Mikrowellen-Bauelemente werden in Systemen zur drahtlosen Te- lekommunikation, Satellitenantennen, Radarsystemen oder auch Mikrowellenöfen eingesetzt.

Die wichtigsten Eigenschaften der für die Bauelemente verwen- deten Keramikmaterialien sind ihre Dielektrizitätskonstanten s, der Temperaturkoeffizient ihrer Resonanzfrequenz TKf sowie ihr Qualitätsfaktor Qxf, der ein MaS für die dielektrischen Verluste in dem Material ist. Die genannten Eigenschaften sind insbesondere für die Verwendung in Mikrowellenbauelemen- ten von Bedeutung. Je höher der Qualitätsfaktor ist, um, so geringer sind die dielektrischen Verluste und um so selekti- ver kann ein Mikrowellenbauelement mit Hilfe der Keramik auf eine spezielle Frequenz zugeschnitten werden.

Im Zuge der anhaltenden Miniaturisierung der keramischen Bau- elemente, insbesondere im Frequenzbereich bis hin zu 1 bis 2 GHz wird es immer wichtiger, keramische Materialien mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten zu verwenden. Solche Materia- lien gestatten die Herstellung von keramischen Bauelementen mit sehr kleinen Dimensionen, die beispielsweise für Systeme der drahtlosen Telekommunikation vorteilhaft eingesetzt wer- den können.

Aus der Druckschrift JP 01234358 A ist ein Mikrowellen- Bauelement mit einem Grundkörper aus einem Keramikmaterial bekannt, das auf der Basis von Titanoxid, Bariumoxid und Neo-

dymoxid hergestellt ist, wobei die Keramik einen Zusatz an Samariumoxid enthält. Durch die Menge des beigegebenen Sama- riumoxids wird das Temperaturverhalten der Resonanzfrequenz der Keramik eingestellt. Aus der Druckschrift JP 02239150 A ist eine Keramikzusammensetzung für Mikrowellenanwendungen bekannt, die auf der Basis von Bariumoxid, Titanoxid, Samari- umoxid, Ceroxid und Neodymoxid hergestellt ist.

Die in den japanischen Dokumenten genannten Mikrowellen- Bauelemente haben den Nachteil, daß sie einen relativ gerin- gen Wert der Dielektrizitätskonstante e zwischen 85 und 90 aufweisen. Dadurch können stark miniaturisierte Mikrowellen- bauelemente mit diesen Keramikmaterialien nicht hergestellt werden.

Aus der Druckschrift A. Kania, Ag (Nb1_xTax) 03 Solid Solutions-Dielectric Properties and Phase Transitions, Phase Transitions, 1983, Volume 3, pp. 131 bis 140, ist ein Mikrowellen-Bauelement mit einem Keramikmaterial bekannt, das auf der Basis von Silber, Niob und Tantal, im folgenden ANT genannt, hergestellt ist und das in Form einer"Solid Soluti- on"der beiden Materialien AgNbO3 und AgTaO3 vorliegt. Die in dieser Druckschrift beschriebene Keramik weist die Zusammen- setzung Ag (Nb1_xTax) O3 im folgenden ANTx genannt, auf, wobei x zwischen 0 und 0,7 variieren kann. Je nach Zusammensetzung weist die Keramik bei einer Temperatur von etwa 300 K ein e zwischen 80 und 400 auf.

Aus der Druckschrift Matjaz Valant, Danilo Suvorov, New High- Permittivity Ag (Nb1 xTax) O3 Microwave Ceramics : Part 2, Di- electric Characteristics, J. Am. Ceram. Soc. 82 [1], pp. 88-93 (1999) ist es bekannt, daß scheibenförmige Kera- mikkörper aus ANTx mit einem x-Parameter zwischen 0,46 und 0,54 eine starke relative Änderung der Dielektrizitatskon- stanten im Temperaturintervall zwischen-20 °C und 120 °C aufweisen. Dabei wurde insbesondere gezeigt, daß der Verlauf der relativen Änderung von e mit der Temperatur einer Kurve

folgt, die zwischen 20 °C und 70 °C ein Maximum aufweist und Werte zwischen-0,07 und 0,01 annimmt.

Ferner ist aus der Druckschrift WO 98/03446 bekannt, daß durch Dotierung von ANT mit Lithium, Wolfram, Mangan oder Wismut der Temperaturkoeffizient der Dielektrizitätskonstan- ten TKe bei einzelnen Temperaturen auf sehr kleine Werte bis zu +/-70 ppm/K reduziert werden kann.

Die aus den bekannten ANT-Materialien hergestellten Mikrowel- len-Bauelemente weisen zwar ein hohes e auf, haben jedoch den Nachteil, daß TKe in dem für Anwendungen interessanten Tempe- raturbereich zwischen-20 °C und 80 °C relativ hohe Werte aufweist.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Mikrowel- len-Bauelement mit einem Grundkörper aus einem Keramikmateri- al bereitzustellen, das eine hohe Dielektrizitätskonstante E sowie einen geringen Temperaturkoeffizienten TKe bei niedri- gen dielektrischen Verlusten aufweist.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch ein Mikrowellen- Bauelement nach Patentanspruch 1 erreicht. Weitere Ausgestal- tungen der Erfindung sind den folgenden Ansprüchen zu entneh- men.

Die Erfindung gibt ein Mikrowellen-Bauelement an mit einem Grundkörper, einer Einkoppelfläche und einer Auskoppelfläche, bei dem der Grundkörper ein Keramikmaterial umfaßt, das we- nigstens zwei verschiedene Komponenten enthält, die jeweils in voneinander getrennten Phasen vorliegen. Jede der Kompo- nenten weist dabei eine Perowskitstruktur auf, die an den A- Plätzen Silber und an den B-Plätzen Niob und Tantal enthält.

Die Zusammensetzung einer der Komponenten (Komponente A) und die Zusammensetzung einer weiteren der Komponenten (Komponen- te B) sind jeweils so gewählt, daß die Temperaturkoeffizien- ten ihrer Elektrizitätskonstanten TKEA und TKeg in einem Tem-

peraturintervall voneinander verschiedene Vorzeichen aufwei- sen.

Das auf ANT basierende Mikrowellen-Bauelement hat den Vor- teil, daß die Keramik ein hohes e > 300 aufweist. Ferner hat das erfindungsgemäße Mikrowellen-Bauelement den Vorteil, daß es niedrige dielektrische Verluste aufweist. Durch die Mi- schung zweier Komponenten, die jeweils ein TKE mit unter- schiedlichen Vorzeichen aufweisen, kann erreicht werden, daß sich die Temperaturabhängigkeiten der Dielektrizitätskonstan- ten größtenteils kompensieren, so daß das erfindungsgemäße Keramikmaterial ein kleineres TKe als seine Komponenten auf- weist. Die Kompensation kann dabei nicht nur stellenweise bei festen Temperaturen, sondern über das ganze Temperaturinter- vall erfolgen, innerhalb dessen die einzelnen Komponenten un- terschiedliche Vorzeichen aufweisen. Die Kompensation be- schränkt sich also nicht auf einzelne Punkte auf der Tempera- turskala.

Da die Komponenten in dem erfindungsgemäßen Keramikmaterial als getrennte Phasen vorliegen, kann der TKe des Keramikmate- rials für den Fall, daß es lediglich aus zwei verschiedenen Komponenten besteht, durch die im folgenden formulierte Lich- tenecker-Regel angegeben werden : TKe = V x TKEA + (1-V) x TKEB.

Dabei bedeutet V den Volumenanteil der Komponente A am Ge- samtvolumen der Komponenten und TKEA beziehungsweise TKeg die Temperaturkoeffizienten der Komponenten A und B.

Aus der Lichtenecker-Regel geht hervor, daß durch geeignete Wahl des Volumenanteils der Komponente A für eine bestimmte Temperatur eine vollständige Kompensation der Temperatur- koeffizienten der Dielektrizitätskonstanten erfolgen kann.

Diese Lichtenecker-Regel wird nun benutzt, um einen optimalen Volumenanteil der Komponente A am Gesamtvolumen der Komponen-

ten A und B zu bestimmen, so daß in dem Temperaturintervall, innerhalb dessen die einzelnen Komponenten unterschiedliche Vorzeichen aufweisen, eine optimale Kompensation der Tempera- turkoeffizienten erzielt werden kann.

Dazu wird erfindungsgemäß der Volumenanteil der Komponente A am Gesamtvolumen der Komponenten A und B so gewählt, daß er i weniger als 25 g von einem Volumenanteil V abweicht, der durch die folgende Formel berechnet ist : V x S + (1-V) x Ss = 0.

Dabei bedeuten SA und Sg jeweils die Steigung derjenigen Ge- raden, die am besten an den jeweiligen temperaturabhängigen Verlauf der relativen Änderung der Dielektrizitätskonstanten der Komponente A beziehungsweise der Komponente B in dem Tem- peraturintervall angepaßt ist.

Durch die erfindungsgemäße Übertragung der für einzelne Tem- peraturen gültigen Lichtenecker-Regel auf ein Temperaturin- tervall kann erreicht werden, daß eine optimale Kompensation von Temperaturkoeffizienten TKe mit verschiedenen Vorzeichen erzielt wird. Mit Hilfe der oben angegebenen Rechenvorschrift wird das mit dem Volumenanteil gewichtete Mittel der Tempera- turkoeffizienten TKe zur Berechnung geeigneter Volumenanteile benutzt.

Da die der Berechnung zugrundeliegende Lichtenecker-Regel die TKe-Werte linear addiert, funktioniert die Kompensation der Temperaturkoeffizienten TKe um so besser, je besser der tem- peraturabhängige Verlauf der relativen Änderung der Dielek- trizitätskonstanten der einzelnen Komponenten an einen linea- ren Verlauf angepaßt werden kann. Daher ist es erstrebens- wert, durch eine geeignete Zusammensetzung der Komponenten einen solchen linearen Verlauf möglichst gut anzunähern.

Eine solche Annäherung eines linearen Verhaltens kann beson- ders vorteilhaft dadurch erfolgen, indem bei einer der Kompo- nenten das Mengenverhältnis Niob/Tantal geeignet gewählt ist.

Eine weitere Möglichkeit, den temperaturabhängigen Verlauf von TKe in günstiger Weise zu beeinflussen, besteht darin, einer Komponente einen oder mehrere Dotierstoffe einer Kon- zentration von jeweils maximal 20 % beizugeben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei- spielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.

Es werden verschiedene ANT-Keramikmaterialien beschrieben, die als Komponente A beziehungsweise Komponente B für das er- findungsgemäße Mikrowellen-Bauelement verwendet werden kön- nen. Es werden ferner Keramikmassen beschrieben, die durch Mischen einer Komponente A mit einer Komponente B jeweils als kalzinierte Partikel und anschließendes Sintern hergestellt sind und für den Grundkörper des erfindungsgemäßen Mikrowel- len-Bauelements geeignet sind. Von den beschriebenen Keramik- materialien wurden jeweils Scheibenproben hergestellt, die mit einer oberen und einer unteren Elektrode versehen und so- mit zu einem Kondensator ergänzt wurden. An diesen Scheiben- proben wurde der Verlauf der relativen Änderung der Kapazität in Abhängigkeit von der Temperatur, im folgenden einfach Ver- lauf genannt, sowie die in den Tabellen angegebenen elektri- schen Parameter gemessen.

Figur 1 zeigt beispielhaft ein erfindungsgemäßes Mikrowellen- Bauelement im schematischen Querschnitt.

Die übrigen Figuren 2 bis 19 zeigen jeweils den Verlauf von verschiedenen ANT-Materialien, die als Komponente A bezie- hungsweise Komponente B für das erfindungsgemäße Mikrowellen- Bauelement verwendet werden können.

Die Figuren 11,14,15,16,17,18,19 zeigen zusätzlich den Verlauf von Mischungen einer Komponente A mit einer Komponen- te B.

In den Figuren ist jeweils die relative Änderung der Kapazi- tät AC/C der Scheibenprobe in Abhängigkeit von der Temperatur angegeben. Die Änderung der Kapazität ist über C = s x A/d direkt mit der Größe AEls verknüpft.

Figur 1 zeigt ein Mikrowellen-Bauelement, das ein monolithi- scher Filter ist. Er besteht aus einem Grundkörper 1 mit Durchbohrungen 2,3. Die Oberfläche des Grundkörpers 1 ist mit Ausnahme einer Rückseite 4 (nicht sichtbar) mit einer Me- tallisierung 5 versehen. Zum Ein-und Auskoppeln von HF- Signalen ist eine Einkoppelfläche 6 und eine Auskoppelfläche 7 vorgesehen, die von der Metallisierung 5 getrennt sind.

Zwischen der Einkoppelfläche 6 und der Auskoppelfläche 7 be- findet sich ein Masseanschluß 8, der ebenfalls von der Metal- lisierung 5 getrennt ist. Die metallisierten Flächen werden in Form einer Silber-Einbrennpaste oder als galvanische Me- tallisierung hergestellt. Die Zahl der Durchbohrungen 2,3 kann in weiteren Ausführungsbeispielen zwischen 1 und 10 oder sogar noch mehr variieren.

In den folgenden Beispielen werden verschiedene Möglichkeiten für die keramische Zusammensetzung des Grundkörpers 1 be- schrieben.

Die folgenden Beispiele zeigen Proben, bei denen als Sinter- hilfsmittel Vanadiumoxid (V205) verwendet wurde. Dadurch konnte die Sintertemperatur von 1140 °C auf eine Temperatur zwischen 1050 °C und 1080 °C reduziert werden, was für ver- schiedene Anwendungen von ANT wünschenswert ist. Die Beigabe von V205 ändert nicht die Zusammensetzung der ANT-Phase, da sich das Vanadiumoxid an Korngrenzen in einer vanadiumreichen eigenen Phase anreichert, wie Mikrostrukturanalysen gezeigt haben.

Die folgenden Beispiele gemäß Figur 2 zeigen Proben der Zu- sammensetzung (Ag1_yMly) (Nbl-xTax) 03 mit y=0, 1 und x=0,5. Fi- gur 2 A zeigt dabei den Verlauf von AC/C, wobei MI bei Kurve 4 Lithium, bei Kurve 6 Natrium und bei Kurve 7 Kalium ist.

Kurve 5 zeigt eine undotierte ANT-Probe der oben genannten Zusammensetzung, wobei gilt : y = 0. Figur 2B zeigt die Kurven aus Figur 2A mit einem vergrößerten Längenmaßstab der Ordina- te.

Die folgende Tabelle 1 zeigt die dielektrischen Eigenschaften der mit einem Metall MI versehenen ANT-Proben aus Figur 2.

Tabelle 1 : Dielektrische Eigenschaften und Sintertemperaturen für ANT-Proben gemäß Figur 2. ANT MI=Li MI=Na MI=K y=0 RF (l MHz) £ 356 516 374 399 tanb (x 10-3) 2 10, 2 1, 8 1, 5 MW (2 GHz) E'376 366 402 Qxf [GHz] 623-701 390 Tsinter[°C] 1050 1050 1050 1080 In der ersten Spalte der Tabelle 1 sind die Eigenschaften für eine undotierte ANT-Probe angegeben. In der zweiten, dritten und vierten Spalte sind die Daten für eine mit Lithium (Kurve 4), Natrium (Kurve 6) beziehungsweise Kalium (Kurve 7) do- tierte ANT-Probe angegeben. In den ersten beiden Zeilen der Tabelle 1 sind die bei Radiofrequenz gemessenen Werte für e beziehungsweise für den Verlustwinkel tanb angegeben. In der dritten und vierten Zeile sind die bei 2 GHz gemessenen Werte für die Dielektrizitätskonstante Et sowie für den Qualität- faktor Qxf in der Einheit GHz angegeben. In der fünften Zeile der Tabelle 1 ist die jeweilige Sintertemperatur, bei der die Probe hergestellt wurde, angegeben.

Die angegebenen Proben zeichnen sich alle durch hohe Dielek- trizitätskonstanten aus.

Durch die Dotierung mit Natrium (vgl. Kurve 6) wird das Maxi- mum des Temperaturverlaufes breiter und zugleich wird die Ab- hängigkeit bei tiefen Temperaturen stärker. Die Dotierung mit Hilfe von Kalium verflacht den Temperaturverlauf, wodurch die Temperaturabhängigkeit in dem gesamten untersuchten Bereich zwischen-80 °C und 120 °C verringert wird.

In einer weiteren Versuchsreihe wurde zusätzlich zur Dotie- rung an den A-Plätzen noch das Verhältnis Niob/Tantal vari- iert.

Figur 3 zeigt den Temperaturverlauf für eine Komponente A der Zusammensetzung (Ag1_yMIy) (Nbl-xTax) o3 mit MI= Kalium und y = 0,1, wobei für Kurve 8 x = 0,46, für Kurve 9 x = 0,48, für Kurve 10 x = 0,52 und für Kurve 11 x = 0,54 gilt.

Figur 4 zeigt den Temperaturverlauf für eine Komponente A der Zusammensetzung (Ag1_yMIy) (Nbl-xTax) o3 mit y=0, 1 und MI = Na- trium, wobei für Kurve 12 x = 0,46, für Kurve 13 x = 0,5 und für Kurve 14 x = 0,54 gilt.

Wie den Figuren 3 und 4 zu entnehmen ist, beeinflußt die Va- riation des Niob/Tantal-Verhältnisses die Steigung der Kurven im Bereich hoher Temperaturen. Mit steigender Niob-Konzentra- tion ändert sich die Steigung der Kurven von einem stark fal- lenden zu einem schwach steigenden Verlauf. Wie aus Figur 4 hervorgeht, beeinflußt die Variation des Niob/Tantal-Verhält- nisses bei natriumdotierten ANT-Proben die Lage des Kurvenma- ximums, das von 100 °C zu 50 °C verschoben werden kann. Ande- re dielektrische Eigenschaften wurden durch die Änderung des Niob/Tantal-Verhältnisses kaum verändert, so daß deren Werte von den in Tabelle 1 angegebenen Werten weniger als 10 % ab- weichen.

Eine weitere Möglichkeit der Dotierung besteht darin, an den A-Plätzen der Perowskitstruktur ein Metall MIII und an den B- Plätzen der Perowskitstruktur ein Metall MIV als Dotierstoff gemäß der Formel (Ag1_yMIIIy) ((Nbl-xTa) l-yMIv) o3 zu verwen- den. Um die elektronischen Eigenschaften des Kristallgitters nicht zu verändern, muß dabei jeweils ein Dotierstoff mit ei- ner gegenüber dem Wirtsmetall um +1 erhöhten Vakanz mit einem zweiten Dotierstoff mit einer gegenüber dem Wirtsmetall um-1 erniedrigten Vakanz kombiniert werden. Die Ionenradien der verwendeten Dotierstoffe sind dabei in einem bestimmten Be- reich unkritisch, da beide Dotierstoffe sowohl größer als auch kleiner als das jeweilige Wirtsion sein können.

In den folgenden Beispielen (Figuren 5,6,7,8) sind die je- weils in der Tabelle 2 angegebenen Dotierstoffe an den A-Plätzen beziehungsweise an den B-Plätzen verwendet worden, wobei jeweils 5 % des Silbers beziehungsweise von Niob/Tantal durch den Dotierstoff ersetzt worden sind und gleichzeitig gilt x = 0,5.

In der folgenden Tabelle 2 sind die einzelnen Beispiele für verschiedene Dotierungen von ANT mit den an diesen Proben ge- messenen Werte für, tand sowie für die Schrumpfung S (in %) des Keramikmaterials nach Tempern von 5 Stunden bei einer Temperatur von 1050 °C angegeben. Die Dielektrizitätskonstan- te von allen zweifach dotierten Proben zeigt dabei sehr hohe Werte zwischen 275 und 433. Mit Barium und Zirkon dotierte Proben zeigen ein e von 590, sind jedoch wegen hoher dielek- trischer Verluste für Mikrowellenkomponenten nicht geeignet.

Die dielektrischen Verluste der anderen Proben wurden bei 1 MHz gemessen, mit dem Ergebnis, daß diese nicht größer als 1,6 x 10-3 sind. Daher sind die anderen Proben für Mikrowel- lenanwendungen sehr gut geeignet. Zu beachten ist in diesem Zusammenhang auch, daß das Element Samarium durch andere Ver- treter der Seltenen Erden wie Lanthan, Cer, Praseodym, Neo- dym, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Er- bium, Thulium, Ytterbium oder Lutetium ersetzt werden kann.

Tabelle 2 : Dielektrizitatskonstante, dielektrische Verluste und Schrumpfung von zweifach dotierten ANT-Proben nach Sinte- rung bei 1050 °C für eine Dauer von 5 Stunden.

Nr. A-Platz B-Platz tand S [%] 1 Sm In 304, 28 0, 0008 7, 2 2 Sm Sc 275, 46 0, 0016 8, 1 3 Sm Ga 306, 43 0, 0014 7, 9 4 Bi In 418, 60 0, 0011 10, 4 5 Bi Sc 401, 26 0, 0012 10, 6 6 Bi Ga 426, 21 0, 0013 10, 4 7 Ba Sn 382, 54 0, 0014 8, 3 8 Ca Sn 307, 13 0, 0009 6, 5 9 Pb Sn 433, 56 0, 0012 8, 8 10 Sr Sn 297, 43 0, 0009 5, 9 11 Ba Zr 589, 62 0, 0022 11, 4 12 Ca Zr 332, 04 0, 0016 10, 0 13 Pb Zr 385, 12 0, 0013 8, 5 14 Sr Zr 316, 16 0, 0005 7, 2 Figur 5 zeigt den Verlauf für Proben, die am B-Platz mit Zinn dotiert sind. Dabei wurde jeweils am A-Platz und am B-Platz 5 Mol-% des ANT-Ausgangsmaterials durch einen Dotierstoff er- setzt (y = 0,05). Kurve 15 zeigt den Verlauf für Barium, Kur- ve 16 für Strontium, Kurve 17 für Kalzium und Kurve 18 für Blei als Dotierstoff am A-Platz der Perowskitstruktur.

Figur 6 zeigt jeweils den Verlauf für Proben (y = 0,05), bei denen am B-Platz Zirkon als Dotierstoff verwendet wurde. Da- bei zeigt Kurve 19 den Verlauf für Kalzium, Kurve 20 den Ver- lauf für Barium, Kurve 21 den Verlauf für Strontium und Kurve 22 den Verlauf für Blei als Dotierstoff am A-Platz der Perowskitstruktur.

Die Figuren 5 und 6 zeigen, daß der Verlauf nicht linear ist und mit dem verwendeten Dotierstoff variiert. Alle Proben zeigen einen negativen Temperaturkoeffizienten der Dielektri-

zitätskonstante für Temperaturen zwischen der Raumtemperatur (20 °C) und 125 °C. Unterhalb der Raumtemperatur zeigen die Kurven ein Maximum. Die Lage des Maximums hängt dabei von der gewählten Zusammensetzung beziehungsweise des gewählten Do- tierstoffes ab.

Figur 7 zeigt den Verlauf für diejenigen ANT-Proben, bei de- nen am A-Platz Wismut als Dotierstoff verwendet wurde. Dabei zeigt Kurve 23 den Verlauf für Scandium, und Kurve 24 den Verlauf für Gallium beziehungsweise Indium als Dotierstoff für den B-Platz, die sich auf der hier gewählten Skala nicht voneinander unterscheiden lassen.

Figur 8 zeigt den Verlauf für ANT-Proben, bei denen Samarium als Dotierstoff für den A-Platz gewählt wurde. Dabei zeigt Kurve 26 den Verlauf für Scandium, Kurve 27 den Verlauf für Gallium und Kurve 25 den Verlauf für Indium als Dotierstoff für die B-Plätze der Proben.

Die in den Figuren 7 und 8 gezeigten Proben zeigen einen ne- gativen Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstante im gesamten untersuchten Temperaturintervall zwischen-20 °C und 125 °C. Die Abhängigkeit ist dabei fast linear mit einer Steigung, die weitgehend unabhängig von der Kombination der Dotierstoffe an den A-beziehungsweise B-Plätzen ist.

Aufgrund des linearen Verlaufs der Temperaturabhängigkeit sind diese Proben aus Figur 7 und Figur 8 besonders zur Ver- wirklichung des erfindungsgemäßen Mikrowellen-Bauelements ge- eignet.

In einer weiteren Versuchsreihe wurde am Beispiel von mit Wismut/Gallium dotiertem ANT der Einfluß des Anteils der Do- tierstoffe auf den Temperaturverlauf der Dielektrizitätskon- stante untersucht. Dabei wurde ausgegangen von einem ANT- Keramikmaterial der Zusammensetzung (Ag1-y3iy) ((Nb1-xTax) l yGay) o3 mit x = 0,44.

Für die Werte y = 0,01 ; 0,02 ; 0,03 ; 0,04 ; und 0,05 wurden entsprechende Proben hergestellt. Die Herstellung der Proben erfolgte dabei durch einen (Nb, Ta, Ga)-Oxid Precursor, der zusammen mit V205 bei 1220 °C für 20 Stunden kalziniert wur- de.

Zwischendrin wurde der Precursor immer wieder abgekühlt und durch ein Sieb gepreßt, um eine möglichst homogene Mischung auf atomarer Ebene zu erreichen. Silber und Wismut wurden an- schließend in den pulverisierten Precursor beigegeben und für 10 Stunden auf 950 °C erhitzt. AnschlieSend wurde das Kera- mikmaterial für eine Dauer von 5 Stunden bei 1070 °C in einer Sauerstoffatmosphäre gesintert.

Der bei 1 MHz gemessene Verlauf dieser Proben ist in Figur 9 dargestellt. Dabei zeigt Kurve 28 den Verlauf für y = 0, Kur- ve 29 den Verlauf für y = 0,01, Kurve 30 den Verlauf für y = 0,02, Kurve 31 den Verlauf für y = 0,03, Kurve 32 den Verlauf für y = 0,04 und Kurve 33 den Verlauf für y = 0,05.

In einer weiteren Versuchsreihe wurden darüber hinaus anstel- le von Wismut/Gallium als Dotierstoffe das Paar Samari- um/Gallium vermessen, mit dem Ergebnis, daß das Ersetzen von Wismut durch Samarium kaum einen Einfluß auf den Temperatur- verlauf hat. Auch bezüglich der anderen dielektrischen Eigen- schaften konnte kein signifikanter Unterschied zwischen der Dotierstoffkombination Wismut/Gallium und der Dotierstoffkom- bination Samarium/Gallium beobachtet werden. In allen Fällen hat eine Dotierstoffkonzentration von beispielsweise 5 Mol-% die Dielektrizitätskonstante leicht auf einen Wert e > 420 angehoben, während der Qxf-Wert auf < 350 GHz, gemessen bei 2 GHz, gesunken war.

Aufgrund des nahezu linearen Verlaufs sind die in Figur 9 ge- zeigten ANT-Proben mit einer Dotierstoffkonzentration größer als 2 Mol-% besonders interessant für die Verwendung als Kom-

ponente A oder Komponente B in dem erfindungsgemäßen Mikro- wellen-Bauelement.

In einer weiteren Versuchsreihe wurde ohne Dotierstoffe un- tersucht, wie sich eine Änderung des Verhältnisses von Ni- ob/Tantal auf den Temperaturverlauf von ANT-Proben auswirkt.

Dazu wurden 7 Proben hergestellt, die die Zusammensetzung Ag (Nb1_xTax) 03 aufweisen, wobei der Parameter x zwischen 0,35 und 0, 65 variiert. Dabei wurde dasselbe Herstellungsverfahren wie bei den zweifach dotierten, in der Figur 9 dargestellten Proben verwendet.

Figur 10 zeigt die bei einer Frequenz von 1 MHz gemessene Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante dieser Proben. Dabei beschreibt Kurve 34 die Zusammensetzung für = 0,35, Kurve 35 die Zusammensetzung für x = 0,4, Kurve 36 für x = 0, 42, Kurve 37 für x = 0,44, Kurve 38 für x = 0,5, Kurve 39 für x = 0,6 und Kurve 40 für x = 0,65.

Die Ergebnisse gemäß Figur 10 zeigen, daß lediglich durch Va- riation des Verhältnisses Niob/Tantal sowohl ein monoton wachsendes als auch ein monoton fallendes Verhalten für den Temperaturkoeffizienten hergestellt werden kann. Dabei liegt die Grenze zwischen wachsendem und fallendem Verhalten etwa bei x = 0,5.

Aufgrund des annähernd linearen Verlaufs sind insbesondere die zu den Kurven 34 sowie 39 und 40 aus Figur 10 gehörenden Keramikzusammensetzungen für die Verwendung in dem erfin- dungsgemäßen Mikrowellen-Bauelement als Komponente A oder B sehr gut geeignet.

In einer weiteren Versuchsreihe wurden verschiedene Keramik- materialien als Mischung einer Komponente A und einer Kompo- nente B, basierend auf den bisher gewonnenen Versuchsergeb- nissen, hergestellt. Dabei wurden die jeweiligen Komponenten

getrennt kalziniert und zu einem Pulver weiterverarbeitet.

Anschließend wurden die Pulver der Komponente A und der Kom- ponente B miteinander vermischt und sodann gesintert.

Damit die Kompensation gegenläufiger Temperaturverläufe funk- tioniert, müssen die Komponenten A und B in voneinander ge- trennten Phasen vorliegen. Versuche haben gezeigt, daß es da- zu erforderlich ist, die Komponenten A und B jeweils in Form von Partikeln mit einer Partikelgröße > 5 Am zu vermischen.

Falls kleinere Partikelgrößen verwendet werden, findet zwi- schen den Komponenten durch Diffusion ein Materialaustausch statt und es bildet sich eine"Solid Solution", die ein neues Material mit entsprechend neuen Eigenschaften darstellt. Eine einfache"lineare Superposition"der Komponenten A und B, wie sie durch die Lichtenecker-Regel beschrieben wird, ist dann nicht mehr möglich. Die Verwendung von Partikeln größer als 5 Am bewirkt, daß sich aufgrund der langsamen Diffusionsprozes- se lediglich Randgebiete der Partikel miteinander vermischen, so daß im wesentlichen noch getrennte Phasen von Komponente A und Komponente B übrig bleiben.

Für das phasenheterogene Keramikmaterial wurde als Komponente A eine Keramik der Zusammensetzung Ag (Nb1_xTax) 03 und für die Komponente B eine Keramik der Zusammensetzung (Ag1_yBiy) ((Nbl_xTax) l_yGay) Q3 mit y = 0,05 verwendet. Dabei wurde als Parameter x jeweils der Wert 0,4 gewählt.

Figur lIA zeigt den Verlauf für diese Proben, wobei das ge- wichtsbezogene Verhältnis der Komponenten A und B bei Kurve 43 50/50, bei Kurve 44 45/55, bei Kurve 45 42,5/57,5, bei Kurve 46 35/65 und bei Kurve 47 40/60 beträgt. Kurve 41 zeigt den Verlauf für Komponente A, während Kurve 48 den Verlauf für Komponente B zeigt. Figur 11B zeigt die Kurven aus Figur 11A mit einer größeren Skala für die Ordinate.

Dabei zeigt sich, daß die Mischung mit Komponente A/Kompo- nente B gleich 42,5/57,5 die geringste Temperaturabhängigkeit

der Dielektrizitätskonstanten aufweist. Innerhalb des Tempe- raturintervalls von-20 °C bis 80 °C variiert die Dielektri- zitätskonstante um weniger als 0,5 %. Desweiteren weist diese Probe eine hohe Dielektrizitätskonstante von 420 und auch einen ausreichend hohen Qxf-Wert von 425 GHz auf.

Mit ähnlichen Komponenten A und B, die sich durch die Wahl eines Parameters x = 0,44 von den in Figur 11 gezeigten un- terscheiden, wurden weitere Proben hergestellt.

Für diese Proben wurde gefunden, daS die geringste Tempera- turabhängigkeit für ein Mischungsverhältnis 50/50 (gemessen in Gew.-%) gegeben ist. Für diese Probe mit A/B = 50/50 wurde eine Dielektrizitätskonstante von 428 und ein Qxf-Wert von 483 gemessen. Im Temperaturintervall zwischen-20 °C und 80 °C variiert die Dielektrizitätskonstante um weniger als 1 %.

In einer weiteren Versuchsreihe wurden, ausgehend von den oben genannten Komponenten A und B in ihrer allgemeinen For- mulierung, für den x-Wert 0,38 verschiedene Mischungsverhält- nisse getestet. Das Ergebnis davon war, daß bezüglich der Kompensation Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätskon- stante das Mischungsverhältnis A/B = 32,5/67, 5 den optimalen Wert liefert, wobei in einem Temperaturintervall zwischen -20 °C und 80 °C die Dielektrizitätskonstante weniger als 0,25 % variiert. Diese Probe weist jedoch eine hohe Konzen- tration an einer Phase mit hohen dielektrischen Verlusten auf, wodurch der Qxf-Wert der Probe auf 335 reduziert ist.

In der folgenden Tabelle 3 sind die dielektrischen Eigen- schaften der untersuchten phasenheterogenen Keramikmateriali- en zusammengestellt. In der ersten Spalte ist der Wert für den Parameter x angegeben. In der zweiten Spalte ist das ge- wichtsbezogene Mischungsverhältnis der Komponenten A und B angegeben. Die Spalten 3,4,5 und 6 zeigen die Schrumpfung S (angegeben in %), die Dielektrizitätskonstante e, die maxima-

le relative Änderung der Dielektrizitätskonstante innerhalb des Temperaturintervalls von-20 °C bis 80 °C sowie den Qxf- Wert, gemessen in GHz.

Tabelle 3 : Gewichtsverhältnis Komponente A/Komponente B, Schrumpfung und dielektrische Eigenschaften der Proben mit dem optimalen Mischungsverhältnis. X A : B S E ##/# max. Qxf [%] [GHz] 0, 44 50 : 50 12 428 1 483 0, 40 42.5 : 57.5104200, 5425 0, 38 32. 5 : 67.5 9 396 0, 25 335 Gegenstand von nachfolgenden Untersuchungen war es, ein wei- teres geeignetes Sinterhilfsmittel zu finden. Mit Borsäure (H3B03) wurde ein solches Sinterhilfsmittel gefunden. Die Borsäure kann mit einem Gewichtsanteil von 1 bis 5 % dem ANT beigegeben werden. Während des Sinterns der Keramik schrumpft sie dabei um 14 %, ohne irgendwelche Anzeichen von Zersetzung aufzuweisen. Daraus geht hervor, daß H3BO3 gut als Sinter- hilfsmittel geeignet ist. Insbesondere ist H3BO3 auch dazu geeignet, die Sintertemperatur von 1220 °C auf unter 1140 °C zu verringern.

Elektrische Messungen an einer ANTx-Probe mit x = 0,42 sowie mit einer Zugabe von 1 Gew.-% H3BO3 haben gezeigt, daß die Borsäure als Sinterhilfsmittel weder die Dielektrizitätskon- stante noch die dielektrischen Verluste in unzulässiger Weise beeinflußt.

Es konnte darüber hinaus gezeigt werden, daß die Borsäure als Sinterhilfsmittel im Vergleich zu V205 die Temperaturabhän- gigkeit der Dielektrizitätskonstante positiv beeinflußt.

In Figur 12 ist der Temperaturverlauf einer'ANTx-Probe

(x = 0,42) mit einer Zugabe von 2 Gew.-% H3BO3 (Kurve 50) bzw. mit einer Zugabe von 2 Gew.-% V205 (Kurve 49) darge- stellt. Aus Figur 12 geht hervor, daß die Borsäure das Tempe- raturverhalten der Dielektrizitätskonstante, verglichen mit V205, positiv beeinflußt.

In nachfolgenden Untersuchungen wurde geprüft, inwieweit die Realisierung des erfindungsgemäßen. Mikrowellen-Bauelements ohne die Beteiligung von Dotierstoffen lediglich unter Ver- wendung von ANTx mit variierendem Niob-Tantal-Verhältnis ge- lingt. Darüber hinaus wurde der Einfluß von verschiedenen Ge- wichtsanteilen von zugegebenem H3BO3 als Sinterhilfsmittel getestet.

Bei den im folgenden beschriebenen Proben wurde jeweils 1 und 1,5 Gew.-% H3BO3 vor der abschließenden Kalzination bei 950 °C dem Keramikmaterial beigegeben. Anschließend wurde die Keramik bei 1070 °C für eine Dauer von 5 Stunden gesintert.

Danach wurden die dielektrischen Eigenschaften der so herge- stellten Materialien bei Frequenzen von 1 MHz und etwa 2 GHz untersucht.

Als Komponente B für die erfindungsgemäße Komposit-Keramik wurde die aus den bereits weiter oben beschriebenen Zusammen- setzungen bekannte Komponente B (ANTx mit x = 0,65) verwen- det. Die Komponenten wurden als Granalien mit einer mittleren Korngröße von 30,9 Am (Komponente A) beziehungsweise 27,7 Am (Komponente B) miteinander vermischt und anschließend gemein- sam gesintert.

In einer ersten Versuchsreihe wurde eine Komponente B mit 1 Gew.-% H3BO3 sowie mehrere mögliche Komponenten A mit ver- schiedenen Überschüssen an Niob bezüglich Tantal untersucht.

Die Ergebnisse sind in Figur 13 dargestellt. Dabei beziehen sich die Kurven 51 bis 54 auf jeweils eine Komponente A mit variierendem x-Gehalt und die Kurve 55 auf die oben genannte

Komponente B mit x = 0,65. Kurve 51 beschreibt dabei die Zu- sammensetzung der Komponente B mit x = 0,35, Kurve 52 mit x = 0,38, Kurve 53 mit x = 0,40 und Kurve 54 mit x = 0,42.

Figur 13 zeigt, daß insbesondere die Zusammensetzung gemäß Kurve 51 eine gute Linearität des Verlaufs aufweist, wie er besonders zum Einsatz als Komponente A in dem erfindungsgema- gen Mikrowellen-Bauelement geeignet ist.

Mit den in Figur 13 gezeigten verschiedenen Komponenten A wurden Keramikmaterialien mit verschiedenen Mischungsverhält- nissen Komponente A/Komponente B gemäß der folgenden Tabelle 4 hergestellt. In der ersten Spalte von Tabelle 4 ist der je- weils verwendete Überschuß an Niob der Komponente A als x- Wert angegeben. In der zweiten Spalte ist das gewichtsbezoge- ne Verhältnis Komponente A/Komponente B angegeben. Spalten 3,4,5,6, und 7 zeigen Kernwerte entsprechend Tabelle 2 bzw. die Schrumpfung S der Proben. In der letzten Spalte von Tabelle 4 ist für die jeweils bezüglich des Verlaufs optimale Mischung aus Komponente A und Komponente B der jeweils maxi- male relative Änderung der Dielektrizitätskonstante im Tempe- raturintervall von-20 °C bis 80 °C angegeben.

Tabelle 4 : Dielektrizitätskonstante und dielektrische Verlu- ste einer Komposit-Keramik mit 1 Gew.-% H3BO3 als Sinter- hilfsmittel, gesintert bei 1070 °C für eine Dauer von 5 Stun- den (Komponente B = ANTx mit x = 0,65). x A/B 1 MHz 2 GHz s JAE/E IMax # tan# #' Q#f [GHz] [%] [%] 0,42 60/40 386 0,0007 371 597 10,1 1,8 62,5/37,5 390 0, 0002 398 566 9,7 70/30 408 0, 0004 408 492 10, 9 0,40 40/60 328 0, 0007 326 664 9, 3 50/50 370 0, 0004 385 577 9, 6 60/40 385 0, 0004 395 493 9, 8 1, 5 0,38 35/65 339 0, 0010 355 654 10, 2 45/55 347 0, 0005 357 592 9, 8 55/45 375 0,0005 403 516 10,1 1, 2 0,35 30/70 317 0,0005 323 644 9,0 40/60 350 0, 0009 363 560 10, 0 45/55 341 0, 0002 362 539 9, 1 0, 8 50/55 354 0, 0005 375 479 9, 7 Die Tabelle 4 zeigt, daß zumindest die jeweils mit dem opti- malen Mischungsverhältnis aus Komponente A/Komponente B her- gestellten Komposit-Keramiken mit den verschiedenen x-Werten für die Komponente A für die Anwendung bei Mikrowellen-Bauele- menten geeignet sind.

Figur 14 zeigt den Verlauf verschiedener Komposit-Keramiken mit einer Komponente A mit x = 0,42 (8 % Niob-Überschuss) und mit verschiedenen Mischungsverhältnissen Komponente A/Komponente B. Dabei zeigt Kurve 56 den Verlauf für das Mi- schungsverhältnis 60/40, Kurve 57 den Verlauf für das Mi- schungsverhältnis 70/30, Kurve 58 den Verlauf für das Mi- schungsverhältnis 62,5/37,5, Kurve 59 den Verlauf der reinen

Komponente A und Kurve 60 den Verlauf der reinen Komponente B.

Figur 15 zeigt den Verlauf verschiedener Komposit-Keramiken mit einer Komponente A mit x = 0,40 (10 % Niob-Überschuss) und mit verschiedenen Mischungsverhältnissen Komponente A/Komponente B. Dabei zeigt Kurve 62 den Verlauf für das Mi- schungsverhältnis 60/40, Kurve 64 den Verlauf für das Mi- schungsverhältnis 40/60, Kurve 63 den Verlauf für das Mi- schungsverhältnis 50/50, Kurve 61 den Verlauf der reinen Kom- ponente A und Kurve 65 den Verlauf der reinen Komponente B.

Figur 16 zeigt den Verlauf einer Komposit-Keramik mit einer Komponente A mit x = 0,38 (12 % Niob-Überschuss) und mit ver- schiedenen Mischungsverhältnissen Komponente A/Komponente B.

Dabei zeigt Kurve 69 den Verlauf für das Mischungsverhältnis 35/65, Kurve 68 den Verlauf für das Mischungsverhältnis 45/55, Kurve 67 den Verlauf für das Mischungsverhältnis 55/45, Kurve 70 den Verlauf der reinen Komponente B und Kurve 66 den Verlauf der reinen Komponente A.

Figur 17 zeigt den Verlauf einer Komposit-Keramik mit einer Komponente A mit x = 0,35 (15 % Niob-Überschuss) und mit ver- schiedenen Mischungsverhältnissen Komponente A/Komponente B.

Dabei zeigt Kurve 75 den Verlauf für das Mischungsverhältnis 30/70, Kurve 73 den Verlauf für das Mischungsverhältnis 40/60, Kurve 72 den Verlauf für das Mischungsverhältnis 50/50, Kurve 71 den Verlauf für das Mischungsverhältnis 45/55, Kurve 76 den Verlauf der reinen Komponente B und Kurve 71 den Verlauf der reinen Komponente A.

In weiteren Experimenten wurde untersucht, wie sich die Erhö- hung des Borsäure-Anteils von 1 Gew.-% auf 1,5 Gew.-% aus- wirkt. Dabei wurde gefunden, daß der erhöhte Borsäure-Anteil das Sintern des ANT-Pulvers erleichtert. Man erhält zudem et- was höhere Werte für die Dielektrizitätskonstanten. Die die- lektrischen Verluste, gemessen bei 1 MHz, zeigen dabei keine

signifikante Veränderung mit der H3BO3-Konzentration, während die Qxf-Werte bei 2 GHz etwas schlechter sind als bei der Zu- gabe von 1 Gew.-% H3BO3.

Figur 18 zeigt die Verläufe für ein ANTx-System, das unter Zugabe von 1, 5 Gew.-% H3BO3 hergestellt wurde. Die übrigen Herstellungsparameter waren die gleichen wie bei den Proben mit 1 Gew.-% H3B03. Dabei zeigt Kurve 77 den Verlauf für eine Komponente A mit x = 0,42, Kurve 78 den Verlauf für eine Mi- schung aus Komponente A und Komponente B mit einem gewichts- bezogenen Mischungsverhältnis 70/30, Kurve 79 eine Komposit- Keramik mit einem Mischungsverhältnis 60/40 und schließlich Kurve 80 den Verlauf für Komponente B mit x = 0,65.

Figur 19 zeigt den Temperaturverlauf einer Komposit-Keramik (1,5 Gew.-% H3BO3) mit einer Komponente A mit x = 0, 35 (15 % Niob-Überschuss) und mit verschiedenen Mischungsverhältnissen Komponente A/Komponente B. Kurve 81 zeigt die Komponente A mit x = 0,35, Kurve 82 zeigt eine Mischung mit einem Mi- schungsverhältnis 60/40, Kurve 83 mit einem Mischungsverhält- nis 55/45, Kurve 84 mit einem Mischungsverhältnis 45/55 und Kurve 85 die Komponente B mit x = 0,65.

In der folgenden Tabelle 5 sind entsprechend der Tabelle 4 die dielektrischen Eigenschaften sowie die Schwindung für die Mischungen mit jeweils der Komponente B mit einem Niobüber- schuß von 8 % (x = 0, 42) beziehungsweise mit einem Niobüber- schuß von 15 % (x = 0, 65) eingetragen. Für das jeweils opti- male Mischungsverhältnis Komponente A/Komponente B ist zudem die maximale relative Änderung der Dielektrizitätskonstanten im Temperaturintervall zwischen-20 °C und 80 °C in % angege- ben.

Tabelle 5 : Dielektrizitätskonstante und dielektrische Verlu- ste einer Komposit-Keramik mit 1,5 Gew.-% H3BO3 als Sinter- hilfsmittel, gesintert bei 1070 °C für eine Dauer von 5 Stun- den (Komponente B = ANTx mit x = 0,65).

x a/B 1 MHz 2 GHz S ##/# max. # tan# #' Q#f[GHz] 0,4260/40 398 0,0003 395 545 11,5 70/30 408 0, 0004 408 492 10, 9 1, 4 0,35 60/40 414 0, 0004 436 360 11, 7 0, 6 55/45 397 0, 0004 435 419 11, 2 45/55 341 0, 0002 362 539 10, 7