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（Zr_(0.8)，Sn_(0.2)）TiO_4微波介质陶瓷材料工艺及应用

作　者: 王卓斌
导　师: 杨传仁
学　校: 电子科技大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: ZST 固相反应烧结电磁波天线
分类号: TN821
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

介质谐振器作为微波系统中的谐振单元,与传统的金属谐振腔相比,具有体积小、质量轻等优点,广泛应用于微波系统中；随着介电常数的增大,谐振单元的体积还将进一步缩小,凯发高介电常数的介质谐振器可实现谐振单元与电路的集成化,并使得微波通信系统的体积大大缩小；所以对介质谐振器材料的开发具有现实意义。本文对(?)(Zr,Sn)TiO4(以下简称ZST)系微波介质陶瓷的工艺及应用进行了深入的研究,主要内容有：(1)对ZST系微波介质陶瓷材料的降温和改性研究。为了在低温下也能合成性能均优异的ZST微波陶瓷,本文添加了三种氧化剂(①ZnO+WO3；②ZnO+Bi2O3;③ZnO+La2O3+NiO),并比较分析了三种氧化剂加入ZST时的高频性能。(2)ZST微波陶瓷应用于介质谐振天线的研究。本文在自制的ZST介质谐振器的基础上设计了三款介质谐振器天线,其中两款是满足无线局域网IEEE802.11b(2.4～2.483GHz)协议的单频介质谐振天线,另外一款是针对无线局域网IEEE802.11g(2.4～2.483GHz；5.15～5.35GHz)协议的双频介质谐振天线。在ZST微波陶瓷材料的开发方面,本文的结论主要有以下三点：(1)通过复合添加La2O3和NiO,可以使烧结温度显著降低到1330℃,并改善了ZST陶瓷的致密度,但也增大了损耗；(2)通过添加Bi2O3,可以使烧结温度显著降低为1310℃,实现在低温炉中烧结,但是其频率温度漂移系数为12.39ppm/℃,与报道的ZST微波陶瓷近似于零的温度漂移系数存在一定差距,可以运用于对温度漂移系数不高的电路中；(3)通过添加WO3/ZnO,在1400℃的烧结温度点(升温速率3℃/min时,降温速率10℃/h),样品表现出良好的微波性能,在谐振频率约7.8GHz时,介电常数约38.2,Q.f值43300GHz(运用标准Q-f>40000GHz),频率温度漂移系数2ppm/℃(运用标准-10ppm/℃～10ppm/℃)。与传统固相法相比,虽然Q-f值还存在小的差距,但是使烧结温度降低了200℃,降低其工业生产成本。所以本论文中最佳配方为ZW025。在ZST材料应用方面,本文主要有以下两点结论：(1)微带线馈电的圆柱型介质谐振器天线的中心谐振频率2.42GHz,谐振点回波损耗41.39dB,相对带宽5.3%,绝对带宽130MHz,输入阻抗49.3Ω。(2)共面波导馈电的倒L型方形介质谐振器的中心谐振频率2.46GHz,谐振点回波损耗36.38dB,相对带宽为13.5%,绝对带宽为330MHz,输入阻抗49.85Ω。相比较而言,采用共面波导馈电倒L型天线可明显提高带宽,因此对其进行了实际的加工测试,测试结果中心谐振频率2.8GHz,回波损耗13.9dB,相对带宽为2.85%,谐振频率处天线效率60%,最大辐射增益3.25dB。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第一章引言  10-23
  1.1 微波介质陶瓷与微波通信  10-11
  1.2 介质谐振器材料的发展  11-14
  1.3 中介电常数类微波介质陶瓷  14-15
  1.4 (Zr,Sn)TiO_4系微波陶瓷  15-16
  1.5 微波介质材料的介电特征及影响因素  16-19
  1.6 介质谐振器在天线方向的应用概况  19-21
  1.7 本论文的主要目标和内容  21-23
第二章介质谐振器原理及测试方法  23-39
  2.1 介质谐振器理论  23-30
    2.1.1 介质谐振器基本原理  23-24
    2.1.2 矩型介质谐振器的特性  24-27
    2.1.3 圆柱型介质谐振器的特性  27-28
    2.1.4 介质谐振器与微带线的耦合  28-29
    2.1.5 介质谐振天线理论  29-30
  2.2 介质谐振器材料的制备工艺  30-34
  2.3 样品表征方法  34-38
    2.3.1 介电性能测试  34-36
    2.3.2 样品密度的测量方法  36-37
    2.3.3 XRD物相分析  37
    2.3.4 SEM表面形貌分析  37-38
  2.4 本章小结  38-39
第三章 ZST微波陶瓷材料的工艺研究  39-55
  3.1 La_2O_3/NiO/ZnO复合添加对ZST微波介质陶瓷性能影响  39-42
  3.2 Bi_2O_3/ZnO复合添加对ZST微波介质陶瓷性能影响  42-44
  3.3 WO_3/ZnO复合添加对ZST微波介质陶瓷性能影响  44-54
    3.3.1 配方选取  44
    3.3.2 预烧温度的确定  44-47
    3.3.3 烧结温度的确定  47-49
    3.3.4 降温速率对ZST陶瓷微波特性的影响  49-50
    3.3.5 不同配比的WO_3添加剂在1380℃烧结时的低频性能  50-51
    3.3.6 配方ZW025的XRD物相分析  51-52
    3.3.7 配方ZW025的显微形貌分析  52-53
    3.3.8 高频性能分析  53-54
  3.4 本章小结  54-55
第四章 ZST微波陶瓷材料的应用  55-74
  4.1 高频仿真软件  55-58
    4.1.1 高频仿真软件的介绍  55-56
    4.1.2 HFSS软件仿真介质谐振天线的步骤  56-57
    4.1.3 介质谐振天线的介绍  57-58
  4.2 微带线馈电的圆柱型介质天线设计  58-62
    4.2.1 微带线馈电的圆柱型介质天线设计  58-60
    4.2.2 耦合度对圆柱型介质谐振天线性能的影响  60-61
    4.2.3 圆柱型介质谐振天线的HFSS仿真结果  61-62
  4.3 共面波导馈电的倒L型介质天线设计  62-68
    4.3.1 共面波导参数的设计  64
    4.3.2 方形介质谐振器参数的设计  64-65
    4.3.3 金属贴片的参数设计  65-66
    4.3.4 天线的仿真结果分析  66-68
  4.4 双频介质谐振天线的设计  68-69
  4.5 天线的加工测试  69-73
    4.5.1 天线S_(11)参数的测试  70-71
    4.5.2 天线方向图、效率、增益的测试  71-73
  4.6 本章小结  73-74
第五章结论  74-75
致谢  75-76
参考文献  76-80
攻硕期间取得的研究成果  80

（Zr_(0.8)，Sn_(0.2)）TiO_4微波介质陶瓷材料工艺及应用

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