4G通訊用介電常數45微波介質諧振器

廣東風華高新科技股份有限公司 呂開明

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4G通訊用介電常數45微波介質諧振器

廣東風華高新科技股份有限公司 呂開明

【摘要】TD-LTE（4G）是未來通訊網絡發展的必選之路，介電常數45微波介質陶瓷高介電常數、高Q值、低溫度系數、溫度系數連續可調、低成本等優點。通過優化介電常數45微波介質諧振器的成型參數，實現其高性能及高可靠性。

【關鍵詞】介質諧振器；TD-LTE；4G；生坯密度

1.引言

近年來，隨著移動通訊的迅猛發展，特別是第四代移動通信網絡（4G）TD-LTE時代來臨。全球LTE網絡發展迅速，已有419個商用網絡，全球LTE用戶超過7.76億，如圖1。中國4G用戶累計達到2.34億，中國4G基站出貨量累計達到134萬個，占比全球4G基站總出貨量的50%以上，中國是全球規模最大的4G網絡運營國家［1］。LTE必將成為通訊運營商未來通訊網絡發展的必選之路，但頻譜資源緊張、高耗能、高成本等眾多挑戰也使運營商面臨著更加嚴峻的成本壓力，提高頻譜利用率成當務之急［2，3］。

圖1　全球商用LTE網絡

介電常數45微波介質陶瓷介電常數具有性能優異（Qf值44000）、能夠實現零溫漂且溫漂系數連續可調（-20～+20ppm范圍內）、成本極低等優點。介電常數45微波介質諧振器制備而成的介質濾波器與傳統金屬腔體濾波器相比，在產品性能上溫度特性更優、損耗更小、體積更小、重量更輕、整機功耗更小等優點。其成本優勢將得到市場的極大青睞，成為目前國內市場占有率最大的微波介質陶瓷器件。優化介電常數45圍缽介質陶瓷的成型技術具有重要意義。

2.實驗

采用固相法制備的介電常數45微波介質陶瓷粉體，通過HPP-250S全自動粉末成型機進行成型。然后把產品放入1700度燒結爐中以每分鐘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構；用精密的安捷倫E5063A網絡分析儀進行介電性能檢測，測試頻率范圍為100kHz～8.5GHz，測試溫度范圍為-40～85℃。

3.結果與分析

3.1生坯密度與Q值

品質因數Qf表征了微波介質材料的損耗大小。微波介質陶瓷的損耗和濾波器的一個重要要求是插入損耗息息相關。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時候Qf值達到最佳。值得注意的是，在生坯密度低于2.35g/mm3，Qf值劇烈變化，表明生坯較低時候，粉體顆粒之前不能充分接觸，不能夠得到充分反應，得到致密化陶瓷。瓷粉生坯密度需要達到理論密度50%以上。當然，隨著生坯密度增加，Qf值趨于穩定，但隨著生坯密度增加，介質諧振器出現裂紋的幾率增加。通過選擇合適的成型密度，保證介質諧振器在使用相同的介電常數45微波介質陶瓷粉體的情況下，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

介電常數越大，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品的尺寸。從圖3可知，隨著成型密度提高，介電常數也在逐漸增加，表明成型密度直接影響介電常數大小，從而影響介質諧振器頻率一致性。因此，成型工藝環節需要選取合適的壓機，保證壓制的一致性；同時在采用機械式壓機成型介質諧振器時，需要嚴格控制生坯密度的公差，確保生坯密度的一致性，從而從成型環節保證產品介電常數的一致性。這將給批量生產過程中，介質諧振器產品的后續加工帶來極大的便利。

圖3　成型密度與介電常數

3.3生坯密度與SEM分析

圖4是不同生坯密度介質諧振器的電鏡分析圖，從圖中可以看出，在生坯密度較低時候，在晶粒之間存在許多空隙，空隙的增加導致，介質諧振器陶瓷致密度下降，并使介電損耗增加，從而影響介質諧振器的介電常數和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，在密度較低時候，可能會形成一些雜項，從而影響介質諧振器的性能，在合適的密度情況下，在23度的地方存在一個特征峰，特征峰的強度從另一方面反映了物相合成好壞［4］。

3.5生坯密度與折彎強度

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

圖5　不同生坯密度的XRD圖

圖6　不同生坯密度的折彎強度圖紙

4.總結

總的說來，介電常數45微波介質陶瓷高介電常數、高Q值、低溫度系數、溫度系數連續可調、低成本等優點，作為最重要的微波介質陶瓷，已大量用于介質濾波器中，取代傳統的金屬腔體濾波器，在LTE網絡中廣泛使用。選取合適的生坯密度，能夠顯著的改善介電常數45微波介質介質諧振器的介電常數、Qf值、致密度、折彎強度以及裂紋情況。

參考文獻

［1］TDIA research.跟蹤行業熱點 助力產業發展［J］.行業觀察，2015，5.

［2］劉菊花，張崇防.綜述：中國釋放4G網絡商用信號給國際產業鏈吃“定心丸”. http：//news.xinhuanet.com/2012-02/28/c_122767708.htm. 2012，2，28.

［3］顧其諍.介質諧振器的微波電路［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.

作者簡介：

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