DE60101184T2 - Keramische Zusammensetzung für Hochfrequenzanwendungen, dielektrischer Resonator, dielektrischer Filter, dielektrischer Duplexer und Kommunikationsvorrichtung - Google Patents

Keramische Zusammensetzung für Hochfrequenzanwendungen, dielektrischer Resonator, dielektrischer Filter, dielektrischer Duplexer und Kommunikationsvorrichtung Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein dielektrisches keramisches Material, das für einen Hochfrequenzbereich, wie z. B. den Mikrowellenbereich und den Millimeterwellenbereich, verwendbar ist, sowie einen dielektrischen Resonator, ein dielektrisches Filter, einen dielektrischen Duplexer und eine Kommunikationsvorrichtung, in denen das keramische Material benutzt wird.
  • Dielektrische keramische Materialien werden weit verbreitet als Materialien für einen dielektrischen Resonator, ein dielektrisches Filter und eine Leiterplatte benutzt, die in elektronische Vorrichtungen eingebaut werden, die in Hochfrequenzbereichen, wie z. B. dem Mikrowellenbereich und dem Millimeterwellenbereich, für verschiedene Anwendungen verwendet werden, zu denen tragbare Telefone, drahtlose Personenfunkausrüstungen und Satellitenrundfunkempfänger gehören.
  • Als die dielektrischen Kennzeichen, die für ein derartiges dielektrisches keramisches Material für Hochfrequenzanwendungen erforderlich sind, lassen sich aufzählen: (1) ein großer spezifischer Dielektrizitätskoeffizient (εr), um die Forderung nach Miniaturisierung zu erfüllen, da die Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle in einem Dielektrikum um 1/(εr)1/2 verkürzt wird, (2) ein kleiner dielektrischer Verlust, d. h. ein hoher Q-Wert, (3) ausgezeichnete Temperaturstabilität der Resonanzfrequenz, d. h., daß der Temperaturkoeffizient (Tf) der Resonanzfrequenz in der Nähe von 0 (ppm/° C) liegt, usw.
  • Üblicherweise sind dielektrische keramische Materialien, die durch eine Zusammensetzung vom Ba(Zn,Ta)O3-Typ (geprüfte japanische Patentanmeldung Nr. 58-25068), eine Zusammensetzung vom Ba(Sn,Mg,Ta)O3-Typ (geprüfte japanische Patentanmeldung Nr. 3-34164), eine Zusammensetzung vom (Zr,Sn)TiO4-Typ (geprüfte japanische Patentanmeldung Nr. 4-59267) und eine Zusammensetzung vom Ba2Ti9O20-Typ (ungeprüfte japanische Patentanmeldung Nr. 61-10806) dargestellt werden, bekannt.
  • Während die Materialien vom Ba(Zn,Ta)O3-Typ und vom Ba(Sn,Mg,Ta)O3-Typ sehr große Q-Werte (bei 1 GHz) aufweisen, die von 150.000 bis 300.000 reichen, sind die spezifischen Dielektrizitätskonstanten (εr) jedoch verhältnismäßig klein und reichen von 24 bis 30.
  • Andererseits weisen die Materialien vom (Zr,Sn)TiO4-Typ und vom Ba2Ti9O20-Typ verhältnismäßig große spezifische Dielektrizitätskonstanten (εr) von 37 bis 40 und große Q-Werte (bei 1 GHz) von 50.000 bis 60.000 auf. Es ist jedoch schwierig, eine größere spezifische Dielektrizitätskonstante (εr) zu verwirklichen, z. B. einen Wert von über 40 zu verwirklichen.
  • Das dielektrische keramische Material für Hochfrequenzanwendungen CaTiO3-Ca(Al1/2Nb1/2)O3 ist in KR-8-208479 offenbart.
  • In den letzten Jahren sind die Forderungen nach einer Verringerung des Verlustes und nach Miniaturisierung von elektronischen Vorrichtungen verstärkt worden. Dementsprechend sind die Forderungen nach dem Entwickeln von dielektrischen Materialien, die außerdem ausgezeichnete dielektrische Kennzeichen, insbesondere sowohl eine große spezifische Dielektrizitätskonstante (εr) als auch einen großen Q-Wert, aufweisen, verstärkt worden. Die gegenwärtigen Technologien können diesen Forderungen jedoch nicht vollständig nachkommen.
  • Davon ausgehend ist es eine der Aufgaben der vorliegenden Erfindung, ein dielektrisches keramisches Material für Hochfrequenzanwendungen bereitzustellen, das eine große spezifische Dielektrizitätskonstante (εr) von 40 bis 60, einen großen Q-Wert (bei 1 GHz) von etwa 25.000 oder größer und einen Temperaturkoeffizient (Tf) der Resonanzfrequenz, der innerhalb des Bereichs von etwa 0 ± 30 (ppm/°C) reguliert werden kann, aufweist. Eine weitere Aufgabe ist es, einen dielektrischen Resonator, ein dielektrisches Filter, einen dielektrischen Duplexer und eine Kommunikationsvorrichtung bereitzustellen, in denen das keramische Material benutzt wird.
  • Um die oben beschriebenen Aufgaben zu lösen, ist ein erfindungsgemäßes dielektrisches keramisches Material für Hochfrequenzanwendungen dadurch gekennzeichnet, daß es Ca, Ti, Mg, Zn, Nb und Al umfaßt und einen Aufbau aufweist, der dargestellt ist durch die Formel: yCaTiaO1+2a – (1 – y)xCa{(MgzZn1–z)1/3Nb2/3}bO1+2b – (1 – y)(1 – x)Ca(Al1/2Nb1/2)cO1+2c (wobei x und y jeweils ein molares Verhältnis ist), wobei α, x, y, z, a, b und c in den Bereichen der folgenden Formeln liegen: α = (1 – y)x: α ≤ 0,340; 0 < x ≤ 0,600; 0,380 ≤ y ≤ 0,570; 0 ≤ z ≤ 1,000; 0,980 ≤ a ≤ 1,050; 0,980 ≤ b ≤ 1,050 und 0,980 ≤ c ≤ 1,050, und daß es eine Perowskit-Kristallphase als einen Hauptkristall umfaßt.
  • Ein weiteres erfindungsgemäßes dielektrisches keramisches Material für Hochfrequenzanwendungen ist dadurch gekennzeichnet, daß es erhalten ist, indem in das oben beschriebene dielektrische keramische Material für Hochfrequenzanwendungen ferner Ta eingeschlossen ist, und daß es einen Aufbau aufweist, der durch die Formel yCaTiaO1+2a – (1 – y)xCa{(MgzZn1–z)1/3NbdTa1–d)2/3}bO1+2b – (1 – y)(1 – x)Ca{(Al1/2(NbdTa1–d)1/2)}cO1+2c (wobei x und y jeweils ein molares Verhältnis ist) dargestellt ist, wobei α, x, y, z, a, b, c und d in den Bereichen der folgenden Formeln liegen: α = (1 – y)x: α ≤ 0,340; 0 < x ≤ 0,600; 0,380 ≤ y ≤ 0,570; 0 ≤ z ≤ 1,000; 0,980 ≤ a ≤ 1,050; 0,980 ≤ b ≤ 1,050; 0,980 ≤ c ≤ 1,050 und 0 < d < 1,000.
  • In jedem oben beschriebenen dielektrischen keramischen Material für Hochfrequenzanwendungen liegen die Symbole a und b vorzugsweise innerhalb der folgenden Bereiche: 1,000 ≤ a ≤ 1,050 und 0,980 ≤ b ≤ 1,000.
  • Weiterhin ist ein erfindungsgemäßer dielektrischer Resonator dadurch gekennzeichnet, daß er ein dielektrisches keramisches Material aufweist, daß durch elektromagnetisches Koppeln mit den Eingabe/Ausgabe-Anschlußpunkte angesprochen wird, wobei das dielektrische keramische Material aus dem oben beschriebenen dielektrischen keramischen Material für Hochfrequenzanwendungen zusammengesetzt ist.
  • Weiterhin ist ein erfindungsgemäßes dielektrisches Filter dadurch gekennzeichnet, daß es eine äußere Kopplung sowie den oben beschriebenen dielektrischen Resonator umfaßt.
  • Weiterhin ist ein erfindungsgemäßer dielektrischer Duplexer dadurch gekennzeichnet, daß er mindestens zwei dielektrische Filter, Eingangs-/Ausgangs-Anschlüsse, die an jedem der dielektrischen Filter angeschlossen sind, und einen Antennenanschluß umfaßt, der gemeinsam an den dielektrischen Filtern angeschlossen ist, wobei mindestens eines der oben beschriebenen dielektrischen Filter das dielektrische Filter ist, das in dem vorhergehenden Abschnitt beschrieben worden ist.
  • Weiterhin ist eine erfindungsgemäße Kommunikationsvorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß sie den oben beschriebenen dielektrischen Duplexer, einen Übertragungskreis, der an mindestens einem der Eingangs-/Ausgangs-Anschlüsse des dielektrischen Duplexers angeschlossen ist, einen Empfangskreis, der an mindestens einem der Eingangs-/Ausgangs-Anschlüsse, der von dem oben beschriebenen Eingangs-/Ausgangs-Anschluß, der an dem Übertragungskreis angeschlossen ist, verschieden ist, und eine Antenne umfaßt, die an dem Antennenanschluß des dielektrischen Duplexers angeschlossen ist.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die 1 ist eine Querschnittsansicht, die einen dielektrischen Resonator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, und
  • die 2 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Kommunikationsvorrichtung zeigt.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die folgenden Figuren und Beispiele beschrieben ist, versteht es sich, daß die Erfindung nicht auf die genauen Ausführungsformen, die unten beschrieben sind, beschränkt ist.
  • Die 1 ist eine Querschnittsansicht, welche die Grundstruktur eines dielektrischen Resonators 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
  • Bezugnehmend auf die 1, weist der dielektrische Resonator 1 ein Metallgehäuse 2 auf. In dem Innenraum des Metallgehäuses 2 wird ein pfeilerförmiges dielektrisches keramisches Material 4 von einem Träger 3 getragen. Außerdem wird von dem Metallgehäuse 2 ein Eingangs-Anschlußpunkt 5 und ein Ausgangs-Anschlußpunkt 6 gehalten, die von dem Metallgehäuse 2 isoliert sind. Das dielektrische keramische Material 4 wird durch elektromagnetisches Koppeln mit dem Eingangs-Anschlußpunkt 5 und dem Ausgangs-Anschlußpunkt 6 angesprochen, wodurch nur die Signale mit einer spezifischen Frequenz unter denjenigen, die von dem Eingangs-Anschlußpunkt 5 eingegeben werden, am Ausgangs-Anschlußpunkt 6 ausgegeben werden. Das dielektrische keramische Material 4 in dem dielektrischen Resonator 1 ist aus einem erfindungsgemäßen dielektrischen keramischen Material für Hochfrequenzanwendungen zusammengesetzt.
  • Der dielektrische Resonator in der 1 ist ein dielektrischer TE01δ-Modus-Resonator. Es ist jedoch angemerkt, daß das erfindungsgemäße dielektrische keramische Material für Hochfrequenzanwendungen auch für andere dielektrische Resonatoren verschiedener Typen, wie z. B. TE-Modus, TM-Modus und TEM-Modus, benutzt werden kann.
  • Die 2 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Kommunikationsvorrichtung darstellt. Diese Kommunikationsvorrichtung 10 umfaßt einen dielektrischen Duplexer 12, einen Übertragungskreis 14, einen Empfangskreis 16 und eine Antenne 18. Der Übertragungskreis 14 ist an einem Eingangsanschluß 20 des dielektrischen Duplexers 12 angeschlossen, und der Empfangskreis 16 ist an einem Ausgangsanschluß 22 des dielektrischen Duplexers 12 angeschlossen. Die Antenne 18 ist an einem Antennenanschluß 24 des dielektrischen Duplexers 12 angeschlossen. Dieser dielektrische Duplexer 12 umfaßt zwei dielektrische Filter 26 und 28. Die dielektrischen Filter 26 und 28 sind durch Anschließen des erfindungsgemäßen dielektrischen Resonators an die äußere Kopplung gebildet. In diesem Beispiel sind sie durch Anschließen des Eingangs- bzw. Ausgangs-Anschlußpunktes des dielektrischen Resonators 1 an die äußere Kopplung 30 gebildet. Demgemäß befindet sich das dielektrische Filter 26 zwischen dem Eingangsanschluß 20 und dem anderen dielektrischen Filter 28, um diese zu verbinden, und das andere dielektrische Filter 28 befindet sich zwischen dem dielektrischen Filter 26 und dem Ausgangsanschluß 22, um diese zu verbinden.
  • Das erfindungsgemäße dielektrische keramische Material für Hochfrequenzanwendungen umfaßt Ca, Ti, Mg, Zn, Nb und Al, wie oben beschrieben, und weist einen Aufbau auf, der dargestellt ist durch die Formel yCaTiaO1+2a – (1 – y)xCa{(MgzZn1–z)1/3Nb2/3}bO1+2b – (1 – y)(1 – x)Ca(Al1/2Nb1/2)cO1+2c (wobei x und y jeweils ein molares Verhältnis ist), wobei α, x, y, z, a, b bzw. c in den Bereichen der folgenden Formeln liegen, wenn α = (1 – y)x:
    Zunächst gilt 0 < x ≤ 0,600, weil der Q-Wert kleiner ist als 25.000, wenn entweder x = 0 oder x > 0,600;
    für y gilt: 0,380 ≤ y ≤ 0,570, weil der Temperaturkoeffizient (Tf) der Resonanzfrequenz außerhalb des Bereichs von etwa 0 ± 30 ppm/°C liegt, wenn entweder y < 0,380 oder y > 0,570;
    für α gilt: α ≤ 0,340, weil der Q-Wert kleiner als 25.000 ist oder der Temperaturkoeffizient (Tf) der Resonanzfrequenz gegen die negativere Seite von – 30 ppm/°C verschoben ist, wenn α > 0,340;
    für a gilt: 0,980 < a ≤ 1,050, weil der Q-Wert kleiner ist als 25.000, wenn a < 0,980 oder a > 1,050; die Formel lautet vorzugsweise: 1,000 ≤ a ≤ 1,050, da ein größerer Q-Wert erhalten wird;
    für b gilt: 0,980 ≤ b ≤ 1,050, weil der Q-Wert kleiner ist als 25.000, wenn b < 0,980 oder b > 1,050; die Formel lautet vorzugsweise: 0,980 ≤ b ≤ 1,000, da ein größerer Q-Wert erhalten wird;
    in Bezug auf c gilt: 0,980 ≤ c ≤ 1,050, weil der Q-Wert kleiner ist als 25.000, wenn c < 0,980 oder c > 1,050.
  • Es ist angemerkt, daß durch Ersetzen eines Anteils von Nb der oben beschriebenen Formel durch Ta ausgezeichnete Eigenschaften, wie z. B. eine spezifische Dielektrizitätskonstante (εr) von 40 oder größer, ein Q-Wert von 25.000 oder größer und ein Temperaturkoeffizient (Tf) der Resonanzfrequenz innerhalb. des Bereichs von 0 ± 30 ppm/°C, bereitgestellt werden können.
  • Beispiele
  • Im folgenden wird die vorliegende Erfindung auf Grundlage der konkreteren Beispiele erläutert.
  • Beispiel 1
  • Als die Ausgangsmaterialien wurden hochreines Calciumcarbonat (CaCO3), Titanoxid (TiO2), Magnesiumhydroxid (Mg(OH)2), Zinkoxid (ZnO), Nioboxid (Nb2O5) und Aluminiumoxid (Al2O3) hergestellt.
  • Dann wurden diese Materialien vermischt, um keramische Materialien zu bilden, die einen Aufbau aufweisen, der durch die Formel yCaTiaO1+2a – (1 – y)xCa{(MgzZn1–z)1/3Nb2/3}bO1+2b – (1 – y)(1 – x)Ca(Al1/2Nb1/2)cO1+2c (wobei x und y jeweils ein molares Verhältnis ist) dargestellt ist, wie im oberen Abschnitt der Tabellen 1 und 2 gezeigt.

Claims (20)

  1. Dielektrisches keramisches Material für Hochfrequenzanwendungen, das eine Zusammensetzung aufweist, die dargestellt ist durch die Formel: yCaTiaO1+2a – (1 – y)xCa{(MgzZn1–z)1/3Nb2/3}bO1+2b – (1 – y)(1 – x)Ca(Al1/2Nb1/2)cO1+2c, wobei x und y Mole sind, α = (1 – y)x: α ≤ 0,340, 0 < x ≤ 0,600, 0,380 ≤ y ≤ 0,570, 0 ≤ z ≤ 1,000, 0,980 ≤ a ≤ 1,050, 0,980 ≤ b ≤ 1,050 und 0,980 ≤ c ≤ 1,050 und wobei die Hauptkristallphase eine Perowskit-Kristallphase umfaßt.
  2. Dielektrisches keramisches Material für Hochfrequenzanwendungen nach Anspruch 1, das ferner das Element Ta umfaßt und die Zusammensetzung aufweist, die dargestellt ist durch die Formel: yCaTiaO1+2a – (1 – y)xCa{(MgzZn1–z)1/3(NbdTa1–d)2/3}bO1+2b – (1 – y)(1 – x)Ca{Al1/2(NbdTa1–d)1/2}cO1+2c, wobei 0 < d < 1,000.
  3. Dielektrisches keramisches Material für Hochfrequenzanwendungen nach Anspruch 2, wobei 1,000 ≤ a ≤1,050 und 0,980 ≤ b ≤ 1,000.
  4. Dielektrisches keramisches Material für Hochfrequenzanwendungen nach Anspruch 1, wobei 1,000 ≤ a ≤ 1,050 und 0,980 ≤ b ≤ 1,000.
  5. Dielektrischer Resonator, der ein dielektrisches keramisches Material und Eingangs-/Ausgangs-Anschlußpunkte umfaßt, die elektromagnetisch mit dem dielektrischen keramischen Material gekoppelt sind, wobei das dielektrische keramische Material ein dielektrisches keramisches Material für Hochfrequenzanwendungen nach Anspruch 4 ist.
  6. Dielektrisches Filter, das einen äußeren Koppler in Kombination mit einem dielektrischen Resonator nach Anspruch 5 umfaßt.
  7. Dielektrischer Duplexer, der mindestens zwei dielektrische Filter, Eingangs-/Ausgangs-Anschlüsse, die an jedem der dielektrischen Filter angeschlossen sind, und einen Antennenanschluß umfaßt, wobei die dielektrischen Filter gemeinsam an dem Antennenanschluß angeschlossen sind und wobei mindestens eines der dielektrischen Filter ein dielektrisches Filter nach Anspruch 6 ist.
  8. Kommunikationsvorrichtung, die einen dielektrischen Duplexer nach Anspruch 7, einen Übertragungskreis, der an mindestens einem der Eingangs-/Ausgangs-Anschlüsse des dielektrischen Duplexers angeschlossen ist, einen Empfangskreis, der an mindestens einem der Eingangs-/Ausgangs-Anschlüsse angeschlossen ist, der verschieden ist von dem Eingangs-/Ausgangs-Anschluß, der an dem Übertragungskreis angeschlossen ist, und eine Antenne, die an dem Antennenanschluß des dielektrischen Duplexers angeschlossen ist, umfaßt.
  9. Dielektrischer Resonator, der ein dielektrisches keramisches Material und Eingangs-/Ausgangs-Anschlußpunkte umfaßt, die elektromagnetisch mit dem dielektrischen keramischen Material gekoppelt sind, wobei das dielektrische keramische Material ein dielektrisches keramisches Material für Hochfrequenzanwendungen nach Anspruch 3 ist.
  10. Dielektrisches Filter, das einen äußeren Koppler in Kombination mit einem dielektrischen Resonator nach Anspruch 9 umfaßt.
  11. Dielektrischer Duplexer, der mindestens zwei dielektrische Filter, Eingangs-/Ausgangs-Anschlüsse, die an jedem der dielektrischen Filter angeschlossen sind, und einen Antennenanschluß umfaßt, wobei die dielektrischen Filter gemeinsam an dem Antennenanschluß angeschlossen sind und wobei mindestens eines der dielektrischen Filter ein dielektrisches Filter nach Anspruch 10 ist.
  12. Kommunikationsvorrichtung, die einen dielektrischen Duplexer nach Anspruch 11, einen Übertragungskreis, der an mindestens einem der Eingangs-/Ausgangs-Anschlüsse des dielektrischen Duplexers angeschlossen ist, einen Empfangskreis, der an mindestens einem der Eingangs-/Ausgangs-Anschlüsse angeschlossen ist, der verschieden ist von dem Eingangs-/Ausgangs-Anschluß, der an dem Übertragungskreis angeschlossen ist, und eine Antenne, die an dem Antennenanschluß des dielektrischen Duplexers angeschlossen ist, umfaßt.
  13. Dielektrischer Resonator, der ein dielektrisches keramisches Material und Eingangs-/Ausgangs-Anschlußpunkte umfaßt, die elektromagnetisch mit dem dielektrischen keramischen Material gekoppelt sind, wobei das dielektrische keramische Material ein dielektrisches keramisches Material für Hochfrequenzanwendungen nach Anspruch 2 ist.
  14. Dielektrisches Filter, das einen äußeren Koppler in Kombination mit einem dielektrischen Resonator nach Anspruch 13 umfaßt.
  15. Dielektrischer Duplexer, der mindestens zwei dielektrische Filter, Eingangs-/Ausgangs-Anschlüsse, die an jedem der dielektrischen Filter angeschlossen sind, und einen Antennenanschluß umfaßt, wobei die dielektrischen Filter gemeinsam an dem Antennenanschluß angeschlossen sind und wobei mindestens eines der dielektrischen Filter ein dielektrisches Filter nach Anspruch 14 ist.
  16. Kommunikationsvorrichtung, die einen dielektrischen Duplexer nach Anspruch 15, einen Übertragungskreis, der an mindestens einem der Eingangs-/Ausgangs-Anschlüsse des dielektrischen Duplexers angeschlossen ist, einen Empfangskreis, der an mindestens einem der Eingangs-/Ausgangs-Anschlüsse angeschlossen ist, der verschieden ist von dem Eingangs-/Ausgangs-Anschluß, der an dem Übertragungskreis angeschlossen ist, und eine Antenne, die an dem Antennenanschluß des dielektrischen Duplexers angeschlossen ist, umfaßt.
  17. Dielektrischer Resonator, der ein dielektrisches keramisches Material und Eingangs-/Ausgangs-Anschlußpunkte umfaßt, die elektromagnetisch mit dem dielektrischen keramischen Material gekoppelt sind, wobei das dielektrische keramische Material ein dielektrisches keramisches Material für Hochfrequenzanwendungen nach Anspruch 1 ist.
  18. Dielektrisches Filter, das einen äußeren Koppler in Kombination mit einem dielektrischen Resonator nach Anspruch 17 umfaßt.
  19. Dielektrischer Duplexer, der mindestens zwei dielektrische Filter, Eingangs-/Ausgangs-Anschlüsse, die an jedem der dielektrischen Filter angeschlossen sind, und einen Antennenanschluß umfaßt, wobei die dielektrischen Filter gemeinsam an dem Antennenanschluß angeschlossen sind und wobei mindestens eines der dielektrischen Filter ein dielektrisches Filter nach Anspruch 18 ist.
  20. Kommunikationsvorrichtung, die einen dielektrischen Duplexer nach Anspruch 19, einen Übertragungskreis, der an mindestens einem der Eingangs-/Ausgangs-Anschlüsse des dielektrischen Duplexers angeschlossen ist, einen Empfangskreis, der an mindestens einem der Eingangs-/Ausgangs-Anschlüsse angeschlossen ist, der verschieden ist von dem Eingangs-/Ausgangs-Anschluß, der an dem Übertragungskreis angeschlossen ist, und eine Antenne, die an dem Antennenanschluß des dielektrischen Duplexers angeschlossen ist, umfaßt.
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