【濾波器】陶瓷粉體決定了介質濾波器的性能
發布日期:2019-12-10
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陶瓷介質濾波器具有尺寸小、重量輕、Q值大等優點，在5G領域的應用占有絕對優勢，發展潛力巨大，而生產陶瓷介質濾波器的關鍵材料就是微波介質陶瓷。
一、何為微波介質陶瓷
微波介質陶瓷是指應用于微波頻段電路（主要是300MHz~300GHZ頻段）中的一種新型陶瓷功能材料。
圖 微波介質陶瓷瓷料 來源華星電子
在微波頻段下，各種極化機制穩定，材料的介電常數基本不隨頻率的變化而變化，因此根據介電常數的大小可將其歸為低介、中介和高介3大類。
低介微波介質陶瓷體系如Al2O3-TiO2系和鈦酸鎂系列等，因其高品質因數而被應用于對介質損耗要求比較嚴格的領域，如衛星通訊、軍用雷達等方面
中介微波介質陶瓷體系如(Zr,Sn)TiO4系具有高Q值，低諧振頻率溫度系數，可用于制備介質諧振器解決窄帶諧振器的頻率漂移問題。
高介微波介質陶瓷能促進微波通訊設備、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備中應用廣泛。
微波介質陶瓷粉體并不是單一的材料，而是多種材料按比例混合的材料體系，而在制備的過程中，還會添加稀土氧化物，眾多研究說明適量稀土元素的摻雜可改善微波介質陶瓷的燒結性、致密度以及介電性能。
二、微波介質陶瓷的制備方法
微波介質陶瓷材料生產方法有固相反應法、溶膠-凝膠法、水熱法、沉淀法等。
1.固相反應法
固相反應法是一種傳統的工藝方法，具有工藝成熟，便于操作，性價比高等優點，適用于批量生產，是當前工業生產采用最多的方法。但其存在燒結溫度較高，容易形成第二相和局部晶粒異常長大等缺點，影響微波介電性能。
2.溶膠-凝膠法
溶膠-溶膠法是通過金屬絡合物溶液與無機鹽在特定的pH值下，形成透明溶膠，再將其煅燒除去有機成分，便可得到均勻的、顆粒很細的原始粉末，在很大程度上提高了瓷料組成的均勻性、結構均勻性和結構致密性，大大降低了陶瓷燒結溫度并縮短燒結周期，可減少或避免第二相的生成，有利于提高材料的介電性能，但其粉料成本較高，工藝復雜，工藝參數不易控制，生產周期較長，較難實現產業化。
3.水熱法
水熱法是反應在密封的壓力容器中進行，以水溶液為介質，粉末的形成經歷溶解到結晶的過程，無需昂貴的醇鹽，很多材料在低溫下就可以直接合成，避免由于預燒所造成的晶粒長大、缺陷和雜質侵入。
4.沉淀法
沉淀法是利用各組分元素的可溶性金屬鹽類按一定比例配置成溶液，加入適量的沉淀劑使金屬離子均勻沉淀，通過調節溶液的濃度和pH值等來控制粉體的性能，煅燒后得到氧化物的均勻混合體。方法簡單，易于規?；a，成本低，但會產生團聚或組分不均勻影響介電性能。
粉體材料制備過程具有技術難度，如以碳酸鋇為原料的水熱法包括溶解、鈦?；?、干燥、水熱、再次干燥等過程，酸堿控制不合理、 生成雜質等都將損害粉體質量，最終影響濾波器的性能。
三、5G陶瓷介質濾波器對材料的要求
微波介質陶瓷應用廣泛，因具有高頻介電損耗低，介電常數適中，諧振頻率溫度系數小等良好的微波介電性能，可用作微波電路的介質基片、介質天線、介質諧振器、介質濾波器等。
5G陶瓷介質濾波器中的電磁波諧振發生在陶瓷介質材料內部，因此對于微波介質陶瓷材料的性能提出更高的要求，微波陶瓷的介電性能指標主要是介電常數、品質因數Q、諧振頻率溫度系數三個：
1.適合的介電常數；
高介電常數可實現濾波器尺寸小型化設計，但介電常數并不是越高越好，介電常數過高會影響輸送損失，因此需考慮濾波器的設計要求來選擇合適的介電常數。微波介質陶瓷的介電常數主要取決于材料結構中的晶相和制備工藝。
2.高的品質因數Q，低的介電損耗；
品質因數Q越高，通頻帶越窄，電路選擇性越好，能實現更好的濾波功能。Q值與介電損耗tanδ成反比關系，Q值越大，濾波器插損越低。材料結構均一，高致密，晶粒生長均勻，減少雜質和缺陷可提高Q值。
3.近零可調的諧振頻率溫度系數。
諧振頻率溫度系數接近于零可實現濾波器的高穩定性和高可靠性，頻率溫度系數主要由材料的線性膨脹系數和介電常數決定。
陶瓷粉體決定了介質濾波器的性能，粉體的配方與制備的難度較高。只有擁有好的材料配方才能獲得在一定使用條件下的高Q值介質陶瓷，可以說自有粉體配方是陶瓷濾波器廠商的核心競爭力。粉體配方的濾波器廠商可以通過采買原材料自行調配，免于向粉體廠商采買，不僅節約成本費用，更便于根據客戶定制化要求對濾波器的相關參數進行調整。
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