一种负热膨胀系数微波陶瓷及其3D打印介质谐振器天线制造技术

本发明专利技术公开了一种微波介质陶瓷、微波介质陶瓷调控剂及其3D打印透镜加载介质谐振器天线。微波介质陶瓷包括主晶相，主晶相的化学式是Ba

【技术实现步骤摘要】
一种负热膨胀系数微波陶瓷及其3D打印介质谐振器天线


[0001]本专利技术属于微波介质陶瓷
，更具体地，涉及一种负热膨胀系数微波介质陶瓷及其3D打印透镜加载介质谐振器天线。

技术介绍

[0002]微波介质陶瓷是指应用于微波频段(300MHz～30GHz)电路中作为介质材料的陶瓷材料。随着通信设备运行频率的不断提高，信号延迟现象会变得更加明显，系统损耗和发热量也会随之增大，系统稳定性会逐渐变差。而低介电常数能减小材料与电极之间的交互耦合损耗，并提高电信号的传输速率。
[0003]随着微波通信、卫星广播和智能传输系统的发展，对介质谐振器天线(DRA)的需求越来越大。为了减少天线工作中的交叉耦合，提高使用精度，DRA对于其加载的微波介质陶瓷提出了低介电常数、高Q
×
f值以及近零谐振频率温度系数的性能指标要求。在近期的研究工作中，为了提高DRA的增益、工作带宽等性能指标，往往需要引入多种不同的微波介质陶瓷材料亦或是引入特殊结构，而不同材料的热膨胀系数通常不一样。对于较精密的元件，不同材料之间的热膨胀不同可能存在不匹配问题，从而导致结构稳定性降低、安全性不足、使用寿命缩短等一系列问题。同时，随着毫米波频段的应用越来越广泛，DRA的尺寸正朝着毫米甚至微米量级发展，微小的尺寸变化同样会导致匹配失配，这对于DRA在变温场景的应用中存在一定的困难。因此，为了解决DRA中陶瓷的热膨胀不匹配问题，材料的热膨胀系数必须进一步得到控制。截至目前，较为常见热膨胀系数的调控方法为引入负热膨胀系数的材料得到复合材料，但这种方法对于其他性能指标会有显著的影响，同时两种材料间是否会产生化学反应以及两者的弹性模量是否匹配均会影响调控效果因而有一定的局限性，因此利用单一材料调控其热膨胀特性较上述方法有一定的优越性。同时，热膨胀系数和谐振频率温度系数双可调的材料尚未见有人报道研究，考虑到其在介质谐振器、温度补偿型电容器以及温度传感器中均有着大量的应用场景，研究这两种系数间的关联机制显得至关重要。
[0004]同时，提升DRA的增益指标也是现阶段的研究热点之一。对于单元件的DRA，利用其高次模的辐射模式可以有效的提升其增益。这一方法已经在圆形及矩形DRA中得以验证。此外，在介质谐振器陶瓷上方引入锥型喇叭结构、特定的介质覆盖等方式对增益的提升也有一定的收益。
[0005]为了满足DRA器件在毫米波频段的应用，需制备出一种低介微波介质陶瓷，具有良好微波介电性能、近零的谐振频率温度系数以及近零的热膨胀系数，这对传统的微波介质陶瓷性能提出了挑战。因此，寻找一种新型温频特性与热膨胀系数调控剂从而改善DRA的性能迫在眉睫。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种微波介质陶瓷调控剂及
由该调控剂制备得到的温频特性与热膨胀系数双调控的微波介质陶瓷，并将该陶瓷应用于DRA中作为其加载的微波介质陶瓷谐振器。其目的在于通过借助于该微波介质陶瓷调控剂的负热膨胀系数及其负的谐振频率温度系数对高性能微波介质陶瓷进行热膨胀系数和谐振频率温度系数双调控以及改性，制备得到一种低介电常数、热膨胀系数以及谐振频率温度系数双可调的微波介质陶瓷，并在此基础上用作其加载的介质，由此解决现有技术中DRA在变温场景使用时温度稳定性差、增益不高的问题。
[0007]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种微波介质陶瓷，包括主晶相，所述主晶相的化学表达式为Ba
(1
‑
x)*(1
‑
y)
Sr
(1
‑
x)*y
Zn2‑
0.2x
Si2‑
x
O7‑
3.2x
，其中0≤x≤1，0≤y≤0.8。
[0008]进一步地，所述微波介质陶瓷具有低介电常数和可调控的热膨胀系数，热膨胀系数的调控范围为
‑
10～10.1ppm/℃。
[0009]本专利技术的另一方面提供了一种微波介质陶瓷调控剂，包括上述的微波介质陶瓷。
[0010]进一步地，其化学表达式为Ba
(1
‑
x)*(1
‑
y)
Sr
(1
‑
x)*y
Zn2‑
0.2x
Si2‑
x
O7‑
3.2x
，其中0≤x≤0.6，0≤y≤0.8。
[0011]进一步地，所述微波介质陶瓷调控剂具有低介电常数和负热膨胀系数。
[0012]本专利技术的又一方面提供了一种上述微波介质陶瓷调控剂的应用，应用于制备微波器件。
[0013]进一步地，所述微波介质陶瓷调控剂用于将所述微波器件中微波介质陶瓷材料的热膨胀系数调节至
‑
1～+1ppm/℃。
[0014]本专利技术的又一方面提供了一种3D打印透镜加载介质谐振器，包括上述微波介质陶瓷。
[0015]进一步地，该谐振器从上到下包括陶瓷透镜、支撑结构和陶瓷圆柱，经3D打印一体化制成。
[0016]进一步地，所述陶瓷透镜包括m层阶梯圆柱状分层结构，m≥5。
[0017]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0018](1)本专利技术提供的新型微波介质陶瓷热膨胀系数调控剂，其自身具有热膨胀系数与谐振频率温度系数双调控特性，其在维持其单相结构的同时，热膨胀系数可在
‑
10.0～10.1ppm/℃间调控、谐振频率温度系数可在
‑
73.2～
‑
321.3ppm/℃间大幅变化，较传统的单调控方法有一定的优势。
[0019](2)本专利技术提供的新型微波介质陶瓷热膨胀系数调控剂具有负的热膨胀系数，利用混合法则将主晶相和调控剂按照特定化学计量比混合后使得其热膨胀系数近零，利用该复合材料设计的微波器件具有零热膨胀特性，引入上述调控剂可以将大多微波介质陶瓷热膨胀系数调至近零。
[0020](3)利用本专利技术热膨胀系数调控剂调控的微波介质陶瓷材料，其介质谐振器部分利用3D打印技术一体化加载了龙勃透镜，龙勃透镜作为辐射天线一部分的同时具备聚焦电磁波的作用。加载透镜后工作频段内平均增益提升1.8dBi，降低了天线的剖面，具有一定的优越性。
[0021](4)借助本专利技术热膨胀系数调控剂调控的微波介质陶瓷材料，利用3D打印技术制
作了一款高次模透镜加载介质谐振器天线。该天线介质透镜部分和介质谐振器部分由3D打印一体化制备而成。本专利技术的制备工艺简单，对环境无污染，性能提升明显，有望应用于未来5G微波通信中。
附图说明
[0022]图1是本专利技术主晶相的XRD精修结果和SEM图；
[0023]图2是本专利技术主晶相热膨胀系数调控图(实施例2
‑
5)；
[0024]图3是本专利技术天线的馈电结构正反面示意图；
[0025]图4是本专利技术天线本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微波介质陶瓷，其特征在于，包括主晶相，所述主晶相的化学表达式为Ba
(1
‑
x)*(1
‑
y)
Sr
(1
‑
x)*y
Zn2‑
0.2x
Si2‑
x
O7‑
3.2x
，其中0≤x≤1，0≤y≤0.8。2.如权利要求1所述的微波介质陶瓷，其特征在于，所述微波介质陶瓷具有低介电常数和可调控的热膨胀系数，其介电常数小于8.6，热膨胀系数的调控范围为
‑
10～10.1ppm/℃。3.一种微波介质陶瓷调控剂，其特征在于，包括权利要求1或2所述的微波介质陶瓷。4.如权利要求3所述的微波介质陶瓷调控剂，其特征在于，所述调控剂的化学表达式为Ba
(1
‑
x)*(1
‑
y)
Sr
(1
‑
x)*y
...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷文，邹正雨，楼熠辉，吕文中，王晓川，汪小红，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：