专利名称：一种以尖晶石铁氧体为母体的天线基板材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于电子材料技术领域,涉及ー种适于IOMHz 200MHz低频天线应用的，以尖晶石铁氧体为母体的复合基板材料。
背景技术：
近年来，随着无线通信技术的快速发展，通信设备的小型化已成为ー种必然的发展趋势，如何减小天线的特征尺寸同时又不影响其辐射性能，成为当前无线通信设备小型化发展所面临的主要瓶颈难题。根据天线的设计理论，天线应用的频率越低，其特征尺寸就越大，因此，这ー瓶颈技术难题在低频段应用的天线上体现得尤为明显。我们知道使用高介电材料作为天线基板能有效的缩小天线的特征尺寸，但这种方法同时也会带来一系列的问题。首先高介电材料会増加天线基板的损耗角正切，从而增加电磁波传 播的损耗；其次高介电材料作为基板还会导致天线带宽减小，从而限制了天线的适用频段。此外，天线基板的介电常数越高，对电磁波的束缚能力就越强，并且也更易激发表面波，从而会大大降低天线的效率。因此，天线小型化的发展趋势迫切需要研发出新型的基板材料来更好的兼顾天线小型化和高性能的综合技术要求。根据天线谐振频率关系式
ム'=ο_____3________}__________________________；_________________JZ________________________3______:_______________________ 可知，通过提高天线基板材料的磁导率，同样也可达到缩小天线特
征尺寸的效果，并且通过提高磁导率而不是介电常数来縮小天线特征尺寸的话，还不易激起表面波并更有利干拓展天线的带宽。同时，如果能做到使介质基板材料的磁导率和介电
常数近似相等的话，天线介质基板的特性阻抗Z = ^μ'0μ / e0e_ = ε = ,与真空的
特性阻抗相等，这样可使天线辐射能量反射趋近于零，对提高天线的辐射效率也大有裨益。此外，为了尽可能縮小天线尺寸，还要在天线应用频段内尽量提高基板材料的磁导率和介电常数，并保证材料的磁导率/介电常数截止频率都需要高于天线的应用频率。与此同吋，还要尽量降低磁损耗和介电损耗，以提高天线的效率和増益。因此，该类型基板材料的研发难度很大。目前国内外针对此相关类型材料的报道，主要有新加坡Hwa Chong Institution的M. L. S. Teo和L. B. Kong等人采用Li。.5Fe2.504铁氧体和Mg^xCuxFeh98O4铁氧体进行适当离子替代或掺杂的方式来获得等磁介的陶瓷材料。(M.L. S. Teo, L. B. Kong, et al.“Development of magneto—die丄ectric materials based on Li-ferrite ceramics:I，II，III，，，J. Alloys. Comp. , vol. 559 (2008) 557-566，567-575，576-582;L. B. Kong, Z. ff. Li, ^Magneto-dielectric properties of Mg-Cu-Co Ferrite Ceramics:I，II”，J. Am. Ceram. Soc. , vol. 90 (2007) 3106-3112，2104-2112)。但以上两种类型的等磁介基板材料适用的频段都比较窄，主要在3 30MHz。我们课题组在2009年申请了ー项国家发明专利(ZL200910058207. 3，ー种低频微带天线基板材料及其制备方法)，采取将NixCu0. !ZnyCo0.05Fez04- s (其中x的取值范围为O. 78 O. 82，y的取值范围为O. 07 O. 03，z的取值范围为I. 90 I. 94，δ范围一般在O O. 5之间)材料与BiaSr1 — JiO3 (其中a的取值范围为O. 20 O. 24)进行复合，可实现在IMHz IOOMHz的范围内复合材料磁导率和介电常数都近似相等，在18至25之间。材料的介电损耗因子在整个频带内都低于
O.03。但该材料磁损耗相对还较大，超过50MHz以后磁损耗因子会上升到O. 05以上，IOOMHz时已接近于O. 1，因此在50MHz以上的应用效果不太好。
发明内容
本发明的目的是提供ー种适用于IOMHz 200MHz的低频段天线基板材料及其制备方法。该材料能够显著降低低频段微带天线的结构尺寸并提高天线的效率。本发明技术方案为一种以尖晶石铁氧体为母体的天线基板材料，其特征在干为包含两相的复合陶瓷材料，其中主晶相为尖晶石铁氧体，其配方分子式为MgxCu0. !ZnyCo0.05FeL 9604_ s，其中x的取值范围为0.78 0.82，y的取值范围为O. 07 O. 03，δ范围一般在O O. 5之间，随材料的烧结温度以及X，y的取值等自动变化，以保证正负 离子价态的平衡；辅助相为硅酸锌，其配方分子式为ZnaSi02+a，其中a的取值范围为I. 8 1.9，；所述主晶相与辅助相的质量百分比在94 6至96 4之间。本发明的天线基板材料中，尖晶石铁氧体配方分子式中含O. I的Cu，主要目的为提高铁氧体材料的致密度和降低烧结温度。而含O. 05的Co，主要为抑制铁氧体相烧结过程中Fe2 +的产生，有利于降低材料的介电损耗，另一方面还可适当拓展材料的磁导率截止频率。而Mg和Zn的比例主要为调节材料的磁导率在8 10之间。采用略缺铁的配方设计，主要为抑制材料中Fe2 +的产生。硅酸锌配方分子式中Zn含量控制在I. 8 I. 9，主要为保证材料有更低的介电损耗。采取将铁氧体与硅酸锌复合的方式来获得等磁介材料，一方面是利用硅酸锌较低的介电常数(约为6. 6)及磁导率为I的特点来拉低整个材料体系的磁导率和介电常数，拓展材料的适用频段，同吋，硅酸锌材料的介电损耗非常低，且其电阻率非常高，因此其掺入铁氧体相中，还有利于整个材料体系磁损耗和介电损耗的降低。本发明还公开了ー种以尖晶石铁氧体为母体的天线基板材料的制备方法，包括以下步骤
步骤ー以Fe2O3, MgO, ZnO, CuO和Co2O3为初始原料，按照所述铁氧体配方分子式中金属元素的比例折算出Fe203、Mg0、Zn0、Cu0和Co2O3的质量百分比,进行称料、一次球磨、混料均勻后烘干；
步骤ニ 将步骤一所得的烘干料过筛后在烧结钵中压实打孔，按:TC /分的升温速率升至850 950°C进行预烧，保温2 3小吋，随炉冷却得到铁氧体预烧料；
步骤三以Zn0、Si02为原料，按所述硅酸锌配方分子式中Zn、Si元素的比例折算出ZnO和SiO2的质量百分比，进行称料、一次球磨、混料均匀后烘干。步骤四将步骤三所得的烘干料过筛后在烧结钵中压实打孔，按TC /分的升温速率升至1130 1170°C进行预烧，保温2 3小吋，随炉冷却得到硅酸锌预烧料；
步骤五将步骤ニ获得的铁氧体预烧料与步骤四获得的硅酸锌预烧料按b (100-b)的质量百分比称量，其中b的取值范围为94 96，然后再在混合粉料中掺入总重量I 2wt%的Bi2O3作为助溶剂，将以上粉料一起倒入球磨机进行二次球磨；
步骤六将步骤五所得的二次球磨料烘干后造粒，根据低频天线的尺寸设计要求压制成相应的天线生坯基板；步骤七将步骤六所得的天线生坯基板按2V /分的升温速率先升温至200°C，保温30分钟，排除生坯中的水分，然后再按2°C/分的升温速率升温至500°C，保温30分钟，用于生坯排胶，然后再按2V /分 3°C /分的升温速率升温至950°C 1050°C进行烧结，保温2 3小吋，随炉冷却得到最終的低频天线基板材料。优选地，步骤五中二次球磨后粉料的平均粒度应在O. 3 O. 8 μ m之间。经过以上七个步骤，就可以得到本发明所述的低频天线基板材料。经测试，本发明提供的低频段微带天线基板材料在IOM Hz 200MHz的范围内，磁导率和介电常数在8至10之间，且频段内磁损耗因子和介电损耗因子都低于O. 02。本发明提供的低频段微带天线基板材料的主要优点在干
I、在10 200MHz频段内，其磁导率和介电常数都在8至10之间，且磁导率的截止频率超过400MHz。采用该材料作为天线基板，不仅可以显著的缩小低频段(10 200MHz)微带天线的尺寸和体积，而且还可保证天线基板材料的特性阻抗与真空的特性阻抗相等或接近，从而可显著的提升天线的辐射效率。2、采取本发明的材料配方设计和制备エ艺方案，可保证该材料在10 200MHz频段内，其磁损耗和介电损耗都很低，整个频带内磁损耗因子和介电损耗因子都低于O. 02。低损耗特性同样也非常有利干天线效率的提高。
图I为本发明提供的低频天线基板材料的制备方法流程示意 图2为本发明提供的低频天线基板材料的磁谱测试曲线 图3为本发明提供的低频天线基板材料的介谱测试曲线 图4为本发明提供的低频天线基板材料的磁损耗和介电损耗因子频谱测试曲线图。
具体实施例方式下面所述为本发明的天线基板材料的ー种具体实施方案。该复合陶瓷材料中铁氧体相的配方分子式取Mg。. 8CuQ. iZrio 05Co0.05FeL 9604 — s,娃酸锌的配方分子式为Z%8Si03.8。如图I所示，该材料的具体制备方法如下
步骤ー以Fe203、MgO、ZnO, CuO和Co2O3为原料，按照上述铁氧体配方分子式中金属元素的比例折算出各种氧化物的质量百分比，进行准确称料后，在行星式球磨机中一次球磨4小时，球磨后料置于烘箱中于100°C下烘干。步骤ニ 将步骤一所得的烘干料过筛后在烧结钵中压实打孔，按TC /分的升温速率升至900°C预烧，保温2小吋，随炉冷却得到铁氧体预烧料备用。步骤三以ZnO、SiO2为原料，按上述硅酸锌配方分子式中Zn和Si元素的比例折算出两种氧化物的质量百分比，进行准确称料、在行星式球磨机中一次球磨4小时，球磨后料置于烘箱中于100°C烘干。步骤四将步骤三所得的烘干料过筛后在烧结钵中压实打孔，按TC /分的升温速率升至1150°C预烧，保温2小吋，随炉冷却得到硅酸锌预烧料备用。步骤五将步骤ニ获得的铁氧体预烧料与步骤四获得的硅酸锌预烧料按95 5的质量百分比称量，然后再在混合粉料中掺入总重量I. 5wt%的Bi2O3作为助溶剤。将以上粉料一起倒入球磨机进行二次球磨，二次球磨时间为12小时，球磨后的平均粒度在O. 5 μ m左右。步骤六将步骤五所得的二次球磨料烘干后造粒，将二次球磨料烘干后加入12wt%左右的PVA溶液(PVA浓度为10%)进行造粒后，分别压制成外径为20mm，内径10mm，高3. 5mm的圆环状样品及外径为20mm,高3. 5mm的圆盘状生还样品,成型压カ为50kg/cm2。步骤七将步骤六所得的天线生坯基板按2V /分的升温速率先升温至200°C，保温30分钟，用于排除生坯中的水分，然后再按2V /分的升温速率升温至500°C，保温30分钟，用于生坯排胶，然后再按2. 5°C /分的升温速率升温至1000°C进行烧结，保温3小时后随炉冷却得到实验材料样品。
上述烧结材料样品经测试得到的磁谱曲线、介谱曲线以及磁损耗和介电损耗因子的频谱曲线分别如图2、图3以及图4所示。可见，采用本发明制备的低频段天线基板材料在IOMHz 200MHz频率范围内，其磁导率和介电常数都近似相等，在8 10之间。材料的磁损耗和介电损耗因子在整个频带内都低于O. 02。采用该材料来作为工作于10 200MHz频段范围内的微带天线基板材料，不仅可最大程度的降低微带天线的尺寸、体积和重量，而且也非常有利于微带天线辐射效率的提闻。
权利要求
1.一种以尖晶石铁氧体为母体的天线基板材料，其特征在于为包含两相的复合陶瓷材料，其中主晶相为尖晶石铁氧体，其配方分子式为MgxCuaiZnyC0aci5FeU6CVs，其中x的取值范围为O. 78 O. 82, y的取值范围为O. 07 O. 03，δ范围在O O. 5之间，随材料的烧结温度以及X，y的取值自动变化，以保证正负离子价态的平衡；辅助相为硅酸锌，其配方分子式为ZnaSi02+a，其中a的取值范围为I. 8 I. 9，；所述主晶相与辅助相的质量百分比在94 : 6至96 : 4之间。
2.根据权利要求I所述的ー种以尖晶石铁氧体为母体的天线基板材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤 步骤ー以Fe2O3, MgO, ZnO, CuO和Co2O3为初始原料，按照所述铁氧体配方分子式中金属元素的比例折算出Fe203、Mg0、Zn0、Cu0和Co2O3的质量百分比,进行称料、一次球磨、混料均勻后烘干； 步骤ニ 将步骤一所得的烘干料过筛后在烧结钵中压实打孔，按:TC /分的升温速率升至850 950°C进行预烧，保温2 3小吋，随炉冷却得到铁氧体预烧料； 步骤三以Zn0、Si02为原料，按所述硅酸锌配方分子式中Zn、Si元素的比例折算出ZnO和SiO2的质量百分比，进行称料、一次球磨、混料均匀后烘干； 步骤四将步骤三所得的烘干料过筛后在烧结钵中压实打孔，按:TC /分的升温速率升至1130 1170°C进行预烧，保温2 3小吋，随炉冷却得到硅酸锌预烧料； 步骤五将步骤ニ获得的铁氧体预烧料与步骤四获得的硅酸锌预烧料按b (100-b)的质量百分比称量，其中b的取值范围为94 96，然后再在混合粉料中掺入总重量I 2wt%的Bi2O3作为助溶剂，将以上粉料一起倒入球磨机进行二次球磨； 步骤六将步骤五所得的二次球磨料烘干后造粒，根据低频天线的尺寸设计要求压制成相应的天线生坯基板； 步骤七将步骤六所得的天线生坯基板按2V /分的升温速率先升温至200°C，保温30分钟，排除生坯中的水分，然后再按2°C/分的升温速率升温至500°C，保温30分钟，用于生坯排胶，然后再按2V /分 3°C /分的升温速率升温至950°C 1050°C进行烧结，保温2 3小吋，随炉冷却得到最終的低频天线基板材料。
3.根据权利要求2所述的ー种以尖晶石铁氧体为母体的天线基板材料的制备方法，其特征在于步骤五中二次球磨后粉料的平均粒度应在O. 3 O. 8 μ m之间。
全文摘要
本发明公开了一种以尖晶石铁氧体为母体的天线基板材料及其制备方法，为包含两相的复合陶瓷材料，其中主晶相为尖晶石铁氧体，辅助相为硅酸锌，所述主晶相与辅助相的质量百分比在94∶6至96∶4之间。本发明的天线基板材料可以显著的缩小低频段(10～200MHz)微带天线的尺寸和体积，保证天线基板材料的特性阻抗与真空的特性阻抗相等或接近，从而可显著的提升天线的辐射效率。
文档编号C04B35/26GK102838346SQ20121037861
公开日2012年12月26日 申请日期2012年10月9日 优先权日2012年10月9日
发明者荆玉兰, 苏桦, 唐晓莉, 张怀武, 李元勋, 钟智勇 申请人:电子科技大学