廣東風(fēng)華高新科技股份有限公司 呂開(kāi)明

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4G通訊用介電常數(shù)45微波介質(zhì)諧振器

廣東風(fēng)華高新科技股份有限公司 呂開(kāi)明

【摘要】TD-LTE（4G）是未來(lái)通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必選之路，介電常數(shù)45微波介質(zhì)陶瓷高介電常數(shù)、高Q值、低溫度系數(shù)、溫度系數(shù)連續(xù)可調(diào)、低成本等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)優(yōu)化介電常數(shù)45微波介質(zhì)諧振器的成型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)其高性能及高可靠性。

【關(guān)鍵詞】介質(zhì)諧振器；TD-LTE；4G；生坯密度

1.引言

近年來(lái)，隨著移動(dòng)通訊的迅猛發(fā)展，特別是第四代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)（4G）TD-LTE時(shí)代來(lái)臨。全球LTE網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速，已有419個(gè)商用網(wǎng)絡(luò)，全球LTE用戶超過(guò)7.76億，如圖1。中國(guó)4G用戶累計(jì)達(dá)到2.34億，中國(guó)4G基站出貨量累計(jì)達(dá)到134萬(wàn)個(gè)，占比全球4G基站總出貨量的50%以上，中國(guó)是全球規(guī)模最大的4G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)國(guó)家［1］。LTE必將成為通訊運(yùn)營(yíng)商未來(lái)通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必選之路，但頻譜資源緊張、高耗能、高成本等眾多挑戰(zhàn)也使運(yùn)營(yíng)商面臨著更加嚴(yán)峻的成本壓力，提高頻譜利用率成當(dāng)務(wù)之急［2，3］。

圖1　全球商用LTE網(wǎng)絡(luò)

介電常數(shù)45微波介質(zhì)陶瓷介電常數(shù)具有性能優(yōu)異（Qf值44000）、能夠?qū)崿F(xiàn)零溫漂且溫漂系數(shù)連續(xù)可調(diào)（-20～+20ppm范圍內(nèi)）、成本極低等優(yōu)點(diǎn)。介電常數(shù)45微波介質(zhì)諧振器制備而成的介質(zhì)濾波器與傳統(tǒng)金屬腔體濾波器相比，在產(chǎn)品性能上溫度特性更優(yōu)、損耗更小、體積更小、重量更輕、整機(jī)功耗更小等優(yōu)點(diǎn)。其成本優(yōu)勢(shì)將得到市場(chǎng)的極大青睞，成為目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率最大的微波介質(zhì)陶瓷器件。優(yōu)化介電常數(shù)45圍缽介質(zhì)陶瓷的成型技術(shù)具有重要意義。

2.實(shí)驗(yàn)

采用固相法制備的介電常數(shù)45微波介質(zhì)陶瓷粉體，通過(guò)HPP-250S全自動(dòng)粉末成型機(jī)進(jìn)行成型。然后把產(chǎn)品放入1700度燒結(jié)爐中以每分鐘3℃的升溫速度升至1550℃，保溫300min，隨爐冷卻。采用DX-2500型x射線衍射儀分析晶體結(jié)構(gòu)；用精密的安捷倫E5063A網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行介電性能檢測(cè)，測(cè)試頻率范圍為100kHz～8.5GHz，測(cè)試溫度范圍為-40～85℃。

3.結(jié)果與分析

3.1生坯密度與Q值

品質(zhì)因數(shù)Qf表征了微波介質(zhì)材料的損耗大小。微波介質(zhì)陶瓷的損耗和濾波器的一個(gè)重要要求是插入損耗息息相關(guān)。Qf值越大，濾波器的插入損耗就越低，濾波器所占用的頻譜資源就越少。從圖2可知，Qf值隨著密度升高而先升高后降低，在生坯密度2.35～2.55g/mm3時(shí)候Qf值達(dá)到最佳。值得注意的是，在生坯密度低于2.35g/mm3，Qf值劇烈變化，表明生坯較低時(shí)候，粉體顆粒之前不能充分接觸，不能夠得到充分反應(yīng)，得到致密化陶瓷。瓷粉生坯密度需要達(dá)到理論密度50%以上。當(dāng)然，隨著生坯密度增加，Qf值趨于穩(wěn)定，但隨著生坯密度增加，介質(zhì)諧振器出現(xiàn)裂紋的幾率增加。通過(guò)選擇合適的成型密度，保證介質(zhì)諧振器在使用相同的介電常數(shù)45微波介質(zhì)陶瓷粉體的情況下，具有更高的Qf值。

圖2　成型密度與Q值

3.2成型密度與介電常數(shù)

介電常數(shù)越大，采用微波介電陶瓷制備的濾波器尺寸就越小，它直接影響了濾波器產(chǎn)品的尺寸。從圖3可知，隨著成型密度提高，介電常數(shù)也在逐漸增加，表明成型密度直接影響介電常數(shù)大小，從而影響介質(zhì)諧振器頻率一致性。因此，成型工藝環(huán)節(jié)需要選取合適的壓機(jī)，保證壓制的一致性；同時(shí)在采用機(jī)械式壓機(jī)成型介質(zhì)諧振器時(shí)，需要嚴(yán)格控制生坯密度的公差，確保生坯密度的一致性，從而從成型環(huán)節(jié)保證產(chǎn)品介電常數(shù)的一致性。這將給批量生產(chǎn)過(guò)程中，介質(zhì)諧振器產(chǎn)品的后續(xù)加工帶來(lái)極大的便利。

圖3　成型密度與介電常數(shù)

3.3生坯密度與SEM分析

圖4是不同生坯密度介質(zhì)諧振器的電鏡分析圖，從圖中可以看出，在生坯密度較低時(shí)候，在晶粒之間存在許多空隙，空隙的增加導(dǎo)致，介質(zhì)諧振器陶瓷致密度下降，并使介電損耗增加，從而影響介質(zhì)諧振器的介電常數(shù)和Q值。

圖4　不同生坯密度的SEM圖

3.4生坯密度與XRD

從圖5中可知，在密度較低時(shí)候，可能會(huì)形成一些雜項(xiàng)，從而影響介質(zhì)諧振器的性能，在合適的密度情況下，在23度的地方存在一個(gè)特征峰，特征峰的強(qiáng)度從另一方面反映了物相合成好壞［4］。

3.5生坯密度與折彎強(qiáng)度

折彎強(qiáng)度是表征材料強(qiáng)度的一個(gè)重要參數(shù)，折彎強(qiáng)度的大小反映了介質(zhì)諧振器強(qiáng)度大小，從一定程度上反映了介質(zhì)諧振器的耐沖擊強(qiáng)度。從圖6中可以看出，折彎強(qiáng)度過(guò)低會(huì)嚴(yán)重影響K45介質(zhì)諧振器陶瓷材料的折彎強(qiáng)度。選取合適的生坯密度能夠，盡量的提高介質(zhì)諧振器的可靠性。

圖5　不同生坯密度的XRD圖

圖6　不同生坯密度的折彎強(qiáng)度圖紙

4.總結(jié)

總的說(shuō)來(lái)，介電常數(shù)45微波介質(zhì)陶瓷高介電常數(shù)、高Q值、低溫度系數(shù)、溫度系數(shù)連續(xù)可調(diào)、低成本等優(yōu)點(diǎn)，作為最重要的微波介質(zhì)陶瓷，已大量用于介質(zhì)濾波器中，取代傳統(tǒng)的金屬腔體濾波器，在LTE網(wǎng)絡(luò)中廣泛使用。選取合適的生坯密度，能夠顯著的改善介電常數(shù)45微波介質(zhì)介質(zhì)諧振器的介電常數(shù)、Qf值、致密度、折彎強(qiáng)度以及裂紋情況。

參考文獻(xiàn)

［1］TDIA research.跟蹤行業(yè)熱點(diǎn) 助力產(chǎn)業(yè)發(fā)展［J］.行業(yè)觀察，2015，5.

［2］劉菊花，張崇防.綜述：中國(guó)釋放4G網(wǎng)絡(luò)商用信號(hào)給國(guó)際產(chǎn)業(yè)鏈吃“定心丸”. http：//news.xinhuanet.com/2012-02/28/c_122767708.htm. 2012，2，28.

［3］顧其諍.介質(zhì)諧振器的微波電路［M］.人民郵電出版社，1986，1-10.

［4］Dmitry D. Khalyavin， Andrei N. Salak， Ana M. R. Senos，Pedro Q.Mantas.Structure Sequence in the CaTiO3-LaAlO3 Microwave Ceramics—Revised［J］.The American Ceramic Society，J. Am. Ceram. Soc.， 2006，89［5］：1721-1723.

作者簡(jiǎn)介：

呂開(kāi)明（1985—），男，重慶人，碩士，中級(jí)工程師，研究方向：功能材料及器件。