CN101462872B - 一种低频微带天线基板材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种低频微带天线基板材料及其制备方法，属于电子材料技术领域。所述基板材料的主晶相为铁氧体，其配方分子式为NixCu0.1ZnyCo0.05FezO4-δ，其中x的取值范围为0.78～0.82，y的取值范围为0.07～0.03，z的取值范围为1.90～1.94，δ的取值以保证正负离子价态的平衡；辅助相为钛酸锶铋，其配方分子式为BiaSr1-aTiO3，其中a的取值范围为0.20～0.24；主晶相与辅助相的质量百分比在95∶5至97∶3之间。所述制备方法包括分别制备铁氧体预烧料和钛酸锶铋预烧料；然后将两种预烧料按比例二次球磨后造粒、成型和烧结步骤。本发明提供的低频段微带天线基板材料在1MHz～100MHz的范围内，磁导率和介电常数在18至25之间，且频段内比介电损耗系数低于0.03，可显著缩小低频段微带天线的尺寸和体积，并显著提升天线的辐射效率。
Description
技术领域
本发明属于电子材料技术领域，涉及一种适于1MHz～100MHz低频微带天线应用的天线基板材料及其制备方法。
背景技术
微带天线是二十世纪七十年代初出现的一种新型天线。它具有体积小，重量轻、剖面低，容易与载体共形，与集成电路的兼容性好，容易实现双频段、双极化工作等优点。常规的微带天线应用频率都较高，一般在射频或微波段。近年来，随着移动通信技术的发展，低频段(1MHz～100MHz)的微带天线也逐步得到应用和发展。但是，根据微带天线的结构设计计算公式，其基板尺寸大小与电磁场在介质基板内的波长成正比。由于在低频下电磁波的波长很长，因此采用传统介质基板加工的低频微带天线尺寸很大，并且频率越低，尺寸越大。
为了缩小低频微带天线的尺寸、质量和体积，一种方式是提高天线基板材料的介电常数。但采取这种方式，不仅容易激起表面波，而且高介电常数基板会束缚电场，使天线的辐射效率大大降低。根据天线谐振频率关系式可知，提高天线介质基板的磁导率，同样也可达到降低天线基板尺寸的效果，并且还不易激起表面波并有利于天线能量的辐射。同时，如果能使介质基板的磁导率和介电常数相等的话，天线介质基板的特性阻抗为
即与真空的特性阻抗相等，这样可使天线辐射能量反射很小，对提高天线的辐射效率也大有裨益。此外，为了提高天线的增益，还要求该类材料具有较低的介电损耗。同时，为了尽可能缩小天线尺寸，还要在天线应用频段内尽量提高基板材料的磁导率和介电常数，且材料的磁导率/介电常数截止频率都需要高于天线的应用频率。因此，该类型材料的研发技术难度较大。目前国内外针对此相关类型材料的报道，只有新加坡Hwa Chong Institution的M.L.S.Teo和L.B.Kong等人采用Li0.50Fe2.50O4铁氧体和Mg1-xCuxFe1.98O4铁氧体进行适当离子替代或掺杂的方式来获得等磁介的陶瓷材料。(M.L.S.Teo，L.B.Kong，et al.“Development of magneto-dielectric materials basedon Li-ferrite ceramics：Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ”，J.Alloys.Comp.，vol.559(2008)557-566，567-575，576-582；L.B.Kong，Z.W.Li，“Magneto-dielectric properties of Mg-Cu-Co Ferrite Ceramics：Ⅰ，Ⅱ”，J.Am.Ceram.Soc.，vol.90(2007)3106-3112，2104-2112)。但以上两种类型的等磁介材料都属于单相的铁氧体材料，最终能获得的磁导率和介电常数都只有10左右，对降低低频段微带天线尺寸的效果还不是太显著。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于1MHz～100MHz的低频段微带天线基板材料及其制备方法。所述低频段天线基板材料为一种新型铁氧体基复合陶瓷材料，该材料在1MHz～100MHz的范围内，磁导率和介电常数在18至25之间，且频段内比介电损耗系数都低于0.03。采用本发明提供的微带天线基板材料，能够显著降低低频段微带天线的结构尺寸。
本发明技术方案为：
一种低频段微带天线基板材料，为包含两相的复合陶瓷材料。其中主晶相为铁氧体，其配方分子式为NixCu0.1ZnyCo0.05FezO4-δ，其中x的取值范围为0.78～0.82，y的取值范围为0.07～0.03，z的取值范围为1.90～1.94，δ的取值范围在0～0.5之间，δ的取值随材料的烧结温度以及x、y和z的取值变化而变化，以保证正负离子价态的平衡；辅助相为钛酸锶铋，其配方分子式为BiaSr1-aTiO3，其中a的取值范围为0.20～0.24；所述主晶相与辅助相的质量百分比在95∶5至97∶3之间。
需要说明的是，铁氧体配方分子式中含0.1的Cu，主要目的为提高材料的致密度和降低烧结温度。而含0.05的Co，主要为抑制材料烧结过程中Fe2+的产生，有利于降低材料的介电损耗，另一方面还可适当拓展材料的磁导率截止频率。而Ni和Zn的比例主要为保证铁氧体材料的磁导率在18～25之间，且材料磁导率截止频率应高于100MHz。采用略缺铁的配方设计，主要为降低材料中Fe2+的产生。钛酸锶铋配方分子式中Bi含量控制在0.20～0.24之间，一方面为保证材料有较高的介电常数和较低的介电损耗，另一方适当含量的Bi离子也有助于复合材料体系致密度的提高。
根据上述低频段天线基板材料的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤一：以Fe2O3、NiO、ZnO、CuO和Co2O3为原料，按照所述铁氧体配方分子式中金属元素的比例折算出Fe2O3、NiO、ZnO、CuO和Co2O3的质量百分比，进行称料、一次球磨、混料均匀后烘干。
步骤二：将步骤一所得的烘干料过筛后在烧结钵中压实打孔，按3℃/分的升温速率升至850～950℃的预烧温度区间进行预烧，保温2～3小时，随炉冷却得到铁氧体预烧料。
步骤三：以SrCO3、TiO2和Bi2O3为原料，按所述钛酸锶铋配方分子式中Sr、Ti和Bi元素的比例折算出SrCO3、TiO2和Bi2O3的质量百分比，进行称料、一次球磨、混料均匀后烘干。
步骤四：将步骤三所得的烘干料过筛后在烧结钵中压实打孔，按3℃/分的升温速率升至900～1000℃的预烧温度区间进行预烧，保温2～3小时，随炉冷却得到钛酸锶铋预烧料。
步骤五：将步骤二获得的铁氧体预烧料与步骤四获得的钛酸锶铋预烧料按b∶(100-b)的质量百分比称量，其中b的取值范围为95～97。将两种预烧粉料混合后，进行二次球磨，二次球磨后粉料的平均粒度应在0.8～1μm之间。二次球磨一方面能将粉料混合均匀，另一方面可将预烧料磨细。
步骤六：将步骤五所得的二次球磨料烘干后造粒，根据微带天线的尺寸设计要求压制成相应的天线生坯基板。应注意的是，在基板成型过程中应考虑陶瓷的烧结收缩率，再根据天线基板实际尺寸要求适当放大成型生坯尺寸。
步骤七：将步骤六所得的天线生坯基板按3℃/分的升温速率升至1050℃～1150℃的烧结温度区间进行烧结，保温2～3小时，随炉冷却得到最终的低频段微带天线基板材料。
经过以上七个步骤，就可以得到本发明所述的低频段微带天线基板材料。经测试，本发明提供的低频段微带天线基板材料在1MHz～100MHz的范围内，磁导率和介电常数在18至25之间，且频段内比介电损耗系数都低于0.03。
本发明提供的低频段微带天线基板材料的主要优点在于：
1、在1～100MHz频段内，其磁导率和介电常数都在18至25之间，且磁导率的截止频率高于100MHz。采用该材料作为微带天线基板，不仅可以显著的缩小低频段(1～100MHz)微带天线的尺寸和体积，而且还可保证天线基板材料的特性阻抗与真空的特性阻抗相等或接近，从而可显著的提升天线的辐射效率。
2、采取本发明的材料配方设计和制备工艺方案，可保证该材料在1～100MHz频段内，其介电损耗都很低，整个频带内比介电损耗系数都低于0.03。低介电损耗特性同样也非常有利于天线效率的提高。
附图说明
图1为本发明提供的低频段微带天线基板材料的制备方法流程示意图。
图2为本发明提供的低频段微带天线基板材料的磁谱测试曲线图。
图3为本发明提供的低频段微带天线基板材料的介谱测试曲线图。
图4为本发明提供的低频段微带天线基板材料的比介电损耗系数频谱测试曲线图。
具体实施方式
下面所述为等磁介、低介电损耗铁氧体基陶瓷材料的一种具体实施方案。
该复合陶瓷材料中铁氧体相的配方分子式取Ni0.8Cu0.1Zn0.05Co0.05Fe1.92O4-δ，钛酸锶铋相的配方分子式为Bi0.22Sr0.78TiO3。
该材料的具体制备方法如下：
步骤一：以Fe2O3、NiO、ZnO、CuO和Co2O3为原料，按照上述铁氧体配方分子式中金属元素的比例折算出各种氧化物的质量百分比，进行准确称料后，在行星式球磨机中一次球磨4小时，球磨后料置于烘箱中于100℃下烘干。
步骤二：将步骤一所得的烘干料过筛后在烧结钵中压实打孔，按3℃/分的升温速率升至900℃预烧，保温2小时，随炉冷却得到铁氧体预烧料备用。
步骤三：以SrCO3、TiO2和Bi2O3为原料，按上述钛酸锶铋配方分子式中Sr、Ti和Bi元素的比例折算出各种氧化物或碳酸盐的质量百分比，进行准确称料、在行星式球磨机中一次球磨4小时，球磨后料置于烘箱中于100℃烘干。
步骤四：将步骤三所得的烘干料过筛后在烧结钵中压实打孔，按3℃/分的升温速率升至950℃预烧，保温2小时，随炉冷却得到钛酸锶铋预烧料备用。
步骤五：将步骤二获得的铁氧体预烧料与步骤四获得的钛酸锶铋预烧料按96∶4的质量百分比称量，混合，在行星式球磨机中进行二次球磨。二次球磨时间为12小时。
步骤六：将二次球磨料烘干后加入10wt％的PVA溶液(PVA浓度为10％)进行造粒后，分别压制成外径为20mm，内径10mm，高3.5mm的圆环状样品及外径为20mm，高3.5mm的圆盘状生坯样品，成型压力为50kg/cm2。
步骤七：将步骤六所得的生坯样品按一定的烧结温度曲线升温至1100℃进行烧结，最高烧结温度点保温时间为3小时。随炉自然冷却得到烧结材料样品。
上述烧结材料样品经测试得到的磁谱曲线、介谱曲线以及比介电损耗系数的频谱曲线分别如图2、图3以及图4所示。
可见，采用本发明制备的低频段微带天线基板材料在1MHz～100MHz频率范围内，其磁导率和介电常数都近似相等，且在18至25之间。材料的比介电损耗系数在整个频带内都低于0.03。采用该材料来作为工作于1～100MHz频段范围内的微带天线基板材料，不仅可最大程度的降低微带天线的尺寸、体积和重量，而且也非常有利于微带天线辐射效率的提高。
Claims (3)
1.一种低频段微带天线基板材料，为包含两相的复合陶瓷材料；其中主晶相为铁氧体，其配方分子式为NixCu0.1ZnyCo0.05FezO4-δ，其中x的取值范围为0.78～0.82，y的取值范围为0.07～0.03，z的取值范围为1.90～1.94，δ的取值范围在0～0.5之间，δ的取值随材料的烧结温度以及x、y和z的取值变化而变化，以保证正负离子价态的平衡；辅助相为钛酸锶铋，其配方分子式为BiaSr1-aTiO3，其中a的取值范围为0.20～0.24；所述主晶相与辅助相的质量百分比在95∶5至97∶3之间。
2.根据权利要求1所述的低频段微带天线基板材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：以Fe2O3、NiO、ZnO、CuO和Co2O3为原料，按照所述铁氧体配方分子式中金属元素的比例折算出Fe2O3、NiO、ZnO、CuO和Co2O3的质量百分比，进行称料、一次球磨、混料均匀后烘干；
步骤二：将步骤一所得的烘干料过筛后在烧结钵中压实打孔，按3℃/分的升温速率升至850～950℃的预烧温度区间进行预烧，保温2～3小时，随炉冷却得到铁氧体预烧料；
步骤三：以SrCO3、TiO2和Bi2O3为原料，按所述钛酸锶铋配方分子式中Sr、Ti和Bi元素的比例折算出SrCO3、TiO2和Bi2O3的质量百分比，进行称料、一次球磨、混料均匀后烘干；
步骤四：将步骤三所得的烘干料过筛后在烧结钵中压实打孔，按3℃/分的升温速率升至900～1000℃的预烧温度区间进行预烧，保温2～3小时，随炉冷却得到钛酸锶铋预烧料；
步骤五：将步骤二获得的铁氧体预烧料与步骤四获得的钛酸锶铋预烧料按b∶(100-b)的质量百分比称量，其中b的取值范围为95～97；将两种预烧粉料混合后，进行二次球磨；
步骤六：将步骤五所得的二次球磨料烘干后造粒，根据微带天线的尺寸设计要求压制成相应的天线生坯基板；
步骤七：将步骤六所得的天线生坯基板按3℃/分的升温速率升至1050℃～1150℃的烧结温度区间进行烧结，保温2～3小时，随炉冷却得到最终的低频段微带天线基板材料。
3.根据权利要求2所述的低频段微带天线基板材料的制备方法，其特征在于，步骤五中二次球磨后粉料的平均粒度应为0.8～1μm。
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