CN113087518B - 一种负热膨胀系数微波陶瓷及其3d打印介质谐振器天线 - Google Patents

一种负热膨胀系数微波陶瓷及其3d打印介质谐振器天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微波介质陶瓷、微波介质陶瓷调控剂及其3D打印透镜加载介质谐振器天线。微波介质陶瓷包括主晶相，主晶相的化学式是Ba(1‑x)*(1‑y)Sr(1‑x)*yZn2‑0.2xSi2‑xO7‑3.2x，0≤x≤1，0≤y≤0.8。该陶瓷具有低介电常数(εr＝6.5～8.6)、较高的品质因数(Q×f＝7676～109094GHz)、烧结温度为(1200℃～1350℃)，其热膨胀系数可以自调控，范围为‑10～10.1ppm/℃，是一种具有热膨胀系数自调控的微波介质陶瓷材料，该微波介质陶瓷可以作为一种3D打印透镜加载介质谐振器天线，其介质谐振器结构由上部分的陶瓷透镜、中间部分支撑结构和下部分的陶瓷圆柱经3D打印一体化制成。本发明适用于变温场景的5G高频段通信***，具有高增益、高效率、高热稳定性、结构简单、易集成的特点，解决现有毫米波介质谐振器天线增益较低的难题。

Description

一种负热膨胀系数微波陶瓷及其3D打印介质谐振器天线
技术领域
本发明属于微波介质陶瓷技术领域，更具体地，涉及一种负热膨胀系数微波介质陶瓷及其3D打印透镜加载介质谐振器天线。
背景技术
微波介质陶瓷是指应用于微波频段(300MHz～30GHz)电路中作为介质材料的陶瓷材料。随着通信设备运行频率的不断提高，信号延迟现象会变得更加明显，***损耗和发热量也会随之增大，***稳定性会逐渐变差。而低介电常数能减小材料与电极之间的交互耦合损耗，并提高电信号的传输速率。
随着微波通信、卫星广播和智能传输***的发展，对介质谐振器天线(DRA)的需求越来越大。为了减少天线工作中的交叉耦合，提高使用精度，DRA对于其加载的微波介质陶瓷提出了低介电常数、高Q×f值以及近零谐振频率温度系数的性能指标要求。在近期的研究工作中，为了提高DRA的增益、工作带宽等性能指标，往往需要引入多种不同的微波介质陶瓷材料亦或是引入特殊结构，而不同材料的热膨胀系数通常不一样。对于较精密的元件，不同材料之间的热膨胀不同可能存在不匹配问题，从而导致结构稳定性降低、安全性不足、使用寿命缩短等一系列问题。同时，随着毫米波频段的应用越来越广泛，DRA的尺寸正朝着毫米甚至微米量级发展，微小的尺寸变化同样会导致匹配失配，这对于DRA在变温场景的应用中存在一定的困难。因此，为了解决DRA中陶瓷的热膨胀不匹配问题，材料的热膨胀系数必须进一步得到控制。截至目前，较为常见热膨胀系数的调控方法为引入负热膨胀系数的材料得到复合材料，但这种方法对于其他性能指标会有显著的影响，同时两种材料间是否会产生化学反应以及两者的弹性模量是否匹配均会影响调控效果因而有一定的局限性，因此利用单一材料调控其热膨胀特性较上述方法有一定的优越性。同时，热膨胀系数和谐振频率温度系数双可调的材料尚未见有人报道研究，考虑到其在介质谐振器、温度补偿型电容器以及温度传感器中均有着大量的应用场景，研究这两种系数间的关联机制显得至关重要。
同时，提升DRA的增益指标也是现阶段的研究热点之一。对于单元件的DRA，利用其高次模的辐射模式可以有效的提升其增益。这一方法已经在圆形及矩形DRA中得以验证。此外，在介质谐振器陶瓷上方引入锥型喇叭结构、特定的介质覆盖等方式对增益的提升也有一定的收益。
为了满足DRA器件在毫米波频段的应用，需制备出一种低介微波介质陶瓷，具有良好微波介电性能、近零的谐振频率温度系数以及近零的热膨胀系数，这对传统的微波介质陶瓷性能提出了挑战。因此，寻找一种新型温频特性与热膨胀系数调控剂从而改善DRA的性能迫在眉睫。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种微波介质陶瓷调控剂及由该调控剂制备得到的温频特性与热膨胀系数双调控的微波介质陶瓷，并将该陶瓷应用于DRA中作为其加载的微波介质陶瓷谐振器。其目的在于通过借助于该微波介质陶瓷调控剂的负热膨胀系数及其负的谐振频率温度系数对高性能微波介质陶瓷进行热膨胀系数和谐振频率温度系数双调控以及改性，制备得到一种低介电常数、热膨胀系数以及谐振频率温度系数双可调的微波介质陶瓷，并在此基础上用作其加载的介质，由此解决现有技术中DRA在变温场景使用时温度稳定性差、增益不高的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种微波介质陶瓷，包括主晶相，所述主晶相的化学表达式为Ba(1-x)*(1-y)Sr(1-x)*yZn2-0.2xSi2-xO7-3.2x，其中0≤x≤1，0≤y≤0.8。
进一步地，所述微波介质陶瓷具有低介电常数和可调控的热膨胀系数，热膨胀系数的调控范围为-10～10.1ppm/℃。
本发明的另一方面提供了一种微波介质陶瓷调控剂，包括上述的微波介质陶瓷。
进一步地，其化学表达式为Ba(1-x)*(1-y)Sr(1-x)*yZn2-0.2xSi2-xO7-3.2x，其中0≤x≤0.6，0≤y≤0.8。
进一步地，所述微波介质陶瓷调控剂具有低介电常数和负热膨胀系数。
本发明的又一方面提供了一种上述微波介质陶瓷调控剂的应用，应用于制备微波器件。
进一步地，所述微波介质陶瓷调控剂用于将所述微波器件中微波介质陶瓷材料的热膨胀系数调节至-1～+1ppm/℃。
本发明的又一方面提供了一种3D打印透镜加载介质谐振器，包括上述微波介质陶瓷。
进一步地，该谐振器从上到下包括陶瓷透镜、支撑结构和陶瓷圆柱，经3D打印一体化制成。
进一步地，所述陶瓷透镜包括m层阶梯圆柱状分层结构，m≥5。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的新型微波介质陶瓷热膨胀系数调控剂，其自身具有热膨胀系数与谐振频率温度系数双调控特性，其在维持其单相结构的同时，热膨胀系数可在-10.0～10.1ppm/℃间调控、谐振频率温度系数可在-73.2～-321.3ppm/℃间大幅变化，较传统的单调控方法有一定的优势。
(2)本发明提供的新型微波介质陶瓷热膨胀系数调控剂具有负的热膨胀系数，利用混合法则将主晶相和调控剂按照特定化学计量比混合后使得其热膨胀系数近零，利用该复合材料设计的微波器件具有零热膨胀特性，引入上述调控剂可以将大多微波介质陶瓷热膨胀系数调至近零。
(3)利用本发明热膨胀系数调控剂调控的微波介质陶瓷材料，其介质谐振器部分利用3D打印技术一体化加载了龙勃透镜，龙勃透镜作为辐射天线一部分的同时具备聚焦电磁波的作用。加载透镜后工作频段内平均增益提升1.8dBi，降低了天线的剖面，具有一定的优越性。
(4)借助本发明热膨胀系数调控剂调控的微波介质陶瓷材料，利用3D打印技术制作了一款高次模透镜加载介质谐振器天线。该天线介质透镜部分和介质谐振器部分由3D打印一体化制备而成。本发明的制备工艺简单，对环境无污染，性能提升明显，有望应用于未来5G微波通信中。
附图说明
图1是本发明主晶相的XRD精修结果和SEM图；
图2是本发明主晶相热膨胀系数调控图(实施例2-5)；
图3是本发明天线的馈电结构正反面示意图；
图4是本发明天线的结构图；
图5是本发明天线的回波损耗图；
图6是本发明天线的仿真方向图；
图7是本发明天线的增益图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种微波介质陶瓷，其包括主晶相，所述主晶相的化学表达式为Ba(1-x)*(1-y)Sr(1-x)*yZn2-0.2xSi2-xO7-3.2x，其中0≤x≤1，0≤y≤0.8，其具有低介电常数和热膨胀系数及谐振频率温度系数双调控特性，低介电常数指的是介电常数小于8.6，优选在6.5至8.2之间。
上述微波介质陶瓷在一定范围内具有负热膨胀系数，可以作为一种微波介质陶瓷热膨胀系数调控剂。因此，本发明也提供了一种微波介质陶瓷热膨胀系数调控剂，其包括上述主晶相的微波介质陶瓷，其具有化学表达式Ba(1-x)*(1-y)Sr(1-x)*yZn2-0.2xSi2-xO7-3.2x，其中0.4≤x≤0.1，0≤y≤0.8，其具有低介电常数和负热膨胀系数，低介电常数指的是介电常数小于8.6，优选在8.1至8.6之间。
该微波介质陶瓷热膨胀系数调控剂可以应用于制备微波介质陶瓷材料，用于将微波介质陶瓷材料的热膨胀系数从正向负的方向调节，调节至近零，所述近零在本领域指-1～1ppm/℃之间。
上述微波介质陶瓷或微波介质陶瓷热膨胀系数调控剂的制备方法为：
(1)将BaCO3、SrCO3、ZnO、SiO2按照一定的摩尔比例混合后，进行湿法球磨处理，烘干后在1100℃下预烧3小时，得到预烧陶瓷粉体；
(2)将步骤(1)得到的预烧陶瓷粉体进行湿法球磨处理，烘干后加入粘合剂造粒，压片后在1200～1350℃下，在空气中烧结，获得所述的微波介质陶瓷或热膨胀调控剂。
其中湿法球磨步骤中，采用的分散剂优选为去离子水。去离子水作为分散剂使得陶瓷制备中分散更均匀，结构更致密。而传统的采用酒精作为分散剂，不如去离子水效果好，酒精作为分散剂可能导致碳酸盐粉末没有充分反应从而导致第二相的产生，并且生成的二氧化碳也可能导致微气孔的产生从而降低材料的微波性能。
将上述微波介质陶瓷应用于制备具有近零热膨胀系数的微波射频器件。该器件在一定的温度范围内具有较小的尺寸变化，具有优良的热稳定性，因此可以保证变温场景的正常工作。
本发明提供了一种具有热稳定性的高次模3D打印透镜加载介质谐振器天线，包括3D打印透镜加载介质谐振器、SMA接头1、缝隙2、地板3、介质基板4和馈线5。
如图3所示，所述介质基板4为玻璃纤维材料，介质基板4的相对介电常数为3.66，厚度为0.7mm，长宽边均为40mm。介质基板4上表面贴合覆盖地板3，地板3中间开矩形缝隙2，地板3材料为铜箔。馈线5为铜微带线，长度为24mm，宽度为1mm。
所述3D打印透镜加载介质谐振器的成分由所述主晶相Ba(1-x)*(1-y)Sr(1-x)*yZn2- 0.2xSi2-xO7-3.2x组成。介电常数为6.5-6.9，优选为6.9，Q×f值为86700GHz，热膨胀系数为0.9ppm/℃。如图4，其结构由上部分的陶瓷平面龙勃透镜6、中间部分支撑结构8和下部分的陶瓷圆柱7经3D打印一体化制成，上部分龙勃透镜6由m层阶梯圆柱状分层结构9组成，m≥5，龙勃透镜的厚度为4.5mm，其介电常数的大小由不同大小的矩形槽数量控制。其介电常数的变化规律满足关系式：
Figure BDA0002959008950000061
其中，y′、z′分别为阶梯圆柱层的直径和高度，δ为透镜的厚度的1/2，R为球形龙勃透镜每一层圆柱的半径，R根据层数由外层20mm到内层3mm渐变。矩形槽的尺寸根据层数由外层2mm到内层0.4mm渐变。
所述天线由馈线5馈电，电磁波能量经缝隙2耦合激励起介质谐振器模式。所述3D打印透镜加载介质谐振器贴合在地板3上。
所述天线采用侧向馈电。这样做的目的是为了减少天线在竖直方向占用的空间大小。该DRA在材料角度具有近零的热膨胀系数和谐振频率温度系数，在结构角度利用其高次模的辐射特性和透镜加载特殊结构提升增益指标。
实施例1～9
一种微波介质陶瓷，其制备方法按照如下步骤进行：
(1)将BaCO3、SrCO3、ZnO、SiO2按照如表1中的摩尔百分数配比混合后，以锆球为介质、去离子水为分散剂，利用球磨机将粉末混合搅拌3h，转速为360r/min；将获得的浆料烘干后在1100℃下预烧3h，得到预烧陶瓷粉体；
(2)将步骤(1)得到的预烧陶瓷粉体再次进行湿法球磨处理，烘干后将3wt％的聚乙烯醇(PVA)粘接剂加入干燥的粉末中造粒，在100MPa压力下将其压制成厚度与直径比为0.4～0.6的圆柱形生坯试样；压片后在1150～1250℃下，在空气中烧结，获得如表1所述的微波介质陶瓷或热膨胀系数调控剂。
表1实施例1～9成分、烧结温度、微波介电性能及热膨胀系数
Figure BDA0002959008950000071
可以看出，实施例1-9制备得到的微波介质陶瓷均具有良好的微波介电性能，其介电常数在6.5至8.6之间，其热膨胀系数可在-10～10.1ppm/℃间调控，因此，其可以作为一种微波介质陶瓷热膨胀系数调控剂，应用于制备微波介质陶瓷材料，调节其热膨胀系数近零；其中实施例5、6和9表明其热膨胀系数为负值，可作为一种新型的热膨胀系数调控剂。同时谐振频率温度系数τf亦可在一定范围内调节，实现了温频特性与热膨胀系数的双调控。
本发明提出的一种热膨胀系数调控剂，主晶相为Ba(1-x)*(1-y)Sr(1-x)*yZn2-0.2xSi2- xO7-3.2x，其中x，y的取值范围并没有特定规律可循，x，y的取值范围并非显而易见。大量实验证明x可行的范围为0≤x≤0.6；0.04≤y≤0.8。
实施例10
本发明利用龙勃透镜的特性，从而提高天线增益，并根据其设计原理，设计出中心频率工作在10.85GHz和12.69GHz的介质谐振器天线。以下利用商业仿真软件ANSYS HFSSv2018.2对本发明的S参数及方向图进行仿真计算。
仿真结果分析：图5是本发明的回波损耗曲线图，图6是本发明的方向图的仿真图，图7是加载龙勃透镜后的增益对比图。由图5仿真结果分析可得，本发明天线的中心工作频率在10.85GHz和12.69GHz。由图6仿真结果分析可得，本发明工作在中心频率10.85GHz的峰值增益为8.1dBi，工作在中心频率12.69GHz的峰值增益为10.4dBi具有较高的增益。由图7仿真结果可得加载透镜后，平均增益提升1.85dBi。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种微波介质陶瓷，其特征在于，包括主晶相，所述主晶相的化学表达式为Ba(1-x)*(1-y)Sr(1-x)*yZn2-0.2xSi2-xO7-3.2x，其中0＜x≤1，0＜y≤0.8；所述微波介质陶瓷具有低介电常数和可调控的热膨胀系数，其介电常数小于8.6，热膨胀系数的调控范围为-10～10.1ppm/℃。
2.一种微波介质陶瓷调控剂，其特征在于，包括权利要求1所述的微波介质陶瓷。
3.如权利要求2所述的微波介质陶瓷调控剂，其特征在于，所述调控剂的化学表达式为Ba(1-x)*(1-y)Sr(1-x)*yZn2-0.2xSi2-xO7-3.2x，其中0＜x≤0.6，0＜y≤0.8。
4.如权利要求3所述的微波介质陶瓷调控剂，其特征在于，所述微波介质陶瓷调控剂具有低介电常数和负热膨胀系数，其介电常数小于8.6，所述负热膨胀系数范围为小于-0.7ppm/℃。
5.一种如权利要求3或4所述的微波介质陶瓷调控剂的应用，其特征在于，应用于制备微波器件。
6.如权利要求5所述的应用，其特征在于，所述微波介质陶瓷调控剂用于将所述微波器件中微波介质陶瓷材料的热膨胀系数调节至-1～+1ppm/℃。
7.一种3D打印透镜加载介质谐振器，其特征在于，包括如权利要求1所述的微波介质陶瓷。
8.如权利要求7所述的3D打印透镜加载介质谐振器，其特征在于，从上到下包括陶瓷透镜、支撑结构和陶瓷圆柱，经3D打印一体化制成。
9.如权利要求8所述的3D打印透镜加载介质谐振器，其特征在于，所述陶瓷透镜包括m层阶梯圆柱状分层结构，m≥5。
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