專(zhuān)利名稱(chēng)：一種低頻微帶天線(xiàn)基板材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
木發(fā)明屬于電子材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種適于lMHz 100MHz低頻微帶天線(xiàn)應(yīng)用的天線(xiàn) 基板材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
微帶天線(xiàn)是二十世紀(jì)七十年代初出現(xiàn)的一種新型天線(xiàn)。它具有體積小，重量輕、剖面低， 容易與載體共形，與集成電路的兼容性好，容易實(shí)現(xiàn)雙頻段、雙極化工作等優(yōu)點(diǎn)。常規(guī)的微 帶天線(xiàn)應(yīng)用頻率都較高， 一般在射頻或微波段。近年來(lái)，隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，低頻段 (lMHz 100MHz)的微帶天線(xiàn)也逐步得到應(yīng)用和發(fā)展。但是，根據(jù)微帶天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì) 算公式，其基板尺寸大小與電磁場(chǎng)在介質(zhì)基板內(nèi)的波長(zhǎng)成正比。由于在低頻下電磁波的波長(zhǎng) 很長(zhǎng)，因此采用傳統(tǒng)介質(zhì)基板加工的低頻微帶天線(xiàn)尺寸很大，并且頻率越低，尺寸越大。
為了縮小低頻微帶天線(xiàn)的尺寸、質(zhì)量和體積， 一種方式是提高天線(xiàn)基板材料的介電常數(shù)。 但采取這種方式，不僅容易激起表面波，而且高介電常數(shù)基板會(huì)束縛電場(chǎng)，使天線(xiàn)的輻射效
率大大降低。根據(jù)天線(xiàn)諧振頻率關(guān)系式/;=-， 可知，提高天線(xiàn)介質(zhì)基板的
磁導(dǎo)率，同樣也可達(dá)到降低天線(xiàn)基板尺寸的效果，并且還不易激起表面波并有利于天線(xiàn)能量 的輻射。同時(shí)，如果能使介質(zhì)基板的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)相等的話(huà)，天線(xiàn)介質(zhì)基板的特性阻抗
為Z-V〃o一《=4'"' ='70'即與真空的特性阻抗相等，這樣可使天線(xiàn)輻射能量反射
很小，對(duì)提高天線(xiàn)的輻射效率也大有裨益。此外，為了提高天線(xiàn)的增益，還要求該類(lèi)材料具 有較低的介電損耗。同時(shí)，為了盡可能縮小天線(xiàn)尺寸，還要在天線(xiàn)應(yīng)用頻段內(nèi)盡量提高基板 材料的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)，且材料的磁導(dǎo)率/介電常數(shù)截止頻率都需要高于天線(xiàn)的應(yīng)用頻率。 因此，該類(lèi)型材料的研發(fā)技術(shù)難度較大。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)此相關(guān)類(lèi)型材料的報(bào)道，只有新加
坡Hwa Chong Institution的M丄.S. Teo和L.B.Kong等人采用Li0.50FeZ50O4鐵氧體和 Mgl-xCUxFei.9S04鐵氧體進(jìn)行適當(dāng)離子替代或摻雜的方式來(lái)獲得等磁介的陶瓷材料。(M丄.S. Teo, L.B.Kong, et al. "Development of magneto-dielectric materials based on Li-ferrite ceramics: I ， II ,m", J. Alloys. Comp., vol.559 (2008) 557-566, 567-575, 576-582; L.B.Kong, Z.W丄i, "Magneto-dielectric properties of Mg匿Cu-Co Ferrite Ceramics: I , II "， J. Am. Ceram. Soc.， vol.90 (2007) 3106-3112， 2104-2112)。但以上兩種類(lèi)型的等磁介材料都屬于單相的鐵氧體材料，最終能獲得的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)都只有10左右，對(duì)降低低頻段微帶天線(xiàn)尺寸的效果還不是太顯 著。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種適用于lMHz 100MHz的低頻段微帶天線(xiàn)基板材料及其制備 方法。所述低頻段天線(xiàn)基板材料為一種新型鐵氧體基復(fù)合陶瓷材料，該材料在lMHz lOOMHz的范圍內(nèi)，磁導(dǎo)率和介電常數(shù)在18至25之間，且頻段內(nèi)比介電損耗系數(shù)都低于0.03。 采用本發(fā)明提供的微帶天線(xiàn)基板材料，能夠顯著降低低頻段微帶天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)尺寸。
本發(fā)明技術(shù)方案為
一種低頻段微帶天線(xiàn)基板材料，為包含兩相的復(fù)合陶瓷材料。其中主晶相為鐵氧體，其 配方分子式為MxCiiQ.,ZnyCoao5Fez04-6,其中x的取值范圍為0.78 0.82， y的取值范圍為 0.07 0.03， z的取值范圍為1.90 1.94， S的取值范圍在0 0.5之間，S的取值隨材料的燒 結(jié)溫度以及x、 y和z的取值變化而變化，以保證正負(fù)離子價(jià)態(tài)的平衡；輔助相為鈦酸鍶鉍， 其配方分子式為BiaSri—aTi03，其中a的取值范圍為0.20 0.24;所述主晶相與輔助相的質(zhì)量 百分比在95 : 5至97 : 3之間。
需要說(shuō)明的是，鐵氧體配方分子式中含O.l的Oi，主要目的為提高材料的致密度和降低 燒結(jié)溫度。而含0.05的Co，主要為抑制材料燒結(jié)過(guò)程中F^+的產(chǎn)生，有利于降低材料的介 電損耗，另一方面還可適當(dāng)拓展材料的磁導(dǎo)率截止頻率。而Ni和Zn的比例主要為保證鐵氧 體材料的磁導(dǎo)率在18 25之間，且材料磁導(dǎo)率截止頻率應(yīng)高于100MHz。采用略缺鐵的配方 設(shè)計(jì)，主要為降低材料中Fe^的產(chǎn)生。鈦酸鍶鉍配方分子式中Bi含量控制在0.20 0.24之間， 一方面為保證材料有較高的介電常數(shù)和較低的介電損耗，另一方適當(dāng)含量的Bi離子也有助于 復(fù)合材料體系致密度的提高。
根據(jù)上述低頻段天線(xiàn)基板材料的制備方法，如圖1所示，包括以下步驟-
步驟一以Fe203、 NiO、 ZnO、 CuO和Co203為原料，按照所述鐵氧體配方分子式中金 屬元素的比例折算出Fe203、 NiO、 ZnO、 CuO和Co203的質(zhì)量百分比，進(jìn)行稱(chēng)料、 一次球磨、 混料均勻后烘干。
步驟二將歩驟一所得的烘干料過(guò)篩后在燒結(jié)缽中壓實(shí)打孔，按3'C/分的升溫速率升至 最高預(yù)燒溫度點(diǎn)進(jìn)行預(yù)燒，隨爐冷卻得到鐵氧體預(yù)燒料。所述預(yù)燒溫度為850 950'C，保溫 時(shí)間為2 3小時(shí)。步驟三以SrC03、 Ti02和Bi203為原料，按所述鈦酸鍶鉍配方分子式中Sr、 Ti和Bi 元素的比例折算出SrC03、 1102和Bi203的質(zhì)量百分比，進(jìn)行稱(chēng)料、 一次球磨、混料均勻后 烘干。
步驟四將步驟三所得的烘干料過(guò)篩后在燒結(jié)缽中壓實(shí)打孔，按3'C/分的升溫速率升至
最高預(yù)燒溫度點(diǎn)進(jìn)行預(yù)燒，隨爐冷卻得到鈦酸鍶鉍預(yù)燒料。所述預(yù)燒溫度為900 100(TC， 保溫時(shí)間為2 3小時(shí)。
步驟五將步驟二獲得的鐵氧體預(yù)燒料與步驟四獲得的鈦酸鍶鉍預(yù)燒料按b : (100-b)的 質(zhì)量百分比稱(chēng)量，其中b的取值范圍為95 97。將兩種預(yù)燒粉料混合后，進(jìn)行二次球磨，二 次球磨后粉料的平均粒度應(yīng)在0.8 lpm之間。二次球磨一方面能將粉料混合均勻，另一方面 可將預(yù)燒料磨細(xì)。
步驟六將步驟五所得的二次球磨料烘干后造粒，根據(jù)微帶天線(xiàn)的尺寸設(shè)計(jì)要求壓制成 相應(yīng)的天線(xiàn)生坯基板。應(yīng)注意的是，在基板成型過(guò)程中應(yīng)考慮陶瓷的燒結(jié)收縮率，再根據(jù)天 線(xiàn)基板實(shí)際尺寸要求適當(dāng)放大成型生坯尺寸。
步驟七將步驟六所得的天線(xiàn)生坯基板按3'C/分的升溫速率升至最高燒結(jié)溫度點(diǎn)進(jìn)行燒 結(jié)，隨爐冷卻得到最終的低頻段微帶天線(xiàn)基板材料。所述燒結(jié)溫度在105(TC 115(TC之間， 保溫時(shí)間為2 3小時(shí)。
經(jīng)過(guò)以上七個(gè)步驟，就可以得到本發(fā)明所述的低頻段微帶天線(xiàn)基板材料。經(jīng)測(cè)試，本發(fā) 明提供的低頻段微帶天線(xiàn)基板材料在lMHz 100MHz的范圍內(nèi)，磁導(dǎo)率和介電常數(shù)在18至 25之間，且頻段內(nèi)比介電損耗系數(shù)都低于0.03。
本發(fā)明提供的低頻段微帶天線(xiàn)基板材料的主要優(yōu)點(diǎn)在于
1、 在1 100MHz頻段內(nèi)，其磁導(dǎo)率和介電常數(shù)都在18至25之間，且磁導(dǎo)率的截止頻 率高于100MHz。采用該材料作為微帶天線(xiàn)基板，不僅可以顯著的縮小低頻段(1 100MHz) 微帶天線(xiàn)的尺寸和體積，而且還可保證天線(xiàn)基板材料的特性阻抗與真空的特性阻抗相等或接 近，從而可顯著的提升天線(xiàn)的輻射效率。
2、 采取本發(fā)明的材料配方設(shè)計(jì)和制備工藝方案，可保證該材料在1 100MHz頻段內(nèi)， 其介電損耗都很低，整個(gè)頻帶內(nèi)比介電損耗系數(shù)都低于0.03。低介電損耗特性同樣也非常有 利于天線(xiàn)效率的提高。


圖1為本發(fā)明提供的低頻段微帶天線(xiàn)基板材料的制備方法流程示意圖。 圖2為本發(fā)明提供的低頻段微帶天線(xiàn)基板材料的磁譜測(cè)試曲線(xiàn)圖。 圖3為本發(fā)明提供的低頻段微帶天線(xiàn)基板材料的介譜測(cè)試曲線(xiàn)圖。 圖4為本發(fā)明提供的低頻段微帶天線(xiàn)基板材料的比介電損耗系數(shù)頻譜測(cè)試曲線(xiàn)圖。
具體實(shí)施例方式
下面所述為等磁介、低介電損耗鐵氧體基陶瓷材料的一種具體實(shí)施方案。
該復(fù)合陶瓷材料中鐵氧體相的配方分子式取Nio.sCiKnZnaosCoo.MFewOis ，鈦酸鍶鉍相 的配方分子式為Bio.22Sra78Ti03。
該材料的具體制備方法如下
步驟一以Fe203、 NiO、 ZnO、 CuO和Co203為原料，按照上述鐵氧體配方分子式中金 屬元素的比例折算出各種氧化物的質(zhì)量百分比，進(jìn)行準(zhǔn)確稱(chēng)料后，在行星式球磨機(jī)中一次球 磨4小時(shí)，球磨后料置于烘箱中于10(TC下烘干。
步驟二將步驟一所得的烘干料過(guò)篩后在燒結(jié)缽中壓實(shí)打孔，按3'C/分的升溫速率升至 90(TC預(yù)燒，保溫2小時(shí)，隨爐冷卻得到鐵氧體預(yù)燒料備用。
步驟三以SrC03、 1102和Bi203為原料，按上述鈦酸鍶鉍配方分子式中Sr、 Ti和Bi 元素的比例折算出各種氧化物或碳酸鹽的質(zhì)量百分比，進(jìn)行準(zhǔn)確稱(chēng)料、在行星式球磨機(jī)中一 次球磨4小時(shí)，球磨后料置于烘箱中于10(TC烘干。
步驟四將步驟三所得的烘干料過(guò)篩后在燒結(jié)缽中壓實(shí)打孔，按3。C/分的升溫速率升至 950'C預(yù)燒，保溫2小時(shí)，隨爐冷卻得到鈦酸鍶鉍預(yù)燒料備用。
步驟五將步驟二獲得的鐵氧體預(yù)燒料與步驟四獲得的鈦酸鍶鉍預(yù)燒料按96 : 4的質(zhì)量 百分比稱(chēng)量，混合，在行星式球磨機(jī)中進(jìn)行二次球磨。二次球磨時(shí)間為12小時(shí)。
步驟六將二次球磨料烘干后加入10wt^的PVA溶液(PVA濃度為10%)進(jìn)行造粒后， 分別壓制成外徑為20mm，內(nèi)徑lOmm，高3.5mm的圓環(huán)狀樣品及外徑為20mm，高3.5mm 的圓盤(pán)狀生坯樣品，成型壓力為50kg/cm2。
步驟七將步驟六所得的生坯樣品按一定的燒結(jié)溫度曲線(xiàn)升溫至110(TC進(jìn)行燒結(jié)，最高 燒結(jié)溫度點(diǎn)保溫時(shí)間為3小時(shí)。隨爐自然冷卻得到燒結(jié)材料樣品。上述燒結(jié)材料樣品經(jīng)測(cè)試得到的磁譜曲線(xiàn)、介譜曲線(xiàn)以及比介電損耗系數(shù)的頻譜曲線(xiàn)分 別如圖2、圖3以及圖4所示。
可見(jiàn)，采用本發(fā)明制備的低頻段微帶天線(xiàn)基板材料在lMHz 100MHz頻率范圍內(nèi)，其磁 導(dǎo)率和介電常數(shù)都近似相等，且在18至25之間。材料的比介電損耗系數(shù)在整個(gè)頻帶內(nèi)都低 于0.03。采用該材料來(lái)作為工作于1 100MHz頻段范圍內(nèi)的微帶天線(xiàn)基板材料，不僅可最大 程度的降低微帶天線(xiàn)的尺寸、體積和重量，而且也非常有利于微帶天線(xiàn)輻射效率的提高。
權(quán)利要求
1、一種低頻段微帶天線(xiàn)基板材料，為包含兩相的復(fù)合陶瓷材料；其中主晶相為鐵氧體，其配方分子式為NixCu0.1ZnyCo0.05FezO4-δ，其中x的取值范圍為0.78～0.82，y的取值范圍為0.07～0.03，z的取值范圍為1.90～1.94，δ的取值范圍在0～0.5之間，δ的取值隨材料的燒結(jié)溫度以及x、y和z的取值變化而變化，以保證正負(fù)離子價(jià)態(tài)的平衡；輔助相為鈦酸鍶鉍，其配方分子式為BiaSr1-aTiO3，其中a的取值范圍為0.20～0.24；所述主晶相與輔助相的質(zhì)量百分比在95∶5至97∶3之間。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低頻段微帶天線(xiàn)基板材料的制備方法，包括以下步驟 步驟一以Fe203、 NiO、 ZnO、 CuO和Co203為原料，按照所述鐵氧體配方分子式中金屬元素的比例折算出Fe203、 NiO、 ZnO、 CuO和Co203的質(zhì)量百分比，進(jìn)行稱(chēng)料、 一次球磨、 混料均勻后烘干；步驟二將步驟一所得的烘干料過(guò)篩后在燒結(jié)缽中壓實(shí)打孔，按3'C/分的升溫速率升至 最高預(yù)燒溫度點(diǎn)進(jìn)行預(yù)燒，隨爐冷卻得到鐵氧體預(yù)燒料；步驟三以SrC03、 Ti02和Bb03為原料，按所述鈦酸鍶鉍配方分子式中Sr、 Ti和Bi 元素的比例折算出SrC03、 Ti02和Bb03的質(zhì)量百分比，進(jìn)行稱(chēng)料、 一次球磨、混料均勻后 烘干；步驟四將步驟三所得的烘干料過(guò)篩后在燒結(jié)缽中壓實(shí)打孔，按3。C/分的升溫速率升至 最高預(yù)燒溫度點(diǎn)進(jìn)行預(yù)燒，隨爐冷卻得到鈦酸鍶鉍預(yù)燒料；步驟五將步驟二獲得的鐵氧體預(yù)燒料與步驟四獲得的鈦酸鍶鉍預(yù)燒料按b : (100-b)的 質(zhì)量百分比稱(chēng)量，其中b的取值范圍為95 97;將兩種預(yù)燒粉料混合后，進(jìn)行二次球磨；步驟六將步驟五所得的二次球磨料烘干后造粒，根據(jù)微帶天線(xiàn)的尺寸設(shè)計(jì)要求壓制成 相應(yīng)的天線(xiàn)生坯基板；步驟七將步驟六所得的天線(xiàn)生坯基板按3'C/分的升溫速率升至最高燒結(jié)溫度點(diǎn)進(jìn)行燒 結(jié)，隨爐冷卻得到最終的低頻段微帶天線(xiàn)基板材料。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的低頻段微帶天線(xiàn)基板材料的制備方法，其特征在于，步驟二中 所述預(yù)燒溫度為850 95(TC，保溫時(shí)間為2 3小時(shí)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的低頻段微帶天線(xiàn)基板材料的制備方法，其特征在于，步驟四中 所述預(yù)燒溫度為900 1000°C，保溫時(shí)間為2 3小時(shí)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的低頻段微帶天線(xiàn)基板材料的制備方法，其特征在于，步驟五 中二次球磨后粉料的平均粒度應(yīng)為0.8 lpm。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的低頻段微帶天線(xiàn)基板材料的制備方法，其特征在于，步驟七中所述燒結(jié)溫度在1050'C 115(TC之間，保溫時(shí)間為2 3小時(shí)。
全文摘要
一種低頻微帶天線(xiàn)基板材料及其制備方法，屬于電子材料技術(shù)領(lǐng)域。所述基板材料的主晶相為鐵氧體，其配方分子式為Ni_xCu_0.1Zn_yCo_0.05Fe_zO_4-δ，其中x的取值范圍為0.78～0.82，y的取值范圍為0.07～0.03，z的取值范圍為1.90～1.94，δ的取值以保證正負(fù)離子價(jià)態(tài)的平衡；輔助相為鈦酸鍶鉍，其配方分子式為Bi_aSr_1-aTiO₃，其中a的取值范圍為0.20～0.24；主晶相與輔助相的質(zhì)量百分比在95∶5至97∶3之間。所述制備方法包括分別制備鐵氧體預(yù)燒料和鈦酸鍶鉍預(yù)燒料；然后將兩種預(yù)燒料按比例二次球磨后造粒、成型和燒結(jié)步驟。本發(fā)明提供的低頻段微帶天線(xiàn)基板材料在1MHz～100MHz的范圍內(nèi)，磁導(dǎo)率和介電常數(shù)在18至25之間，且頻段內(nèi)比介電損耗系數(shù)低于0.03，可顯著縮小低頻段微帶天線(xiàn)的尺寸和體積，并顯著提升天線(xiàn)的輻射效率。
文檔編號(hào)C04B35/26GK101462872SQ20091005820
公開(kāi)日2009年6月24日 申請(qǐng)日期2009年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月21日
發(fā)明者唐曉莉, 張懷武, 樺 蘇, 荊玉蘭, 鐘智勇 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)