一種以尖晶石鐵氧體為母體的天線基板材料及其製備方法

2023-07-06 23:55:46 1

專利名稱：一種以尖晶石鐵氧體為母體的天線基板材料及其製備方法
技術領域：
本發明屬於電子材料技術領域,涉及ー種適於IOMHz 200MHz低頻天線應用的，以尖晶石鐵氧體為母體的複合基板材料。
背景技術：
近年來，隨著無線通信技術的快速發展，通信設備的小型化已成為ー種必然的發展趨勢，如何減小天線的特徵尺寸同時又不影響其輻射性能，成為當前無線通信設備小型化發展所面臨的主要瓶頸難題。根據天線的設計理論，天線應用的頻率越低，其特徵尺寸就越大，因此，這ー瓶頸技術難題在低頻段應用的天線上體現得尤為明顯。我們知道使用高介電材料作為天線基板能有效的縮小天線的特徵尺寸，但這種方法同時也會帶來一系列的問題。首先高介電材料會増加天線基板的損耗角正切，從而增加電磁波傳 播的損耗；其次高介電材料作為基板還會導致天線帶寬減小，從而限制了天線的適用頻段。此外，天線基板的介電常數越高，對電磁波的束縛能力就越強，並且也更易激發表面波，從而會大大降低天線的效率。因此，天線小型化的發展趨勢迫切需要研發出新型的基板材料來更好的兼顧天線小型化和高性能的綜合技術要求。根據天線諧振頻率關係式
ム'=ο_____3________}__________________________；_________________JZ________________________3______:_______________________ 可知，通過提高天線基板材料的磁導率，同樣也可達到縮小天線特
徵尺寸的效果，並且通過提高磁導率而不是介電常數來縮小天線特徵尺寸的話，還不易激起表面波並更有利幹拓展天線的帶寬。同時，如果能做到使介質基板材料的磁導率和介電
常數近似相等的話，天線介質基板的特性阻抗Z = ^μ'0μ / e0e_ = ε = ,與真空的
特性阻抗相等，這樣可使天線輻射能量反射趨近於零，對提高天線的輻射效率也大有裨益。此外，為了儘可能縮小天線尺寸，還要在天線應用頻段內儘量提高基板材料的磁導率和介電常數，並保證材料的磁導率/介電常數截止頻率都需要高於天線的應用頻率。與此同吋，還要儘量降低磁損耗和介電損耗，以提高天線的效率和増益。因此，該類型基板材料的研發難度很大。目前國內外針對此相關類型材料的報導，主要有新加坡Hwa Chong Institution的M. L. S. Teo和L. B. Kong等人採用Li。.5Fe2.504鐵氧體和Mg^xCuxFeh98O4鐵氧體進行適當離子替代或摻雜的方式來獲得等磁介的陶瓷材料。(M.L. S. Teo, L. B. Kong, et al.「Development of magneto—die丄ectric materials based on Li-ferrite ceramics:I，II，III，，，J. Alloys. Comp. , vol. 559 (2008) 557-566，567-575，576-582;L. B. Kong, Z. ff. Li, ^Magneto-dielectric properties of Mg-Cu-Co Ferrite Ceramics:I，II」，J. Am. Ceram. Soc. , vol. 90 (2007) 3106-3112，2104-2112)。但以上兩種類型的等磁介基板材料適用的頻段都比較窄，主要在3 30MHz。我們課題組在2009年申請了ー項國家發明專利(ZL200910058207. 3，ー種低頻微帶天線基板材料及其製備方法)，採取將NixCu0. !ZnyCo0.05Fez04- s (其中x的取值範圍為O. 78 O. 82，y的取值範圍為O. 07 O. 03，z的取值範圍為I. 90 I. 94，δ範圍一般在O O. 5之間)材料與BiaSr1 — JiO3 (其中a的取值範圍為O. 20 O. 24)進行複合，可實現在IMHz IOOMHz的範圍內複合材料磁導率和介電常數都近似相等，在18至25之間。材料的介電損耗因子在整個頻帶內都低於
O.03。但該材料磁損耗相對還較大，超過50MHz以後磁損耗因子會上升到O. 05以上，IOOMHz時已接近於O. 1，因此在50MHz以上的應用效果不太好。

發明內容
本發明的目的是提供ー種適用於IOMHz 200MHz的低頻段天線基板材料及其製備方法。該材料能夠顯著降低低頻段微帶天線的結構尺寸並提高天線的效率。本發明技術方案為一種以尖晶石鐵氧體為母體的天線基板材料，其特徵在幹為包含兩相的複合陶瓷材料，其中主晶相為尖晶石鐵氧體，其配方分子式為MgxCu0. !ZnyCo0.05FeL 9604_ s，其中x的取值範圍為0.78 0.82，y的取值範圍為O. 07 O. 03，δ範圍一般在O O. 5之間，隨材料的燒結溫度以及X，y的取值等自動變化，以保證正負 離子價態的平衡；輔助相為矽酸鋅，其配方分子式為ZnaSi02+a，其中a的取值範圍為I. 8 1.9，；所述主晶相與輔助相的質量百分比在94 6至96 4之間。本發明的天線基板材料中，尖晶石鐵氧體配方分子式中含O. I的Cu，主要目的為提高鐵氧體材料的緻密度和降低燒結溫度。而含O. 05的Co，主要為抑制鐵氧體相燒結過程中Fe2 +的產生，有利於降低材料的介電損耗，另一方面還可適當拓展材料的磁導率截止頻率。而Mg和Zn的比例主要為調節材料的磁導率在8 10之間。採用略缺鐵的配方設計，主要為抑制材料中Fe2 +的產生。矽酸鋅配方分子式中Zn含量控制在I. 8 I. 9，主要為保證材料有更低的介電損耗。採取將鐵氧體與矽酸鋅複合的方式來獲得等磁介材料，一方面是利用矽酸鋅較低的介電常數(約為6. 6)及磁導率為I的特點來拉低整個材料體系的磁導率和介電常數，拓展材料的適用頻段，同吋，矽酸鋅材料的介電損耗非常低，且其電阻率非常高，因此其摻入鐵氧體相中，還有利於整個材料體系磁損耗和介電損耗的降低。本發明還公開了ー種以尖晶石鐵氧體為母體的天線基板材料的製備方法，包括以下步驟
步驟ー以Fe2O3, MgO, ZnO, CuO和Co2O3為初始原料，按照所述鐵氧體配方分子式中金屬元素的比例折算出Fe203、Mg0、Zn0、Cu0和Co2O3的質量百分比,進行稱料、一次球磨、混料均勻後烘乾；
步驟ニ 將步驟一所得的烘乾料過篩後在燒結缽中壓實打孔，按:TC /分的升溫速率升至850 950°C進行預燒，保溫2 3小吋，隨爐冷卻得到鐵氧體預燒料；
步驟三以Zn0、Si02為原料，按所述矽酸鋅配方分子式中Zn、Si元素的比例折算出ZnO和SiO2的質量百分比，進行稱料、一次球磨、混料均勻後烘乾。步驟四將步驟三所得的烘乾料過篩後在燒結缽中壓實打孔，按TC /分的升溫速率升至1130 1170°C進行預燒，保溫2 3小吋，隨爐冷卻得到矽酸鋅預燒料；
步驟五將步驟ニ獲得的鐵氧體預燒料與步驟四獲得的矽酸鋅預燒料按b (100-b)的質量百分比稱量，其中b的取值範圍為94 96，然後再在混合粉料中摻入總重量I 2wt%的Bi2O3作為助溶劑，將以上粉料一起倒入球磨機進行二次球磨；
步驟六將步驟五所得的二次球磨料烘乾後造粒，根據低頻天線的尺寸設計要求壓製成相應的天線生坯基板；步驟七將步驟六所得的天線生坯基板按2V /分的升溫速率先升溫至200°C，保溫30分鐘，排除生坯中的水分，然後再按2°C/分的升溫速率升溫至500°C，保溫30分鐘，用於生坯排膠，然後再按2V /分 3°C /分的升溫速率升溫至950°C 1050°C進行燒結，保溫2 3小吋，隨爐冷卻得到最終的低頻天線基板材料。優選地，步驟五中二次球磨後粉料的平均粒度應在O. 3 O. 8 μ m之間。經過以上七個步驟，就可以得到本發明所述的低頻天線基板材料。經測試，本發明提供的低頻段微帶天線基板材料在IOM Hz 200MHz的範圍內，磁導率和介電常數在8至10之間，且頻段內磁損耗因子和介電損耗因子都低於O. 02。本發明提供的低頻段微帶天線基板材料的主要優點在幹
I、在10 200MHz頻段內，其磁導率和介電常數都在8至10之間，且磁導率的截止頻率超過400MHz。採用該材料作為天線基板，不僅可以顯著的縮小低頻段(10 200MHz)微帶天線的尺寸和體積，而且還可保證天線基板材料的特性阻抗與真空的特性阻抗相等或接近，從而可顯著的提升天線的輻射效率。2、採取本發明的材料配方設計和製備エ藝方案，可保證該材料在10 200MHz頻段內，其磁損耗和介電損耗都很低，整個頻帶內磁損耗因子和介電損耗因子都低於O. 02。低損耗特性同樣也非常有利幹天線效率的提高。


圖I為本發明提供的低頻天線基板材料的製備方法流程示意 圖2為本發明提供的低頻天線基板材料的磁譜測試曲線 圖3為本發明提供的低頻天線基板材料的介譜測試曲線 圖4為本發明提供的低頻天線基板材料的磁損耗和介電損耗因子頻譜測試曲線圖。
具體實施例方式下面所述為本發明的天線基板材料的ー種具體實施方案。該複合陶瓷材料中鐵氧體相的配方分子式取Mg。. 8CuQ. iZrio 05Co0.05FeL 9604 — s,娃酸鋅的配方分子式為Z%8Si03.8。如圖I所示，該材料的具體製備方法如下
步驟ー以Fe203、MgO、ZnO, CuO和Co2O3為原料，按照上述鐵氧體配方分子式中金屬元素的比例折算出各種氧化物的質量百分比，進行準確稱料後，在行星式球磨機中一次球磨4小時，球磨後料置於烘箱中於100°C下烘乾。步驟ニ 將步驟一所得的烘乾料過篩後在燒結缽中壓實打孔，按TC /分的升溫速率升至900°C預燒，保溫2小吋，隨爐冷卻得到鐵氧體預燒料備用。步驟三以ZnO、SiO2為原料，按上述矽酸鋅配方分子式中Zn和Si元素的比例折算出兩種氧化物的質量百分比，進行準確稱料、在行星式球磨機中一次球磨4小時，球磨後料置於烘箱中於100°C烘乾。步驟四將步驟三所得的烘乾料過篩後在燒結缽中壓實打孔，按TC /分的升溫速率升至1150°C預燒，保溫2小吋，隨爐冷卻得到矽酸鋅預燒料備用。步驟五將步驟ニ獲得的鐵氧體預燒料與步驟四獲得的矽酸鋅預燒料按95 5的質量百分比稱量，然後再在混合粉料中摻入總重量I. 5wt%的Bi2O3作為助溶剤。將以上粉料一起倒入球磨機進行二次球磨，二次球磨時間為12小時，球磨後的平均粒度在O. 5 μ m左右。步驟六將步驟五所得的二次球磨料烘乾後造粒，將二次球磨料烘乾後加入12wt%左右的PVA溶液(PVA濃度為10%)進行造粒後，分別壓製成外徑為20mm，內徑10mm，高3. 5mm的圓環狀樣品及外徑為20mm,高3. 5mm的圓盤狀生還樣品,成型壓カ為50kg/cm2。步驟七將步驟六所得的天線生坯基板按2V /分的升溫速率先升溫至200°C，保溫30分鐘，用於排除生坯中的水分，然後再按2V /分的升溫速率升溫至500°C，保溫30分鐘，用於生坯排膠，然後再按2. 5°C /分的升溫速率升溫至1000°C進行燒結，保溫3小時後隨爐冷卻得到實驗材料樣品。
上述燒結材料樣品經測試得到的磁譜曲線、介譜曲線以及磁損耗和介電損耗因子的頻譜曲線分別如圖2、圖3以及圖4所示。可見，採用本發明製備的低頻段天線基板材料在IOMHz 200MHz頻率範圍內，其磁導率和介電常數都近似相等，在8 10之間。材料的磁損耗和介電損耗因子在整個頻帶內都低於O. 02。採用該材料來作為工作於10 200MHz頻段範圍內的微帶天線基板材料，不僅可最大程度的降低微帶天線的尺寸、體積和重量，而且也非常有利於微帶天線輻射效率的提聞。
權利要求
1.一種以尖晶石鐵氧體為母體的天線基板材料，其特徵在於為包含兩相的複合陶瓷材料，其中主晶相為尖晶石鐵氧體，其配方分子式為MgxCuaiZnyC0aci5FeU6CVs，其中x的取值範圍為O. 78 O. 82, y的取值範圍為O. 07 O. 03，δ範圍在O O. 5之間，隨材料的燒結溫度以及X，y的取值自動變化，以保證正負離子價態的平衡；輔助相為矽酸鋅，其配方分子式為ZnaSi02+a，其中a的取值範圍為I. 8 I. 9，；所述主晶相與輔助相的質量百分比在94 : 6至96 : 4之間。
2.根據權利要求I所述的ー種以尖晶石鐵氧體為母體的天線基板材料的製備方法，其特徵在於包括以下步驟 步驟ー以Fe2O3, MgO, ZnO, CuO和Co2O3為初始原料，按照所述鐵氧體配方分子式中金屬元素的比例折算出Fe203、Mg0、Zn0、Cu0和Co2O3的質量百分比,進行稱料、一次球磨、混料均勻後烘乾； 步驟ニ 將步驟一所得的烘乾料過篩後在燒結缽中壓實打孔，按:TC /分的升溫速率升至850 950°C進行預燒，保溫2 3小吋，隨爐冷卻得到鐵氧體預燒料； 步驟三以Zn0、Si02為原料，按所述矽酸鋅配方分子式中Zn、Si元素的比例折算出ZnO和SiO2的質量百分比，進行稱料、一次球磨、混料均勻後烘乾； 步驟四將步驟三所得的烘乾料過篩後在燒結缽中壓實打孔，按:TC /分的升溫速率升至1130 1170°C進行預燒，保溫2 3小吋，隨爐冷卻得到矽酸鋅預燒料； 步驟五將步驟ニ獲得的鐵氧體預燒料與步驟四獲得的矽酸鋅預燒料按b (100-b)的質量百分比稱量，其中b的取值範圍為94 96，然後再在混合粉料中摻入總重量I 2wt%的Bi2O3作為助溶劑，將以上粉料一起倒入球磨機進行二次球磨； 步驟六將步驟五所得的二次球磨料烘乾後造粒，根據低頻天線的尺寸設計要求壓製成相應的天線生坯基板； 步驟七將步驟六所得的天線生坯基板按2V /分的升溫速率先升溫至200°C，保溫30分鐘，排除生坯中的水分，然後再按2°C/分的升溫速率升溫至500°C，保溫30分鐘，用於生坯排膠，然後再按2V /分 3°C /分的升溫速率升溫至950°C 1050°C進行燒結，保溫2 3小吋，隨爐冷卻得到最終的低頻天線基板材料。
3.根據權利要求2所述的ー種以尖晶石鐵氧體為母體的天線基板材料的製備方法，其特徵在於步驟五中二次球磨後粉料的平均粒度應在O. 3 O. 8 μ m之間。
全文摘要
本發明公開了一種以尖晶石鐵氧體為母體的天線基板材料及其製備方法，為包含兩相的複合陶瓷材料，其中主晶相為尖晶石鐵氧體，輔助相為矽酸鋅，所述主晶相與輔助相的質量百分比在94∶6至96∶4之間。本發明的天線基板材料可以顯著的縮小低頻段(10～200MHz)微帶天線的尺寸和體積，保證天線基板材料的特性阻抗與真空的特性阻抗相等或接近，從而可顯著的提升天線的輻射效率。
文檔編號C04B35/26GK102838346SQ20121037861
公開日2012年12月26日 申請日期2012年10月9日 優先權日2012年10月9日
發明者荊玉蘭, 蘇樺, 唐曉莉, 張懷武, 李元勳, 鍾智勇 申請人:電子科技大學