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MgTi/ZrTa_2O_8中介微波介质陶瓷及其应用研究

曾瑞  
【摘要】:近些年来,人们对现代电信系统的兴趣大大增加。超高速局域网(LAN)、移动电话、电子收费站(ETC)、毫米波应用和智能运输系统(ITS)提高了对微波介质材料的需求。此外,便携式和轻量化电子设备的广泛使用,增加了对多功能小型高性能部件的需求。微波介电性能良好的MgTi/ZrTa_2O_8陶瓷材料具有良好的应用前景,本文基于MgTi/ZrTa_2O_8陶瓷体系,主要采用离子取代以及两相复合的方式,对其进行改性研究。为了验证研制出的材料的实际价值,从中选取MgTi0.6Zr0.4Ta_2O_8作为介质基板,仿真设计了一款矩形微带贴片天线。首先,为了调节MgTiTa_2O_8陶瓷材料的谐振频率温度系数,分别使用Nb5+取代Ta5+,Zr4+离子取代Ti4+,探究不同离子取代对MgTiTa_2O_8微波介质陶瓷材料的谐振频率温度系数的具体影响。实验发现,MgTi(Ta1-xNbx)2O8体系材料的Qf值主要由材料结构影响,也与密度有着一定的关系,在1275℃时达到最佳烧结温度,继续升温超过最佳烧结温度则会影响晶粒生长导致品质因素下降,其温度系数主要受氧八面体畸变影响。在1275℃烧结下,MgTi(Ta0.2Nb0.8)2O8陶瓷烧结致密,此温度下介电性能为:εr=44.98,Q ×f=16237 GHz,τf=+12.6 ppm/℃。相比与Nb5+,Zr4+对于该体系温度系数调节效果明显,随着Zr4+越来越多,该陶瓷材料存在明显的结构变化,表明该体系材料介电性能主要受结构变化的影响。由物相分析可知,在x=0.4时同时存在三金红石及单斜晶系锰钨矿结构,且在1350℃烧结温度下,MgTi0.6Zr0.4Ta_2O_8陶瓷的微波介电性能参数为:εr=31,Q ×f=30544 GHz,τf=+9.6 ppm/℃。因而可以得出结论,Zr4+取代Ti4+能够在不影响其他介电性能的同时将τf调节其温度系数。然后对MgZrTa_2O_8陶瓷材料进行A位离子取代,分别使用与Mg2+半径相近的Zn2+与Co2+进行改性研究,研究不同A位离子取代与MgZrTa_2O_8陶瓷材料的关系。实验后发现,1475℃时烧结的XRD图谱表明,Zn2+并未影响该体系陶瓷的主要结构,无第二相产生。当取代量为0.04时,Mg1-xZnxZrTa_2O_8陶瓷的致密度最好,x低于或高于这个值时都会产生更多的孔隙,导致相关介电性能变差。通过精修得到的相关数据,得出:εr值和Qf值主要受气孔率的影响,而τf值则主要受键长以及键价的影响。在1475℃烧结的Mg1-xZnxZrTa_2O_8(x=0.04)样品中,获得了较好的微波介电性能:εr=20.94,Q ×f=125900 GHz,τf=-39.4 ppm/℃。接着制备并研究分析了 Mg_(1-x)Co_xZrTa_2O_8(0 ≤ x ≤ 0.09)微波介质陶瓷材料,结论为:由XRD图分析得出Co2+在(0≤x≤0.09)范围内进行取代不会产生第二相,该体系材料的介电性能受气孔的影响较大,而Qf值则受相对密度与半高宽两者的共同影响而τf值则主要受键长以及键价的影响。在1475℃烧结的Mg_(1-x)Co_xZrTa_2O_8(x=0.03)样品中,获得了较好的微波介电性能:εr=21.56,Q ×f=122000 GHz,τf=-38.5 ppm/℃。对于以上四组实验,选取性能较好的MgTi0.6Zr0.4Ta_2O_8陶瓷作为基板材料,在此基础上设计了一款矩形微带天线,通过相关的仿真及优化,最终尺寸确定为8.8901 mm × 12.5 mm × 2 mm,在此尺寸下仿真获得了符合设计预期的微带贴片天线,具有一定的实际运用意义,值得继续深入研究。


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