國立聯合大學電機工程學系專題報告
指導老師:許正興言講者 :張尹馨組員 :盧珈汶
專題報告Fabrication and Application of Microwave
Dielectric Ceramics
實驗目的:探討高介電材料對微波元件尺寸的影響① 什麼是陶瓷介電材料② 判別方法③ 陶瓷材料介紹④ 陶瓷基板製作流程圖⑤ NCT 之最佳結果⑥ 微帶天線之研製
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什麼是陶瓷介電材料
陶瓷材料是一種經過高溫處理成為緻密化的非金屬無機材料。而利用化學及物理方式控 制其結構的組成產生不同的特性。
陶瓷材料的結構會因為電場影響產生極化。 陶瓷介電材料因高介電係數、高品質因數及低頻率溫度係數使體積小,重量輕可以直接裝置在微波電路上。
判別方法 介電係數( εγ):越高越好,介電係數↑,共振尺吋↓,一般以 30為佳。
品質因數( Q ):共振器內電磁能之儲存與散失的比值, Q↑ 表示電磁能儲存越大。
( tanδ=1/Q , tanδ 為介電損耗,∴ Q↑ , tanδ↓ ) 頻率溫度係數( τγ):為一頻率隨溫度變化而改變之係數。 τγ ↓ 則頻率漂移量越低,且可穩定共振頻率( ±20ppm/ )℃
陶瓷材料介紹 -NCT 目標材料 Nd(Co1/2 Ti1/2)O3
化學式 :
1/2Nd2O3+1/2CoO+1/2TiO2→Nd(Co1/2 Ti1/2)O3
透過相關文獻知用 ZnO 作為燒結促進劑,可降低燒結溫度。故添加 ZnO 來探討其對電特性與燒結之關係
( Doping 比例 : 0.5wt% , 1wt% , 2wt% )
原始粉末
球磨
烘乾
煆燒
加黏劑
壓磨
燒結 ( 去黏劑 )
鍍金 微波特性量測Q 、 ε 、 τ
拋光
SEM Analysis XRD Analysis
DOPPING→
最佳結果 -NCT
純 NCT NCT 摻雜 ZnO 0.5wt%
燒結溫度 (4hrs)
1440℃ 1350℃
Dielectricconstant
27 27
Qxf 140000(GHz) 147000(GHz)
τf -46ppm/℃ -30ppm/℃
微帶天線之研製 設計微帶天線在 1.9GHZ 頻段(手機系統) 使用軟體 IE3D 、 AutoCAD 差異
材料 FR4 NCT
厚度 0.8mm 0.9mm±10 %介電值 4.4 27
來源 材料行 自製製作方法 使用曝光技術,
再將光阻洗去使用網印技術將模型印上
軟體模擬 -FR4 ( A series 改變 GAP 位置)
-4.5
-4
-3.5
-3
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
1.8 1.815 1.83 1.845 1.86 1.875 1.89 1.905 1.92 1.935 1.95 1.965 1.98 1.995
頻率
DB值
A3
A8
A12←1.875GHZ
單位 mil
S11
軟體模擬 -FR4 (B series 改變饋入線位置 )
-5
-4.5
-4
-3.5
-3
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
1.8 1.815 1.83 1.845 1.86 1.875 1.89 1.905 1.92 1.935 1.95 1.965 1.98 1.995
頻率
DB B2
B6
B111.879GHZ
單位 mil
S11
軟體模擬 -FR4 (改變 GAP 大小)
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1.8 1.815 1.83 1.845 1.86 1.875 1.89 1.905 1.92 1.935 1.95 1.965 1.98 1.995
頻率
DB值
A2
B1
C1
D1
單位 mil
S11
模擬軟體 -FR4 (P series 將基準點往上移 )
-25.00
-20.00
-15.00
-10.00
-5.00
0.00
1.8 1.815 1.83 1.845 1.86 1.875 1.89 1.905 1.92 1.935 1.95 1.965 1.98 1.995
頻率
DB
P2
P4
P5
P6
1.891GHZ
-23.94dB→
S11
P6 之 SMITH CHART
『 』
總結
由 A series 和 B series 比較 GAP 和饋入線不要距離太遠較好 , 損失較小。
C1 、 D1 比較發現 GAP 的 L 值越大 Lose 較小但是中心頻率向左移(降低)。
A2 、 B1 差不多 、但 B1 整體而言較佳,所以 GAP 之 W 值小一點較佳。
P series 將饋入線和 GAP 往上移,並將 GAP大小則中 , 取 W = 30 , L = 450 發現其 lose小,在觀察 SMITH CHART 發現 P6 阻抗較匹配,便選擇 P6 實作。(單位 mil )
軟體模擬 -NCT
-25
-20
-15
-10
-5
0
1.8 1.815 1.83 1.845 1.86 1.875 1.89 1.905 1.92 1.935 1.95 1.965 1.98 1.995
頻率
DB值
27介電係數1.889GHZ
-24.04dB→
單位 mm
S11
NCT-SMITH CHART
『 』
模擬結果比較:
2000mil 50.3mm≒
面積相差約 11.25 倍
NCT 成品圖
測量結果
-23
-18
-13
-8
-3
2
1.95 1.95 1.96 1.96 1.96 1.96 1.97 1.97 1.97 1.97 1.98 1.98 1.98 1.98
頻率
DB值
△f=4.2MHZ ↓
__________
-21.484dB→
S11
結論
在這次專題中使用陶瓷高介電係數之材料確實縮小天線的大小﹏﹏
感謝評審委員耐心聽完我的報告