BPST陶瓷性能及铁电移相器的设计研究

论文摘要

钙钛矿型ABO3结构铁电材料钛酸锶钡（Ba1-xSrxTiO3,BST）系铁电体材料由于其介电非线性强,其电容率可由外加偏置电场来减小进行调制,因而可以作为移相器、滤波器及振荡器等微波器件中的调谐材料。本文针对其在微波移相器上的应用进行了材料与器件的基础研究。对于材料的研究,本文选择了对BST进行掺杂PbO进行A位取代以期获得好的性能。通过固相反应法制备了一系列BPST（Ba1-xPbySrxTiO3,x=0.4-0.6,y=0-0.4）靶材陶瓷,研究了其微观结构和表面形貌,测试了其介电常数和损耗与温度（-40℃-80℃）的关系。对其XRD图谱分析表明:BPST具有和BST相同的钙钛矿型结构,都是均一相的固溶体。随着铅的增加,晶胞的a轴有所变小（0.39582nm变到0.39451nm,以x=0.4系为例,下同）,在室温下晶格由原来的顺电相立方相转向铁电四方相;其ESEM照片表明:在一定烧结温度下,适量的铅能改善结晶度,使晶粒变大和更规则,然而过多的铅使孔洞增多,性能变差;对其介电温度谱测试表明:随铅的增加,其居里点温度升高（从-25℃变到80℃以上）。损耗峰均发生在居里温度附近,在顺电相时比铁电相的损耗要低,并且其损耗随温度增大而降低。对于掺铅的BPST其电容率峰值和损耗均比BST要平坦,因而温度稳定性改善。室温下,其介电常数为1000到2000之间,损耗一般均在0.01以下,最好为Ba0.4Sr0.6TiO3的0.002。在器件上,应用了HFSS软件对共面波导（CPW）型铁电移相器的结构进行了设计与仿真。初步仿真了三种结构的移相器的特征阻抗,移相量与插入损耗（BST基板移相器,BST薄膜移相器与周期加载电容共面波导型移相器单元）。仿真结果表明:对于BST作为基板的移相器,其特征阻抗值低,移相量也大,对材料要求降低介电常数,适合于较低频率（小于10GHz）。对于薄膜型的移相器,其等效介电常数不大（约为10左右）,因而对介电常数的大小没有太大限制,并适合于较高频率;对于周期性加载电容结构,其所需加的偏压最小,但其工作频率与其结构关系密切,仿真得到三者的优值分别为1700/dB,500/dB,590/dB,实现了移相的目标。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 本课题的研究背景与意义
• 1.2 铁电理论概述及其在材料研究的应用
• 1.3 BST 系可调谐铁电材料及器件的研究进展
• 1.4 课题来源及本文研究的主要内容
• 2 BPST 系列陶瓷的制备工艺研究
• 2.1 引言
• 2.2 BPST 系列陶瓷的制备
• 2.3 BST 系列靶材的工艺研究
• 2.4 本章小结
• 3 BPST 系列陶瓷的微观结构分析
• 3.1 引言
• 3.2 BST 系列陶瓷靶材的微结构分析
• 3.3 BPST 系列靶材的微结构分析
• 3.4 BPST 系列靶材的微观形貌分析
• 3.5 本章小结
• 4 BPST 系列陶瓷材料的介电特性研究
• 4.1 引言
• 4.2 BPST 系列靶材的介电温谱测试
• 4.3 本章小结
• 5 铁电移相器的结构设计及其HFSS 仿真
• 5.1 引言
• 5.2 传输线的基本原理及HFSS 仿真软件简介
• 5.3 仿真结果及分析
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 本论文的主要结论
• 6.2 有待深入研究的问题及展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 1 攻读硕士学位期间发表及已投稿的论文目录