臺灣博碩士論文加值系統

摘要
在本論文內將討論ZnO-B2O3-SiO2之介電陶瓷材料，藉由添加不同比例CaTiO3，探討對微波特性的影響。
材料方面分為二部分：第一部份為單一ZnO-B2O3-SiO2 微波性質；第二部份為添加CaTiO3對ZnO-B2O3-SiO2微波性質之影響。實驗結果顯示，添加15wt%的CaTiO3可在燒結溫度900℃/0.5hr，此時可得介電特性：εr~7.3；Q×f~4000 GHz； ~3.4 ppm/℃。
此外，本論文分別以FR4、氧化鋁、ZnO-B2O3-SiO2三種不同基板，製作設計一個緊密的微帶線步階阻抗帶通濾波器，中心頻率定為2.44GHz，頻寬5%。

Abstract
The microwave properties of ZnO-B2O3-SiO2 dielectric ceramic materials are discussed in this paper. By adding different percentage CaTiO3, we study the effects of microwave properties.
The material researches are divided into two parts in this thesis. Firstly, we discuss the microwave properties of ZnO-B2O3-SiO2. Then, we discuss the microwave properties of ZnO-B2O3-SiO2 by adding CaTiO3. The experimental results show that ZnO-B2O3-SiO2 with 15wt% CaTiO3 addition can be sintered to 900 oC/0.5hr, and we obtain the properties: εr~7.3；Q×f~4000 GHz； ~3.4 ppm/℃
In addition, we design and fabricate compact SIR band-pass filters with 2.44GHz central frequency and 5% bandwidth utilizing FR4, Al2O3 and ZnO-B2O3-SiO2 substrates.

目錄
第一章 緒論 …………………………………… 1
1-1. 前言 …………………………………………… 1
1-2. 研究背景與動機 ……………………………… 1
第二章 文獻探討與原理 ……………………… 3
2-1. 介電原理 ……………………………………… 3
2-2. 高頻介電陶瓷材料 …………………………… 3
2-3. 玻璃成分與微波性質 ………………………… 5
2-4. 微波介電材料低溫燒結相關文獻 …………… 7
2-5. 液相燒結裡論 ……………………………… 8
2-6. TMA熱膨脹係數 ……………………………… 12
第三章 微波濾波器電路理論 ………………… 14
3-1. 集總元件濾波器之簡介 ……………………… 14
3-1-1. Butterworth濾波器 ……………………… 14
3-1-2. Chebyshev濾波器 ………………………… 15
3-1-3. Elliptic濾波器 …………………………… 17
3-2. 微帶線原理 …………………………………… 18
3-2-1. 微帶線傳輸組態 …………………………… 18
3-2-2. 微帶線各項參數公式 ……………………… 19
3-3. 微帶線的不連續效應 ………………………… 21
3-3-1 不對稱的步階不連續接面 ………………… 21
3-3-2. 開路端效應 ……………………………… 22
3-3-3. T-Junction處效應 ………………………… 23
3-4. 步階阻抗共振器 ……………………………… 24
3-4-1.步階阻抗濾波器等效電路模型之建立 …… 24
3-4-2.濾波器原型電路之建立 …………………… 29
3-4-3.步階阻抗濾波器設計與實現 ……………… 33
3-5. 微帶線SIR濾波器電路佈局 ………………… 36
第四章 實驗製程與量測 ……………………… 37
4-1. 微波介電材料之製作程序 ……………… 37
4-2. 特性分析與量測 ………………………… 39
4-2-1. X-Ray分析（XRD） ………………………… 39
4-2-2. 掃瞄式電子顯微鏡（SEM）分析 ………… 39
4-2-3. 密度之量測 ……………………………… 39
4-2-4. 微波介電特性之量測 …………………… 40
4-2-5. 熱重及熱差分析（TGA/DTA） ……………… 42
4-3. 濾波器之製作與量測 …………………… 43
4-3-1. 濾波器規格 ………………………………… 43
4-3-2. 濾波器實作 ………………………………… 44
4-3-3. 特性量測 …………………………………… 44
第五章 實驗結果與討論 ……………………… 45
5-1. ZnO-B2O3-SiO2特性探討 …………………… 45
5-2. 濾波器特性探討 ……………………………… 62
5-2-1. FR4基板特性探討 ………………………… 63
5-2-2. Al2O3基板特性探討 ……………………… 65
5-2-3. ZnO-B2O3-SiO2基板特性探討 …………… 67
第六章 結論與未來展望 ……………………… 70
參考文獻 ………………………………………… 72

表目錄
表3-1 濾波器規格 …………………………… 29
表3-2 濾波器原型電路中各元件之特性阻抗 … 31
表3-3 步階阻抗濾波器各段耦合線even mode及odd mode之阻抗 ………………………………………… 35
表5-1 FR4基板模擬與實驗結果比較表 ……… 64
表5-2 Al2O3基板模擬與實驗結果比較表 …… 66
表5-3 ZnO-B2O3-SiO2基板模擬與實驗結果比較表 ………………………………………………………… 68

圖目錄
圖3-1 Butterworth
（a）低通原型電路 …………………… 15
（b）頻率響應 ………………………… 15
圖3-2 Chebyshev
（a）低通原型電路 …………………… 16
（b）頻率響應 ………………………… 16
圖3-3 elliptic函數
（a）低通原型電路 …………………… 17
（b）頻率響應 ………………………… 17
圖3-4 （a）微帶線之外觀圖 ………………… 18
（b）微帶線之電場與磁場分佈圖 …… 18
圖3-5 不對稱的步階不連續接面與其等效電路 21
圖3-6 微帶線開路端效應
（a）微帶線開路端圖 ………………… 23
（b）等效邊緣電容之等效電路圖 …… 23
（c）等效延伸傳輸線 ………………… 23
圖3-7 不對稱的T型接面與其等效電路 ……… 24
圖3-8 步階阻抗平面濾波器 …………………… 24
圖3-9 π型網路模型 …………………………… 26
圖3-10 濾波器的等效電路 ……………………… 28
圖3-11 Lowpass to Bandpass transformation 29
圖3-12 濾波器的原型電路
（a）電容性耦合 ……………………… 30
（b）電感性耦合 ……………………… 30
圖3-13 以open stub及short stub來表示之濾波器原型電路 ……………………………………………… 31
圖3-14 濾波器原型電路之頻率響應
（a）電容性耦合 ……………………… 32
（b）電感性耦合 ……………………… 33
圖3-15 步階阻抗濾波器等效電路之區塊示意圖 ………………………………………………………… 34
圖3-16 濾波器原型電路之區塊示意圖
（a）電容性耦合 ……………………… 35
（b）電感性耦合 ……………………… 35
圖3-17 二級SIR帶通濾波器
（a）電路佈局 ………………………… 36
（b）電路3D立體圖 …………………… 36
圖4-1 實驗流程圖 ……………………………… 38
圖4-2 量測用模具組 …………………………… 41
圖4-3 測量介電常數系統圖 …………………… 41
圖4-4 測量Q值系統圖 ………………………… 42
圖4-5 各種形式之DTA升溫曲線示意圖 ……… 43
圖4-6 濾波器之電路佈局 ……………………… 43
圖5-1 Z25B35S40在不同溫度下煆燒情形 …… 46
圖5-2 未添加CaTiO3之Z35B25S40粉末經900℃不同持溫條件之燒結體
XRD圖 …………………………………… 47
圖5-3 未添加CaTiO3之Z35B25S40粉末經不同溫度燒結之燒結體XRD圖 …………………………………… 47
圖5-4 添加CaTiO3與否之起使粉末之DTA圖 … 48
圖5-5 添加不同CaTiO3之Z35B25S40粉末經900℃/0.5h燒結之燒結體
XRD圖 ……………………………………… 49
圖5-6 添加不同CaTiO3之Z35B25S40粉末經900℃/1h燒結之燒結體XRD
圖 ………………………………………… 49
圖5-7 添加不同CaTiO3之Z35B25S40粉末經900℃/2h燒結之燒結體XRD
圖 ………………………………………… 50
圖5-8 添加不同CaTiO3之Z35B25S40粉末經900℃/3h燒結之燒結體XRD
圖 ………………………………………… 50
圖5-9 Z35B25S40之SEM圖 ……………………… 51
圖5-10-1 Z35B25S40燒結溫度900持溫0.5小時之SEM圖 ………………………………………………………… 54
圖5-10-2 Z35B25S40燒結溫度900持溫1小時之SEM圖 ………………………………………………………… 55
圖5-10-3 Z35B25S40燒結溫度900持溫2小時之SEM圖 ………………………………………………………… 56
圖5-10-4 Z35B25S40燒結溫度900持溫3小時之SEM圖 ………………………………………………………… 57
圖5-11-1 Z35B25S40不同燒結持溫時間之視密度與燒結溫度關係圖 ………………………………………… 58
圖5-11-2 Z35B25S40不同燒結持溫時間之介電常數與燒結溫度關係圖 ……………………………………… 59
圖5-11-3 Z35B25S40不同燒結持溫時間之Q*f值與燒結溫度關係圖 …………………………………………… 59
圖5-11-4 Z35B25S40不同燒結持溫時間之溫度飄移係數與燒結溫度關係圖 …………………………………… 60
圖5-12-1 不同燒結持溫時間之視密度與Z35B25S40添加不同CaTiO3關係圖 ………………………………… 60
圖5-12-2 不同燒結持溫時間之介電常數與Z35B25S40添加不同CaTiO3關係圖 ………………………………… 61
圖5-12-3 不同燒結持溫時間之Q*f值與Z35B25S40添加不同CaTiO3關係圖 …………………………………… 61
圖5-12-4 不同燒結持溫時間之溫度飄移係數與Z35B25S40添加不同CaTiO3關係圖 ………………… 62
圖5-13 二級SIR帶通濾波器電路佈局圖 ……… 62
圖5-14 FR4基板之濾波器HFSS模擬圖 ………… 64
圖5-15 FR4基板之濾波器實際成品量測圖 …… 64
圖5-16 Al2O3基板之濾波器HFSS模擬圖 ……… 66
圖5-17 Al2O3基板之濾波器實際成品量測圖 … 66
圖5-18 ZnO-B2O3-SiO2基板之濾波器HFSS模擬圖 68
圖5-19 ZnO-B2O3-SiO2基板之濾波器實際成品量測圖 …………………………………………………… 68
圖5-20 基板實作
（a）FR4 ………………………………… 69
（b）Al2O3 ……………………………… 69
（c）自製基版 ………………………… 69

參考文獻
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