СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РЕЗОНАТОРА СВЧ
METHOD FOR MANUFACTURING DIELECTRIC SHF RESONATOR

Изобретение относится к электронной технике СВЧ, а именно диэлектрическим резонаторам СВЧ, предназначенным прежде всего для изделий электронной техники СВЧ, в том числе интегральных схем СВЧ.
-3
Современные керамические диэлектрические материалы, характеризующиеся малыми потерями тангенса угла диэлектрических потерь (tg δ), менее 10 и высокой стабильностью относительной диэлектрической проницаемости , обеспечивают в широком диапазоне температур конкурентоспособность твердотельных диэлектрических резонаторов с известными колебательными системами на объемных металлических полостях и отрезках линий передачи.
p
Температурный коэффициент частоты (ТКЧ) наряду с добротностью (Q) и рабочей резонансной частотой (f) - одни из основных характеристик диэлектрического резонатора СВЧ (диэлектрический резонатор), которые обусловлены как конструкционными, так и технологическими параметрами и прежде всего диэлектрическим материалом.
Известен ряд способов изготовления диэлектрических резонаторов СВЧ, каждый из которых заключается в изготовлении диэлектрического резонатора - составного из диэлектрических материалов с различными по знаку (относительно нулевого значения) температурными зависимостями диэлектрической проницаемости  и, соответственно, различными по знаку значениями температурного коэффициента частоты, один из которых реализуется посредством механической обработки образцов керамических диэлектрических материалов с различными по знаку температурными зависимостями диэлектрической проницаемости и, соответственно, различными по знаку значениями температурного коэффициента частоты и последующего соединения упомянутых обработанных образцов - отдельных составляющих частей диэлектрического резонатора [1].
Данный способ изготовления диэлектрического резонатора - составного обеспечивает получение заданного набора значений величины температурного коэффициента частоты.
Однако данный способ отличается:
во-первых, повышенной трудоемкостью изготовления из-за необходимости проведения значительного объема математических вычислений для определения точных размеров отдельных частей диэлектрического резонатора и
во-вторых, невысокой надежностью, обусловленной как изготовлением диэлектрического резонатора из отдельных частей, так и необходимостью их последующего соединения,
в-третьих, потерями добротности из-за наличия иных материалов для соединения отдельных частей диэлектрического резонатора.
Известен способ изготовления диэлектрического резонатора СВЧ-конструкционно монолитного из одного диэлектрического материала, посредством керамической технологии, включающий приготовление шихты заданного керамического диэлектрического материала, формирование из шихты заготовки диэлектрического резонатора посредством прессования, спекания и последующего шлифования до заданных размеров диэлектрического резонатора [2, стр. 133-148] - прототип.
Этот способ изготовления диэлектрического резонатора - конструкционно монолитного - позволяет исключить вышеуказанные недостатки способа изготовления диэлектрического резонатора - составного, и тем самым обеспечить:
снижение трудоемкости изготовления и
исключение потерь добротности.
Однако этот способ изготовления диэлектрического резонатора отличается:
-6
во-первых, недостаточно высокой точностью получения значения величины температурного коэффициента частоты каждого диэлектрического резонатора в изготавливаемой партии относительно заданного номинального значения величины температурного коэффициента частоты диэлектрического резонатора (далее - его величина заданного номинального значения) (отклонение составляет не менее ±0,5×10 1/°C),
во-вторых, значительным разбросом значений величины температурного коэффициента частоты в изготавливаемой партии.
Следует особо отметить актуальность получения диэлектрических резонаторов со значениями величины температурного коэффициента частоты с повышенной точностью относительно его величины заданного номинального значения для ряда твердотельных изделий электронной техники СВЧ и, особенно, на этапе их разработки - проектирования.
Техническим результатом изобретения является повышение точности получения значения величины температурного коэффициента частоты диэлектрического резонатора СВЧ относительно его величины заданного номинального значения, снижение разброса, повышение выхода годных, при сохранении добротности, при обеспечении заданной рабочей резонансной частоты.
Указанный технический результат достигается заявленным способом изготовления диэлектрического резонатора СВЧ, посредством керамической технологии, включающий приготовление шихты заданного керамического диэлектрического материала, формирование из шихты заготовки диэлектрического резонатора посредством прессования, спекания и последующего шлифования до заданных размеров диэлектрического резонатора.
-6
В котором шихту керамического диэлектрического материала приготавливают двух составов, соответствующих двум различным заданным номинальным значениям величины температурного коэффициента частоты, первого - с меньшим и второго - с большим относительно заданного номинального значения величины температурного коэффициента частоты диэлектрического резонатора на равную величину не менее 2×10/°C,
технологически заданное значение величины температурного коэффициента частоты диэлектрического резонатора определяется выражением
др
1
2
ТКЧ=0,5×(ТКЧ+ТКЧ),
1
где ТКЧ - меньшее заданное значение величины температурного коэффициента частоты, соответствующее первому составу шихты керамического диэлектрического материала, 1/°C,
2
ТКЧ - большее заданное значение величины температурного коэффициента частоты, соответствующее второму составу шихты керамического диэлектрического материала, 1/°C,
1
прессование заготовки диэлектрического резонатора осуществляют из двух отдельных, последовательно расположенных слоев керамического диэлектрического материала, соответствующих упомянутым составам шихты, при этом каждый упомянутый слой выполняют одинаковой заданной высотой h,
а шлифование спеченной заготовки диэлектрического резонатора по ее высоте осуществляют в два этапа,
1
на первом - с одной из сторон на глубину l, со стороны упомянутого второго слоя при значении величины температурного коэффициента частоты заготовки диэлектрического резонатора большей его величины заданного номинального значения,
2
1
2
либо на глубину l, со стороны упомянутого первого слоя при значении величины температурного коэффициента частоты заготовки диэлектрического резонатора меньшей его величины заданного номинального значения, при этом глубину l и l определяют согласно выражениям соответственно
2
-3
где h - заданная высота каждого упомянутого слоя керамического диэлектрического материала после спекания, м×10,
загот.
ТКЧ - температурный коэффициент частоты заготовки диэлектрического резонатора, 1/°C,
3
на втором - с двух противоположных сторон на одинаковую глубину l до достижения заданной высоты диэлектрического резонатора.
Совокупность существенных признаков заявленного способа изготовления диэлектрического резонатора, а именно когда:
-6
шихту керамического диэлектрического материала приготавливают двух составов, соответствующих двум различным заданным значениям величины температурного коэффициента частоты, первого - с меньшим и второго - с большим относительно его величины заданного номинального значения на равную величину не менее 2×10/°C,
технологически заданное значение величины температурного коэффициента частоты диэлектрического резонатора определяется из указанного выражения,
1
прессование заготовки диэлектрического резонатора осуществляют из двух отдельных, последовательно расположенных слоев керамического диэлектрического материала, соответствующих упомянутым составам шихты, при этом каждый слой выполняют одинаковой заданной высотой h,
а шлифование спеченной заготовки диэлектрического резонатора по ее высоте осуществляют в два этапа,
1
на первом - с одной из сторон на глубину l, со стороны упомянутого второго слоя при значении величины температурного коэффициента частоты заготовки диэлектрического резонатора большей его величины заданного номинального значения,
2
1
2
либо на глубину l, со стороны упомянутого первого слоя при значении величины температурного коэффициента частоты заготовки диэлектрического резонатора меньшей его величины заданного номинального значения, при этом глубину l и l определяют согласно указанным выражениям,
3
на втором - с двух противоположных сторон на одинаковую глубину l до достижения заданной высоты диэлектрического резонатора.
Это обеспечит:
во-первых, изготовление диэлектрического резонатора с одной стороны конструкционно монолитным, но с другой стороны состоящим из двух частей с разными значениями величины температурного коэффициента частоты,
во-вторых, возможность корректировки значения величины температурного коэффициента частоты заготовки диэлектрического резонатора в процессе ее (заготовки) изготовления, при этом существенной.
И, как следствие, первого и второго - повышение точности получения значения величины температурного коэффициента частоты диэлектрического резонатора СВЧ относительно его величины заданного номинального значения, снижение разброса, повышение выхода годных при сохранении добротности.
1
2
Указанная равность разницы величин температурного коэффициента частоты первого - с меньшим ТКЧ и второго - с большим ТКЧ относительно его величины заданного номинального значения обеспечит:
во-первых, упрощение расчетов величины съема при шлифовании заготовки на первом этапе и, как следствие, - упрощение способа,
во-вторых, равномерность последующего шлифования на втором этапе и тем самым сохранение значения величины температурного коэффициента частоты диэлектрического резонатора, полученного на первом этапе.
И, как следствие, первого и второго - снижение разброса значений величины температурного коэффициента частоты диэлектрического резонатора СВЧ относительно его величины заданного номинального значения.
-6
Указанная равная величина разницы (не менее 2×10/°C) двух различных заданных значений величин температурного коэффициента частоты, соответствующих двум составам шихты керамического диэлектрического материала относительно его величины заданного номинального значения, обеспечивает достаточный и оптимальный технологический припуск по высоте заготовки диэлектрического резонатора.
Шлифование заготовки диэлектрического резонатора на втором этапе с двух противоположных сторон на одинаковую высоту в совокупности с наличием упомянутого технологического припуска обеспечивает:
во-первых, сохранение значения величины температурного коэффициента частоты диэлектрического резонатора, полученного на первом этапе,
во-вторых, достижение заданной высоты диэлектрического резонатора и, как следствие, - обеспечение заданной рабочей резонансной частоты.
Итак, заявленный способ изготовления диэлектрического резонатора СВЧ в полной мере обеспечит технический результат - повышение точности получения значения величины температурного коэффициента частоты диэлектрического резонатора СВЧ относительно его величины заданного номинального значения, снижение разброса, повышение выхода годных, при сохранении добротности, при обеспечении заданной рабочей резонансной частоты.
Изобретение поясняется чертежом.
На фиг. 1 (а-г) схематически дана последовательность основных технологических операций заявленного способа изготовления диэлектрического резонатора СВЧ:
приготовление шихты (фиг. 1а),
формирование заготовки диэлектрического резонатора (фиг. 1б),
спекание заготовки (фиг. 1в),
шлифование заготовки в два этапа (фиг. 1г).
Примеры реализации заявленного способа изготовления диэлектрического резонатора СВЧ.
Пример (1.1-1.8).
Задают параметры диэлектрического резонатора СВЧ.
-6
Заданное номинальное значение величины температурного коэффициента частоты диэлектрического резонатора - 3,0×10 1/°C.
Добротность (Q) - не мене 6000 на рабочей частоте диэлектрического резонатора.
Рабочая частота диэлектрического резонатора (f) - 6,67 ГГц.
-3
Диаметр диэлектрического резонатора - 8,0×10 м.
-3
Высота диэлектрического резонатора - 4,0×10 м.
Указанный пример рассмотрен для изготовления партии однотипных диэлектрических резонаторов в количестве восьми штук из керамического диэлектрического материала состава - Цирконат-титанат олова (ЦТО) (ТСО.027.047 ТУ).
Диэлектрическая проницаемость  которого - примерно 42.
Осуществляют проведение следующей последовательности технологических операций:
1
2
-6
-6
-6
Приготавливают шихту указанного керамического диэлектрического материала двух составов, соответствующих двум различным заданным значениям температурного коэффициента частоты, равным примерно: ТКЧ - 0×101/°C и ТКЧ - +6,0×101/°C, соответственно, меньшим и большим его величины заданного номинального значения не менее чем на 2×10 1/°C (фиг. 1а).
Далее осуществляют:
-3
-3
2
Прессование заготовки диэлектрического резонатора из двух отдельных, последовательно расположенных слоев упомянутого состава шихты керамического диэлектрического материала, соответствующего двум указанным различным значениям температурного коэффициента частоты, при этом каждый одинаковой высотой, равной 3,0×10 м (общая высота заготовки диэлектрического резонатора равна 6,0×10 м) посредством гидравлического пресса (Тип 289) с удельной нагрузкой 500 Кг/см (фиг 1б),
Спекание заготовки диэлектрического резонатора в электропечи сопротивления камерной СНОЛ 12/16 при температуре 1360±10°C в течении 1,5 часа (фиг. 1в).
-3
-3
В результате получена заготовка диэлектрического резонатора диаметром 8,8×10 м и высотой каждого слоя керамического диэлектрического материала 2,4×10 м.
загот.
После шлифования по диаметру до заданного размера измеряют температурный коэффициент частоты заготовки (ТКЧ) диэлектрического резонатора на установке контроля электрических параметров диэлектрических резонаторов типа РеМ 2.648.040.
загот.
-6
ТКЧ составил - 3,5×10 1/°C.
Далее осуществляют шлифование спеченной заготовки диэлектрического резонатора по ее высоте в два этапа:
на первом - с целью корректировки ухода температурного коэффициента частоты от его величины заданного номинального значения.
При этом
-6
-6
-6
1. Исходя из заданного номинального значения величины температурного коэффициента частоты - 3,0×10 1/°C и полученного значения величины температурного коэффициента частоты заготовки диэлектрического резонатора - 3,5×10 1/°C, определяют сторону съема. Поскольку значение величины температурного коэффициента частоты заготовки диэлектрического резонатора, равной 3,5×10 1/°C больше его величины заданного номинального значения, съем необходимо произвести со стороны второго слоя заготовки диэлектрического резонатора.
1
2. Рассчитывают величину съема заготовки диэлектрического резонатора согласно указанному выражению для l, а именно
-3
В результате указанного съема общая высота заготовки диэлектрического резонатора составляет 4,11×10 м.
-3
-3
На втором этапе осуществляют съем заготовки диэлектрического резонатора последовательно с двух противоположных сторон на одинаковую высоту, равную 0,16×10 м, до достижения общей заданной высоты диэлектрического резонатора, равной 4,0×10 м (определяемой заданной рабочей частотой диэлектрического резонатора СВЧ).
Пример (2.1-2.8) Аналогично примеру 1 изготовлены образцы диэлектрического резонатора СВЧ, но для иных заданных технических характеристик диэлектрического резонатора и иного состава керамического диэлектрического материала, а именно:
-6
Заданное номинальное значение величины температурного коэффициента частоты диэлектрического резонатора - 2,0×10 1/°C.
Добротность (Q) - не менее 10000.
Рабочая частота диэлектрического резонатора (f) - 9,42 ГГц.
-3
Диаметр диэлектрического резонатора - 6,5×10 м.
-3
Высота диэлектрического резонатора - 3,20×10 м.
Керамический диэлектрический материала - БЦНТ ТУ 2123-001.07622667-00 (Твердый раствор оксидов бария, цинка, никеля и тантала).
Диэлектрическая проницаемость  которого - примерно 32.
Примеры 3.1-3.8. соответствуют прототипу и выполнены при заданных технических характеристиках диэлектрического резонатора СВЧ и состава керамического диэлектрического материала, как в примерах 1.1-1.8.
На изготовленных образцах диэлектрического резонатора СВЧ были измерены на упомянутой выше установке PeM2.648.040.
Температурный коэффициент частоты (ТКЧ), 1/°C,
Добротность Q.
Определен разброс полученных значений величины температурного коэффициента частоты диэлектрического резонатора от его величины заданного номинального значения.
Результаты измерений представлены в таблице.
Как видно из таблицы:
Образцы диэлектрического резонатора СВЧ, изготовленные согласно заявленной формулы изобретения, имеют.
Примеры 1.1-1.8.
-6
-6
Температурный коэффициент частоты - от 2,90×10 1/°C до 3,15×10 1/°C.
-6
-6
Фактический разброс полученных в данной партии значений величины температурного коэффициента частоты диэлектрического резонатора СВЧ от его величины заданного номинального значения (3,0×10 1/°C) составляет (-0,10…+0,15)×10 1/°C.
Добротность порядка 6560-6682, что соответствует заданным техническим условиям ТУ диэлектрического материала - Цирконат-титанат олова (ЦТО) ТСО.027.047 ТУ.
Примеры 2.1-2.8.
-6
-6
Температурный коэффициент частоты от 1,8×10 1/°C до 2,17×10 1/°C.
-6
-6
Фактический разброс полученных в данной партии значений величины температурного коэффициента частоты диэлектрического резонатора СВЧ от его заданного номинального значения (2,0×10 1/°C) составляет (-0,13…+0,17)×10 1/°C.
Добротность порядка 10015-10275, что соответствует заданным техническим условиям ТУ диэлектрического материала - Твердый раствор оксидов бария, цинка, никеля и тантала (БЦНТ) ТУ 2123-001.07622667-00.
Примеры 3.1-3.8.
-6
-6
Температурный коэффициент частоты от 2,46×10 1/°C до 3,52×10 1/°C.
-6
Фактический разброс значений величины температурного коэффициента частоты диэлектрического резонатора СВЧ от его величины заданного номинального значения (3,0×10 1/°C) составляет
-6
(-0,54…+0,51)×10 1/°C.
Добротность порядка 6579-5731, что соответствует заданным техническим условиям ТУ диэлектрического материала - Цирконат-титанат олова (ЦТО) ТСО.027.047 ТУ.
Таким образом, заявленный способ изготовления диэлектрического резонатора СВЧ обеспечит по сравнению с прототипом:
повышение точности получения значения величины температурного коэффициента частоты диэлектрического резонатора СВЧ относительно его величины заданного номинального значения примерно в 4 раза,
снижение разброса примерно в 4 раза,
повышение выхода годных при сохранении добротности и обеспечении заданной рабочей резонансной частоты.
Источники информации
1. Э.И. Батыгина, А.В. Иноземцева, И.П. Климова, В.И. Куликов, М.И. Нейлык, Т.Ю. Павлова. Диэлектрические резонаторы для изделий электронной техники. // Обзоры по электронной технике. Серия «Электроника СВ», выпуск 5(793), 1981, с. 16-19.
2. K. Wakino, Т Nishikawa // Materials for dielectric resonators and their applications // Microwave Journal, 1987, June №6, pp. 133-148 - прототип.