【doc】ZST微波陶瓷在介质振荡器上的应用研究

【doc】ZST微波陶瓷在介质振荡器上的应用研究 ZST微波陶瓷在介质振荡器上的应用研究 第28卷第6期 2006年12月 压电与声光 PIEZOEIECTE(:TRICS8AC(}UST()OPTICS V01.28NO.6 Dec.2O06 文章编号:1004—2474(2006)060683—03 ZST微波陶瓷在介质振荡器上的应用研究 吴坚强,付江盛,李燕荪,陈志雪 (【.景德镇陶瓷学院,江西景德镇333001;2泉州信通微波电子有限公司.福建泉州362000) 摘要:用传统固相法制备ZST(氧化锆鸣化锡氧化钛)系微波陶瓷,研究了ZST系微波陶瓷的组成对介电 性能的影响通过X一射线衍射(XRD)和HP8714ET网络仪对其晶体结构和微波介电性能进行研究,实验结 果明:少量掺BieO.的ZS’I,系陶瓷材料可把烧结温度降低至1260c,微波介电性能较好;掺入量大于2(质苗 分数)时,ZST系微波陶瓷在晶界偏析形成.rBi.Ti()新相,微波性能下降.用微波介电性能较好的ZST系陶瓷 制成的介质振荡器进行测试,其电性能满足设计要求. 关键词:介质振荡器ZST系微波陶瓷;低烧结温度 中图分类号:TQ174.75文献标识码:A TheStudyofApplicationofZSTMicrowaveDielectricCeramics UsedtoDielectricOscillation WUJianqiang,FUJiang-sheng.LIYan—sun.CHENZhi—xUe (1JingdezhenCeramicInstitute,Jingdezhen333001,China: 2.QuanzhouXingtongmicrowaveelectronicCo.I,TD,Quanzhou362000,ChinB) Abstract:ZSTsystemmicrowaveceramicswerepreparedbytraditionalceramicprocessintbipaper.The effectsofcompositionofZSTsystemmicrowaveceramicondielectricpropertieswerestudied.Thecrvstalstructure andmicrowavedielectricpropertiesofZS’I,systemmicrowaveceramicwere investigatedbyXRDandarlHP8714ET networkanalyzer.TheresultsshowedthatwithlessamountofBi2(),microwavepropertiesofZSTcer{4micscoul(t beimproved,andcouldlowerthesinteringtemperatt,reofceramicstOI260C,ThesecondaryphaseofBi?Ti2()7 weresegregatedalgrainboundarieswhenlheamountofBi2O.{additionwasmorethan2,andthemicrowaveprop ertiesofZSTceramicsweredecreased.l’heresuhsoftestingdielectricoscillat ionsamplesrevealedthattheirelectric propertiesmetdesigningdemands. Keywords:dielectricoscillator;ZSTsystemmicrowaveceramic;low~interi ngtemperature 介质振荡器已广泛用于通信系统,卫星通信系 统和电缆电视系统.近年来,介质振荡器因具有 相位噪声小和稳定性好的特点,已被用于军用通信 工程.这些装备除对器件电性能,外观质量和环境 条件的要求相当苛刻外,还对其提出低成本,易生产 的要求,这需要品质因数Q高,介电常数e适中,频 率温度系数Z’f小且低成本的谐振子.而获得低成 本器件的方法之一是减少谐振子成本及降低谐振子 烧结温度.本文着重研究了ZST系微波陶瓷的组 成对介电性能的影响.用X一射线衍射(XRD)结果 分析了掺B0.的ZST系陶瓷材料的物相组成,获 得低烧结温度的ZST系微波陶瓷,用掺入Bi的 ZST系微波陶瓷制作3500,5600MHz介质振荡 器,期望得到电性能满足设计要求的振荡器. l实验过程与方法 1.1实验原材料 实验原料如表1所示. 表1实验原料 1.2配方实验 1.2.1配方组成点实验 根据Wolfram和Gobel等人得L叶J的ZS’I,系统 的相图组成按-r(Zr())一38,58,(SnO2)一 9,26,(TiO.)=22,45V00进行实验.固 定训(ZnO)一l的添加量. 收稿日期:20060626 基金项目:2005年江西省教育厅基金资助项目 作者简介:吴坚强(1958),男,安徽休宁人,教授,学十.主要从事尤机非 金属材料及电子元器件教学与科研. 压电与声光 1.2.2添加物实验 本实验基本配方是在(ZrsSn.)Ti()中加入 叫(ZnO)一l并处于能形成固溶体的区域内,基本 配方在1l8O?,保温4h预烧合成.主要通过添 加不同质量分数的Bi()进行实验. 1.3实验工艺流程 1.3.1陶瓷材料制备 配料一振磨一烘干一预烧一振磨一烘干一加粘 合剂一成型一烧成一被银,烧银一备用. L.3.2谐振器制备 瓷料一成型一烧成一研磨一测量. 1.3.3实验仪器 LCR电容测量仪,CJs-2电容器介质损耗测量 仪,HP8714ET矢量网络分析仪. 2结果与讨论 2.1配方组成与性能的关系 配方组成的实验结果如图l所示.由图可看 出,,=30~42,Q一5000~8000,rf最好能达,2× lO/.C.这是因为高温下形成固熔体(Zr,Sn) Tit)4和ZrTiO4的rf一55×10/C,SnTi04的rf 具有较大的负值,可调节材料r.另外,该配方组成 的材料无载Q值较高.因此,材料组成在(Zr.s Sn)TiO附近是较好的组成点. sn022060” (a)岛与ZST关系(b)Q与ZST关系 ~TiO2 (c)ff与ZST关系 图1,,Q和rr与ZST的关系图 2.2添加物对性能的影响 Bi.().添加量对基础配方陶瓷介电性能的影响 实验结果如表2所示.配方33和35的XRD图 如图2所示.从表2知,在添加量小于29/6(质量分 数)时,随着Bi().添加量的增多,e,Q值和rr并没 有太大改变;在添加量大于2时,e迅速增大,Q 值急剧下降,这是因为少量Bi().产生的液相起到 了助烧作用,这一点从烧结温度的下降得到证实;当 添加量增至3时,由于BiH(0.096nm)半径比 Z一(0.072nm),Sn”(0.069nm),Ti (0.06lnm)大,不能完全固溶而出现了Bi={T在晶界 偏析的情况,形成了新相BiTi().新相Bi.Tiz0 的,为1lO,Q值低,这是其介电性能发生突变的原 因.由图2可知,Bi.().添加量为2时,主晶相为 ZrTiO,Bi.O.添加量为6时,主晶相为ZrTiO, 还有少量Bi.Ti07新相. 表2BiO.添加量实验结果 配方添加剂烧成温度Q 号加入量//C(7GHz) 0(Lro8n02外形尺寸(安装投影图)为66mm× 45mill×34mm,主要技术要求如表3所示.采用 ZST系材料的主要性能指标如表4所示. 表335005600MHz介质振荡器主要技术要求 表4ZST系瓷料的性能 2.3.2设计原理和实验结果 采用反射型(传输型)稳频振荡器,虽然频带较 窄,但其工作稳定,有载Q值高,相位噪声小,结构 简单,可精确设计在电路的设计中,首先要粗略 地估算出一组元件的初始值,然后在Serenade8.7 8437 一一一一一 58l75 77845 33344 00O00 0OO0O 53123 66643 O0OO0 O8655 32222 O5OOO 11256 ##### 12345 33333 第6期吴坚强等:ZST微波陶瓷在介质振荡器的麻用研究685 软件中采用大信号的分析方法进行优化设计,最终 得出满足设计要求的电路.在电路制作中,利 用EDA软件可以很方便地绘制印刷电路板图.振 荡器实测性能如表5所示. 表5振荡器宾测性能 3结论 a.ZST陶瓷中(Zr…Sn.)Ti()附近性能好. b.(Zr8Sn?_2)TI()Il陶瓷中引入Bi2(), 126OC下叮得介电性能最好的配方,其性能指标 为,一38.5,Q>6000(7GHz),订为一lO,+10(1 ×l0/”C). c.用ZST系统的瓷料制作的谐振子Q值高, 用这种谐振子制作的介质振荡器输出功率大,相位 噪声小和稳定性好. 参考文献: [1]吴坚强.1055MHz独块状介质滤波器的研究厂J].电 子元件与材料,2(i)02,21(2):l3l5. [2]HUANGCL,WENGMH,CHENHI.Effectsof addtivesonmicrostructureandmicrowavedielectric propertiesof(Zr,Sn)TiOlceramics[J].MaterChem Phys,2001,71:1722. [3]王围庆,吴顺华,赵_烈,等,添加剂埘(ZrSn.) Ti()系统高频陶瓷介电性能的影响[J].硅酸盐通报, 2003.30(5):7-11. [4]石勇,靳正国,程志捷,等.Zn(FMo()添加(Zr Sn)TiO?微波陶瓷的介电性能[J].大津大学, 2004.37(2):130134. Is]顾其净.介质喈振器微波电路[Mj.北京:科学出版 社,1996. (上接第682页) [2]V()NttR,WECKERJ,HOtZAPFEIR,eta1.Gi— antnegativemagnetoresistanceinperovskitelikeLaz,3[9] Ba_『l{MnOferromagneticfilms[J].PhysP,ev1.ett. 1993,71(14):233l2333. [3] g4] L5] [6] 『7] L8] VENKATESAN—I,I人JESWARIM,D()N(ZW,el a1.Manganitc~baseddevices:opportunities,bottle— necksandchallengesEJ].PhilTransRSoc,1998, 356(1742):166l1680. RAMESHR,A((AIWALS,AUCIEII()().Sci— enceandtechnologyofferroelectricfilmsattdhetero structtlresfornonvolatileferroelectricmemorieslR1. MaterialsSc;aridEngR,2001.32(6):19卜236. ZHANGST,TANWS.YUANGI,ct,a1.Fahri— cationandeleclricalpropertiesofLaNiOI{/Pb(Zru6 lTi.39)():/IaNi()/IaAlOall-perovskiteheterostruc tures[L1].MicroeleetronicEngineering,2003,66(1— 4):70卜707, NA()KIW.TAKAAKIA,KAZU()S,eta1.Iow temperatureepitaxialgrowthofconductiveIaNi() thinfilmshyRFmagnetronsputtering[J],I’hinSolid Films,2002,410(1-2):114—120. BATZER.YENBiming.IIUDonhangeta1.Ahigh— temperatureX—’ray—’diffractionstudyofepitaxialPb—— TiOthinfihnsonMgO(100)grownbymetal—organic chemical—vapordeposition[J].JApplPhys,1996,80 (?):62356242. FI()QUETN,HECTORJ,GAUCHERP.Corrcla— tionbetweenstructure,microstructure,andferroclec tricpropertiesofPbZro2Ti_J_8O3integratedfihn:Influ [io] [11] [122 [13] [I4] [153 [16] enceoftheSol—Gelprocessall(1Ihesu})strate[J].J ApplPhys,l998,84(7):3815—3826. M1YA./AK1H,G()T()rr,MIWAY,eta1.Prepara tionandevaluationofIaNiOthinfilmelectro(tewith chemicalsolutiondeposition[J].JournaloftheEuro peanCeramicSociety,2004,24(6):l005.l008. K1MSS,KANGTS,JEJH.Microstructtiresof LaNiOl{fihnsgrownonSi(001)hypulsedlaserdepo— sition[J].ThinSolidFihns,2002,405(2【)02):1l7 121. FERN八NDESJDG,MEI()DMA,ZlNNERIB, eta1.I.ow—temperaltiresynthesisofsingle-phasecrys tallineLaNiO3perovskiteviaPechinimcthod[J].Ma terialsI,etters.2002,53(2002):122—125. ZHUYong—fa,WAN(tlai.LIUPeng,eta1.Prepa— rationandconductingperformanceofLaNiO. {thinfilm onSisubstrate[J],ThinSoliclFilms,2005,47l(1— 52. 2):48— M()AZZAMIR.Ferroelectricthinfilmtechnologyfor semiconductormemory[J].SemcondSciTechnol, 1995.1O:375—383. -l1ANGMC,WUTB.Theeffectofelectrodecontpo一 ~itiononrfmagnetronsputteringdepositionofIb [(MgNb2)7Ti_{]()filmslJ?.JMaterRes, 1994,9(7):1879—1887. SC()TTJF,ARUJ()C八P.FerroelectricMemories [J].Science,l989,246(4936):14o(j_l405. ZHA()Q,HUANGZM,HUZ(.,eta1.Astudy onthethermostabilityofLaNi()fihns[J].Surface& Coatingrechnology,2005,192(2-3):336—340.