CN102838346B

CN102838346B - 一种以尖晶石铁氧体为母体的天线基板材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102838346B
Application number: CN201210378617.8A
Authority: CN
Inventors: 荆玉兰; 苏桦; 唐晓莉; 张怀武; 李元勋; 钟智勇
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2012-10-09
Filing date: 2012-10-09
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2032-10-09
Also published as: CN102838346A

Abstract

本发明公开了一种以尖晶石铁氧体为母体的天线基板材料及其制备方法，为包含两相的复合陶瓷材料，其中主晶相为尖晶石铁氧体，辅助相为硅酸锌，所述主晶相与辅助相的质量百分比在94∶6至96∶4之间。本发明的天线基板材料可以显著的缩小低频段（10～200MHz）微带天线的尺寸和体积，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。

Description

一种以尖晶石铁氧体为母体的天线基板材料及其制备方法

技术领域

本发明属于电子材料技术领域，涉及一种适于10MHz～200MHz低频天线应用的，以尖晶石铁氧体为母体的复合基板材料。

背景技术

近年来，随着无线通信技术的快速发展，通信设备的小型化已成为一种必然的发展趋势，如何减小天线的特征尺寸同时又不影响其辐射性能，成为当前无线通信设备小型化发展所面临的主要瓶颈难题。根据天线的设计理论，天线应用的频率越低，其特征尺寸就越大，因此，这一瓶颈技术难题在低频段应用的天线上体现得尤为明显。我们知道使用高介电材料作为天线基板能有效的缩小天线的特征尺寸，但这种方法同时也会带来一系列的问题。首先高介电材料会增加天线基板的损耗角正切，从而增加电磁波传播的损耗；其次高介电材料作为基板还会导致天线带宽减小，从而限制了天线的适用频段。此外，天线基板的介电常数越高，对电磁波的束缚能力就越强，并且也更易激发表面波，从而会大大降低天线的效率。因此，天线小型化的发展趋势迫切需要研发出新型的基板材料来更好的兼顾天线小型化和高性能的综合技术要求。根据天线谐振频率关系式

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可知，通过提高天线基板材料的磁导率，同样也可达到缩小天线特征尺寸的效果，并且通过提高磁导率而不是介电常数来缩小天线特征尺寸的话，还不易激起表面波并更有利于拓展天线的带宽。同时，如果能做到使介质基板材料的磁导率和介电常数近似相等的话，天线介质基板的特性阻抗

，与真空的特性阻抗相等，这样可使天线辐射能量反射趋近于零，对提高天线的辐射效率也大有裨益。此外，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，并保证材料的磁导率/介电常数截止频率都需要高于天线的应用频率。与此同时，还要尽量降低磁损耗和介电损耗，以提高天线的效率和增益。因此，该类型基板材料的研发难度很大。目前国内外针对此相关类型材料的报道，主要有新加坡Hwa Chong Institution的M.L.S. Teo和L.B.Kong等人采用Li_0.5Fe_2.5O₄铁氧体和Mg_1-xCu_xFe_1.98O₄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 based on 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基板材料适用的频段都比较窄，主要在3～30MHz。我们课题组在2009年申请了一项国家发明专利（ ZL200910058207.3，一种低频微带天线基板材料及其制备方法），采取将Ni_xCu_0.1Zn_yCo_0.05Fe_zO_4－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范围一般在0～0.5之间）材料与Bi_aSr_1－aTiO₃（其中a的取值范围为0.20～0.24）进行复合，可实现在1MHz～100MHz的范围内复合材料磁导率和介电常数都近似相等，在18至25之间。材料的介电损耗因子在整个频带内都低于0.03。但该材料磁损耗相对还较大，超过50MHz以后磁损耗因子会上升到0.05以上，100MHz时已接近于0.1，因此在50MHz以上的应用效果不太好。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于10MHz～200MHz的低频段天线基板材料及其制备方法。该材料能够显著降低低频段微带天线的结构尺寸并提高天线的效率。

本发明技术方案为：一种以尖晶石铁氧体为母体的天线基板材料，其特征在于：为包含两相的复合陶瓷材料，其中主晶相为尖晶石铁氧体，其配方分子式为Mg_xCu_0.1Zn_yCo_0.05Fe_1.96O_4-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，δ范围一般在0～0.5之间，随材料的烧结温度以及x，y的取值等自动变化，以保证正负离子价态的平衡；辅助相为硅酸锌，其配方分子式为Zn_aSiO_2+a，其中a的取值范围为1.8～1.9，；所述主晶相与辅助相的质量百分比在94∶6至96∶4之间。

本发明的天线基板材料中，尖晶石铁氧体配方分子式中含0.1的Cu，主要目的为提高铁氧体材料的致密度和降低烧结温度。而含0.05的Co，主要为抑制铁氧体相烧结过程中Fe^2＋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Mg和Zn的比例主要为调节材料的磁导率在8～10之间。采用略缺铁的配方设计，主要为抑制材料中Fe^2＋的产生。硅酸锌配方分子式中Zn含量控制在1.8～1.9，主要为保证材料有更低的介电损耗。采取将铁氧体与硅酸锌复合的方式来获得等磁介材料，一方面是利用硅酸锌较低的介电常数（约为6.6）及磁导率为1的特点来拉低整个材料体系的磁导率和介电常数，拓展材料的适用频段，同时，硅酸锌材料的介电损耗非常低，且其电阻率非常高，因此其掺入铁氧体相中，还有利于整个材料体系磁损耗和介电损耗的降低。

本发明还公开了一种以尖晶石铁氧体为母体的天线基板材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：以Fe₂O₃、MgO、ZnO、CuO和Co₂O₃为初始原料，按照所述铁氧体配方分子式中金属元素的比例折算出Fe₂O₃、MgO、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℃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ZnO、SiO₂为原料，按所述硅酸锌配方分子式中Zn、Si元素的比例折算出ZnO和SiO₂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1130～1170℃进行预烧，保温2～3小时，随炉冷却得到硅酸锌预烧料；

步骤五：将步骤二获得的铁氧体预烧料与步骤四获得的硅酸锌预烧料按b∶(100-b)的质量百分比称量，其中b的取值范围为94～96，然后再在混合粉料中掺入总重量1～2wt%的Bi₂O₃作为助溶剂，将以上粉料一起倒入球磨机进行二次球磨；

步骤六：将步骤五所得的二次球磨料烘干后造粒，根据低频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2℃/分的升温速率先升温至200℃，保温30分钟，排除生坯中的水分，然后再按2℃/分的升温速率升温至500℃，保温30分钟，用于生坯排胶，然后再按2℃/分～3℃/分的升温速率升温至950℃～1050℃进行烧结，保温2～3小时，随炉冷却得到最终的低频天线基板材料。

优选地，步骤五中二次球磨后粉料的平均粒度应在0.3～0.8μm之间。

经过以上七个步骤，就可以得到本发明所述的低频天线基板材料。经测试，本发明提供的低频段微带天线基板材料在10MHz～200MHz的范围内，磁导率和介电常数在8至10之间，且频段内磁损耗因子和介电损耗因子都低于0.02。

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10～200MHz频段内，其磁导率和介电常数都在8至10之间，且磁导率的截止频率超过400MHz。采用该材料作为天线基板，不仅可以显著的缩小低频段（10～200MHz）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10～200MHz频段内，其磁损耗和介电损耗都很低，整个频带内磁损耗因子和介电损耗因子都低于0.02。低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天线基板材料的磁损耗和介电损耗因子频谱测试曲线图。

具体实施方式

下面所述为本发明的天线基板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Mg_0.8Cu_0.1Zn_0.05Co_0.05Fe_1.96O_4－δ，硅酸锌的配方分子式为Zn_0.8SiO_3.8。

如图1所示，该材料的具体制备方法如下：

步骤一：以Fe₂O₃、MgO、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ZnO、SiO₂为原料，按上述硅酸锌配方分子式中Zn和Si元素的比例折算出两种氧化物的质量百分比，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1150℃预烧，保温2小时，随炉冷却得到硅酸锌预烧料备用。

步骤五：将步骤二获得的铁氧体预烧料与步骤四获得的硅酸锌预烧料按95∶5的质量百分比称量，然后再在混合粉料中掺入总重量1.5wt%的Bi₂O₃作为助溶剂。将以上粉料一起倒入球磨机进行二次球磨，二次球磨时间为12小时，球磨后的平均粒度在0.5μm左右。

步骤六：将步骤五所得的二次球磨料烘干后造粒，将二次球磨料烘干后加入12wt％左右的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：将步骤六所得的天线生坯基板按2℃/分的升温速率先升温至200℃，保温30分钟，用于排除生坯中的水分，然后再按2℃/分的升温速率升温至500℃，保温30分钟，用于生坯排胶，然后再按2.5℃/分的升温速率升温至1000℃进行烧结，保温3小时后随炉冷却得到实验材料样品。

上述烧结材料样品经测试得到的磁谱曲线、介谱曲线以及磁损耗和介电损耗因子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天线基板材料在10MHz～200MHz频率范围内，其磁导率和介电常数都近似相等，在8～10之间。材料的磁损耗和介电损耗因子在整个频带内都低于0.02。采用该材料来作为工作于10～200MHz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

1.一种以尖晶石铁氧体为母体的天线基板材料的制备方法，其特征在于：天线基板材料为包含两相的复合陶瓷材料，其中主晶相为尖晶石铁氧体，其配方分子式为Mg_xCu_0.1Zn_yCo_0.05Fe_1.96O_4-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，δ范围在0～0.5之间，随材料的烧结温度以及x，y的取值自动变化，以保证正负离子价态的平衡；辅助相为硅酸锌，其配方分子式为Zn_aSiO_2+a，其中a的取值范围为1.8～1.9，；所述主晶相与辅助相的质量百分比在94∶6至96∶4之间；

其制备方法如下：

步骤一：以Fe₂O₃、MgO、ZnO、CuO和Co₂O₃为初始原料，按照铁氧体配方分子式中金属元素的比例折算出Fe₂O₃、MgO、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；

步骤三：以ZnO、SiO₂为原料，按硅酸锌配方分子式中Zn、Si元素的比例折算出ZnO和SiO₂的质量百分比，进行称料、一次球磨、混料均匀后烘干；

步骤五：将步骤二获得的铁氧体预烧料与步骤四获得的硅酸锌预烧料按b∶(100-b)的质量百分比称量，其中b的取值范围为94～96，然后再在混合粉料中掺入总重量1～2wt%的Bi₂O₃作为助熔剂，将以上粉料一起倒入球磨机进行二次球磨；

2.根据权利要求1所述的一种以尖晶石铁氧体为母体的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在0.3～0.8μm之间。