4G通讯用介电常数45微波介质谐振器

2016-08-08 07:54广东风华高新科技股份有限公司吕开明
电子世界 2016年13期
关键词:生坯谐振器介电常数

广东风华高新科技股份有限公司 吕开明



4G通讯用介电常数45微波介质谐振器

广东风华高新科技股份有限公司 吕开明

【摘要】TD-LTE(4G)是未来通讯网络发展的必选之路,介电常数45微波介质陶瓷高介电常数、高Q值、低温度系数、温度系数连续可调、低成本等优点。通过优化介电常数45微波介质谐振器的成型参数,实现其高性能及高可靠性。

【关键词】介质谐振器;TD-LTE;4G;生坯密度

1.引言

近年来,随着移动通讯的迅猛发展,特别是第四代移动通信网络(4G)TD-LTE时代来临。全球LTE网络发展迅速,已有419个商用网络,全球LTE用户超过7.76亿,如图1。中国4G用户累计达到2.34亿,中国4G基站出货量累计达到134万个,占比全球4G基站总出货量的50%以上,中国是全球规模最大的4G网络运营国家[1]。LTE必将成为通讯运营商未来通讯网络发展的必选之路,但频谱资源紧张、高耗能、高成本等众多挑战也使运营商面临着更加严峻的成本压力,提高频谱利用率成当务之急[2,3]。

图1 全球商用LTE网络

介电常数45微波介质陶瓷介电常数具有性能优异(Qf值44000)、能够实现零温漂且温漂系数连续可调(-20~+20ppm范围内)、成本极低等优点。介电常数45微波介质谐振器制备而成的介质滤波器与传统金属腔体滤波器相比,在产品性能上温度特性更优、损耗更小、体积更小、重量更轻、整机功耗更小等优点。其成本优势将得到市场的极大青睐,成为目前国内市场占有率最大的微波介质陶瓷器件。优化介电常数45围钵介质陶瓷的成型技术具有重要意义。

2.实验

采用固相法制备的介电常数45微波介质陶瓷粉体,通过HPP-250S全自动粉末成型机进行成型。然后把产品放入1700度烧结炉中以每分钟3℃的升温速度升至1550℃,保温300min,随炉冷却。采用DX-2500型x射线衍射仪分析晶体结构;用精密的安捷伦E5063A网络分析仪进行介电性能检测,测试频率范围为100kHz~8.5GHz,测试温度范围为-40~85℃。

3.结果与分析

3.1生坯密度与Q值

品质因数Qf表征了微波介质材料的损耗大小。微波介质陶瓷的损耗和滤波器的一个重要要求是插入损耗息息相关。Qf值越大,滤波器的插入损耗就越低,滤波器所占用的频谱资源就越少。从图2可知,Qf值随着密度升高而先升高后降低,在生坯密度2.35~2.55g/mm3时候Qf值达到最佳。值得注意的是,在生坯密度低于2.35g/mm3,Qf值剧烈变化,表明生坯较低时候,粉体颗粒之前不能充分接触,不能够得到充分反应,得到致密化陶瓷。瓷粉生坯密度需要达到理论密度50%以上。当然,随着生坯密度增加,Qf值趋于稳定,但随着生坯密度增加,介质谐振器出现裂纹的几率增加。通过选择合适的成型密度,保证介质谐振器在使用相同的介电常数45微波介质陶瓷粉体的情况下,具有更高的Qf值。

图2 成型密度与Q值

3.2成型密度与介电常数

介电常数越大,采用微波介电陶瓷制备的滤波器尺寸就越小,它直接影响了滤波器产品的尺寸。从图3可知,随着成型密度提高,介电常数也在逐渐增加,表明成型密度直接影响介电常数大小,从而影响介质谐振器频率一致性。因此,成型工艺环节需要选取合适的压机,保证压制的一致性;同时在采用机械式压机成型介质谐振器时,需要严格控制生坯密度的公差,确保生坯密度的一致性,从而从成型环节保证产品介电常数的一致性。这将给批量生产过程中,介质谐振器产品的后续加工带来极大的便利。

图3 成型密度与介电常数

3.3生坯密度与SEM分析

图4是不同生坯密度介质谐振器的电镜分析图,从图中可以看出,在生坯密度较低时候,在晶粒之间存在许多空隙,空隙的增加导致,介质谐振器陶瓷致密度下降,并使介电损耗增加,从而影响介质谐振器的介电常数和Q值。

图4 不同生坯密度的SEM图

3.4生坯密度与XRD

从图5中可知,在密度较低时候,可能会形成一些杂项,从而影响介质谐振器的性能,在合适的密度情况下,在23度的地方存在一个特征峰,特征峰的强度从另一方面反映了物相合成好坏[4]。

3.5生坯密度与折弯强度

折弯强度是表征材料强度的一个重要参数,折弯强度的大小反映了介质谐振器强度大小,从一定程度上反映了介质谐振器的耐冲击强度。从图6中可以看出,折弯强度过低会严重影响K45介质谐振器陶瓷材料的折弯强度。选取合适的生坯密度能够,尽量的提高介质谐振器的可靠性。

图5 不同生坯密度的XRD图

图6 不同生坯密度的折弯强度图纸

4.总结

总的说来,介电常数45微波介质陶瓷高介电常数、高Q值、低温度系数、温度系数连续可调、低成本等优点,作为最重要的微波介质陶瓷,已大量用于介质滤波器中,取代传统的金属腔体滤波器,在LTE网络中广泛使用。选取合适的生坯密度,能够显著的改善介电常数45微波介质介质谐振器的介电常数、Qf值、致密度、折弯强度以及裂纹情况。

参考文献

[1]TDIA research.跟踪行业热点 助力产业发展[J].行业观察,2015,5.

[2]刘菊花,张崇防.综述:中国释放4G网络商用信号给国际产业链吃“定心丸”. http://news.xinhuanet.com/2012-02/28/c_122767708.htm. 2012,2,28.

[3]顾其诤.介质谐振器的微波电路[M].人民邮电出版社,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.

作者简介:

吕开明(1985—),男,重庆人,硕士,中级工程师,研究方向:功能材料及器件。

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