馈通滤波器分析Word格式.docx

馈通滤波器分析Word格式.docx

《馈通滤波器分析Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《馈通滤波器分析Word格式.docx（37页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

瓷主要以钛、错、锡的化合物及固溶体为主晶相。

（主要用于：

高频热稳定电容器瓷，

高频热补偿电容器瓷）

□类瓷以高介电常数为特征，为具有钙钛矿型结构的强介铁电瓷料，如BaTiO3、

Pb（Mg1/3Nb2/3）O3。

（主要用于：

低频高介电容器瓷）

m类瓷：

半导体陶瓷

1.1.1高频高介电容器瓷

厂金红石瓷：

TiO2

钛酸盐瓷：

CaTiO3、SrTiO3、MgTiO3

按主晶相分/锡酸盐瓷：

CaSnO3>

SrSnO3

错酸盐瓷：

CaZrO3

（锯州锌系：

ZnO—Bi2O3-Nb2O5

按a'

值分（温度每变化1C时介电系数的相对变化率）

，a.V0：

TiO2、CaTiO3、SrTiO3

<

a£

>

0:

MgTiO3、CaSnO3、SrSnO3、CaZrO3

a0:

BaO-4TiO2

（a）真空平板电容器

（b）平板电容器中的束缚电荷

+

今）今n，今-

偶极子

p

平板电容器中介电材料的极化

在平行板电容器中，若在两板间插入固体电介质，则在外加电场作用下，固体介质中原来彼此中和的正、负电荷产生位移，形成电矩，使介质表面出现束缚电荷，极板上电荷增多,造成电容量增大。

平行板电容器在真空中的电容量为:

CQ0（V/d）A0VV0

极板间插入固体电介质后，电容量为:

C「CoroA/d

式中：

d为平板间距（m）;

A为面积（m2）,V为平板上电压（V）,「为相对介电常数,

（0「）为介电材料的电容率，或称介电常数（dielectricconstant）（单位为F/m）。

放在平板电容器中增加电容的材料称为介电材料。

显然它属于电介质。

电介质

（dielectrics）就是指在电场作用下能建立极化的物质。

如上所述，在真空平板电容间嵌入

一块电介质，当加上外电场时，则在正极板附近的介质表面上感应出负电荷，负极板附近的

介质表面感应出正电荷。

这种感应出的表面电荷称为感应电荷，亦称束缚电荷，如下图所示。

电介质在电场作用下产生束缚电荷的现象称为电介质的极化（polarize）。

正是这种极化的结

果，使电容器增加电荷的存储能力。

极化强度:

介电常数:

高频高介电容器中电介质（离子晶体）的极化主要是电子位移极化和离子位移极化。

原子核电子

极化者

极化后

电子位移极化

4吗（厂++广）

高子位移极化

a.TiO2.CaTiOjkX电子位移极化为主

[TiQJ八面体，Ti妃高价、小半役一离子位移极化-强大的局部内电场耳

Ti"

OJ极化率大-电子位移极化为主

金红石型晶体蟾构

b.CaSnOtVCaZrO^等以高子位移极化为主

TtT。

[（球T）-【

TT-VT（热膨胀）-（r+4-r）T

-%〔极化率）按（rf+r）MT-&

TT

（%＞。

）

c、BaO*4TiO,

rTt（尸-十】•-）Tt%TTteT个

1.1.1.2产生高介电系数的原因

金红石型和钙钛矿型结构的陶瓷具有特殊的结构，离子位移极化后，产生强大的局

部内电场，并进一步产生强烈的离子位移极化和电子位移极化，使得作用在离子上

的内电场得到显著加强，故&

大。

钛酸镌州也是利用SrTiO3钙钛矿型结构的内电场，而加入钛酸州等，使之产生镌离

子空位，产生离子松弛极化，从而使&

增大。

1.1.2强介铁电陶瓷（二类瓷）

低频高介电容器瓷属□类瓷，是强介铁电陶瓷，？

一般是指具有自发极化特性的非线性

陶瓷材料，其主要成份是钛酸彻（BaTiO3）,其特点是介电系数特别高，一般数千，甚至上万；

介电系数随温度呈非线性变化，介电常数随施加的外电场有非线性关系。

1.1.2.1BaTiO3陶瓷的晶体结构

钛酸彻是一致性熔融化合物，其熔点为1618C。

在此温度以下，1460C以上结晶出来

的钛酸彻属于非铁电的六方晶系6/mmm点群。

此时，六方晶系是稳定的。

在1460〜130C之

间钛酸朝转变为立方钙钛矿型结构。

在此结构中Ti4+（钛离子）居于02-（氧离子）构成的氧八

面体中央，Ba2+（彻离子）则处于八个氧八面体围成的空隙中（见右图）。

此时的钛酸彻晶体

结构对称性极高，因此无偶极矩产生，晶体无铁电性，也无压电性。

l^rogoriQl

Momdir^c

（Eneptthatas»

a,]

4u岫fro^o^oiin

C=°

Oiof旧FOnUform

（Jj™cofleir^qoMifwm

王4o惟A

Orfhorhofnbic

E2osift（XJ/2）

、Eottrt03/2）

5667A

■5681

c-3939

0、•砌

Ot-90*{b、5603

It-5375

120C（即居里点）以

随着温度下降，晶体的对称性下降。

当温度下降到120C时，钛酸彻发生顺电-铁电

相变。

在120〜5C的温区内，钛酸彻为四方晶系4mm点群，具有显著地铁电性，其自发

极化强度沿c轴方向，即［001］方向。

钛酸彻从立方晶系转变为四方晶系时，结构变化较小。

从晶胞来看，只是晶胞沿原立方晶系的一轴（c轴）拉长，而沿另两轴缩短。

当温度下降到5C以下，在5〜-90C温区内，钛酸彻晶体转变成正交晶系mm2点群，

此时晶体仍具有铁电性，其自发极化强度沿原立方晶胞的面对角线［011］方向。

为了方

便起见，通常采用单斜晶系的参数来描述正交晶系的单胞。

这样处理的好处是使我们很容易地从单胞中看出自发极化的情况。

钛酸彻从四方晶系转变为正交晶系，其结构变化

也不大。

从晶胞来看，相当于原立方晶系的一根面对角线伸长了，另一根面对角线缩短了，c轴不变。

当温度继续下降到-90C以下时，晶体由正交晶系转变为三斜晶系3m点群，此时晶

体仍具有铁电性，其自发极化强度方向与原立方晶胞的体对角线［111］方向平行。

钛酸

彻从正交晶系转变成三斜晶系，其结构变化也不大。

从晶胞来看，相当于原立方晶胞的一根体对角线伸长了，另一根体对角线缩短了。

综上所述，在整个温区（v1618C）,钛酸彻共有五种晶体结构，即六方、立方、四

方、单斜、三斜，随着温度的降低，晶体的对称性越来越低。

在

上，钛酸彻晶体呈现顺电性，在

120C以下呈现铁电性。

1.1.2.2BaTiO3陶瓷的自发极化

自发极化是指晶体在没有外加电场作用时发生了极化并有偶极矩的现象。

钛酸彻的自

发极化主要与其特殊的晶体机构有关，钛酸彻在120摄氏度以上时为等轴晶系：

晶胞常数：

a=4.01A，氧离子的半径：

1.32A，钛离子的半径：

0.64A,钛离子处于氧八面体中，两个

氧离子间的空隙为：

4.01-2X1.32=1.37，钛离子的直径：

2X0.64=1.28,氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位移的余地。

较高温度时，热振动能比较大，钛离子难于在偏离中心的某一个位置上固定下来，接近六个氧离子的几率相等，晶体保持高的对称性，自发极化为零。

温度降低，钛离子平均热振动能降低，因热涨落，热振动能特别低的离子占很大比例，

其能量不足以克服氧离子电场作用，有可能向某一个氧离子靠近，在新平衡位置上固定下来，

并使这一氧离子出现强烈极化，发生自发极化，使晶体顺着这个方向延长，晶胞发生轻微畸

变，由立方变为四方晶体。

1.1.2.3钛酸彻陶瓷的铁电畴

铁电体存在自发极化，自发极化方向相同的区域成为电畴。

钛酸彻晶体是由无数钛

酸彻晶胞组成的。

当立方钛酸彻晶体冷却到居里点Tc时，将开始产生自发极化，并同

时进行立方相向四方相的转变。

在发生自发极化的时候，其中一部分相互临近的晶胞都沿着原来立方晶胞的某个晶轴产生自发极化，而另一部分相互临近的晶胞可能沿原立方

晶胞的另一个晶轴产生自发极化。

这样当钛酸彻转变成四方相后，晶体就出现了沿不同方向自发极化的晶胞小单元，我们称之为电畴。

也就是说，通过降低温度，晶体从顺电相转变为铁电相时，由于自发极化，引起表面静电相互作用变化，产生电畴结构。

电

畴的类型、畴壁的取向，除了主要由晶体的结构对称性决定外，同时还要满足以下两个条件：

①晶格形变的连续性：

电畴形成的结果，使得沿畴壁而切割晶体所产生的两个表面上的晶格连续并相匹配。

②自发极化分量的连续性：

两相邻电畴的自发极化强度

在垂直于畴壁方向上的分量相等。

因此，在四方钛酸彻单晶中，相邻电畴的自发极化

方向只能相交成180°

或90°

，即只存在180°

畴和90°

畴。

在单斜晶系钛酸彻中，由于自

发极化沿原立方晶胞的面对角线，因此除了180°

和90°

畴外，还存在60°

和120°

而

在三斜晶系钛酸彻中，除了存在180°

和109°

1

▼

A

*

电畴示意图

反平行

不同温度烧结制得的PMW-PNN-PT陶瓷断面SEM图

（功率因数角①）的

被测试品的有功功率P

被测试品的无功功率Q

<

100%

1.3介质损耗

1.3.1基本概念

1、介质损耗

绝缘材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗。

也叫介质损失，简称介损。

2、介质损耗角3

在交变电场作用下，电介质内流过的电流相量和电压相量之间的夹角余角（a）。

简称介损角。

3、介质损耗正切值tga

又称介质损耗因数，是指介质损耗角正切值，简称介损角正切。

介质损耗因数的定义如

下:

1.3.2损耗的形式

a）电导损耗：

在电场作用下，介质中会有泄漏电流流过，引起电导损耗。

气体的电导

损耗很小，而液体、固体中的电导损耗则与它们的结构有关。

非极性的液体电介质、无机晶

体和非极性有机电介质的介质损耗主要是电导损耗。

而在极性电介质及结构不紧密的离子固

体电介质中，则主要由极化损耗和电导损耗组成。

它们的介质损耗较大，并在一定温度和频

率上出现峰值。

电导损耗，实质是相当于交流、直流电流流过电阻做功，故在这两种条件下都有电导损耗。

绝缘好时，液、固电介质在工作电压下的电导损耗是很小的，与电导一样，是随温度的增加而急剧增加的。

b）极化损耗：

只有缓慢极化过程才会引起能量损耗，如偶极子的极化损耗。

它与温度有关，也与电场的频率有关。

极化损耗与温度、电场频率有关。

在某种温度或某种频率下，损耗都有最大值。

c）游离损耗：

气体间隙中的电晕损耗和液、固绝缘体中局部放电引起的功率损耗称为

游离损耗。

电晕是在空气间隙中或固体