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技术突破！在电路板上直接冷烧结陶瓷卫星导航天线

微波射频网

2020-08-15

导读：微带贴片天线由于其外形小巧、成本低廉、易于制造以及可集成到有限空间中的小物理尺寸而成为现代电子产品中的一种流行选择。

研究背景

卫星导航系统广泛用于消费电子产品中，并提供导航、定位和跟踪功能。俄罗斯、美国、欧洲和中国分别安装了全球卫星导航系统（GLONAS）、全球定位系统（GPS）、伽利略和北斗。天线是确保低延迟、良好接收以提供高精度定位和可靠通信的关键组件之一。微带贴片天线由于其外形小巧、成本低廉、易于制造以及可集成到有限空间中的小物理尺寸而成为现代电子产品中的一种流行选择。微波陶瓷电介质已被广泛用作车辆卫星导航天线的基板，但常规陶瓷烧结技术通常使用1200°C以上的高温来致密化陶瓷，无法与低熔点贱金属电极（银、铜、铝等）共烧。因此，低温共烧陶瓷（LTCC，烧结温度700-1000°C）和超低温共烧陶瓷（ULTCC，烧结温度400-700°C）随之迅速发展。然而，某些高度集成、直接紧凑的系统需要可直接在聚合物基印刷电路板（PCB）上制造的卫星导航天线。因此，需要彻底改变微波陶瓷及射频器件制造工艺，将具有低损耗（高品质因数，Q×f ≥ 3000 GHz）、温度稳定（低的谐振频率温度系数，TCF = +/-3 ppm/°C）和中低介电常数（8 < ε_r< 40）的微波陶瓷在200°C以下致密化并允许直接在PCB上印刷/压制，从而降低制造成本和节省能源，并实现完全集成。

研究成果

英国谢菲尔德大学Ian M. Reaney教授团队的王大伟博士（第一及通讯作者），联合英国拉夫堡大学Shiyu Zhang博士（共同一作）、西安交通大学周迪教授和杭州电子科技大学宋开新教授针对上述问题，利用冷烧结技术在超低温150°C成功制备了致密度大于95%的Bi₂Mo₂O₉-K₂MoO₄（BMO-KMO）复合微波陶瓷。XRD、Raman、BSE和EDX等表征手段证明了BMO和KMO两相共存，没有发生化学反应（图1）。BMO-10%KMO复合陶瓷具有近零温度系数（TCF = -1 ppm/°C）、中介电常数（ε_r= 31）和较高的品质因素（Q×f = 3000 GHz）（表1）。进一步，利用冷烧结技术将BMO-10%KMO复合陶瓷直接与PCB集成设计制造了可以用于卫星导航的圆极化微带贴片天线（图2），工作频率范围覆盖北斗、GPS和伽利略导航频率（图3），具有87%-88%的高效率，圆极化良好（表2，圆极化性能对于卫星导航应用尤其重要，因为发射和接收天线的相对方向不固定，并且圆极化能够克服电离层带来的法拉第旋转效应，从而最大限度地提高信号接收）。本工作首次将温度稳定的冷烧结陶瓷直接低成本、低能量地集成到PCB上，代表了射频器件基板制造技术的一步重要变化。这一成果近期发表在Journal of the European Ceramic Society上（Direct Integration of Cold Sintered, Temperature-Stable Bi₂Mo₂O₉-K₂MoO₄ Ceramics on Printed Circuit Boards for Satellite Navigation Antennas, 40 (2020) 4029–4034）。

图文解析

表1. BMO-xKMO陶瓷的烧结温度（ST）、相对密度（ρ_r）和微波介电性能。