DE2441347A1 - Vorrichtung zur verarbeitung elektrischer mikrowellenenergie - Google Patents
Vorrichtung zur verarbeitung elektrischer mikrowellenenergieInfo
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Description
BLUMBACH · WESER · BERGEN Λ KRAMB-?
Western Electric Company Incorporated O' Bryan 2/3-2/4-3/4
New York, N. Y., USA
Vorrichtung zur Verarbeitung elektrischer Mikrowellenenergie -
Die Erfindung bezieht sich auf Mikrowellenvorrichtungen mit Resonanzelementen aus dielektrischem Material einer speziellen
Zusammensetzung des BaO - TiO - Systems. Beispielhafte Vorrichtungen sind Bandpaßfilter und Bandsperrfilter.
Zahlreiche elektrische Vorrichtungen verwenden dielektrische Materialien der unterschiedlichsten Eigenschaften für die verschiedensten
Zwecke. Beispielsweise werden Materialien mit mäßig hohen Dielektrizitätskonstanten in Vorrichtungen wie
dielektrische Resonatorfilter, Mikrowellcnbandleitungsschaltungen,
zahlreichen Oszillator-Arten, ebenso auch Phasenschieber benutzt, um nur einige wenige zu nennen. Die
dielektrische Konstante ist beim Entwurf solcher Vorrichtungen
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eine wichtige Variable, gleichermaßen wichtig sind hierbei aber geringe Dämpfung und Temperaturstabilität. Für eine
Vorrichtungsklasse ist niedrige Dämpfung notwendig, um einen Verlust des elektrischen Signals zu verhindern, ebenso auch
für den Entwurf von Schaltungen mit hohem Gütewert Q und enger Bandbreite. Temperaturstabilität wird verlangt, um
Frequenzänderungen bei solchen Vorrichtungen zu verhindern. Eine gute Temperaturstabilität erlaubt eine viel strengere
Kontrolle der Frequenzeigenschaften, wenn eine äußere Temperaturstabilisierung benutzt wird, und kann in einigen
Anwendubgsfällen sogar die Notwendigkeit einer solchen Stabilisierung überflüssig machen. Außerdem kann eine äußere
Temperaturstabilität nicht jene Temperaturänderungen korrigieren, die infolge einer Aufheizung des elektrischen Materials
durch Mikrowellen entsteht.
Bisher war es relativ leicht, Materialien mit hoher Dielektrizitätskonstante
und niedriger Dämpfung zu erhalten, diese Materialien aber sind von einer relativ großen Temperaturänderung
der dielektrischen Konstante begleitet. Diese Temperaturänderung wird hierbei gemessen durch einen Temperaturkoeffizienten,
der die Änderungen der Dielektrizitätskonstante in Teilen pro Million pro Grad Celsius (ppm/ C) darstellt.
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Man muß sich vor Augen halten, daß die Bauelement-Kennlinien, wie Frequenz usw. insbesondere empfindlich gegenüber kleinen
Änderungen der Dielektrizitätskonstante sind. Dieses Problem
ist üblicherweise bei hohen Frequenzen wie im Mikrowellenbereich
(0, 5 GHz bis 200 GHz) ernster als das Problem einer kleinen Dämpfung. Aus diesem Grund haben sich dielektrische
Materialien, die sich in Bereichen niedrigerer Frequenzen (unterhalb etwa 100 MHz) eignen, nicht als vollständig befriedigend
im Mikrowellenbereich erwiesen.
Der hier interessierente Temperaturkoeffizient ist jener, wie dieser durch die Änderungen der Resonanzfrequenz eines
dielektrischen Resonators bestimmt ist. Dieser effektive Temperaturkoeffizient enthält thermische Ausdehnungseffekte ebenso
auch dielektrische Effekte. Der effektive Temperaturkoeffizient ist definiert durch die Gleichung
f dT
Derzeit bekannte dielektrische Materialien werden in dielektrischen
Rcsonatorbauelementen des Mikrowellen bereiches nicht sonderlich verbreitet benutzt. Beispielsweise hat eines der
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besseren Materialien mit 20 mol% BaO und 80 mol% TiO
(dargestellt durch die Formal BaTi O) eine dielektrische ■ Konstante von 38, O, einen Gütewert von 2500, aber einen
Temperaturkoeffizienten (der Dielektrizitätskonste) von -49 ppm/°C bei 2-11 GHz (D. J. Masse et al, Proc. IEEE,
November 1971, Seite 1628). Obgleich Dielektrizitätskonstante und der Gütewert Q für Mikrowellenanwendungsfälle geeignet
sind, ist der Temperaturkoeffizient so hoch, daß eine sehr genaue Temperatursteuerung erforderlich sein würde um die
Eigenschaften des Bauelementes zu stabilisieren. Ähnliche Resultate wurden mit einem zweiten Material der Zusammensetzung
von 14,0 mol% BaO und 86, 0 mol% TiO erhalten,
das eine Dielektrizitätskonstante von 50,3, einen Gütewert Q von 16 00 und einen Temperaturkoeffizienten (der Dielektrizitätskonstante)
von -368 ppm/ C bei X-Band-Frequenzen (8-12 GHz) aufweist (D.W. Readey et all, "Microwave High
Dielectric Constant Materials" , Endbericht zu Contract No. DAAB07-69-C-0455, Berichtkontrollzeichen OSD01366).
Die Erfindung befaßt sich nun mit Mikrowellenvorrichtungen, in denen Materialien einer speziellen Zusammensetzung als
das dielektrische Material benutzt werden. Die Zusammensetzung des Materials betrifft hauptsächlich das BsO-TiO
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System. Jedoch können ohne nachteilige Wirkungen auf die dielektrischen Eigenschaften der Materialien gewisse Oxide
für BaO und TiO in begrenzten Mengen substituiert werden. Diese Substitutionsoxide sind häufig jene, die im Naturvorkommen
zusammen mit BaO und TiO auftreten. Sonach ist die unbeabsichtigte Gegenwart dieser Verunreinigungen häufig
unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten vorteilhaft, insbesondere bei der Massenfertigung, weil weniger reine (und deshalb weniger
kostspielige) Materialien benutzt werden können. Auch können die mechanischen Eigenschaften keramischer Zusammensetzung,
die aus diesem Material·hergestellt sind, oderkann die kristalline
Elementarzelle durch diese Substitutionen verbessert werden.
Eine bequeme Definition der Zusammensetzung geschieht durch Angabe der Molprozente von zweiwertigen Metalloxiden und
der Molprozente von vierwertigen Metalloxiden. Das dielektrische Material besteht im wesentlichen aus einer Zusammensetzung,
die aus einem Material aufgebaut ist,, das 18,0 - 19,
Mo 1% an zweiwertigen Metalloxiden, Rest viewertige Metalloxide (YO ) ergibt. Von der Gesamtmenge an XO können bis
zu 0,4 Mol% des XO ein anderes zweiwertiges Metalloxid als
BaO sein (z.B. NgO, CaO, SrO, etc.),. Rest BaO. Von; der
Gesamtmenge an YO können bis zu 7 Mpl% des YO,. ein anderes
5 O 9 8 1 O / 1 1 U :
vierwertiges Metalloxid als TiO sein (z.B. ZrO , HfO ,
2 2ι
2
SnO0, SiO etc.) Rest TiO . Außerhalb dieser Grenzen nimmt
Ca
Δ
Δ
der Temperaturkoeffizient beträchtlich zu. Andere Oxide als zweiwertige und vierwertige Metalloxide sollten vermieden
werden und wenigstens unter O, 5 Gewichtsprozent gehalten werden. Diese zu vermeidende Oxide mindern die dielektrischen
Eigenschaften dieser Materialien, insbesondere den niedrigen Temperaturkoeffizienten. Selbstverständlich ist
die Zusammensetzung von 18, O bis 19, O Mol% BaO, Rest
TiO , in den obigen Zusammensetzungen eingeschlossen und ist dort bevorzugt, wo strenge Qualitätskontrolle erwünscht
ist. Die Materialzusammensetzung entspricht weitgehend der Verbindung Ba Ti O . Es wird angenommen, daß die günsti-
Ct Ό JjSj
gen Eigenschaften des beanspruchten Zusammensetzungsbereiches von der Bildung dieser Verbindung herrühren. Obgleich
die Herstellungsmethode keine besondere Rolle spielt, hat ein bestimmtes Herstellungsverfahren zu guten Resultaten geführt.
Dieses Verfahren wird nachstehend noch beschrieben werden. Dieses dielektrische Material verwendende Mikrowellenvorrichtungen
zeigen überlegene Eigenschaften, und zwar wegen der hohen Dielektrizitätskonstante und der niedrigen Dämpfung
(hoher Gütefaktor Q) und deshalb, weil der Temperaturkoeffizient besonders niedrig ist. Beispielsweise kann eine sehr
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gcnnue Kontrolle der elektrischen Eigenschaften von Mikrowellenbauelemcnten
erreiclit werden mit äußerer Temperaturstabilisierung und in einigen Anwendungsfällen kann die äußere
Temperaturstabilisierung sogar entfallen. Typische dielektrische Eigenschaften dieser Materialien sind: eine dielektrische
Konstante von 39, 8, ein Gütewert Q von über 6000 und ein effektiver Temperaturkoeffizient von -5 ppm/ C.
Nachstellend ist die Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen
erläutert; es zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm zur Darstellung der Abhängig
keit der Dielektrizitätskonstante (K), des Gütefaktors (Q) und des Temperaturkoeefizienten
( 'tf) in Abhängigkeit von der Materialzusammensetzung,
Fig. 2 eine Seitenansicht eines Bandpaßfilters mit
dem dielektrischen Material,
Fig. 3 eine Draufsicht auf das Bandpaßfilter nach
Fig. 2,
Fig. 4 eine Seitenansicht eines Bandsperrfilters
mit einer Streifenleitung und dem dielektrischen Resonator,
Fig. 5 eine Draufsicht auf ein Komplementärfilter
mit dem dielektrischen Material, und 509810/1 U3
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Fig. 6 ein Diagramm zur Darstellung des
Temperaturkoef .izienten als Funlction der Ausgangsmaterialzusammensetzung
bei durchgeführter bzw. nicht durchgeführter Auslaugungsbehandlung Säure.
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Die Erfindung kann am besten durch eine Betrachtung der
elektrischen Eigenschaften des dielektrischen Materials als
Funktion der Zusammensetzung erläutert werden. Die elektrischen Eigenschaften sind im Mikrowellenbereich gemessen,
da es dieser Frequenzbereich ist, für den besondere Schwierigkeiten bestanden, vernünftige Eigenschaften zu erreichen.
Die drei Eigenschaften, die bei den in Rede stehenden Anwendungsfällen
wichtig sind, sind die Dielektrizitätskonstante, der dielektrische Verlust (oder hoher Gütefaktor Q) und der
Temperaturkoeffizient der dielektrischen Konstante. Diese
Größen werden nach üblichen Methoden gemessen. Die Dielektrizitätskonstante erhält man durch Messen der resultierenden
Frequenz des TE -Mode, wobei das dielektrische Material in einer speziellen Geometrie vorliegt. Die Dielektrischen
Verluste werden gemessen durch Bestimmung des Gütefaktors
von Q des TE -Modes eines dielektrischen Resonators, und 018
der effektive Temperaturkoeffizient der Dielektrizitätskonstante wird gemessen durch Bestimmung der Frequenzänderung des
Modes des dielektrischen Resonators als Funktion der Temperatur.
Die Resultate sind in Fig. 1 dargestellt, in der die Dielektri-
509810/1143 '
zitätskonstante, der dielektrische Verlust (anhand des Gütefaktors
Q) und der effektive Temperaturkoeffizient als Funktion der Zusammensetzung des dielektrischen Materials aufgetragen
sind. Besonders erwähnenswert ist der Umstand, daß der Absolutwert des effektiven Temperaiurkoeffizienten ein
Minimum dicht bei der Zusammensetzung ist, die Ba Ti O entspricht.
Befriedigende Ergebnisse hinsichtlich der Verwendbarkeit des Materials für die hier in Rede stehenden Zwecke können mit
einem dielektrischen Material erhalten werden, das aus einer Zusammensetzung von 18, 0 bis 19, 0 Mol% zweiwertigen Metalloxides
(XO), Rest vierwertiges Metalloxid (YO ] , aufgebaut ist» wobei bezüglich der Zusammensetzung von XO und YO
die oben angeführten Beschränkungen gelten. Für einen minimalen Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstante
sind 18,1 bis 18, 3 Mo 1% zweiwertiges Metalloxid, Rest vierwertiges
Metalloxid, bevorzugt, wobei wiederum die gleichen Beschränkungen hinsichtlich der Zusammensetzung des zweiwertigen
Metalloxides und des vierwertigen Metalloxides wie oben für den breiteren Zusammensetzungsbereich angegeben,
gelten. Wiederum werden auch 18,1 bis 18, 3 BaO, Rest TiO
von diesem Zusammensetzungsbereich erfaßt und diese ist dort
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bevorzugt, wo ein hoher Grad von Qualitätskontrolle erwünscht ist. Es sei bemerkt, daß diese Zusammensetzung sehr eng der
nominellen Zusammensetzung Ba Ti O , von der angenommen
ζ y zu
wird, daß das meiste der erwünschten dielektrischen Eigenschaften herrührt.
Weitere Untersuchungen, wie Röntgenstrahlenuntersuchungen,
zeigen, daß die für die neuartige Kombination geeigneter dielektrischer Eigenschaften verantwortliche Phase eine Verbindung ist,
die die ungefähre Nennzusammensetzung Ba Ti O hat. Beispielsweise zeigen diese Röntgenstrahlenuntersuchungen, daß
bei der Zusammensetzung von 18,1 bis 18, 3 Mol% BaO, Rest
TiO (weitgehend der Zusammensetzung von Ba Ti O ent- Z
Zy Zu
sprechend) nur eine einzige Phase festgestellt werden kann, und daß außerhalb dieses Bereiches anderen Phasen zu erscheinen
beginnen. Des weiteren wurde hierbei gefunden, daß die Substitutionen, soweit sie innerhalb der oben angegebenen Beschränkungen
liegen, keine meßbaren zusätzlichen Phasen erzeugen.
Das dielektrische Material kann nach zahlreichen1 Methoden
hergestellt werden. Beispielsweise könnten Einkristalle hergestellt und in einer dielelrtrischen Vorrichtung benutzt werden.
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Jedoch ist dieses Verfahren manchmal ökonomisch nachteilig,
und zwar wegen der Schwierigkeit bei der Herstellung von " Einkristallen in großen Mengen und wegen der Notwendigkeit
für spezielle Formen und Größen in den einzelnen elektrischen Vorrichtungen. Aus diesem Grunde ist eine polykristalline
Technik zur Herstellung einer Keramik-Form des dielektrischen Materials vorteilhaft.
Die Herstellungsmethode wird anhand eines Beispiels erläutert, in dem das zweiwertige Metalloxid BaO ist, und das vierwertige
Metalloxid TiO . Die Ausgangsmaterialien können jegliche
Lt
Reagenzien sein, die unter den Verfahrensbedingungen zu BaO und TiO gühren. Analysenreines BaCO und TiO sind
bequeme Ausgangsmaterialien. Abgewogene Mengen der Ausgangsmaterialien werden nach üblichen Methoden gemischt,
beispielsweise mit Hilfe einer Kugelmühle, Gefriertrocknung, Sprühtrocknung usw. Die gemischten Reagenzien werden getrocknet,
gesiebt und 1-48 Stunden lang bei Temperaturen zwischen 1000 und 1200 C in einer sauer stoffhalt igen Atmosphäre reagieren
gelassen. Eine Reaktionstemperatur von 1125 bis 1175 C bei einer Reaktionszeit von 2-6 Stunden ist bevorzugt, da
hiermit ein überlegenes Produkt erhalten wird. Aus demselben Grund ist eine mit Sauerstoff angereicherte Atmosphäre, z. B.
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eine wenigstens 90% Sauerstoff enthaltende Atmosphäre, bevorzugt. Ilöntgenstrahlenanalyse kann zur Überwachung der Zersetzung
der BaO und TiO liefernden Reagenzien und der Bildung des Reaktionsproduktes benutzt werden. Ein zusätzliches
Vermischen des durchreagierten Pulvers ist gleichfalls günstig.
Ein Weg zur Durchführung der vorstehend erwähnten Vermischung ist die Verwendung einer Kugelvermahlung (siehe
beispielsweise Physical Veramics for Engineers, von L.V. Van Vlack, Addison-Wesley, 1964) in einem beispielsweise
aus Polyäthylen gefertigten Mahlgefäß unter einer omanischen
Flüssigkeit wie Aceton oder unter Wasser. Die Kugeln können aus zahlreichen Materialien hergestellt sein, beispielsweise
aus Aluminiumsilikat und Aluminiumoxid. Organische Flüssigkeiten sind dort bevorzugt, wo die Kosten nicht ins Gewicht
fallen und wo nur kleinere Chargen des dielektrischen Materials vermählen werden. Organische Flüssigkeiten ändern die
Stöchiometrie der Reaktionspartner nicht, da diese in organischen
/ Lösungsmitteln unlöslich sind. Wasser kann dort bevorzugt werden, wo die Kostenfrage relevant wird. In diesem Fall
löst sich etwas Reaktionsmittel im Wasser, und es ist-eine gewisse Einstellung der Ausgangsmengen des Reaktionsmittels
/12a
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erforderlich, so daß die Zusammensetzung nach der Kugelvermahlung der Stöchiometrischen Zusammensetzung entspricht.
Zur Vermeidung dieses Problems kann das Wasser bereits mit den Reaktionsmitteln vor seiner Verwendung in
der Kugelmühle gesättigt werden (oder einfach immer wieder erneut benutzt werden).
Vor der Umwandlung des Materials in den dielektrischen Körper durch Sintern oder Heißverpressung ist es bevorzugt, die
reagierten Ausgangsmaterialien einer Auslaugungsbehandlung mit Säure zu unterziehen. Diese Maßnahme verbessert den
Q-Wert des Endproduktes und macht darüber hinaus den Q-Wert
von Charge zu Charge genauer reproduzierbar. Diese Maßnahme verbessert auch die Alterungsqualitäten des Endproduktes
(insbesondere die Stabilität des Q-Wertes gegenüber thermischen
Zyklen). Jede Säure mit einer Dissoziationskonstante größer
—5
als 10 kann zur Auslaugung benutzt werden, jedoch werden beste Resultate erhalten mit einer starken Säure (Dissoziations-
als 10 kann zur Auslaugung benutzt werden, jedoch werden beste Resultate erhalten mit einer starken Säure (Dissoziations-
_2
konstante größer als 10 , beispielsweise HNO , HCl, H SO etc),
konstante größer als 10 , beispielsweise HNO , HCl, H SO etc),
o * it 4
wobei HNO0 und HCl am meisten bevorzugt sind. Die Auslaugungsbehandlung
mit Säure wird 10 Minuten bis 6 Stunden lang durchgeführt. Zwei bis 4 Stunden lange Behandlungen sind bevorzugt.
Die Temperatur kann vom Gefrierpunkt der Säure bis zu etwa
509810/1143
50 C sclvwanken, aus Bequemlichkeitsgründen ist jedoch Zimmertemperatur
bevorzugt. Eine Auslaugungsbehandlung mit Säure oberhalb 50 C ist unbequem und bringt keinen Vorteil gegenüber
der Behandlung unterhalb 50 C. Die Säurekonzentration kann sich von 0,1 M bis zur gewöhnlich konzentrierten Säure
(im allgemeinen 10-18 Molar) ändern. Gewöhnlich gesättigte Säure (10-18 Molar) ist der Bequenlichkeit halber bevorzugt.
Ein typisches Verfahren ist die Verwendung von konzentriertem HNO (14-17 Molar) bei einem Säure zu Pulververhältnis von
200 ml/100 g, wobei dann die Säure-Auslaugungsbehandlung drei
Stunden lang bei Zimmertemperatur durchgeführt wird. Da diese Auslaugungshehandlung Material entfernt, das in Barium reicher
ist als das Ausgangsmaterial, hat das Endprodukt nicht die gewünschte Zusammensetzung, die den minimalen Alsolutwert des
Temperaturkoeffizienten Y entspricht. Wenn mit Säure-Auslaugung
gearbeitet wird, sollte die Ausgangszusammcnsetzung so gewählt werden, daß dieser Bariumverlust kompensiert
wird. Typischerweise führt unter den vorstehend angegebenen Bedingungen eine Anfangszusammensetzung von 18,4 bis 18,6
Mol% BaO, Rest TiO , zu dem Minimumswert des Absolutwertes
des effektiven Temperaturkoeffizienten.
Fig. G illustriert die Prozedur durch die er effektive Temperatur-
/12c
509810/1 U3
koeffizient minimalisiert werden kann durch eine Änderung der Ausgangszusammensetzung. Fig. 6 zeigt den Gang von·
' in Teilen pro Million (ppp) pro Grad Celsius in Abhängigkeit von der Ausgangszusammensetzung des dielektrischen
Materials in Molprozent TiO . Durch Ändern der Ausgangs-
Lt
konzentration und Bestimmung von T ff kann die Ausgangskonzentration
für den kleinsten Wert von T für die jeweilige
eff
Säure-Auslaugungsbehandlung erhalten werden. Die Daten der
Fig. 6 wurden erhalten unter Verwendung von konzentrierter
Salpetersäure für die Auslaugungsbehandlung, wobei die vorstehend beschriebene Prozedur angewandt wurde. Ähnliche
Resultate wurden mit konzentriertem HCl erhalten. Gleichermaßen gute Resultate können erhalten werden mit H SO ,
jedoch scheint die optimale Ausgangskonzentration auf der TiO reichen Seite der optimalen Konzentration des nicht
ausgelaugten Materials zu liegen.
Typische Verbesserungswertc für den Q-Wert im Vergleich
zum nichtausgelaugten Material sind die folgenden: für nicht ausgelaugtes Material war der Q-Wert 4900, für mit HNO
ausgelaugtes Material betrug er 9400, für mit HCl ausgelaugtes Material 9200 und für mit H SO ausgelaugtes Material 9600.
Δ 4
/12d
B09810/1U3
Die Säure-Auslaugung verbessert die dielektrischen Eigenschaften
der anderen Zusammensetzungen im BaO-TiO -System. Beispielsweise führt die Zusammensetzung 19-21 Mol% BaO,
Rest TiO , nach Verarbeitung in einen Keramikkörper entsprechend der obigen Prozedur, jedoch ohne Säure-Auslaugungsbehandlung,
zu einem Q-Wert von 6400 bei einer Frequenz von 4GHz. Mit Säure-Auslaugung erhielt man einen Q-Wert von
9400. In diesem Zusammensetzungsbereich wird angenommen, daß die effektive Verbindung BaTi O ist. Aus diesem Grund
sind Zusammensetzungen die dichter bei BaTi O (20 Mol%
BaO, Rest TiO ) liegen, bevorzugt, beispielsweise 19, 5-20, Mol% BaO, Rest TiO . Eigenschaften und Herstellung dieser
Materialien finden sich in den folgenden Veröffentlichungen:
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Nov. 1971, Seiten 1628-1629. *
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DAAB07-69-C-0455, Technical Report ECOM-0455-F, Reports Control Symbol OSD-1366, Juni 1971.
Ein dielektrischer Körper, der sich zum Herstellen speziell
geformter Körper für den jeweiligen Verwendungszweck mechanisch eignet, kann sowohl durch Heißverpressung als auch durch
'■'■*■ /12e
509810/1U3
»e ' "'-'+4 1347
Sinterung hergestellt werden. Vorzugsweise sollten diese Schritte in einer sauerstoffangereicherten Atmosphäre durchgeführt
werden. Diese Methoden schließen eine Verdichtung des keramischen Körper ein, so daß die Dichte dieses Körpers
die theoretische Dichte beispielsweise von Einkristallen des
dielektrischen Materials annähernd erreicht. Bei der Heißverpressung wird die Keramik hohen Drücken und Temperaturen
zum Erhalt eines verdichteten Erzeugnisses ausgesetzt.
Typische Drucke sind 70, 3 - 422 kg/cm , wobei die untere Druckgrenze
zur Sicherstellung einer vernünftigen Verdichtung steht und die obere Grenze aus Zweckmäßigkeitsgründen angegeben
ist, da höhere Drücke zu keinen zusätzlichen Vorteilen führen und um ein Zubruchgehen des Druckwerkzeuges zu verhindern.
/13
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ORIGINAL
Die Temperatur liegt zwischen 1150 und 1500 C, Die untere
Grenze dient zur Sicherstellung der Verdichtung; die obere Grenze ist eine Zweckmäßigkeitsgrenze, da höhere Temperaturen
zu keinen zusätzlichen Vorteilen führen. Die Mindestzeitbeträgt 30 Minuten zur Sicherstellung eines vollständigen
Reaktionsablaufes; das Maximum liegt bei 10 Stunden, da zu diesem Zeitpunkt die Reaktion vollständig abgelaufen ist. Die
erreichte Dichte liegt typischerweise bei 99% des theoretischen Wertes. Falls erforderlich, erhalten die Proben eine erneute
Oxidationsbehandlung. Diese Behandlung wird 10 - 100 Stunden lang ausgeführt bei einer Temperatur zwischen 900 und 1400 C
in sauerstoffangereicherter Atmosphäre. Die unteren Grenzen dienen zur Sicherstellung der Reaktion, die oberen Grenzen
sind Zweckmäßigkeitsgrenzen, da höhere Temperaturen oder längere Reaktionszeiten keine zusätzlichen Vorteile ergeben.
Beim Sinterungsverfahren wird das dielektrische Material zunächst in einem Stahlgesenk bei einem Druck zwischen
2
140, 6 -703,1 kg/cm gepreßt. Sodann wird die Probe auf 1300 bis 1420 C erhitzt, und bei dieser Temperatur wird sie dann 1-24 Stunden lang gehalten, sonach abgekühlt. Bei den vorstehend angegebenen Druck-, Temperatur- und Zeitbereichen ergibt sich die untere Grenze zur Sicherstellung
140, 6 -703,1 kg/cm gepreßt. Sodann wird die Probe auf 1300 bis 1420 C erhitzt, und bei dieser Temperatur wird sie dann 1-24 Stunden lang gehalten, sonach abgekühlt. Bei den vorstehend angegebenen Druck-, Temperatur- und Zeitbereichen ergibt sich die untere Grenze zur Sicherstellung
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Jfft
einer richtigen Verdichtung des aus dem dielektrischen Material hergestellten Körpers. Die obere Grenze ergibt sich aus Zweckmäßigkeitsgründen,
da durch Überschreiten dieser Grenzen keine zusätzlichen Vorteile erreicht werden. Erwärmungsund
Abkühlungsgeschwindigkeiten größer als 300 C pro Stunde können schädliche Effekte auf das Enderzeugnis haben, andererseits
wird die untere Grenze auch hier wiederum nur durch Wirtschaftlichkeitsüberlegungen diktiert. Die Proben können
auch der oben erwähnten Reoxidations-Nachbrandbehandlung unterworfen werden.
In zahlreichen Vorrichtungen kann das dielektrische Material verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist der Umstand,
daß Bandleitungs-Techniken angewandt werden können, die zu Vorrichtungen führen, welche sowohl kleiner als auch kostengünstiger
sind als die traditionell im Mikrowellenbereich verwendeten Wellenleiter-Anordnungen. Auch das Verhalten ist
überlegen wegen der größeren Flexibilität beim Entwurf der Vorrichtung und wegen der Eigenschaften der in solchen Vorrichtung
benutzten dielektrischen Materialien.
Eine Vorrichtungsklasse macht von dem dielektrischen Material als ein dielektrischer Resonator Gebrauch.
509810/1 U3
Der dielektrische Resomtor hat Abmessungen und eine Form
dergestelt, daß für die interessierende Frequenz der Mikrowellenenergie
diese innerhalb des Resonators resonant ist, also hohe Energiespeicherung vorliegt. Eine typische Vorrichtung
ist in Fig. 2 und 3 dargestellt. Es handelt sich dabei um einen Bandpaßfilter, das es einem gewissen Frequenzband
gestattet, übertragen zu werden, während außerhalb dieses Bandpasses gelegene Frequenzen abgewiesen werden. Die in
Fig. 2 dargestellte Vorrichtung ist aus zylindrischen Resonatoren 21 und einem Bandleitungs-Leiter 22 aufgebaut, ferner
aus einem keramicchen Substrat 23 und untere und obere Erdungsebenen ü4 bzw. 25. Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf diese
Vorrichtung mit zylindrischen Resonatoren 21 und den Bandleitungsleitern 22, Frequenz- und Bandpaßkennlinien dieser
Vorrichtung hängen weitgehend vom Durchmesser und von der Höhe dieser zylindrischen Resonatoren sowie den Abständen
hierzwischen ab. Beim Bandpaßfilter nach Fig. 2 und 3 ist in der Anordnung die Bandleitung unterbrochen, so daß sie beim
Fehlen dielektrischer Resonatoren für die Mikrowellenenergie nicht übertragend ist. Einer oder mehrerer dielektrischer
Resonatoren sind zwischen die unterbrochene Bandleitung eingefügt, um die Energie von einer Bandleitung auf die andere
zu koppeln. Eine direkte Kopplung wird erreicht durch An-
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MA1347
ordnen der dielektrischen Resonatoren relativ dicht zueinander. Eine Kopplung kann aber auch erreicht werden durch Anordnen
des dielektrischen Resonators in einem Abstand von einem ungradzahligen Vielfachen einer viertel Wellenlänge, wenn
eine Übertragungsbandleitung zwischen den Resonatoren benutzt wird. Die Wellenlänge auf die hier Bezug genommen ist,
ist die Mikrowellenlänge innerhalb des Mikrowellenfilters. Typische Abmessungen des dielektrischen Resonators für
eine Bandmittenfrequenz von 4 GHz sind ein Durchmesser von I8 5 cm (0t 6") und eine Höhe von 0,44 cm (0,175").
Fig. 4 zeigt die Seitenansicht eines Bandsperrfilters 40 (ein gewisses Frequenzband wird durch die Vorrichtung gesperrt).
Hier sind zylindrische Resonatoren 41 ebenso dargestellt wie ein Bandleitungsleiter 42 und ein Keramiksubstrat 43. Hier
verläuft die Bandleitung kontinuierlich und die Anordnung überträgt bei fehlenden dielektrischen Resonatoren. Die dielektrischen
Resonatoren sind in einem gegenseitigen Abstand von einem ungradzahligen Vielfachen einer viertel Wellenlänge
voneinander angeordnet und machen die Anordnung nicht-übertragead bezüglich Frequenzen, die zur Reacmatorfrequenz des
dielektrischen Resonator« benachbart sind.
609810/1143
Fig. 5 zeigt ein Komplementärfilter 50 mit dielektrischen Resonatoren 51 in einem Übertragungswellenleiter 52 und
einigen dielektrischen Resonatoren in einem nichtübertra.-genden Wellenleiter 55. Die Abstände der dielektrischen
Resonatoren im Übertragungs- und Nichtübertragungswellenleiter sind unterschiedlich. Die dielektrischen Resonatoren
sind so angeordnet, daß ein schmales Frequenzband, üblicherweise innerhalb des in der Mikrowellenschaltung übertragenen
Frequenzbereiches, im Bandsperr-Abschnitt 53 reflektiert wird, aber beim Bandpaßabschnitt 54 durchgelassen wird. Dieses
hat die Wirkung, daß ein schmales Frequenzband oder ein Kanal aus einem größeren Frequenzband oder einem Vielfachkanal
in einem Übertragungssystem entnommen wird.
509810/1.U3
Claims (5)
- BLUMBACH · WESER · BERGEN & KRAME^^ 3 ^ ηPATENTANWÄLTE IN WIESBADEN UND MÜNCHENDIPI -ING. P G. BLUMBACH . DIPL-PHYS. DR. W. WESER . DIPL-ING. DR. JUR. P. BERGEN DIPL-ING. R. KRAMERti WIESBADEN · SONNENBERGER STRASSE 43 · TEL. (04121) 5i2?43, 5619V8 MÖNCHENPATENTANSPRÜCHE(l. Vorrichtung zur Verarbeitung elektrischer Mikro-wellenenergie mit einem mit dieser in Wechselwirkung tretenden dielektrischen Material, Mitteln zum Einführen der Mikrowellenenergie in das dielektrische Material und einem leitenden Glied zur Aufnahme der Mikrowellenenergie in der Apparatur, wobei das dielektrische Material im wesentlichen aus einer BaO und TiO _ umfassenden Zusammensetzung be-steht,dadurch gekennzeichnet,daß die Zusammensetzung des dielektrischen Materials aus Bestandteilen aufgebaut ist, die 18, 0 bis 19, 0 Mol% eines zweiwertigen Metalloxides ergeben, welches aus BaO und aus 0 - 0,4 Mol% eines anderen zweiwertigen Metalloxides als BaO ausgewählt ist, wobei der restliche Teil der Zusammensetzung ein vierwertiges Metalloxid ist, das aus TiO0 und aus 0-7 Mol% eines anderen vierwertigen Metalloxides als TiO ausgewählt ist.2t509810/11
- 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung 18,1 bis 18, 3 Mol% zweiwertiges Metalloxid, Rest vierwertiges Metalloxid, umfaßt.
- 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material im wesentlichen aus einer Verbindung der umgefahren Nominalformel Ba TinO besteht.
- 4. Verfahren zur Herstellung des für die Verwendung in der Vorrichtung nach Ansprüchen 1, 2 und 3 vorgesehenen dielektrischen Materials, gekennzeichnet durch folgende Schritte:a) Vermischen entsprechend bemessener Materialmengen, die auf die weitere Bearbeitung hin die zweiwertigen Metalloxide und die vierwertigen Metalloxide liefern;b) 1 bis 48 Stunden langes Reagierenlassen der Materialien bei einer Temperatur zwischen 1000 und 1200 C in sauerstoffhaltiger Atmosphäre; undc) Verdichten des dielektrischen Materials.509810/11
- 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,daß die Materialien 2 bis 6 Stunden lang bei einer Temperatur von 1125 bis 1175 C in sauerstoffangereicherter Atmosphäre reagieren gelassen werden.6. Verfahren nach Anspruch4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung durch 0, 5 bis 10 Stunden langes Heißverpressen des dielektrischen Materials bei einem Druck2
von 70,3 bis 422 kg/cm und einer Temperatur von 1150 bis1400 °C durchgeführt wird.7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung durch Sintern ausgeführt wird dergestalt, daß das dielektrische Material zunächst mit einem2
Druck von 140, 6 - 703,1 kg/cm gepresst wird und dann 1-24 Stunden lang auf 1300 - 1420 C erhitzt und sodann abgekühlt wird.8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Heißverpressung und/oder Sinterung in sauerstoff angereicherter Atmosphäre erfolgt.509810/11439. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das reagierte Material vor der V erdichtung einer Auslaugungsbehandlung mit Säure unterworfen wird.10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Auslaugungsbehandlung eine starke Säure benutzt wird.11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10,dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Säure gearbeitet wird, deren Konzentration zwischen 0,1 Molar und der Konzentration gewöhnlich konzentrierter Säure (10 - 18 Molar) gelegen ist.12. Verfahren nach Anspruch 9, 10 oder 11,dadurch gekennzeichnet, daß Salpetersäure oder Chlorwasserstoffsäure als die starke Säure verwendet wird.13. Verfahren nach Anspruch 12,dadurch gekennzeichnet, die Säure-Auslaugungsbehandlung · mit konzentrierter (10-15 molarer) Salpetersäure 2 bis 4 Stunden lang bei Zimmertemperatur ausgeführt wird.5 0 9 8 1 0 / 1 U 3
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) |