微波介质陶瓷：与微波“共舞”的那些事儿

在浩瀚的宇宙中，电磁波“家族”一直在用跳动的舞姿传递着能量和信息。这个“舞蹈世家”，不仅有炫彩夺目的“可见光”、热情奔放的“红外线”、高冷敏锐的“紫外线”，还有传递信息的“微波”……每个舞者都有自己独一无二的舞台，微波的舞台是300MHz-3000GHz，比“可见光”的舞台可要大得多。

对于一个优秀的舞者而言，舞伴的重要性不言而喻。在追求小型化、集成化的科技领域，“信息使者”微波的新舞伴是——微波介质陶瓷。这种陶瓷的内部结构与微波的电磁辐射相互作用时，可降低微波的速度，使其因“慢动作”的舞姿而平添美感。微波介质陶瓷的关键性能参数是介电常数、品质因数Q和频率温度系数。

1 微波介质陶瓷的关键性能参数

1.1 介电常数εr

作为一名合格的舞伴，微波介质陶瓷本身藏有许多“舞动”的基因——偶极子（数量为n）。在微波的电场作用下，偶极子会通过极化作用跳动一步（电偶极矩μ可表征步子大小），当电场消失时，偶极子又会恢复原状。介电常数可表征偶极子的极化能力，根据克劳修斯-莫索蒂方程，介电常数εr可与偶极子数量n和电偶极矩μ建立关系：n和μ越大，介电常数εr越高。

微波介质陶瓷是典型的多相系统，既含有结晶相，又含有玻璃相和气相。这种多相系统的介电常数取决于各相的介电常数、体积浓度以及相与相之间的配置情况，可利用混合物法则进行计算。另外，陶瓷的介电常数差异是由内部不同的极化机制决定的，其极化机制列于下表。

表 陶瓷的极化机制

微波介质陶瓷的介电常数越高，微波在其中的传播速度越慢，波长越短，器件尺寸可以做得越小。

1.2  品质因数Q

跳舞可不是个轻松活儿。与微波“共舞”时，微波介质陶瓷虽然“舞步”简单，但也会因极化损耗、电导损耗、电离损耗、结构损耗等原因耗费一部分能量，统称为介质损耗。品质因数Q值的大小等于介质损耗的倒数，且与频率、温度有关。高Q值可保证获得优良的选频特性。

为获得高Q值的微波介质陶瓷，应尽可能选择高纯原料，同时减少杂质和缺陷，获得均匀一致的陶瓷晶粒。

1.3 谐振频率温度系数Tcf

不断变化的工作环境温度会影响微波器件的使用性能。这就要求微波介质陶瓷的谐振频率不能随温度发生过多变化。较小的谐振频率温度系数Tcf，可保证器件的中心频率不随温度发生漂移。

2 微波介质陶瓷的分类

在下面的趋势图中，品质因数Q和介电常数εr呈反比例关系，据此可以得到三大类微波介质陶瓷：低介电常数+高Q值陶瓷、中介电常数+中Q值陶瓷和高介电常数+低Q值陶瓷。

表 微波介质陶瓷的分类

3 微波介质陶瓷的应用

微波介质陶瓷现已成为实现微波控制功能的基础和关键材料。它的应用大致分两个方面：

一种是用于微波电路中的介质陶瓷，包括介质基片、介质波导、微波天线及微波电容器等。

介质基片

介质波导

微波天线

介质电容器

另一种则是用于介质谐振器DR的功能陶瓷，包括滤波器、分频器、耿式二极管、调制解调器等。其中，滤波器遇上了5G时代的大潮，成为了风口浪尖的那只“会跳舞的猪”。

谐振器件

滤波器