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低介低损耗LTCC材料研制及基于该材料的阵列天线设计

陈华文  
【摘要】:随着无线通信系统的快速发展,人们对微波介电材料的需求急剧上升。由于越来越多的器件应用于微波段且尺寸小集成度高,促进了低温共烧陶瓷技术(LTCC)的快速发展,拥有低的烧结温度(950℃),高的品质因数(Q×f)和低介电常数(εr)的介电基板材料是LTCC发展的基础。ZnO-SiO2作为一种拥有高品质因数和低介电常数的重要陶瓷材料,在最近几年被广泛研究应用于LTCC领域。低熔点的玻璃掺杂是最常用的降低电子陶瓷烧结温度的方法。然而,对于拥有极高烧结温度的陶瓷材料,如Zn2SiO4,常常需要加入大量的玻璃。这不仅将导致材料极差的介电性能,还会因为玻璃与材料的不同收缩率而导致在LTCC工序中材料的开裂,这种现象对于玻璃掺杂量大于5 wt%时尤其严重。在本课题工作中,使用了Co2+离子替代和玻璃掺杂相结合的方法来使Zn2SiO4陶瓷的烧结温度降低到900℃附近。首先,研究了不同Co2+离子替代量对Zn2SiO4的结构和性能的影响,定量的Li2O-B2O3-SiO2-CaO-Al2O3(LBSCA)玻璃被掺杂到(Zn1-xCox)2SiO4中来使得其可以在900℃附近完成致密烧结。最后发现Co2+离子替代量为0.05时陶瓷拥有致密的微观结构,生长均匀的晶粒和优良的微波介电性能。其次,研究了不同的LBSCA玻璃掺杂量对(Zn0.95Co0.05)2SiO4介电陶瓷的微观结构和微波性能参数的影响。发现了当掺杂2 wt%LBSCA时陶瓷拥有最致密的微观结构且晶粒生长均匀一致性好,同时拥有相当优异的微波介电性能:εr=6.5、Q×f=57,000 GHz、τf=-55 ppm/℃。最后,对比研究了不同量的CaTiO3掺杂(Zn0.95Co0.05)2SiO4+2 wt%LBSCA介电陶瓷,尝试将其温度系数调节到趋于0。实验研究表明当CaTiO3的掺杂量为5.5 wt%时陶瓷的温度系数为-1.3 ppm/℃,从而达到了LTCC应用的要求。基于自己开发的低介低损耗的(Zn0.95Co0.05)2SiO4+2 wt%LBSCA+5.5 wt%CaTiO3陶瓷材料来设计并制作了一个2×2的圆极化阵列天线。第一,通过采用“双层结构+“工”型口径耦合馈电”的方法来达到2.36 GHz的带宽;第二,采用“天线单元90°旋转排列+馈电网络90°相位差”来达到1.33 GHz的圆极化带宽。最后用丝网加工将天线印刷在陶瓷介质基板上,测试得到性能参数并与仿真曲线相差不大,因此可以判定本课题的材料研究与天线设计是成功的。


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