CN107010942B - 一种高q值通信用陶瓷介质谐振器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高Q值通信用陶瓷介质谐振器。该微波介质陶瓷的制造原料含有：二氧化钛（TiO₂），碳酸钙（CaCO₃），氧化铝（Al₂O₃）和氧化钐（Sm₂O₃）氧化镧(La₂O₃)等以及微量掺杂添加物碳酸锂（Li₂CO₃）、氧化锰（MnO）、氧化铈（CeO₂）等组分；将上述组分经过配料、混合球磨、造粒、成型、装钵、排胶和烧结的固相反应工序烧制成微波介质陶瓷。本发明具有较低的烧结温度、节能环保、中介电常数、高品质因数和稳定的谐振频率温度特性。

Description

一种高Q值通信用陶瓷介质谐振器

技术领域

本发明涉及一种高Q值通信用陶瓷介质谐振器，应用于L波段卫星通信与移动通信系统中介质谐振器、滤波器以及振荡器和GPS全球定位系统等微波元器件中。

背景技术

目前，随着我国航天科技、卫星通讯的快速发展，届时将形成多波段的固定广播通信卫星、专用广播卫星、直播卫星、移动广播卫星、移动通信卫星和专用GPS全球定位，安全导航卫星。以及以IP 业务为主的数据业务对传输带宽需求的进一步增长，更长波长的L 波段的开发和应用越来越成为人们关注的重点。同时也带动了对相应的微波谐振器、滤波器、振荡器、微波电容器等相关微波元器件的需求。卫星通讯广播通常应用的频率为S、L、C、Ku波段，对于应用于L波段的微波介质陶瓷要求具有高的介电常数（65～85）、高品质因数稳定的谐振频率温度特性和体积小，价格便宜等。

CaTiO₃，SmAlO₃及LaAlO₃材料是一种性能优异的钛酸盐、铝酸盐微波陶瓷，通过掺杂及其它手段可以获得具有合适的且可调的介电常数，高品质因数和良好稳定的谐振频率温度特性。在现有技术中CaTiO₃，SmAlO₃及LaAlO₃一般采用氧化物与添加剂混合固相高温反应法制备，经过配料、球磨、造粒、成型、装钵、排胶和烧结等工序，最后进行陶瓷性能的检测。该方法工艺简单，易于工业自动化生产，且材料性能稳定。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种高Q值通信用陶瓷介质谐振器，其具有较低的烧结温度、中介电常数、高品质因数和稳定的谐振频率温度特性。其应用于L波段介质谐振器、滤波器、振荡器、GPS全球定位，安全导航系统中，可以使体积小、价格便宜。

本发明解决的技术方案如下：

一种高Q值通信用陶瓷介质谐振器，制造原料中含有：二氧化钛（ TiO₂），碳酸钙（CaCO₃），氧化铝（Al₂O₃）和氧化钐（Sm₂O₃）氧化镧(La₂O₃)以及微量掺杂添加物组分；其特征是:所述微量掺杂添加物是碳酸锂（Li₂CO₃）氧化锰（MnO）与氧化铈（CeO₂）组分；各组分的含量的重量百分比为：

二氧化钛 20%～30%； 碳酸钙 28%～35%；

氧化铝 4%～10%； 氧化钐 17%～32 %；

氧化镧 8%～15%;

碳酸锂 0.05%～0.2%;

氧化锰 0.1%～0.45%;

氧化铈 0.1%～0.3%;

将上述组分经过配料、混合球磨、造粒、成型、装钵、排胶和烧结的固相反应工序烧制成微波介质陶瓷。

一种高Q值通信用陶瓷介质谐振器的具体制造方法是：

①先将粉末状的 二氧化钛、碳酸钙、氧化铝、氧化钐、氧化镧以及微量掺杂添加物按组分要求配料，放入球磨机的料筒中搅拌球磨6-8小时；

②将搅拌球磨的料浆干燥造粒：加入总粉体重量的15%PVA水溶液搅拌均匀后进行喷雾造粒；

③干压成型，压制成型的成型压力700-1600MPa，并且装钵；

④在1430-1460℃下保温3～6小时，排胶烧结一次完成即制得高Q值通信用陶瓷介质谐振器。

本发明采用氧化物与添加剂混合固相反应法制备的CaTiO₃，SmAlO₃及LaAlO₃的微晶体，并添加微量掺杂添加物制得的晶粒细小均匀、气孔率低和性能优良的微波介质陶瓷。本发明采用少量的添加碳酸锂（Li₂CO₃）作为烧结助剂加入配料中，其和TiO₂组合形成底共熔点的物质Li₂TiO₃（900°C），在烧结中产生液相，湿润粉体颗粒，达到液相烧结的效促进烧结，可以降低烧结温度。本发明采用微量的氧化锰（MnO）作为改性剂的加入，Mn离子在高温下不稳定，容易变为+4、+2、+3价的形态存在于晶界上，这种变价离子的存在能很好地中和材料制备过程中引入的施主杂质。在高温烧结过程中,添加微量Mn的钛酸盐中的锰离子可以作为氧化剂，在冷却过程中,Mn³⁺和Mn⁴⁺可以抑制Ti³⁺的存在。在此过程中Mn³⁺和Mn⁴⁺比Ti⁴⁺更容易被还原，有利于改善材料结构，提高Q值。而且氧化锰在高温条件下会产生液相，促进烧结，极大的降低烧结温度，使瓷体致密度增加。因此，适量地掺杂二氧化锰，不仅能促进材料的烧结，还能改善材料的结构，从而提高材料的微波性能，起到改性和助熔的双重作用。本发明采用微量的氧化铈（CeO₂）在高温烧结过程中与氧化铝(Al₂O₃)反应：2CeO₂+Al₂O₃─2CeAlO₃+1/2O₂(氧产生），在烧结氧缺乏的过程中有氧气氛下烧结可以抑制Ti⁴⁺变价，提高陶瓷的介电性能。

经检测试验：本发明上述各添加剂的添加范围内都可以获得很好的微波特性。且国内原料成本低，可进一步加强和国外微波陶瓷的竞争力，加速国产微波陶瓷的大量应用。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1）本发明的配方组成不含有铅、铬、汞等重金属成分，即本发明提供的是一种环保微波介质陶瓷。符合绿色环保的无污染要求。且符合欧共体最新出台的无铅标准和废旧电器回收标注的RHOS和WEEE的严格标准要求。可以在高频领域产品中应用；能够将产品进行出口到世界的任何国家。

2）由传统的煅烧二步工艺优化成一步法工艺（省去压滤、煅烧工序）大大降低制造成本。

3）由传统的烧结工艺1500-1550℃，降到1450℃以下，烧结温度的进一步降低，具有节能的更大优势。

4）性能上有较大提升：传统技术配方在L波段的介电常数65-80，Q值只有1000-1500，谐振频率温度系数大于±20PPm以上。本发明的材料配方在L波段的介电常数45±1，Q值高达22000以上，谐振频率温度系数小于±3PPm以内。

5）本发明可作为L波段用环保微波用通信谐振器、滤波器和振荡器等电子元器件的关键核心材料使用，而广泛应用于移动通信、卫星通信、全球卫星定位系统（GPS）、蓝牙技术以及无线局域网（WLA）等现代通信行业，具有重要工业应用价值。

附图说明

图1为温度与谐振频率关系特性趋势图。

图2为谐振频率与品质因数图。

图3为品质因数Q值与烧结温度的关系图。

具体实施方式

下面结合附图用具体实施方式详细描述本发明。

一种高Q值通信用陶瓷介质谐振器，微波介质陶瓷的制造原料中含有成分：二氧化钛、碳酸钙、氧化铝、氧化钐、氧化镧，以及微量掺杂添加物组分；其特征是:所述微量掺杂添加物中还含有碳酸锂（Li₂CO₃）氧化锰（MnO）与氧化铈（CeO₂）组分。根据该主成分和微量添加物的配比以及制造方法，表1给出各实施例的数据，表2给出各实施例的性能。

表 1：各原料配比与搅拌时间、烧结温度/时间及Q值数据汇总表

表2：各规格通信谐振器主要性能

从表1中可以明显看出:第1、2、3、5、6、8、9、10号配方掺杂碳酸锂、氧化锰和氧化铈其烧结温度均低于1450℃，而且Q值均高于15000（1.8G），但第4号配方框图未掺杂碳酸锂的烧结温度却高达1550℃，而且Q值明显下降至13000(1.8G)，第7号配方未掺杂氧化锰的烧结温度高达1520℃，Q值勤也明显下降至12500(1.8G)，所以配方的掺杂改性尤为重要。

图1～3总结出配方和性能的变化趋势，可以方便调整配方，获得所需要性能的微波介质陶瓷。

图1中的温度与谐振频率偏移关系特性趋势图表示谐振频率在-40℃～+90℃间变化，谐振频率为1.8GHz的介质频率偏在0.5MHz以内（Tf＜ 3ppm/℃）,频率稳定特性很好。上面的Tf表示谐振频率温度系数；△f表示谐振频偏；T表示温度。

图2中的谐振频率与品质因数Q值的关系曲线，随频率的升高，Q值会下降，到频率10GHz后，Q值降到1000以下，随着频率的继续升高，Q值会急剧下降，说明此配方介质陶瓷可以用到谐振频率10GHz以下的谐振电路中是比较合适。

图3中的品质因数Q值与烧结温度的关系曲线图,说明最佳的烧结温度在1450℃左右,具有较宽的烧结温度范围。且该介质陶瓷适合低中温烧结，烧结温度不宜过高。

Claims (1)

1.一种高Q值通信用陶瓷介质谐振器，制造原料中含有：二氧化钛，碳酸钙，氧化铝和氧化钐氧化镧以及微量掺杂添加物组分；其特征是:所述微量掺杂添加物是碳酸锂氧化锰与氧化铈组分；各组分的含量的重量百分比为：

二氧化钛 20％； 碳酸钙 29.5％；

氧化铝 10％； 氧化钐 32％；

氧化镧 8％； 碳酸锂 0.10％；

氧化锰 0.30％； CeO₂ 0.10％；

将上述组分经过配料、混合球磨、造粒、成型、装钵、排胶和烧结的固相反应工序烧制成微波介质陶瓷。

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