CN104193224A - 一种微带天线有机复合基板材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微带天线有机复合基板材料及其制备方法，属于电子材料技术领域。所述有机复合基板材料由主相材料和辅助相材料按质量百分数比为100：(80～120)复合而成，所述主相材料为Co2Z型六角铁氧体，配方分子式为(Ba1-xSrx)3Co2Fe24O41，其中x的取值范围为0～0.5，所述辅助相材料为聚四氟乙烯树脂。其制备方法包括：1)称料、混料、一次球磨后烘干；2)预烧；3)二次球磨，烘干；4)复合，烘干；5)热压成型。该方法操作简便，成本低；得到的复合基板材料在100MHz～1GHz频率范围内具有较高的磁导率和介电常数，同时其磁损耗和介电损耗也都较低；得到的基板的柔韧性和均匀性都较好。
Description
技术领域
本发明属于电子材料技术领域，涉及一种适用于100MHz～1GHz微带天线应用的无机/有机复合磁介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，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，近年来，随着移动通信技术的发展，较低频段(如UHF、L、S波段)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。
为了缩小较低频段微带天线的尺寸、质量和体积，一种方式是提高天线基板材料的有效介电常数εeff，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有效磁导率μeff，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。此外，由于微带天线的带宽主要受基板介电常数大小的影响，而与磁导率大小无关，介电常数越小越有利于提高天线带宽。因此，在同等尺寸下，采取磁介材料制备的天线也比采用纯介电材料制备的天线具有更宽的带宽。因此，将磁介材料应用到天线基板上具有十分重要的现实意义。但是，为了获得在天线基板上具有实用价值的磁介材料，除了要求其磁导率和介电常数在天线应用频段内较高外，还要求该类材料具有尽量低的介电和磁损耗，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主要有，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)以及法国国家实验室的A.Thakur等人采用纳米制粉技术制备的纳米量级的Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe2O4铁氧体陶瓷材料(A.Thakur,A.Chevalier,et al.“Low-loss spinel nanoferrite with matchingpermeability and permittivity in the ultrahigh frequency range”,J.Appl.Phys.,vol.108(2010)014301)。此外，电子科技大学苏桦、唐晓莉等人于2009年申请的中国发明专利“一种低频微带天线基板材料及其制备方法(ZL200910058207.3)”提出了一种尖晶石铁氧体与钛酸锶铋陶瓷复合的磁介材料；电子科技大学夏祺和苏桦等人在(Ba0.5Sr0.5)3Co2Fe24O41中掺入适量的WO3得到了磁介陶瓷材料(QiXia，Hua Su,et al.“Investigation of low loss Z-type hexaferrites for antennaapplications”,J.Appl.Phys.,vol.111(2012)063921)。但是，这些此前报道的磁介材料都存在一个比较突出的问题，就是其磁导率和介电常数都比较高，虽然能较大程度的降低天线尺寸，但根据磁性材料遵循的斯诺克定律，其磁导率越高，截止频率就越低，因此，此前报道的磁介材料适用频率都在300MHz以下，有的甚至只适合于在100MHz以下频段应用，无法用于300MHz以上的天线基板上。并且基板材料为纯陶瓷构成，柔韧性差。为此，电子科技大学唐晓莉、苏桦等人于2011年申请的中国发明专利“一种微带天线复合基板材料及其制备方法(ZL201110235563.5)”对此进行了改善，通过六角晶系铁氧体与聚丙烯树脂复合来得到应用于300MHz以上的磁介基板材料，但是该方法操作复杂，增加了工业应用时的成本。
发明内容
本发明提供了一种微带天线有机复合基板材料及其制备方法，该方法操作简便，易实现，缩短了制备时间，降低了生产成本。所述微带天线有机复合基板材料为一种六角晶系铁氧体陶瓷与聚四氟乙烯树脂复合而形成的新型材料，在100MHz～1GHz的频率范围内具有较高的磁导率和介电常数(其磁导率在2.8～3.8，介电常数在6.5～8左右)，同时其磁损耗和介电损耗也都较低(频段范围内比磁损耗系数和比介电损耗系数都低于0.01)；同时，该复合基板材料还具有一定的柔韧性，比常规陶瓷基板材料抗机械冲击的性能更好。采用本发明提供的有机复合基板材料作为微带天线基板，不仅有助于降低微带天线重量和体积，而且也有利于提高微带天线的带宽以及辐射效率。此外，本发明中有机和无机介质是在溶液中进行混合，比现有的无机和有机介质通过直接机械混合的效果更好，得到的基板更均匀。
本发明的技术方案如下：
一种微带天线有机复合基板材料，由主相材料和辅助相材料按质量百分数比为100：(80～120)复合而成，所述主相材料为Co2Z型六角铁氧体，其配方分子式为(Ba1-xSrx)3Co2Fe24O41，其中x的取值范围为0～0.5，所述辅助相材料为聚四氟乙烯树脂。
需要说明的是：1)主相材料Co2Z型六角铁氧体配方分子式中二价的Co离子与三价的Fe离子也可以被其它二价和三价的金属离子进行少量的替代，从而对铁氧体的磁性能，如磁导率、磁损耗等构成一些影响，在此不再一一罗列，但这些离子替代不是必需的；2)主相材料Co2Z型六角铁氧体配方分子式中，随着x的取值从0到0.5逐渐增加，相应Co2Z型铁氧体的磁导率和介电常数从10左右增加至15左右(介电常数略低于磁导率)；采用聚四氟乙烯树脂(介电常数为2.1左右，磁导率为1)与所述Co2Z型铁氧体按比例复合后，整体复合材料的磁导率可降低到2.8～3.8，介电常数可调整至6.5～8左右；3)聚四氟乙烯树脂采用常规市售的工业用聚四氟乙烯树脂即可，不同牌号的聚四氟乙烯树脂在介电常数上会有略微的差异，因此在与Co2Z型铁氧体进行复合时，可通过微调铁氧体相与聚四氟乙烯树脂的比例来获得各不同磁介值的参数要求。
上述微带天线有机复合基板材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：以Fe2O3、BaCO3、SrCO3和Co2O3为原料，按照Co2Z型铁氧体配方分子式(Ba1-xSrx)3Co2Fe24O41中金属元素的比例折算出Fe2O3、BaCO3、SrCO3和Co2O3的质量百分比，进行称料、混料、一次球磨后烘干，其中x的取值范围为0～0.5；
步骤2：将步骤1所得的一次球磨烘干料过筛后在烧结钵中压实打孔，按2℃/分的升温速率升至预烧温度进行预烧，随炉冷却至室温得到铁氧体预烧料，所述预烧温度为1250℃，保温时间为2～3小时；
步骤3：将步骤2所得预烧粉料进行二次球磨，二次球磨后粉料的平均粒度控制在1微米以下，然后将二次球磨料烘干；
步骤4：将步骤3所得的二次球磨烘干料过筛后倒入烧杯中，加入质量百分数比为1～5wt％的KH550硅烷偶联剂，再加入无水乙醇作为溶剂，搅拌均匀，然后再按二次球磨烘干料与聚四氟乙烯树脂100：(80～120)的质量百分比的比例加入聚四氟乙烯树脂，再加入无水乙醇作为溶剂，搅拌均匀后，烘干；
步骤5：将步骤4所得的粉料进行热压成型，得到最终的微带天线有机复合基板材料。
步骤5中具体的热压过程为：首先将步骤4所得的粉料放入模具内压成型，再放入热压模板中，在热压机器中10Mpa压力下加压，然后在2小时内由室温升高到240℃，保温1小时，再经1小时升温至320℃，保温2小时，再经1小时升温至360℃，保温2小时，然后经1小时降温至320℃，保温2小时，经1小时降温至240℃，保温1小时，最后停止程序随自然环境降至室温。
步骤4中所述加入的无水乙醇的质量为二次球磨烘干料质量的1～2倍。
经过以上5个步骤，即可得到本发明所述的微带天线有机复合基板材料，经测试，该材料在100MHz～1GHz的频率范围内，磁导率为2.8～3.8，介电常数为6.5～8，且频段内比磁损耗系数和比介电损耗系数都低于0.01。
本发明的有益效果为：
1、本发明提供的微带天线有机复合基板材料的制备方法简单，采用将主相材料的二次球磨烘干料和聚四氟乙烯树脂混合搅拌的方式即可实现主相材料与聚四氟乙烯树脂的复合，操作简单，易实现，大大降低了生产成本。
2、本发明提供的微带天线有机复合基板材料在100M～1GHz的频段内，磁导率在2.8～3.8，介电常数在6.5～8，且频段内比磁损耗系数和比介电损耗系数都低于0.01，根据斯洛克定律估算，该复合材料实际的截止频率可高达5GHz，原则上在3GHz以内的频段都可获得较低的磁损耗和介电损耗，不过由于测试设备的限制，只能测到其在1GHz内的磁介特性。
3、采用本发明得到的微带天线有机复合基板材料作为微带天线基板，不仅可以缩小微带天线的尺寸和体积，而且还有利于拓展天线的带宽。
4、本发明基板材料含有高分子有机材料，板材的柔韧性大大高于常规的纯陶瓷基板材料，使得本发明基板材料较常规陶瓷基板材料具有更好的抗机械冲击性能。
5、本发明中有机和无机介质是在溶液中进行混合的，比现有的无机和有机介质通过直接机械混合的效果更好，得到的基板更均匀。
附图说明
图1为本发明提供的微带天线有机复合基板材料的制备方法流程图。
具体实施方式
一种微带天线有机复合基板材料，由主相材料和辅助相材料按质量百分数比为100:100复合而成。所述主相材料为Co2Z型六角铁氧体，其配方分子式为(Ba0.5Sr0.5)3Co2Fe24O41；所述辅助相材料为聚四氟乙烯树脂。
上述微带天线有机复合基板材料的制备方法如下：
步骤1：以Fe2O3、BaCO3、SrCO3和Co2O3为原料，按照上述铁氧体配方分子式(Ba0.5Sr0.5)3Co2Fe24O41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6小时，球磨后料置于烘箱中100℃温度下烘干。
步骤2：将步骤1所得的烘干料过筛后在烧结钵中压实打孔，按2℃/分的升温速率升至1250℃预烧，保温3小时，随炉冷却至室温得到铁氧体预烧料。
步骤3：将步骤2所得的预烧粉料进行二次球磨，二次球磨后粉料的平均粒度控制在1微米以下，然后将二次球磨料在100℃温度下烘干。
步骤4：将步骤3所得的二次球磨烘干料过筛后倒入烧杯中，加入质量百分数比为5wt％的KH550硅烷偶联剂，再加入质量为二次球磨烘干料2倍的无水乙醇作为溶剂，机械搅拌2小时，然后再按二次球磨烘干料与聚四氟乙烯树脂100：100的质量百分比的比例加入聚四氟乙烯树脂，再加质量为二次球磨烘干料1倍的无水乙醇为溶剂，机械搅拌2小时，然后放入烘箱中80℃烘干。
步骤5：将步骤4所得的粉料进行热压成型，得到最终的微带天线有机复合基板材料。
步骤5中所述的热压过程具体为：首先将步骤4所得的粉料放入模具压成型，再放入热压模板中，在热压机器中10Mpa压力下加压，然后在2小时内由室温升高到240℃，保温1小时，再经1小时升温至320℃，保温2小时，再经1小时升温至360℃，保温2小时，然后经1小时降温至320℃，保温2小时，经1小时降温至240℃，保温1小时，最后停止程序随自然环境降至常温。
步骤1中所述的Fe2O3、BaCO3、SrCO3和Co2O3均为分析纯。
步骤1中所述一次球磨时，料：球：水＝1:3:1.2，球磨的时间为6h。
步骤3中所述二次球磨时，料：球：水＝1:3:1.2，球磨的时间为6h。
经过上述步骤，得到本发明所述的微带天线有机复合基板材料，经测试，该材料在100MHz～1GHz的频率范围内，磁导率稳定在3.0～3.4之间，比磁损耗系数一直低于0.01，介电常数稳定在7.2～7.7之间，比介电损耗系数也一直低于0.01。
采用该有机复合基板材料来作为工作于100MHz～1GHz频段范围内的微带天线基板，不仅有利于降低微带天线的重量和体积，拓展天线的带宽，且该天线基板的柔韧性和均匀性好，确保基于该材料研制的天线具有较好的抗机械冲击特性。
上述具体实施方式并非是对本发明的进一步限定，本领域技术人员根据本发明所述，应当知道：通过在0～0.5范围内调整主相Co2Z型六角铁氧体配方分子式为(Ba1-xSrx)3Co2Fe24O41中x的取值范围和在100:(80～120)范围内调整主相和辅助相之间的质量配比，以及适当加入掺杂改性剂，均可得到本发明所述微带天线复合基板材料。
Claims (4)
1.一种微带天线有机复合基板材料，由主相材料和辅助相材料按质量百分数比为100：(80～120)复合而成，所述主相材料为Co2Z型六角铁氧体，其配方分子式为(Ba1-xSrx)3Co2Fe24O41，其中x的取值范围为0～0.5，所述辅助相材料为聚四氟乙烯树脂。
2.一种微带天线有机复合基板材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：以Fe2O3、BaCO3、SrCO3和Co2O3为原料，按照Co2Z型铁氧体配方分子式(Ba1-xSrx)3Co2Fe24O41中金属元素的比例折算出Fe2O3、BaCO3、SrCO3和Co2O3的质量百分比，进行称料、混料、一次球磨后烘干，其中x的取值范围为0～0.5；
步骤2：将步骤1所得的一次球磨烘干料过筛后在烧结钵中压实打孔，按2℃/分的升温速率升至预烧温度进行预烧，随炉冷却至室温得到铁氧体预烧料，所述预烧温度为1250℃，保温时间为2～3小时；
步骤3：将步骤2所得预烧粉料进行二次球磨，二次球磨后粉料的平均粒度控制在1微米以下，然后将二次球磨料烘干；
步骤4：将步骤3所得的二次球磨烘干料过筛后倒入烧杯中，加入质量百分数比为1～5wt％的KH550硅烷偶联剂，再加入无水乙醇作为溶剂，搅拌均匀，然后再按二次球磨烘干料与聚四氟乙烯树脂100：(80～120)的质量百分比的比例加入聚四氟乙烯树脂，再加入无水乙醇作为溶剂，搅拌均匀后，烘干；
步骤5：将步骤4所得的粉料进行热压成型，得到最终的微带天线有机复合基板材料。
3.根据权利要求2中所述的微带天线有机复合基板材料的制备方法，其特征在于，步骤4中所述加入的乙醇的质量为二次球磨烘干料质量的1～2倍。
4.根据权利要求2中所述的微带天线有机复合基板材料的制备方法，其特征在于，步骤5中所述的热压过程为：首先将步骤4所得的粉料放入模具内压成型，再放入热压模板中，在热压机器中10Mpa压力下加压，然后在2小时内由室温升高到240℃，保温1小时，再经1小时升温至320℃，保温2小时，再经1小时升温至360℃，保温2小时，然后经1小时降温至320℃，保温2小时，经1小时降温至240℃，保温1小时，最后停止程序随自然环境降至室温。
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