[发明专利]一种负热膨胀系数微波陶瓷及其3D打印介质谐振器天线

说明书

本发明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_{(1‑x)*(1‑y)}Sr_(1‑x)*yZn_2‑0.2xSi_2‑xO_7‑3.2x，0≤x≤1，0≤y≤0.8。该陶瓷具有低介电常数(ε_r＝6.5～8.6)、较高的品质因数(Q×f＝7676～109094GHz)、烧结温度为(1200℃～1350℃)，其热膨胀系数可以自调控，范围为‑10～10.1ppm/℃，是一种具有热膨胀系数自调控的微波介质陶瓷材料，该微波介质陶瓷可以作为一种3D打印透镜加载介质谐振器天线，其介质谐振器结构由上部分的陶瓷透镜、中间部分支撑结构和下部分的陶瓷圆柱经3D打印一体化制成。本发明适用于变温场景的5G高频段通信系统，具有高增益、高效率、高热稳定性、结构简单、易集成的特点，解决现有毫米波介质谐振器天线增益较低的难题。

技术领域

本发明属于微波介质陶瓷技术领域，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。

背景技术

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。

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。

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。

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。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明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。