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          技術突破!在電路板上直接冷燒結陶瓷衛星導航天線
          - 2021-04-02-

          1.研究背景


          衛星導航系統廣泛用于消費電子產品中,并提供導航、定位和跟蹤功能。俄羅斯、美國、歐洲和中國分別安裝了全球衛星導航系統(GLONAS)、全球定位系統(GPS)、伽利略和北斗。天線是確保低延遲、良好接收以提供高精度定位和可靠通信的關鍵組件之一。

          微帶貼片天線由于其外形小巧、成本低廉、易于制造以及可集成到有限空間中的小物理尺寸而成為現代電子產品中的一種流行選擇。微波陶瓷電介質已被廣泛用作車輛衛星導航天線的基板,但常規陶瓷燒結技術通常使用1200°C以上的高溫來致密化陶瓷,無法與低熔點賤金屬電極(銀、 銅、鋁等)共燒。因此,低溫共燒陶瓷(LTCC,燒結溫度700-1000°C)和超低溫共燒陶瓷(ULTCC,燒結溫度400-700°C)隨之迅速發展。

          然而,某些高度集成、直接緊湊的系統需要可直接在聚合物基印刷電路板(PCB)上制造的衛星導航天線。因此,需要徹底改變微波陶瓷及射頻器件制造工藝,將具有低損耗(高品質因數,Q×f ≥ 3000 GHz)、溫度穩定(低的諧振頻率溫度系數,TCF = +/-3 ppm/°C)和中低介電常數 (8 < εr < 40)的微波陶瓷在200°C以下致密化并允許直接在PCB上印刷/壓制,從而降低制造成本和節省能源,并實現完全集成。


          2.研究成果


          英國謝菲爾德大學Ian M. Reaney教授團隊的王大偉博士(第一及通訊作者),聯合英國拉夫堡大學Shiyu Zhang博士(共同一作)、西安交通大學周迪教授和杭州電子科技大學宋開新教授針對上述問題,利用冷燒結技術在超低溫150°C成功制備了致密度大于95%的Bi2Mo2O9-K2MoO4(BMO-KMO)復合微波陶瓷。XRD、Raman、BSE和EDX等表征手段證明了BMO和KMO兩相共存,沒有發生化學反應(圖1)。BMO-10%KMO復合陶瓷具有近零溫度系數(TCF = -1 ppm/°C)、中介電常數 (εr = 31)和較高的品質因素(Q×f = 3000 GHz)(表1)。進一步,利用冷燒結技術將BMO-10%KMO復合陶瓷直接與PCB集成設計制造了可以用于衛星導航的圓極化微帶貼片天線(圖2),工作頻率范圍覆蓋北斗、GPS和伽利略導航頻率(圖3),具有87%-88%的高效率,圓極化良好(表2,圓極化性能對于衛星導航應用尤其重要,因為發射和接收天線的相對方向不固定,并且圓極化能夠克服電離層帶來的法拉第旋轉效應,從而最大限度地提高信號接收)。本工作首次將溫度穩定的冷燒結陶瓷直接低成本、低能量地集成到PCB上,代表了射頻器件基板制造技術的一步重要變化。這一成果近期發表在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)。



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