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研究生: 吳建燁
Wu, Chien-Yeh
論文名稱: (Mg1-xCox)La2Zr2O8微波介電陶瓷之研究與應用
Study and Applications of Microwave Dielectric Ceramics(Mg1-xCox)La2Zr2O8
指導教授: 黃正亮
Huang, Cheng-Liang
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: 2014
畢業學年度: 102
語文別: 中文
論文頁數: 110
中文關鍵詞: 微波介電材料帶通濾波器
外文關鍵詞: microwave dielectric ceramic, band-pass filter
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  • 在本論文中主要分為兩大部分,第一部分將介紹低損耗的介電材料;第二部分將介紹其在被動元件之應用,並實作在不同基板上,用以探討元件尺寸之改善。
    第一部分首先介紹MgLa2Zr2O8陶瓷之微波介電特性。接著使用與Mg2+離子半徑相近的Co2+對MgLa2Zr2O8中的Mg2+做取代並探討(Mg1-xCox)La2Zr2O8微波介電特性與材料微結構之影響。由實驗可以得知,該系統之MgLa2Zr2O8在1490℃燒結12小時可獲得最佳介電特性,ε_r ~ 20.87,Q×f ~ 10,3000GHz(at ~8.65GHz),τf ~ -44.2 ppm/℃;在Co取代量為0.2,(Mg1-xCox)La2Zr2O8燒結溫度降低至1460℃,其ε_r ~ 23.49,Q×f ~ 82,000,τf ~ -42.23ppm/℃。
    第二部分我們設計及實作一操作在2.45GHz的微帶線帶通濾波器,濾波器採用方形環狀諧振器為主體,其對稱面上加入一正方形電容性微擾物,以激發奇偶模態的耦合,並在共振頻率的高低頻處產生傳輸零點,透過改變微擾物大小可以調變通帶之頻寬,接著使用line-to-ring coupling的方式饋入以改善插入損耗,再加入一λ/4開路殘段(open-stub)來抑制倍頻響應。最後將此電路實作在FR4、Al2O3及MgLa2Zr2O8自製基板上,並量測其頻率響應。由量測結果可得知,利用高介電系數及低耗損材料作為電路基板時,確實能達到提升效能及縮小面積的需求。

    First, the microwave dielectric properties and microstructure of MgLa2Zr2O8 ceramics have been investigated. The experimental results show that MgLa2Zr2O8 has the best properties at sintering temperature 1490℃ for 12 hours, with ε_r~20.87, Q×f~ 10,3000GHz(at 8.65GHz), and τf ~-44.23ppm/℃. Then the Mg2+ from the MgLa2Zr2O8 had been substituted by Co2+, at x = 0.2, the sintering temperature is lowered to 1460℃, with ε_r~23.49, Q×f~82,0000, τf ~-42.21 ppm/℃.Second, a dual-mode square ring line-to-ring band-pass filter that operates at 2.45GHz was designed and fabricated. The bandwidth of the passband can be modulated by changing the perturbation size. In order to suppress spurious response, an open-stub was attached to the feed line. Finally, the pattern was implemented on FR4, Al2O3 and MgLa2Zr2O8 substrates. The measurement results show using the substrates with high dielectric constant and low loss can improve the performance and reduce filter size.

    目錄 摘要 Ⅰ Abstract Ⅱ 誌謝 ⅩⅠ 目錄 ⅩⅡ 圖目錄 ⅩⅤⅠ 表目錄 ⅩⅩ 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 3 2-1 材料的燒結 3 2-1-1 材料燒結之擴散方式 3 2-1-2 材料燒結之過程 4 2-1-3 燒結種類(固相、液相) 5 2-2 介電共振器(Dielectric Resonator:DR) 6 2-3 微波材料之特性 9 2-3-1 介電係數(Dielectric constant:K、εr) 9 2-3-2 品質因數(Quality factor:Q) 13 2-3-3 共振頻率溫度飄移係數(Temperature coefficient of resonant frequency:τf) 15 第三章 微帶線即濾波器原理 16 3-1 濾波器原理 16 3-1-1 濾波器簡介 16 3-1-2 濾波器之種類及其頻率響應 16 3-2 微帶線原理 19 3-2-1 微帶傳輸線的簡介 19 3-2-2 微帶線的傳輸模態 20 3-2-3 微帶線各項參數公式計算及考量 21 3-2-4 微帶線的不連續效應 23 3-2-5 微帶線的損失 29 3-3 微帶線諧振器種類 30 3-3-1 λ/4短路微帶線共振器 30 3-3-2 λ/2開路微帶線共振器 32 3-4 共振器間的耦合形式 34 3-4-1 電場耦合 34 3-4-2 磁場耦合 38 3-4-3 混合耦合 42 3-5 四分之一波長的阻抗轉換器與開路殘段(Open Stub) 44 3-6 環狀諧振器 46 3-6-1 環狀諧振器的頻率模態 46 3-6-2 環狀諧振器的輸入阻抗 48 3-6-3 微擾(Perturbation) 50 3-6-4 Line-to-ring Coupling 52 3-7 雙模態Line-to-ring Coupling環狀帶通濾波器 54 第四章 實驗程序與量測方法 58 4-1 微波介電材料的製備 58 4-1-1 粉末的配置與球磨 59 4-1-2 粉末的煆燒 59 4-1-3 加入黏劑、過篩 59 4-1-4 壓模成型、去黏劑及燒結 60 4-2 微波介電材料的量測與分析 61 4-2-1 X-ray分析 61 4-2-2 SEM分析 61 4-2-3 密度量測 61 4-2-4 介電特性的量測與分析 62 4-2-5 共振頻率飄移係數之量測 68 4-3 濾波器的製作與量測 69 第五章 實驗結果與討論 71 5-1 MgLa2Zr2O8之微波介電特性 73 5-1-1 MgLa2Zr2O8之XRD相組成分析結果 73 5-1-2 MgLa2Zr2O8之SEM微結構分析結果 75 5-1-3 MgLa2Zr2O8之密度分析結果 76 5-1-4 MgLa2Zr2O8之介電常數分析結果 77 5-1-5 MgLa2Zr2O8之品質因素("Q×f" )分析結果 78 5-1-6 5-1-6 MgLa2Zr2O8之共振頻率溫度飄移係數分析結果 79 5-2 (Mg1-xCox)La2Zr2O8之微波介電特性 80 5-2-1 (Mg1-xCox)La2Zr2O8之XRD相組成分析結果 80 5-2-2 (Mg1-xCox)La2Zr2O8之SEM微結構分析結果 81 5-2-3 (Mg1-xCox)La2Zr2O8之密度分析結果 88 5-2-4 (Mg1-xCox)La2Zr2O8之介電常數分析結果 90 5-2-5 (Mg1-xCox)La2Zr2O8之品質因素("Q×f" )分析結果 92 5-2-6 (Mg1-xCox)La2Zr2O8之共振頻率溫度飄移係數分析結果 94 5-3 濾波器的模擬與實作 96 5-3-1 使用FR4(玻璃纖維基板)之模擬與實作結果 97 5-3-2 使用Al2O3之模擬與實作結果 99 5-3-3 使用自製基板MgLa2Zr2O8¬模擬與實作結果 101 第六章 結論 105 參考文獻 106   圖目錄 圖2-1 顆粒間的接觸介面示意圖 4 圖2-2 電磁波之入射、反射、透射關係圖 6 圖2-3 電磁波之在介值二中發生全反射之圖 6 圖2-4 圓柱形DR中各種mode之外部與內部功率傳輸比 7 圖2-5 圓柱形DR電場分布圖 8 圖2-6 極化機構與頻率之關係圖 9 圖2-7 空間電荷極化之示意圖 10 圖2-8 電偶及極化示意圖 10 圖2-9 離子極化示意圖 11 圖2-10 電子極化示意圖 11 圖2-11 介電共振器對頻率響應的示意圖 13 圖3-1 各頻帶濾波器示意圖 18 圖3-2 三種濾波器的低通原型圖 19 圖3-3 微帶線之外觀圖 20 圖3-4 微帶線之電場分布圖 21 圖3-5 微帶線開路端效應電路及等效圖 24 圖3-6 串聯微帶線間距效應電路及等效圖 26 圖3-7 直角彎折效應電路及等效圖 27 圖3-8 微帶線T型分岔不連續效應 28 圖3-9 四分之一波長微帶線短路傳輸線 31 圖3-10 指叉型(interdidital)濾波器 31 圖3-11 二分之一波長微帶線諧振器的傳輸線示意圖 32 圖3-12 平行耦合濾波器 32 圖3-13 U型諧振器與U型濾波器 33 圖3-14 正方形開迴路諧振器與開迴路諧振器濾波器 33 圖3-15 微帶線共振器之電場強度分佈圖 34 圖3-16 幾種電場耦合的共振器佈局 35 圖3-17 兩電場耦合的共振器之等效電路圖 35 圖3-18 當Y11 = Y22以及Y12 = Y21的等效π型網路 36 圖3-19 表示電場耦合使用導納反轉子的另一種等效電路圖 36 圖3-20 微帶線共振豈知磁場強度分佈圖 38 圖3-21 幾種磁場耦合的共振器佈局 38 圖3-22 兩磁場耦合的共振器之等效電路圖 39 圖3-23 當Z11 = Z22以及Z12 = Z21的等效T型網路 40 圖3-24 表示磁場耦合使用阻抗反轉子的另一種等效電路圖 40 圖3-25 幾種混合耦合的共振器佈局 42 圖3-26 兩混合耦合的共振器之等效電路圖 43 圖3-27 使用了J-inverter & K-inverter分別代表電場、磁場耦合的另一種等效電路圖 43 圖3-28 四分之一波長阻抗轉換器電路 44 圖3-29 單埠方形環狀諧振器 47 圖3-30 方形環狀諧振器的駐波分佈 48 圖3-31 環狀濾波器之輸入阻抗示意圖 49 圖3-32 環形諧振器奇偶模態等效半電路 50 圖3-33 共振頻率與微擾物電器長度關係圖 51 圖3-34 共振頻率與特性阻抗比關係圖 51 圖3-35 傳統end-to-ring coupling環狀諧振器 53 圖3-36 增強式耦合之line-to-ring coupling 53 圖3-37 使用J反轉子的Line-to-ring等效模型 53 圖3-38 雙模態line-to-ring coupling環狀帶通濾波器 54 圖3-39 加入微擾物之方形環狀帶通濾波器 55 圖3-40 調變p值及對應之頻率響應 55 圖3-41 line-to-ring coupling方形環狀帶通濾波器 56 圖3-42 調變a2值及對應之頻率響應 56 圖3-43 加入開路殘段後的電路佈局 57 圖3-44 加入開路殘段後的頻率響應 57 圖4-1 實驗流程圖 58 圖4-2 探針迴圈耦合方式 63 圖4-3 TE0np模態之場型圖 63 圖4-4 共振腔之實體結構 67 圖4-5 DR測量示意圖 68 圖4-6 濾波器之量測示意圖 70 圖5-1 MgLa2Zr2O8與La2Zr2O7標準繞射圖比較 72 圖5-2 La2Zr2O7之1/8晶格晶體結構示意圖 72 圖5-3 MgLa2Zr2O8之XRD分析圖 74 圖5-4 MgLa2Zr2O8在不同燒結溫度持溫12小時之微結構圖 75 圖5-5 MgLa2Zr2O8之視密度與燒結溫度關係圖 76 圖5-6 MgLa2Zr2O8之介電常數與燒結溫度關係圖 77 圖5-7 MgLa2Zr2O8之品質因數與燒結溫度關係圖 78 圖5-8 MgLa2Zr2O8之共振頻率溫度飄移係數與燒結溫度關係圖 79 圖5-9 (Mg1-xCox)La2Zr2O8不同比例於最佳燒結溫度持溫12小時之XRD分析圖 80 圖5-10 (Mg0.95Co0.05)La2Zr2O8於不同燒結溫度持溫12小時之SEM微結構圖 82 圖5-11 (Mg0.8Co0.2)La2Zr2O8於不同燒結溫度持溫12小時之SEM微結構圖 83 圖5-12 (Mg0.6Co0.4)La2Zr2O8於不同燒結溫度持溫12小時之SEM微結構圖 84 圖5-13 (Mg0.4Co0.6)La2Zr2O8於不同燒結溫度持溫12小時之SEM微結構圖 85 圖5-14 (Mg0.2Co0.8)La2Zr2O8於不同燒結溫度持溫12小時之SEM微結構圖 86 圖5-15 CoLa2Zr2O8於不同燒結溫度持溫12小時之SEM微結構圖 87 圖5-16 (Mg1-xCox)La2Zr2O8視密度與燒結溫度關係圖 88 圖5-17 (Mg1-xCox)La2Zr2O8視密度與取代比例關係圖 89 圖5-18 (Mg1-xCox)La2Zr2O8介電常數與燒結溫度關係圖 90 圖5-19 (Mg1-xCox)La2Zr2O8介電常數與取代比例關係圖 91 圖5-20 (Mg1-xCox)La2Zr2O8品質因素與燒結溫度關係圖 93 圖5-21 (Mg1-xCox)La2Zr2O8品質因素與取代比例關係圖 93 圖5-22 (Mg1-xCox)La2Zr2O8共振頻率溫度飄移係數與燒結溫度關係圖 94 圖5-23 濾波器之電路佈局圖 96 圖5-24 FR4基板濾波器之頻率響應 97 圖5-25 Al2O3基板濾波器之頻率響應圖 99 圖5-26 自製基板濾波器之頻率響應圖 101 圖5-27 濾波器實作圖 103   表目錄 表5-1 螢石結構及其衍生結構材料之介電特性 71 表5-2 (Mg1-xCox)La2Zr2O8在不同取代量下之最佳微波介電特性 95 表5-3 FR4基板濾波器之電路佈局參數 97 表5-4 FR4基板濾波器之模擬與實作特性比較 98 表5-5 Al2O3基板濾波器之電路佈局參數 99 表5-6 Al2O3基板濾波器之模擬與實作特性比較 100 表5-7 自製基板濾波器之電路佈局參數 101 表5-8 自製基板濾波器之模擬與實作特性比較 102 表5-9 三種基板濾波器之模擬與實作比較 104

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    下載圖示 校內:2019-08-08公開
    校外:2019-08-08公開
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