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研究生: 張育彬
Chang, Yu-Pin
論文名稱: (1-x)(Mg0.95Zn0.05)TiO3-xSrTiO3 介電陶瓷之微波特性及其應用
Microwave Dielectric Properties and Applications of (1-x)(Mg0.95Zn0.05)TiO3-xSrTiO3 Ceramics
指導教授: 黃正亮
Haugh, Cheuy-Liag
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電機資訊學院 - 電機工程學系
Department of Electrical Engineering
論文出版年: 2006
畢業學年度: 94
語文別: 中文
論文頁數: 110
中文關鍵詞: 濾波器介電材料
外文關鍵詞: Dielectric material, Filter
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  • 摘要
    在本論文中探討(1-x)(Mg0.95Zn0.05)TiO3-xSrTiO3之陶瓷微波介電特性及材料的微結構。為了使溫度係數達到平衡,我們使用正和負的溫度係數來混合。SrTiO3的材料特性為 ~205, Q × f ~4200GHz,及 約1700 ppm/ oC ;(Mg0.95Zn0.05)TiO3 為 ~17, Q × f ~260,000在9GHz,及 約-40 ppm/ oC 。x值為0.02~0.1來探討, 其(1-x)(Mg0.95Zn0.05)TiO3-xSrTiO3之介電材料特性為:18.67< < 26.35; 161,000 > Q × f >20,000和 -35 < < 140。藉著調整x值可以在(1-x)(Mg0.95Zn0.05)TiO3-xSrTiO3陶瓷系列中找到 值趨近零。而在0.96(Mg0.95Zn0.05)TiO3-0.04SrTiO3(以後簡稱96MZST)中可以找到較良好的介電材料: ~ 20.7, Q × f ~ 135,000在9GHz 和 ~ 0 ppm/oC。此外在0.96(Mg0.95Zn0.05)TiO3-0.04SrTiO3分別添加不同量燒結促進劑V2O5、CuO ,探討其液相對其微波材料特性之影響。
    此外,本論文以FR4、Al2O3及96MZST三種不同基板,設計二個以四分之ㄧ波長開路殘段可調式零點的帶通濾波器,中心頻率定為2.45GHz,頻寬8%。比較三種不同基板,可發現96MZST具有縮小電路面積,且有良好的頻率響應。

    Abstract
    The microwave dielectric properties of the (1-x)(Mg0.95Zn0.05)TiO3-xSrTiO3 ceramic system were investigated in this thesis. In order to achieve a temperature-stable material, we studied a method of combining a positive temperature coefficient material with a negative one. SrTiO3 has dielectric properties of dielectric constant ~ 205, Q × f value ~ 4,200 GHz and a large positive τf value ~ 1700 ppm/oC. (Mg0.95Zn0.05)TiO3 possesses high dielectric constant ( ~ 17), high quality factor (Q × f value ~ 260,000 at 9 GHz) and negative τf value (-40 ppm/oC). As the x value varies from 0.02 to 0.1, (1-x)(Mg0.95Zn0.05)TiO3-xSrTiO3 ceramic system has the dielectric properties as follows: 18.67 < < 26.35; 161,000 > Q × f > 20,000 and -35< τf <140. By appropriately adjusting the x value in the (1-x)(Mg0.95Zn0.05)TiO3-xSrTiO3 ceramic system, zero τf value can be achieved. A new microwave dielectric material, 0.96(Mg0.95Zn0.05)TiO3-0.04SrTiO3 applicable in microwave devices is suggested and possesses the dielectric properties of a dielectric constant ~ 20.7, a Q × f value ~ 135,000 GHz (at 9 GHz) and a τf value ~ 0 ppm/oC. Besides, by adding different sintering aids V2O5 and CuO respectively, we research what the effects of liquid phase for the microwave properties of 0.96(Mg0.95Zn0.05)TiO3-0.04SrTiO3.
    In addition, we utilizes two quarter wavelengths to control transmission zeros in the bandpass filter and fabricated its on FR4、Al2O3、96MZST substrates. The center frequency is 2.45 GHz and bandwith is 8%.Comparing with three different substrates, we can research into reduction of 96MZST circuit device and good frequency response.

    目錄 第一章 緒論 1 1-1前言 1 1-2研究目的 1 第二章 介電材料原理 2 2-1 微波介電材料的特 3 2-2 燒結原理 8 2-3 液相燒結理論 8 2-4 介電共振器原理 9 第三章 微帶線及濾波器之原理 13 3-1 微帶線原理 13 3-1-1 微帶傳輸線介紹 13   3-1-2 微帶線傳輸組態 13 3-1-3 微帶線各項參數公式計算及考量 14 3-2 微帶線帶通濾波器之理論 20 3-2-1 微帶線諧振器種類 22 3-2-2 諧振器間耦合型態 24 3-2-3 電場耦合 24 3-2-4 磁場耦合 27 3-2-5 混和耦合 30 3-3 諧振器間耦合量 32 3-4 輸入點及輸出點的設計 33 3-5 微小型的髮夾型共振器原理 34 3-5-1共振器結構 34 3-5-2共振情形 35 3-5-3共振點之等效電路 37 3-6 四分之一波長的阻抗轉換器 38 3-6-1四分之一波長開路殘段 39 3-6-2以四分之一波長開路傳輸線產生傳輸零點之理論分析 39 3-7 文獻探討 40 第四章 實驗程序與量測方法 43 4-1 微波介電材料的製備 43 4-2 微波介電材料的特性分析與量測 45 4-2-1 X-Ray分析 45 4-2-2 掃瞄式電子顯微鏡(SEM)分析 45 4-2-3 密度之量測 45 4-2-4 微波特性的量測 46 4-3 濾波器之製作與量測 48 4-3-1 濾波器設計與實做 48 4-3-2 濾波器實作與量測 48 4-3-3 特性量測 49 第五章 實驗結果與討論 50 5-1 (1-x)(Mg0.95Zn0.05)TiO3-xSrTiO3特性之探討 50 5-2添V2O5對0.96(Mg0.95Zn0.05)TiO3-0.04SrTiO3特性之探討 63 5-3添加Cu0對0.96(Mg0.95Zn0.05)TiO3-0.04SrTiO3特性之探討 73 5-4 濾波器的響應 81 5-4-1 FR4基板 81 5-4-2 Al2O3基板 83 5-4-3 96MZST基板 85 第六章 結論 88 參考文獻 90 表目錄 表1 文獻回顧 50 表2 1300℃燒結 4小時之(1-x) (Mg0.95Zn0.05)TiO3-xSrTiO3 微波介電陶瓷特性 52 表3 以FR4為基板的特性表 83 表4 以Al2O3為基板的特性表 85 表5 以96MZST為基板的特性表 87 表6 96MZST添加不同燒節促進劑特性比較表 89 圖目錄 圖2-1 四種極化機構 4 圖2-2 四種極化對頻率之反應 4 圖2-3 電磁波由介質1(ε1μ1)入射到介質2(ε2μ2) 10 圖2-4 電磁波發生全反射之情形 10 圖2-5 圓柱型DR電場分佈圖 11 圖2-6 圓柱型DR中各種mode之外部與內部功率傳輸比 12 圖3-1 (a)微帶線之外觀圖(b)微帶線之電場與磁場分佈圖 14 圖3-2 步階阻抗不連續處之示意圖(a)實際結構(b)等效電路 19 圖3-3 微帶線開路端效應(a)微帶線開路端圖(b)等效邊緣電容之等效電路圖 (c)等效延伸傳輸線 19 圖3-4 直角彎折效應之結構圖與等效電路圖 20 圖3-5 (a)Butterworth Filter(b)Chebyshev Filter(c)Elliptic Function Filter 22 圖3-6 指叉型(interdigital) 23 圖3-7 平行耦合線濾波器 23 圖3-8 髮夾形型諧振器與U型諧振器濾波器 23 圖3-9 微帶線共振器之電場強度分佈圖(a) 短路(b) 開路 24 圖3-10 幾種電場耦合的共振器佈局 24 圖3-11 兩電場耦合的共振器之等效電路圖 25 圖3-12 當 以及 的等效π型網路 26 圖3-13 表示電場耦合使用導納反轉子的另一種等效電路圖 26 圖3-14 微帶線共振器之磁場強度分佈圖(a) 短路(b) 開路 27 圖3-15 幾種磁場耦合的共振器佈局 28 圖3-16 兩磁場耦合的共振器之等效電路圖 28 圖3-17 當 以及 的等效T型網路 29 圖3-18 表示磁場耦合使用阻抗反轉子的另一種等效電路圖 29 圖3-19 幾種混和耦合的共振器佈局 30 圖3-20 兩混和耦合的共振器之等效電路圖…..........................................................…31 圖3-21 使用導納反轉子和阻抗反轉子個別代表電場、磁場耦合的另一種等效電 路圖 31 圖3-22 (a)單一諧振器之諧振頻率量測 (b)單一諧振器之諧振頻率響應 32 圖3-23 (a)耦合結構之頻率響應量測 (b)耦合結構之頻率響應量測示意圖 33 圖3-24 (a)四分之一波長微帶線諧振器的傳輸線示意圖..............................................34 (b)二分之一波長微帶線諧振器的傳輸線示意圖.............................................34 圖3-25 髮夾式共振器結構(a)傳統型(b)使用電容之小型化髮夾式共振器(c)使用耦 合線之小型化髮夾式共振器...............................................................................35 圖3-26 具有耦合線之髮夾式共振器結構之參數表示圖..............................................35 圖3-27 (a)一段耦合線表示圖與其ABCD矩陣(b)一段傳輸線表示圖與其ABCD矩陣........................................................................................................................36 圖3-28 具有平行耦合線之步階式阻抗hairpin濾波器 37 圖3-29 共振點之等效電路......................................……………………………..….….37 圖 3-30 四分之一波長阻抗轉換器電路..............………………………………..…….38 圖3-31 半波長傳輸線並接一四分之一波長開路殘段示意圖 40 圖3-32 雙極點帶通濾波器結構圖 40 圖3-33 雙極點帶通濾波器佈線圖與頻率響應圖 41 圖3-34 四極點帶通濾波器佈線圖與頻率響應圖 42 圖4-1 實驗流程圖 44 圖4-2 量測用模具組 47 圖4-3 測量介電常數系統圖 47 圖4-4 測量Q值系統圖 48 圖4-5 濾波器量測架構 49 圖5-1 添加不同SrTiO3比例燒結溫度1300℃之X-ray圖 51 圖5-2 96MZST不同燒結溫度之X-ray圖 51 圖5-3 添加不同SrTiO3比例之介電常數與品質因數關係圖 53 圖5-4 添加不同SrTiO3比例之視密度與頻率飄移係數關係圖 53 圖5-5 0.98(Mg0.95Zn0.05)TiO3-0.02SrTiO3燒結4小時之SEM圖 54 圖5-6 0.96(Mg0.95Zn0.05)TiO3-0.04SrTiO3燒結4小時之SEM圖 55 圖5-7 0.94(Mg0.95Zn0.05)TiO3-0.06SrTiO3燒結4小時之SEM圖 56 圖5-8 0.92(Mg0.95Zn0.05)TiO3-0.08SrTiO3燒結4小時之SEM圖 57 圖5-9 0.9 (Mg0.95Zn0.05)TiO3-0.1SrTiO3燒結4小時之SEM圖 58 圖5-10 96MZST在1300℃之SEM圖 59 圖5-11 96MZST之EDS圖,圖(A) MgTiO3,圖(B) SrTiO3,圖(C) MgTi2O5 60 圖5-12 96MZST不同燒結溫度之品質因素及介電常數關係圖 61 圖5-13 96MZST不同燒結溫度之頻率飄移係數與視密度關係圖 62 圖5-14 添加0.5wt%V2O5不同燒結溫度之96MZST X-Ray圖 63 圖5-15 不同添加量V2O5的96MZST X-Ray圖(1275℃) 64 圖5-16 添加不同量V2O5 的96MZST介電係數與不同燒結溫度關係圖 65 圖5-17 添加不同量V2O5 的96MZST視密度與不同燒結溫度關係圖 66 圖5-18 添加不同量V2O5 的96MZST品質因素與不同燒結溫度關係圖 66 圖5-19 添加不同量V2O5 的96MZST頻率飄移係數與不同燒結溫度關係圖 67 圖5-20 96MZST+0.5wt% V2O5燒結4小時之SEM圖 68 圖5-21 96MZST+1wt% V2O5燒結4小時之SEM圖 69 圖5-22 96MZST+2wt% V2O5燒結4小時之SEM圖 70 圖5-23 96MZST+4wt% V2O5燒結4小時之SEM圖 72 圖5-24 添加0.5wt% CuO不同燒結溫度之96MZST X-Ray圖 73 圖5-25 添加不同量CuO的96MZST X-Ray圖(1275℃) 74 圖5-26 添加不同量CuO的96MZST介電常數與不同燒結溫度關係圖 75 圖5-27 添加不同量CuO 的96MZST視密度與不同燒結溫度關係圖 76 圖5-28 添加不同量CuO的96MZST品質因素與不同燒結溫度關係圖 76 圖5-29 添加不同量CuO的96MZST頻率飄移係數與不同燒結溫度關係圖 77 圖5-30 96MZST+0.5wt% CuO燒結4小時之SEM圖 78 圖5-31 96MZST+1wt% CuO燒結4小時之SEM圖 79 圖5-32 96MZST+2wt% CuO燒結4小時之SEM圖 80 圖5-33 FR4的電路圖(a)模擬電路(b)實做電路 81 圖5-34 FR4的電腦模擬圖 82 圖5-35 FR4實作量測圖 82 圖5-36 Al2O3的電路圖(a)模擬電路(b)實做電路 83 圖5-37 Al2O3的電腦模擬圖 84 圖5-38 Al2O3的實作量測圖 84 圖5-39 自製基版的電路圖(a)模擬電路(b)實做電路 85 圖5-40 自製基版電腦模擬圖 86 圖5-41 自製基版實做量測圖 86

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    下載圖示 校內:2008-07-05公開
    校外:2008-07-05公開
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