一種微帶天線有機(jī)復(fù)合基板材料及其制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種微帶天線有機(jī)復(fù)合基板材料及其制備方法，屬于電子材料【技術(shù)領(lǐng)域】。所述有機(jī)復(fù)合基板材料由主相材料和輔助相材料按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比為100：(80～120)復(fù)合而成，所述主相材料為Co2Z型六角鐵氧體，配方分子式為(Ba1-xSrx)3Co2Fe24O41，其中x的取值范圍為0～0.5，所述輔助相材料為聚四氟乙烯樹(shù)脂。其制備方法包括：1)稱(chēng)料、混料、一次球磨后烘干；2)預(yù)燒；3)二次球磨，烘干；4)復(fù)合，烘干；5)熱壓成型。該方法操作簡(jiǎn)便，成本低；得到的復(fù)合基板材料在100MHz～1GHz頻率范圍內(nèi)具有較高的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)，同時(shí)其磁損耗和介電損耗也都較低；得到的基板的柔韌性和均勻性都較好。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種微帶天線有機(jī)復(fù)合基板材料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電子材料【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種適用于100MHz?1GHz微帶天線應(yīng)用的 無(wú)機(jī)/有機(jī)復(fù)合磁介基板材料及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 微帶天線是二十世紀(jì)七十年代初出現(xiàn)的一種新型天線，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 微帶天線應(yīng)用頻率都較高，近年來(lái)，隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，較低頻段（如UHF、L、S波段） 的微帶天線也逐步得到應(yīng)用和發(fā)展。但是根據(jù)微帶天線的結(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尺寸很大，并且頻率越低，尺寸越大。
[0003] 為了縮小較低頻段微帶天線的尺寸、質(zhì)量和體積，一種方式是提高天線基板材料 的有效介電常數(shù)ε rff，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)，使天線的輻射效率大大降低。根據(jù)天線諧振頻率關(guān)系式A = 可知， 提1?天線介質(zhì)基板的有效磁導(dǎo)率U rff，同樣也可
[0004] 達(dá)到降低天線基板尺寸的效果，并且還不易激起表面波并有利于天線能量的輻 射。此外，由于微帶天線的帶寬主要受基板介電常數(shù)大小的影響，而與磁導(dǎo)率大小無(wú)關(guān)， 介電常數(shù)越小越有利于提高天線帶寬。因此，在同等尺寸下，采取磁介材料制備的天線 也比采用純介電材料制備的天線具有更寬的帶寬。因此，將磁介材料應(yīng)用到天線基板上 具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。但是，為了獲得在天線基板上具有實(shí)用價(jià)值的磁介材料，除 了要求其磁導(dǎo)率和介電常數(shù)在天線應(yīng)用頻段內(nèi)較高外，還要求該類(lèi)材料具有盡量低的 介電和磁損耗，且材料的磁導(dǎo)率/介電常數(shù)截止頻率都需要高于天線的應(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)道主要有， 新加坡 Hwa Chong Institution 的 M. L. S. Teo 和 L. B. Kong 等人采用 LiQ. 5(lFe2.5(|04 鐵氧 體和Mgl_xCuxFei. 9804鐵氧體進(jìn)行適當(dāng)離子替代或摻雜的方式來(lái)獲得磁介的陶瓷材料。 (M. L. S. Teo, L. B. Kong, et al. "Development of magneto-dielectric materials based on Li-ferrite ceramics: I , II , III^, J. Alloys. Comp. , vol. 559 (2008) 557-566, 567-57 5, 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)以及法國(guó) 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的A. Thakur等人采用納米制粉技術(shù)制備的納米量級(jí)的Nid.gZnuCc^FejA鐵 氧體陶瓷材料（A.Thakur,A· Chevalier, et al. "Low-loss spinel nanoferrite with matching permeability and permittivity in the ultrahigh frequency range"，J. Appl.Phys.，vol. 108(2010)014301)。此外，電子科技大學(xué)蘇樺、唐曉莉等人于2009年 申請(qǐng)的中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利"一種低頻微帶天線基板材料及其制備方法（ZL200910058207. 3) " 提出了一種尖晶石鐵氧體與鈦酸鍶鉍陶瓷復(fù)合的磁介材料；電子科技大學(xué)夏祺和蘇樺等 人在（BaQ.5Sra5)3Co2Fe 24041中摻入適量的W03得到了磁介陶瓷材料（Qi Xia，Hua Su，et al.''Investigation of low loss Z-type hexaferrites for antenna applications", J. Appl.Phys.，V〇l. 111(2012)063921)。但是，這些此前報(bào)道的磁介材料都存在一個(gè)比較突 出的問(wèn)題，就是其磁導(dǎo)率和介電常數(shù)都比較高，雖然能較大程度的降低天線尺寸，但根據(jù) 磁性材料遵循的斯諾克定律，其磁導(dǎo)率越高，截止頻率就越低，因此，此前報(bào)道的磁介材料 適用頻率都在300MHz以下，有的甚至只適合于在100MHz以下頻段應(yīng)用，無(wú)法用于300MHz 以上的天線基板上。并且基板材料為純陶瓷構(gòu)成，柔韌性差。為此，電子科技大學(xué)唐曉 莉、蘇樺等人于2011年申請(qǐng)的中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利"一種微帶天線復(fù)合基板材料及其制備方法 (ZL201110235563. 5) "對(duì)此進(jìn)行了改善，通過(guò)六角晶系鐵氧體與聚丙烯樹(shù)脂復(fù)合來(lái)得到應(yīng) 用于300MHz以上的磁介基板材料，但是該方法操作復(fù)雜，增加了工業(yè)應(yīng)用時(shí)的成本。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供了一種微帶天線有機(jī)復(fù)合基板材料及其制備方法，該方法操作簡(jiǎn)便， 易實(shí)現(xiàn)，縮短了制備時(shí)間，降低了生產(chǎn)成本。所述微帶天線有機(jī)復(fù)合基板材料為一種六角晶 系鐵氧體陶瓷與聚四氟乙烯樹(shù)脂復(fù)合而形成的新型材料，在100MHz?1GHz的頻率范圍內(nèi) 具有較高的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)（其磁導(dǎo)率在2. 8?3. 8,介電常數(shù)在6. 5?8左右），同時(shí)其 磁損耗和介電損耗也都較低（頻段范圍內(nèi)比磁損耗系數(shù)和比介電損耗系數(shù)都低于0.01); 同時(shí)，該復(fù)合基板材料還具有一定的柔韌性，比常規(guī)陶瓷基板材料抗機(jī)械沖擊的性能更好。 采用本發(fā)明提供的有機(jī)復(fù)合基板材料作為微帶天線基板，不僅有助于降低微帶天線重量和 體積，而且也有利于提高微帶天線的帶寬以及輻射效率。此外，本發(fā)明中有機(jī)和無(wú)機(jī)介質(zhì)是 在溶液中進(jìn)行混合，比現(xiàn)有的無(wú)機(jī)和有機(jī)介質(zhì)通過(guò)直接機(jī)械混合的效果更好，得到的基板 更均勻。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0007] -種微帶天線有機(jī)復(fù)合基板材料，由主相材料和輔助相材料按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比 為100 : (80?120)復(fù)合而成，所述主相材料為C〇2Z型六角鐵氧體，其配方分子式為 (Β&1_ χ5ι·χ)3(：〇2ΡΘ240 41，其中X的取值范圍為0?0. 5,所述輔助相材料為聚四氟乙烯樹(shù)脂。
[0008] 需要說(shuō)明的是：1)主相材料C〇2Z型六角鐵氧體配方分子式中二價(jià)的Co離子與三 價(jià)的Fe離子也可以被其它二價(jià)和三價(jià)的金屬離子進(jìn)行少量的替代，從而對(duì)鐵氧體的磁性 能，如磁導(dǎo)率、磁損耗等構(gòu)成一些影響，在此不再一一羅列，但這些離子替代不是必需的；2) 主相材料C 〇2Z型六角鐵氧體配方分子式中，隨著X的取值從0到0. 5逐漸增加，相應(yīng)C〇2Z 型鐵氧體的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)從10左右增加至15左右（介電常數(shù)略低于磁導(dǎo)率）；采用 聚四氟乙烯樹(shù)脂（介電常數(shù)為2. 1左右，磁導(dǎo)率為1)與所述C〇2Z型鐵氧體按比例復(fù)合后， 整體復(fù)合材料的磁導(dǎo)率可降低到2. 8?3. 8,介電常數(shù)可調(diào)整至6. 5?8左右；3)聚四氟乙 烯樹(shù)脂采用常規(guī)市售的工業(yè)用聚四氟乙烯樹(shù)脂即可，不同牌號(hào)的聚四氟乙烯樹(shù)脂在介電常 數(shù)上會(huì)有略微的差異，因此在與C 〇2Z型鐵氧體進(jìn)行復(fù)合時(shí)，可通過(guò)微調(diào)鐵氧體相與聚四氟 乙烯樹(shù)脂的比例來(lái)獲得各不同磁介值的參數(shù)要求。
[0009] 上述微帶天線有機(jī)復(fù)合基板材料的制備方法，包括以下步驟：
[0010] 步驟1 :以Fe203、BaC03、SrC03和C〇 203為原料，按照Co2Z型鐵氧體配方分子式 (Β&1_3ι· χ)3(：ο2Ρθ24041中金屬元素的比例折算出Fe 203、BaC03、SrC03和C〇20 3的質(zhì)量百分比，進(jìn) 行稱(chēng)料、混料、一次球磨后烘干，其中X的取值范圍為0?0. 5 ;
[0011] 步驟2 :將步驟1所得的一次球磨烘干料過(guò)篩后在燒結(jié)缽中壓實(shí)打孔，按2°C /分 的升溫速率升至預(yù)燒溫度進(jìn)行預(yù)燒，隨爐冷卻至室溫得到鐵氧體預(yù)燒料，所述預(yù)燒溫度為 1250°C，保溫時(shí)間為2?3小時(shí)；
[0012] 步驟3 :將步驟2所得預(yù)燒粉料進(jìn)行二次球磨，二次球磨后粉料的平均粒度控制在 1微米以下，然后將二次球磨料烘干；
[0013] 步驟4 :將步驟3所得的二次球磨烘干料過(guò)篩后倒入燒杯中，加入質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比為 1?5wt %的KH550硅烷偶聯(lián)劑，再加入無(wú)水乙醇作為溶劑，攪拌均勻，然后再按二次球磨烘 干料與聚四氟乙烯樹(shù)脂1〇〇 :(80?120)的質(zhì)量百分比的比例加入聚四氟乙烯樹(shù)脂，再加入 無(wú)水乙醇作為溶劑，攪拌均勻后，烘干；
[0014] 步驟5 :將步驟4所得的粉料進(jìn)行熱壓成型，得到最終的微帶天線有機(jī)復(fù)合基板材 料。
[0015] 步驟5中具體的熱壓過(guò)程為：首先將步驟4所得的粉料放入模具內(nèi)壓成型，再放入 熱壓模板中，在熱壓機(jī)器中l(wèi)OMpa壓力下加壓，然后在2小時(shí)內(nèi)由室溫升高到240°C，保溫1 小時(shí)，再經(jīng)1小時(shí)升溫至320°C，保溫2小時(shí)，再經(jīng)1小時(shí)升溫至360°C，保溫2小時(shí)，然后經(jīng) 1小時(shí)降溫至320°C，保溫2小時(shí)，經(jīng)1小時(shí)降溫至240°C，保溫1小時(shí)，最后停止程序隨自然 環(huán)境降至室溫。
[0016] 步驟4中所述加入的無(wú)水乙醇的質(zhì)量為二次球磨烘干料質(zhì)量的1?2倍。
[0017] 經(jīng)過(guò)以上5個(gè)步驟，即可得到本發(fā)明所述的微帶天線有機(jī)復(fù)合基板材料，經(jīng)測(cè)試， 該材料在100MHz?1GHz的頻率范圍內(nèi)，磁導(dǎo)率為2. 8?3. 8,介電常數(shù)為6. 5?8,且頻段 內(nèi)比磁損耗系數(shù)和比介電損耗系數(shù)都低于0. 01。
[0018] 本發(fā)明的有益效果為：
[0019] 1、本發(fā)明提供的微帶天線有機(jī)復(fù)合基板材料的制備方法簡(jiǎn)單，采用將主相材料的 二次球磨烘干料和聚四氟乙烯樹(shù)脂混合攪拌的方式即可實(shí)現(xiàn)主相材料與聚四氟乙烯樹(shù)脂 的復(fù)合，操作簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)，大大降低了生產(chǎn)成本。
[0020] 2、本發(fā)明提供的微帶天線有機(jī)復(fù)合基板材料在100M?1GHz的頻段內(nèi)，磁導(dǎo)率在 2. 8?3. 8,介電常數(shù)在6. 5?8,且頻段內(nèi)比磁損耗系數(shù)和比介電損耗系數(shù)都低于0. 01，根 據(jù)斯洛克定律估算，該復(fù)合材料實(shí)際的截止頻率可高達(dá)5GHz，原則上在3GHz以?xún)?nèi)的頻段都 可獲得較低的磁損耗和介電損耗，不過(guò)由于測(cè)試設(shè)備的限制，只能測(cè)到其在1GHz內(nèi)的磁介 特性。
[0021] 3、采用本發(fā)明得到的微帶天線有機(jī)復(fù)合基板材料作為微帶天線基板，不僅可以縮 小微帶天線的尺寸和體積，而且還有利于拓展天線的帶寬。
[0022] 4、本發(fā)明基板材料含有高分子有機(jī)材料，板材的柔韌性大大高于常規(guī)的純陶瓷基 板材料，使得本發(fā)明基板材料較常規(guī)陶瓷基板材料具有更好的抗機(jī)械沖擊性能。
[0023] 5、本發(fā)明中有機(jī)和無(wú)機(jī)介質(zhì)是在溶液中進(jìn)行混合的，比現(xiàn)有的無(wú)機(jī)和有機(jī)介質(zhì)通 過(guò)直接機(jī)械混合的效果更好，得到的基板更均勻。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1為本發(fā)明提供的微帶天線有機(jī)復(fù)合基板材料的制備方法流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0025] -種微帶天線有機(jī)復(fù)合基板材料，由主相材料和輔助相材料按質(zhì)量百分 數(shù)比為100:100復(fù)合而成。所述主相材料為C 〇2Z型六角鐵氧體，其配方分子式為 (Baa 5Sra 5) 3Co2Fe24041 ;所述輔助相材料為聚四氟乙烯樹(shù)脂。
[0026] 上述微帶天線有機(jī)復(fù)合基板材料的制備方法如下：
[0027] 步驟1 :以Fe203、BaC03、SrC03和C〇 203為原料，按照上述鐵氧體配方分子式 (Baa 5Sra 5) 3Co2Fe24041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6小時(shí)，球磨后料置于烘箱中100°C溫度下烘干。
[0028] 步驟2 :將步驟1所得的烘干料過(guò)篩后在燒結(jié)缽中壓實(shí)打孔，按2°C /分的升溫速 率升至1250°C預(yù)燒，保溫3小時(shí)，隨爐冷卻至室溫得到鐵氧體預(yù)燒料。
[0029] 步驟3 :將步驟2所得的預(yù)燒粉料進(jìn)行二次球磨，二次球磨后粉料的平均粒度控制 在1微米以下，然后將二次球磨料在l〇(TC溫度下烘干。
[0030] 步驟4 :將步驟3所得的二次球磨烘干料過(guò)篩后倒入燒杯中，加入質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比為 5wt %的KH550硅烷偶聯(lián)劑，再加入質(zhì)量為二次球磨烘干料2倍的無(wú)水乙醇作為溶劑，機(jī)械 攪拌2小時(shí)，然后再按二次球磨烘干料與聚四氟乙烯樹(shù)脂100 :100的質(zhì)量百分比的比例加 入聚四氟乙烯樹(shù)脂，再加質(zhì)量為二次球磨烘干料1倍的無(wú)水乙醇為溶劑，機(jī)械攪拌2小時(shí)， 然后放入烘箱中80°C烘干。
[0031] 步驟5 :將步驟4所得的粉料進(jìn)行熱壓成型，得到最終的微帶天線有機(jī)復(fù)合基板材 料。
[0032] 步驟5中所述的熱壓過(guò)程具體為：首先將步驟4所得的粉料放入模具壓成型，再放 入熱壓模板中，在熱壓機(jī)器中l(wèi)OMpa壓力下加壓，然后在2小時(shí)內(nèi)由室溫升高到240°C，保溫 1小時(shí)，再經(jīng)1小時(shí)升溫至320°C，保溫2小時(shí)，再經(jīng)1小時(shí)升溫至360°C，保溫2小時(shí)，然后 經(jīng)1小時(shí)降溫至320°C，保溫2小時(shí)，經(jīng)1小時(shí)降溫至240°C，保溫1小時(shí)，最后停止程序隨 自然環(huán)境降至常溫。
[0033] 步驟1中所述的Fe203、BaC03、SrC0 3和C〇203均為分析純。
[0034] 步驟1中所述一次球磨時(shí)，料：球：水=1:3:1. 2,球磨的時(shí)間為6h。
[0035] 步驟3中所述二次球磨時(shí)，料：球冰=1:3:1. 2,球磨的時(shí)間為6h。
[0036] 經(jīng)過(guò)上述步驟，得到本發(fā)明所述的微帶天線有機(jī)復(fù)合基板材料，經(jīng)測(cè)試，該材料在 100MHz?1GHz的頻率范圍內(nèi)，磁導(dǎo)率穩(wěn)定在3. 0?3. 4之間，比磁損耗系數(shù)一直低于0. 01， 介電常數(shù)穩(wěn)定在7. 2?7. 7之間，比介電損耗系數(shù)也一直低于0. 01。
[0037] 采用該有機(jī)復(fù)合基板材料來(lái)作為工作于100MHz?1GHz頻段范圍內(nèi)的微帶天線基 板，不僅有利于降低微帶天線的重量和體積，拓展天線的帶寬，且該天線基板的柔韌性和均 勻性好，確保基于該材料研制的天線具有較好的抗機(jī)械沖擊特性。
[0038] 上述【具體實(shí)施方式】并非是對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步限定，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā) 明所述，應(yīng)當(dāng)知道：通過(guò)在〇?〇. 5范圍內(nèi)調(diào)整主相C〇2Z型六角鐵氧體配方分子式為 (Bai_xSrx) 3C〇2Fe24041中X的取值范圍和在100: (80?120)范圍內(nèi)調(diào)整主相和輔助相之間的 質(zhì)量配比，以及適當(dāng)加入摻雜改性劑，均可得到本發(fā)明所述微帶天線復(fù)合基板材料。
【權(quán)利要求】
1. 一種微帶天線有機(jī)復(fù)合基板材料，由主相材料和輔助相材料按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比 為100 : (80?120)復(fù)合而成，所述主相材料為C〇2Z型六角鐵氧體，其配方分子式為 (Β&1_ χ5ι·χ)3(：〇2ΡΘ240 41，其中X的取值范圍為0?0. 5,所述輔助相材料為聚四氟乙烯樹(shù)脂。
2. -種微帶天線有機(jī)復(fù)合基板材料的制備方法，包括以下步驟： 步驟1 :以Fe203、BaC03、SrC03和C〇 203為原料，按照Co2Z型鐵氧體配方分子式 (Β&1_3ι·χ)3(：ο2Ρθ 24041中金屬元素的比例折算出Fe203、BaC0 3、SrC03和C〇203的質(zhì)量百分比，進(jìn) 行稱(chēng)料、混料、一次球磨后烘干，其中X的取值范圍為0?0. 5 ; 步驟2 :將步驟1所得的一次球磨烘干料過(guò)篩后在燒結(jié)缽中壓實(shí)打孔，按2°C /分的 升溫速率升至預(yù)燒溫度進(jìn)行預(yù)燒，隨爐冷卻至室溫得到鐵氧體預(yù)燒料，所述預(yù)燒溫度為 1250°C，保溫時(shí)間為2?3小時(shí)； 步驟3 :將步驟2所得預(yù)燒粉料進(jìn)行二次球磨，二次球磨后粉料的平均粒度控制在1微 米以下，然后將二次球磨料烘干； 步驟4 :將步驟3所得的二次球磨烘干料過(guò)篩后倒入燒杯中，加入質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比為1? 5wt%的KH550硅烷偶聯(lián)劑，再加入無(wú)水乙醇作為溶劑，攪拌均勻，然后再按二次球磨烘干 料與聚四氟乙烯樹(shù)脂1〇〇 :(80?120)的質(zhì)量百分比的比例加入聚四氟乙烯樹(shù)脂，再加入無(wú) 水乙醇作為溶劑，攪拌均勻后，烘干； 步驟5 :將步驟4所得的粉料進(jìn)行熱壓成型，得到最終的微帶天線有機(jī)復(fù)合基板材料。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2中所述的微帶天線有機(jī)復(fù)合基板材料的制備方法，其特征在于，步 驟4中所述加入的乙醇的質(zhì)量為二次球磨烘干料質(zhì)量的1?2倍。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2中所述的微帶天線有機(jī)復(fù)合基板材料的制備方法，其特征在于，步 驟5中所述的熱壓過(guò)程為：首先將步驟4所得的粉料放入模具內(nèi)壓成型，再放入熱壓模板 中，在熱壓機(jī)器中l(wèi)OMpa壓力下加壓，然后在2小時(shí)內(nèi)由室溫升高到240°C，保溫1小時(shí)，再 經(jīng)1小時(shí)升溫至320°C，保溫2小時(shí)，再經(jīng)1小時(shí)升溫至360°C，保溫2小時(shí)，然后經(jīng)1小時(shí) 降溫至320°C，保溫2小時(shí)，經(jīng)1小時(shí)降溫至240°C，保溫1小時(shí)，最后停止程序隨自然環(huán)境 降至室溫。
【文檔編號(hào)】C04B26/18GK104193224SQ201410431104
【公開(kāi)日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年8月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月28日
【發(fā)明者】蘇樺, 張?zhí)焖? 唐曉莉, 張懷武, 荊玉蘭, 李元?jiǎng)? 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)