.8，目前业界大多以2.8作为low-k电介质的k 值上限。 一、High-K电介质材料 随着集成电路的飞速发展，SiO2作为传统的栅介质将不能满足MOSFET，器件高集成度的要求，需要一种新型High-k材料来代替传统的SiO2。[1]所谓High-K电介质材料，是一种可取代二氧化硅作为栅介质的材料。它具备良好的绝缘属性，同时可在栅和硅底层通道之间产生较高的场效应（即高-K）。两者都是高性能晶体管的理想属性。 High-K电介质材料应满足的要求：：(1) 高介电常数,≤50 nm CMOS 器件要求k >20；(2)与Si 有良好的热稳定性；(3)始终是非晶态，以减少泄漏电流； (4)有大的带隙和高的势垒高度，以降低隧穿电流；(5) 低缺陷态密度/ 固定电荷密度，以抑制器件表面迁移率退化。[2] 最有希望取代SiO2栅介质的高K材料主要有两大类：氮化物和金属氧化物。 1.氮化物 氮化物主要包括Si3N4，SiON等。Si3N4介电常数比SiO2高，作栅介质时漏电流比SiO2小几个数量级，Si3N4和Si的界面状态良好，不存在过渡层。但Si3N4具有难以克服的硬度和脆性，因此Si3N4并非理想的栅介质材料。 超薄SiOxNy可代替SiO2作为栅介质，这主要是由于SiOxNy的介电常数比SiO2要高，在相同的等效栅氧化层厚度下，SiOxNy的物理厚度大于SiO2，漏电流有所降低。在SiO2-Si界面附近含有少量的氮，这可以降低由热电子引起的界面退化，而且氮可以阻挡硼的扩散。东芝公司2004年采用SiO2作为栅介质，多晶硅为栅极，试制成功等效氧化层厚度（EOT）为1nm的符合22nm工艺要求的
高k材料用作纳米级MOS晶体管栅介质薄层下-微纳电子技术
“半导体技术”2008年第二期趋势与展望 93－高k材料用作纳米级MOS晶体管栅介质薄层（下） 翁妍，汪辉98－塑封微电子器件失效机理研究进展 李新，周毅，孙承松102－光电光窗的封接技术 李成涛，沈卓身技术专栏（新型半导体材料） 106－(Bi3.7Dy0.3)(Ti2.8V0.2)O12铁电薄膜的制备 及退火影响唐俊雄, 唐明华, 杨锋, 等109－掺Al富Si/SiO2薄膜制备及紫外发光特性研究 王国立, 郭亨群113－氧分压对锰掺杂氧化锌结构及吸收性能的影响 杨兵初, 张丽, 马学龙, 等117－升级冶金级Si衬底上ECR-PECVD沉积 多晶Si薄膜崔洪涛, 吴爱民, 秦福文, 等121－用XPS法研究SiO2/4H-SiC界面的组成 赵亮, 王德君, 马继开, 等126－Al在生长InGaN材料中的表面活化效应 袁凤坡, 尹甲运, 刘波, 等器件制造与应用 129－4H-SiC MESFET直流I-V特性解析模型 任学峰, 杨银堂, 贾护军133－6H-和4H-SiC功率VDMOS的比较与分析 张娟, 柴常春, 杨银堂, 等137－智能LED节能照明系统的设计赵玲, 朱安庆141－InP基谐振隧穿二极管的研究 李亚丽，张雄文，冯震，等144－氧化硅在改善双极型晶体管特性上的作用 王友彬，汪辉工艺技术与材料 147－低温退火制备Ti/4H-SiC欧姆接触 陈素华, 王海波, 赵亮, 等151－精密掩模清洗及保护膜安装工艺赵延峰封装、测试与设备 155－测量计算金属－半导体接触电阻率的方法 李鸿渐，石瑛160－热超声倒装过程中的建模和多参量仿真 李丽敏，吴运新，隆志力集成电路设计与开发 164－微波宽带单片集成电路二分频器的 设计与实现陈凤霞，默立冬，吴思汉167－基于分组网络结构NOC的蚁群路由算法 陈青, 郝跃, 蔡觉平171－基于ARM＋FPGA的大屏幕显示器 控制系统设计陈炳权176－新型异步树型仲裁器设计 徐阳扬，周端，杨银堂，等179－一种用于高速ADC的采样保持电路的设计 林佳明，戴庆元，谢詹奇，等技术产品专栏 183－飞思卡尔升级高品质车用i.MX应用处理器产业新闻 184－综合新闻
ZST介电陶瓷的研究
ZST介电陶瓷的研究 摘要：本文以高纯度ZrO2、TiO2、SnO2为主要原料，采用固相合成法获得（Zr0.8Sn0.2）TiO4粉体；然后用传统工艺制备（Zr0.8Sn0.2）TiO4体系陶瓷。同时，研究了NiO 添加剂量分别为0.2wt%和0.4wt%时，ZnO不同加入量对（Zr0.8Sn0.2）TiO4体系介电陶瓷性能的影响。XRD结果表明，掺杂ZnO和NiO的（Zr0.8Sn0.2）TiO4材料，在1180 ℃保温6 h，可以得到单相的ZrTiO4晶体。随着ZnO含量的增加，陶瓷的致密度提高，介电常数升高，介质损耗降低，而随着ZnO含量的继续增加，陶瓷的介电常数反而下降和介质损耗上升。当NiO的加入量为0.4wt%，ZnO的加入量为0.6wt%时，陶瓷的介电常数最大：εmax= 39.185，介质损耗最小：tanδ=1.50×10-4。 关键词：ZST；ZnO；介电陶瓷；性能；研究 1 引言 （Zr1-xSnx）TiO4是由Sn添加到ZrTiO4中形成的固溶体[1]，其晶体结构与ZrTiO4相同，掺杂的Sn4+取代了Zr4+的位置。三种阳离子Sn4+、Zr4+和Ti4+随机分布在空间群Pbcn 的4c2位置上。由于这三种阳离子半径相差较大（Sn4+、Zr4+、Ti4+半径分别为0.069 nm、0.072 nm、0.061 nm），氧八面体
有很大的变形，可以有效地抑制其相转变，从而获得了性能较稳定的结构。同时氧八面体空隙中分布的Ti4+、Zr4+使系统具有了较高的介电常数，而Sn4+的引入可以调整Q值。 介电常数是衡量电介质储存电荷能力的参数。电介质材料在没有外场的作用下，其正负电荷的中心通常是重合的，对外也不呈现出极性，在外场作用下，正负中心离开平衡位置，发生相对位移，电荷中心不再重合，形成感生偶极矩，这个过程称为电介质极化。陶瓷介质在电导和极化过程中伴有能量损耗，一部分电场能化为热能，单位时间消耗的能量称为介质损耗。它对化学组分、相结构、相组成等因素很敏感。引起介电陶瓷的损耗机制包括本征损耗、非本征损耗两种机制。本征损耗是由于电介质材料内部的原子、离子或电子的本身振动所引起的损耗，它与材料内部的分子种类、分子结构有关。非本征损耗主要是由晶体中的缺陷、相界、粒界及成分偏析等造成的，可以通过调整陶瓷制备工艺降低材料的非本征损耗。介电常数和介质损耗是衡量介电陶瓷主要的两个性能指标，气孔、玻璃相的含量等是影响性能的主要因素。本文通过掺杂NiO和ZnO，分别考察不同掺杂量对陶瓷的性能和结构的影响。 2 实验内容 2.1 （Zr0.8Sn0.2）TiO4陶瓷的制备 （Zr0.8Sn0.2）TiO4陶瓷的制备工艺流程示意图如图1
材料的介电常数和磁导率的测量
无机材料的介电常数及磁导率的测定 一、实验目的 1. 掌握无机材料介电常数及磁导率的测试原理及测试方法。 2. 学会使用Agilent4991A 射频阻抗分析仪的各种功能及操作方法。 3. 分析影响介电常数和磁导率的的因素。 二、实验原理 1.介电性能 介电材料（又称电介质）是一类具有电极化能力的功能材料，它是以正负电荷重心不重合的电极化方式来传递和储存电的作用。极化指在外加电场作用下，构成电介质材料的内部微观粒子，如原子，离子和分子这些微观粒子的正负电荷中心发生分离，并沿着外部电场的方向在一定的范围内做短距离移动，从而形成偶极子的过程。极化现象和频率密切相关，在特定的的频率范围主要有四种极化机制：电子极化 (electronic polarization ，1015Hz)，离子极化 (ionic polarization ，1012～1013Hz)，转向极化 (orientation polarization ，1011～1012Hz)和空间电荷极化 (space charge polarization ，103Hz)。这些极化的基本形式又分为位移极化和松弛极化，位移极化是弹性的，不需要消耗时间，也无能量消耗，如电子位移极化和离子位移极化。而松弛极化与质点的热运动密切相关，极化的建立需要消耗一定的时间，也通常伴随有能量的消耗，如电子松弛极化和离子松弛极化。 相对介电常数（ε），简称为介电常数，是表征电介质材料介电性能的最重要的基本参数，它反映了电介质材料在电场作用下的极化程度。ε的数值等于以该材料为介质所作的电容器的电容量与以真空为介质所作的同样形状的电容器的电容量之比值。表达式如下： A Cd C C ?==001εε （1） 式中C 为含有电介质材料的电容器的电容量；C 0为相同情况下真空电容器的电容量；A 为电极极板面积；d 为电极间距离；ε0为真空介电常数，等于8.85×10-12 F/m 。 另外一个表征材料的介电性能的重要参数是介电损耗，一般用损耗角的正切（tanδ）表示。它是指材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应
高k材料(精品文档)
高k栅介质材料研究 黄玲10092120107 摘要 在传统的MOSFET中，栅介质材料大部分采用二氧化硅，因为SiO2具有良好的绝缘性能及稳定的二氧化硅—硅衬底界面。然而对于纳米线宽的集成电路，需要高介电常数（高k）的栅极介质材料代替二氧化硅以保持优良的漏电性能。这些栅极候选材料必须有较高的介电常数，合适的禁带宽度，与硅衬底间有良好界面和高热稳定性。此外，其制备加工技术最好能与现行的硅集成电路工艺相兼容。 关键字：高介电常数；MOSFET； 1.引言 过去的几十年中，SiO2容易在硅表面氧化生长，工艺简，单热稳定性好，作为栅介质材料，是一种非常重要的绝缘材料。但随着集成电路规模的不断增大，需要减小器件的特征尺寸。对于给定的电压，增加电容量有两种途径:一种是减小栅绝缘层的厚度，一种是增加绝缘层的介电常数。对于SiO2来说，由于其介电常数较小，只有3. 9 ，当超大规模集成电路的特征尺寸小于0. 1μm时，SiO2绝缘层的厚度必须小于2nm ，这时，无法控制漏电流密度。而且，当SiO2薄膜的厚度小于7nm 时，很难控制这么薄SiO2薄膜的针孔密度。另外SiO2难以扩散一些电极掺杂物，比如硼。薄氧化层带来的另一个问题是，因为反型层量子化和多晶硅栅耗尽效应的存在，使等效电容减小，导致跨导下降。因此，有必要研究一种高介质材料（又叫高- k 材料）来代替传统的SiO2。 2.1传统晶体管结构的瓶颈及转变方向 进入21 世纪以来集成电路线宽进一步缩小，SiO2栅介质层厚度成为首个进入原子尺度的关键参数，由公式 C=ε *ε0* A/Tox， 为了保证CMOS 晶体管的功能特性，增大C，最直接的做法是降低二氧化硅的厚度Tox，然而当Tox很小时会产生以下问题: （1）漏电流增加，使MOSFET功耗增加。（2）杂质扩散更容易通过SiO2栅介质薄膜，从栅极扩散到衬底，影响MOSFET参数，如阈值电压（3）因为反型层量子化和多晶硅栅耗尽效应的存在，使等效电容减小，导致跨导下降。（4）当SiO2栅介质薄膜做到很薄时，难以控制SiO2薄膜的针孔密度。（5）制作如此薄的SiO2栅介质在工艺上很难做到。 于是，在不能再减小Tox的情况下，研究方向转为增大ε，由于SiO2介电常
低介电常数材料论文
低介电常数材料的特点、分类及应用 胡扬 摘要: 本文先介绍了低介电常数材料（Low k Materials）的特点、分类及其 在集成电路工艺中的应用。指出了应用低介电常数材料的必然性，举例说明了低介电常数材料依然是当前集成电路工艺研究的重要课题，并展望了其发展前景。正文部分综述了近年研究和开发的low k材料，如有机和无机低ｋ材料，掺氟低ｋ材料，多孔低ｋ材料以及纳米低ｋ材料等，评述了纳米尺度微电子器件对低k 薄膜材料的要求。最后特别的介绍了一种可能制造出目前最小介电常数材料的技术： Air-Gap。 关键词：低介电常数；聚合物；掺氟材料；多孔材料；纳米材 料 ;Air-Gap 1．引言 随着ULSI器件集成度的提高，纳米尺度器件内部金属连线的电阻和绝缘介质层的电容所形成的阻容造成的延时、串扰、功耗就成为限制器件性能的主要因素,微电子器件正经历着一场材料的重大变革：除用低电阻率金属（铜）替代铝，即用低介电常数材料取代普遍采用的SiO2（k：3.9～4.2）作介质层。对其工艺集成的研究，已成为半导体ULSI工艺的重要分支。 这些低ｋ材料必须需要具备以下性质：在电性能方面:要有低损耗和低泄漏电流；在机械性能方面:要有高附着力和高硬度;在化学性能方面:要有耐腐蚀和低吸水性；在热性能方面:要有高稳定性和低收缩性。 2．背景知识 低介电常数材料大致可以分为无机和有机聚合物两类。目前的研究认为，降低材料的介电常数主要有两种方法： 其一是降低材料自身的极性，包括降低材料中电子极化率（electronic polarizability），离子极化率（ionic polarizability）以及分子极化率（dipolar polarizability）。在分子极性降低的研究中，人们发现单位体积中的分子密度对降低材料的介电常数起着重要作用。材料分子密度的降低有助于介电常数的降低。这就是第二种降低介电常数的方法：增加材料中的空隙密度，从而降低材料的分子密度。 针对降低材料自身极性的方法，目前在0.18mm技术工艺中广泛采用在二氧化硅中掺杂氟元素形成FSG（氟掺杂的氧化硅）来降低材料的介电常数。氟是具有强负电性的元素，当其掺杂到二氧化硅中后，可以降低材料中的电子与离子极化，
LTCC微波介电陶瓷知识介绍
概念： LTCC低温共烧陶瓷技术是于1982年由休斯公司开发的新型材料技术，它采用厚膜材料，根据预先设计的结构，将电极材料、基板、电子器件等一次性烧成，是一种用于实现高集成度、高性能电路封装技术，普遍应用于多层芯片电路模块化设计中。 工艺流程： 从国内外技术的应用领域来看,主要应用于以下几个方面： 一、高频无线通讯领域：基于材料具有优异的高频性能，同时还具有低成本、高集成度等特点 二、航空、航天工业领域，例如，美国的空间系统制造公司，为满足通讯卫星上控制电路。产线宽，每层个以上通孔的一组件的电路要求，选用了杜邦公司的材料技术。 三、存储器、驱动器、滤波器、传感器等电子元器件领域可以通过埋植内电容、内电感等形成三维结构，缩小电路体积，提高电性能。日本太阳诱电公司采用插人应力释放层的方法，研制出了。规格的片式叠层组合元件。 以LTCC技术制造片式滤波器,陶瓷材料应具备以下几个要求： ①烧结温度应低于950℃ ②介电常数和介电损耗适当，一般要求值越大越好，谐振频率的温度系数应小 ③陶瓷与内电极材料等无界面反应，扩散小，相互之间共烧要匹配 ④粉体特性应利于浆料配制和流延成型等。 3.2L TCC技术的主要优点 LTCC技术除了在成本和集成封装方面的优势外，在布线线宽和线间距、低 阻抗金属化、设计的多样性、器件可靠性及优良的高频性能等方面都具备许多其 它基板技术所没有的优点 (1)LTCC技术结合了共烧技术和厚膜技术的优点，减少了昂贵、重复的烧结过程，所有电路被叠层热压并一次烧结，印制精度高，多层基板生瓷带可进行逐步检查，方便灵活，有利于生产效率的提高，降低了成本。 (2)LTCC技术可使每一层电路单独设计而不需要很高成本，能使多种电路封装在同一多层结构中，可集成数字、模拟、射频、微波及内埋置无源元件，降低了组装复杂程度。由于使用嵌入元件而不是线路板上的表面贴装元件，模块尺寸减小20%~40%，系统成本更低。采用LTCC工艺可实现无源器件的高度集成，减少了表面安装元件的数量，提高了布线密度，减少了引线连接与焊点的数目，提高了电路的可靠性。
高介电常数微波介质陶瓷的研制及其同轴型滤波器的仿真
第16卷第4期功能材料与器件学报 V o l 16,N o 42010年8月 J OURNA L O F FUNCT IONA L M ATER I ALS AND DEV ICES Aug .,2010 文章编号:1007-4252(2010)04-0299-06 收稿日期:2009-03-28; 修订日期:2009-11-03 作者简介:罗春娅(1979-),女,湖北宜昌人,讲师,硕士研究生,主要研究方向:微波介质器件(E -m a i:l l uo-chunya @hgnu .edu .cn). 通讯作者:胡明哲(1974-),男,湖北武汉人,副教授,博士,主要研究方向:微波材料与器件(E -ma i:l m zhu74@hubu .edu .cn). 高介电常数微波介质陶瓷的研制及其同轴型滤波器的仿真 罗春娅1 ,黎慧2 ,顾豪爽1 ,马智超1 ,胡明哲 1 (1.湖北大学物理与电子技术学院,武汉430062;2.广东省东莞市质量技术监督局,东莞523120) 摘要:本文研制了一种由双镧系元素组成的Ba O-Ln 2O 3-T i O 2(BLT )系高介电常数、低损耗材料, 并以该材料为基础,设计并研究了其独石型同轴滤波器。滤波器采用新颖的凹槽式电感耦合和一端金属面短路的 /4结构。利用HFSS 高频仿真软件对该滤波器的传输特性进行了仿真,表明其具有中心频率为1.83GH z 、带宽43MH z 、插入损耗小于0.5dB 、带内纹波为1.5dB 的优异的通带特性。关键词:BLT 系微波介质材料;同轴型带通滤波器;耦合结构;H FSS 仿真中图分类号:F16.6 文献标识码:A H igh dielectric constantm icro wave dielectric cera m ics sim ulation and research of coaxial filter L UO Chun ya 1 ,LI H u i 2 ,GU H ao shuang 1 ,MA Zh i chao 1 ,HU M ing zhe 1 (1.Faculty of Physics and E lectronic Technology ,H ubeiUniversity ,W uhan 430062,Ch i n a ;2.Bureau o f Quality and Techno l o gy Super v isi o n o fDongguan C ity i n Guangdong Prov i n ce ,Dongguan 523120,Chi n a)Abst ract :A ne w k i n d o f h i g h dielectric constan,t l o w die lectric l o ss m icr ow ave cera m icsw as syn t h esized based on B a O-Ln 2O 3-T i O 2(BLT)syste m,where Ln represents double Lansile m ele m ents .Em ploy ing the ne w m ateria,l a coax ial m onoblock m icro w ave filter w as designed and i n vesti g ated .The filter m ade The resonators are coup led w ith a nove l str ucture and the length w as /4,one end w as short circu i.t H F SS so ft w are w as used to si m ulate the properties o f t h e band-pass filter and resu lts sho w ed t h at the coax i a l filter possessed an excellent band pass properti e sw ith its center frequency at 1.83GH z ,t h e band w idth o f 43MH z ,the i n sertion l o ss o f less than 0.5dB and the band pass ripple o f being 1.5dB .K ey w ords :BLT m icro w ave die lectric m a teria;l coax ial band-pass filter ;coup ling str ucture ;HFSS si m u lation 0 前言 随着目前移动通讯技术的迅猛发展,微波介质 滤波器不断小型化的趋势对介电材料的介电常数、介电损耗和温度稳定性都提出了越来越严格的要
材料复介电常数测量的方法
万方数据
材料复介电常数测量的方法 作者：杜婵 作者单位：华中师范大学物理科学与技术学院,湖北武汉,430079 刊名： 科技风 英文刊名：TECHNOLOGY WIND 年，卷(期)：2008(5) 本文读者也读过(9条) 1.魏玮介电常数的实地测量方法研究[学位论文]2006 2.黄铭.彭金辉.张世敏.张利波.夏洪应.杨晶晶材料介电常数的测量方法及应用[会议论文]-2005 3.曹玉婷.张安祺.尹秋艳.Cao Yuting.Zhang Anqi.Yin Qiuyan基于Matlab的介电常数测量[期刊论文]-舰船电子工程2008,28(4) 4.马国田.梁昌洪.MA Guotian.LIANG Changhong分层媒质复介电常数测量的一种方法[期刊论文]-微波学报2000,16(2) 5.王秀丽.陈彦.贾明全.刘丽娜.郑伟.四郎.Wang Xiuli.Chen Yan.Jia Mingquan.Liu Lina.Zheng Wei.Si Lang 介电常数的实地测量装置的研制[期刊论文]-电子测量技术2010(9) 6.陈维.姚熹.魏晓勇.CHEN Wei.YAO Xi.WEI Xiao-yong同轴传输反射法测量高损耗材料微波介电常数[期刊论文]-功能材料2005,36(9) 7.桂勇锋毫米波段低损耗平面和非平面材料复介电常数测量研究[学位论文]2009 8.李钰.李云宝.童明强电介质介电常数的测量及其不确定度的评定[会议论文]-2009 9.吴昌英.丁君.韦高.许家栋.WU Chang-ying.DING Jun.WEI Gao.XU Jia-dong一种微波介质谐振器介电常数测量方法[期刊论文]-测控技术2008,27(6) 本文链接：https://www.360docs.net/doc/a619018050.html,/Periodical_kjf200805017.aspx
微波基础知识及测介电常数
实验五微波实验 微波技术是近代发展起来的一门尖端科学技术，它不仅在通讯、原子能技术、空间技术、量子电子学以及农业生产等方面有着广泛的应用，在科学研究中也是一种重要的观测手段，微波的研究方法和测试设备都与无线电波的不同。从图1可以看出，微波的频率范围是处于光波和广播电视所采用的无线电波之间，因此它兼有两者的性质，却又区别于两者。与无线电波相比，微波有下述几个主要特点 图1 电磁波的分类 1．波长短(1m—1mm)：具有直线传播的特性，利用这个特点，就能在微波波段制成 方向性极好的天线系统，也可以收到地面和宇宙空间各种物体反射回来的微弱信号，从而 确定物体的方位和距离，为雷达定位、导航等领域提供了广阔的应用。 2．频率高：微波的电磁振荡周期(10-9一10-12s)很短，已经和电子管中电子在电极间的飞越时间(约10-9s)可以比拟，甚至还小，因此普通电子管不能再用作微波器件(振荡器、放大器和检波器)中，而必须采用原理完全不同的微波电子管(速调管、磁控管和行波管等)、微波固体器件和量子器件来代替。另外，微波传输线、微波元件和微波测量设备的线度与波长具有相近的数量级，在导体中传播时趋肤效应和辐射变得十分严重，一般无线电元件如电阻，电容，电感等元件都不再适用，也必须用原理完全不同的微波元件(波导管、波导元件、谐振腔等)来代替。 3．微波在研究方法上不像无线电那样去研究电路中的电压和电流，而是研究微波系统中的电磁场，以波长、功率、驻波系数等作为基本测量参量。 4．量子特性：在微波波段，电磁波每个量子的能量范围大约是10-6～10-3eV，而许多原子和分子发射和吸收的电磁波的波长也正好处在微波波段内。人们利用这一特点来研究分子和原子的结构，发展了微波波谱学和量子电子学等尖端学科，并研制了低噪音的量子放大器和准确的分子钟，原子钟。(北京大华无线电仪器厂) 5．能穿透电离层：微波可以畅通无阻地穿越地球上空的电离层，为卫星通讯，宇宙通讯和射电天文学的研究和发展提供了广阔的前途。 综上所述微波具有自己的特点，不论在处理问题时运用的概念和方法上，还是在实际应用的微波系统的原理和结构上，都与普通无线电不同。微波实验是近代物理实验的重要组成部分。 实验目的 1.学习微波的基本知识； 2.了解微波在波导中传播的特点，掌握微波基本测量技术； 3.学习用微波作为观测手段来研究物理现象。 微波基本知识 一、电磁波的基本关系 描写电磁场的基本方程是：
常见物质介电常数汇总
Sir-20说明书普通材料的介电值和术语集材料介电值速度毫米/纳秒空气 1 300 水淡81 33 水咸81 33 极地雪 1.4 - 3 194 - 252 极地冰 3 - 3.15 168 温带冰 3.2 167 纯冰 3.2 167 淡水湖冰 4 150 海冰 2.5 - 8 78 - 157 永冻土 1 - 8 106 - 300 沿岸砂干燥10 95 砂干燥 3 - 6 120 - 170 砂湿的25 - 30 55 - 60 粉沙湿的10 95 粘土湿8 - 15 86 - 110 粘土土壤干 3 173 沼泽12 86 农业耕地15 77 畜牧土地13 83 土壤平均16 75 花岗岩 5 - 8 106 - 120 石灰岩7 - 9 100 - 113 白云岩 6.8 - 8 106 - 115 玄武岩湿8 106 泥岩湿7 113 砂岩湿 6 112 煤 4 - 5 134 - 150 石英 4.3 145 混凝土 6 - 8 55 - 112 沥青 3 - 5 134 - 173 聚氯乙烯pvc 3 173
常见物质的相对介电常数值和电磁波传播速度(RIS-K2说明书)
------------------《探地雷达方法与应用》（李大心）
2007第二期勘察科学与技术
电磁波在部分常见介质中的传播参数 （The propagation parameters of the electromagnetic wave in the medium） 地球表面大部分无水的物质(如干燥的土壤和岩石等)的介电常数，实部一般介于1.7-6之间，水的介电常数一般为81，虚部很小，一般可以忽略不计。岩石和土壤的介电常数与其含水量几乎呈线形关系增长，且与水的介电常数特性相同。所以天然材料的电学特性的变化，一般都是由于含水量的变化所致。对于岩石和土壤含水量和介电常数的关系国内外进行了详细研究(P.Hoekstra, 1974; J.E.Hipp,1 974;J .L.Davis,1 976;G A.Poe,1 971;J .R.Wang,1 977;E .G.巧okue tal ,1 977)。在实验室内大量测量了不同粒度的土壤一水混合物介电常数，考虑到束缚水和游离水，提出了经验土壤介电常数混合模型(J.R.Wang, 1985)。实验室内用开路探头技术和自由空间天线技术测量干燥岩石的介电常数(F.TUlaby, 1990)。国内肖金凯等人(1984, 1988)测量了大量的岩石和土壤的介电常数，王湘云、郭华东(1999)研究了三大岩类中所含的矿物对其介电常数的影响。研究表明，土壤中
微波范围金属介电常数和磁导率的获取
微波范围金属粉末有效介电常数和磁 导率的获取 摘要 在本文中，微波范围内金属与绝缘体混合物的有效电介电常数和磁导率的获取来源与电磁全3维仿真数据。其中使用的数值分析方法的边界条件是有限的集成技术。模拟混合物有周期性扩展方向并垂直与平面波方向。因此，它足以分析单元元素以提取有效的电磁特性。使用这个程序，用2.45 GHz的微波频率辐射模拟细铜粉的行为。这样，就可以研究粒子大小与混合物有效属性的关系了。通过引入薄铜氧化物或导电层，在烧结的早期阶段可以模拟金属粉末压块的有效属性。因此，本文力求通过对比散装金属材料，提高对导电材料的微波吸收机理的认识。 在过去的几十年里，科学界和工业界早就有了微波烧结陶瓷粉末的技术[1]。与传统加热方法相比，微波加热允许对材料进行整个体积的加热，从而节省时间和减少能源消耗。此外，高频加热金属碳化物是一种微波加热与传统加热相结合的方法，可加速微波吸收少的材料的加热过程，如大多数氧化物和氮化物。快速、可控加热方法和细粉的使用促成较小的晶粒尺寸和更均匀的晶粒尺寸分布，提高了烧结材料的力学性能。 最近，微波加热已成为金属粉末加工的一个强大工具。据报道1999年罗伊等人[2]报道，多孔金属粉末压块缩受到微波辐射电场或磁场会被加热，然而众所周知，微波不能穿透大部分金属以外的皮肤深度，因此不能在微波炉里深热金属。罗伊的结果表明，多孔金属粉末压块材料的有效介电和有效磁损失，对应于多空金属压块的有效介电常数和有效磁导率。 有很多实验研究微波加热金属粉末。在马等最近工作中[3]在磁场或电场单模腔中微波加热的铜粉（TE102），已经结合起来研究金属压块的电磁属性。论及用高频加热的预烧结阶段机理时，样品的电导率依赖性作为加热时间函数来衡量。 有两个重要的理论描述基于实验结果的金属粉末微波吸收机制。在罗等的工作中[4]——镍铁合金粉末的升温速率在理论上与功率吸收公式相关。Rybakov等[5]的论文描述了使用有效中介近似方法在近似薄氧化层金属粉末的微波吸收原理。 在本文中，我们研究利用有限的集成技术获得的金属粉末的电和磁特性（适合）[6]模拟。通过介绍了这些材料以及提取的混合物的有效参数的一个计算机模型，我们有机会认识金属粉末在千分尺规模微波吸收机制。计算机模拟是用先进