5g基站陶瓷滤波器用高q轻质微波介质陶瓷及制备方法
技术领域
1.本发明属于陶瓷材料技术领域，具体来说，是涉及一种以组分为特征的陶瓷组合物及其制备方法。
技术背景
2.在第五代移动通信技术(5g)的标准下3gpp提出重构方案将cu-du-aau架构引入至5g的接入网中，rru上移和天馈系统合二为一组成aau(有源天线单元)，微波滤波器作为aau单元中rru与天线连接处的核心器件，对基站性能起到举足轻重的作用。
3.除aau外，5g基站中所使用的massive mimo(大规模天线阵列技术)使得基站天线由4g时期的2t2r、4t4r向64t64r发展，天线数目与重量的增加使得aau与massive mimo技术与对滤波器提出了小型化、轻量化的要求，因而设备商倾向于选择体积更小、重量更轻、成本更低的陶瓷滤波器(插损低、稳定性好、承载功率高)。所以，高性能微波介质材料作为研发高品质陶瓷滤波器的关键材料，成为近年来最活跃的研究方向之一。
4.在各类微波介质材料中，li2tio3微波介质陶瓷是一种锂基岩盐类材料，体积密度低(ρ
bul
～3.1g/cm3)，制成相同体积的滤波器，重量轻；原料相对便宜，烧结温度相对低(ts～1230℃)；在毫米波段具有适中的介电常数(εr～19.80)，属于k20系列微波介质材料，确保滤波器小型化的同时，保持较低的传输损耗，是5g基站滤波器和未来可穿戴设备的优选材料。然而，其存在品质因数低(q
×
f～23,600ghz)，谐振频率温度系数略高(τf～+38.5ppm/℃)的缺点。
技术实现要素：
5.本发明针对现有li2tio3微波介质材料品质因数低(q
×
f～23,600ghz)，而谐振频率温度系数略高(τf～+38.5ppm/℃)的技术问题，提供了一种5g基站陶瓷滤波器用高q轻质微波介质陶瓷及其制备方法，通过离子共掺杂(镓、铌离子)改善li2tio3基微波介质陶瓷的介电性能，其不仅密度较轻，而且具有较高的品质因数和较小的谐振频率温度系数，兼具合适的介电常数。
6.本发明通过以下的技术方案予以实现：
7.根据本发明的一个方面，提供了一种5g基站陶瓷滤波器用高q轻质微波介质陶瓷，化学式为li2ti
1-x
(ga
1/2
nb
1/2
)
xo3-y w.t.％nb2o5；其中，x＝0.015～0.03，y＝0～1.5。
8.进一步地，品质因数qf为75,310～136,569ghz，谐振频率温度系数τf为+18.61～+23.08ppm/℃，介电常数εr为20.49～23.38。
9.进一步地，密度为3.09～3.23g/cm3。
10.进一步地，当x＝0.025,y＝0.5时，其品质因数qf为136,569ghz。
11.进一步地，当x＝0.025,y＝1时，其谐振频率温度系数为18.61ppm/℃。
12.根据本发明的另一个方面，提供了一种上述5g基站陶瓷滤波器用高q轻质微波介质陶瓷的制备方法，该方法按照以下步骤进行：
13.(1)按照li2ti
1-x
(ga
1/2
nb
1/2
)
x
o3的化学式分别配取原料碳酸锂、二氧化钛、二氧化锗、三氧化二镓、五氧化二铌；将上述原料以无水乙醇作为球磨剂进行球磨，球磨结束后再将料浆烘干；其中，x＝0.015～0.03；
14.(2)将步骤(1)得到的烘干粉料预合成；
15.(3)将步骤(2)得到的预合成粉料加入y w.t.％nb2o，以无水乙醇作为球磨剂进行球磨，球磨结束后再将料浆烘干；其中，y＝0～1.5，y w.t.％表示加入nb2o5占步骤(2)得到的预合成粉料li2ti
1-x
(ga
1/2
nb
1/2
)
x
o3质量百分比；
16.(4)将步骤(3)得到的烘干粉料造粒、成型为坯体；
17.(5)将步骤(4)成型后的坯体，于1150～1200℃烧结，保温3～6h，制得li2ti
1-x
(ga
1/2
nb
1/2
)
xo3-y w.t.％nb2o5微波介质陶瓷。
18.进一步地，步骤(1)和步骤(3)均在空气氛围下烘干，步骤(5)在空气氛围下烧结。
19.进一步地，步骤(2)中的预合成温度为800℃，保温时间为4h。
20.进一步地，步骤(3)中的造粒是通过加入6wt％的石蜡进行造粒。
21.进一步地，步骤(4)中的烧结温度为1150℃，保温时间为4h。
22.本发明的有益效果是：
23.本发明采用传统的固相合成方法制备5g基站陶瓷滤波器用高q轻质微波介质材料，ga
3+
、nd
5+
的掺杂取代ti
4+
形成li2ti
1-x
(ga
1/2
nb
1/2
)
x
o3固溶体，抑制v
′
li
、ti
′
ti
和等缺陷以及(v
′
li-v
¨
o-v
′
li
)和(ti
′
ti-v
¨
o-vi
′
ti
等缺陷偶极子的产生，降低缺陷引起的晶格非谐振动以及缺陷偶极子造成的弛豫损耗，提升材料的品质因数；并通过添加稳定剂nb2o5，利用ti
4+
＝1/2(ga
3+
+nd
5+
)机制调节结构稳定性，改善材料的谐振频率温度系数，最终获得li2ti
1-x
(ga
1/2
nb
1/2
)
xo3-y w.t.％nb2o5(x＝0.015～0.03，y＝0～1.5)体系材料。本发明的钛酸锂基基站陶瓷滤波器用高q轻质微波介质材料具密度较轻(3.09～3.23g/cm3)，具有较高的品质因数(qf:75,310～136,569ghz)兼具较小的谐振频率温度系数(τf:+18.61～+23.08ppm/℃)，合适的介电常数(εr:20.49～23.38)。
附图说明
24.图1为实施例1-8所制得钛酸锂基微波介质陶瓷的qf变化图；
25.图2为实施例1-8所制得钛酸锂基微波介质陶瓷的介电常数变化图；
26.图3为实施例1-8所制得钛酸锂基微波介质陶瓷的谐振频率温度系数变化图。
具体实施方式
27.下面通过具体的实施例和对比例对本发明作进一步的详细描述：
28.实施例1
29.(1)按照li2ti
1-x
(ga
1/2
nb
1/2
)
x
o3(x＝0.025)的化学式分别配取原料碳酸锂、二氧化钛、三氧化二稼、五氧化二铌，将上述原料装入球磨罐中，以无水乙醇作为球磨剂，球磨12h，再将料浆放入烘箱内在空气氛围下烘干；
30.(2)将步骤(1)得到的烘干粉料经过筛后于800℃预合成，保温4h；
31.(3)将步骤(2)得到的预合成原料过筛后，置于球磨罐中以无水乙醇作为球磨剂，球磨12h，再将浆料放入烘箱内在空气氛围下烘干；
32.(4)将步骤(3)得到的烘干粉料利用6wt％的石蜡进行造粒，并成型为胚体；
33.(5)将步骤(4)成型后的坯体，于1150℃在空气气氛下烧结，保温4h，制得钛酸锂基微波介质陶瓷。
34.实施例2
35.采用实施例1的方法进行制备钛酸锂基微波介质陶瓷，其区别仅在于步骤(3)的预合成原料球磨时加入0.5w.t.％nb2o。
36.实施例3
37.采用实施例1的方法进行制备钛酸锂基微波介质陶瓷，其区别仅在于步骤(3)的预合成原料球磨时加入1w.t.％nb2o。
38.实施例4
39.采用实施例1的方法进行制备钛酸锂基微波介质陶瓷，其区别仅在于步骤(3)的预合成原料球磨时加入1.5w.t.％nb2o。
40.实施例5
41.采用实施例1的方法进行制备钛酸锂基微波介质陶瓷，其区别仅在于步骤(5)中烧结温度为1200℃。
42.实施例6
43.采用实施例2的方法进行制备钛酸锂基微波介质陶瓷，其区别仅在于步骤(5)中烧结温度为1200℃。
44.实施例7
45.采用实施例3的方法进行制备钛酸锂基微波介质陶瓷，其区别仅在于步骤(5)中烧结温度为1200℃。
46.实施例8
47.采用实施例4的方法进行制备钛酸锂基微波介质陶瓷，其区别仅在于步骤(5)中烧结温度为1200℃。
48.实施例9
49.采用实施例2的方法进行制备钛酸锂基微波介质陶瓷，其区别仅在于x＝0.015。
50.实施例10
51.采用实施例3的方法进行制备钛酸锂基微波介质陶瓷，其区别仅在于x＝0.03，并且步骤(5)中烧结温度为1125℃。
52.测试实施例1～10所制得li2ti
1-x
(ga
1/2
nb
1/2
)
xo3-y w.t.％nb2o(x＝0.015～0.03，y＝0～1.5)微波介质陶瓷材料(经后退火处理)的介电性能，如表1所示。
53.表1
54.[0055][0056]
从表1中可以看出，与纯相li2tio3性能(品质因数q
×
f～23,600ghz，谐振频率温度系数τf～+38.5ppm/℃)相比，本发明的钛酸锂基微波介质陶瓷密度较轻(3.09～3.23g/cm3)，品质因数较高(qf:75,310～136,569ghz)，兼具较小的谐振频率温度系数(τf:+18.61～+23.08ppm/℃)与合适的介电常数(εr:20.49～23.38)。
[0057]
其中，最佳配方和性能如下：
[0058]
x＝0.025，y＝0.5；
[0059]
烧结温度：1150℃
[0060]
体积密度：3.21g/cm3[0061]
介电常数：20.49；
[0062]
品质因数：136,569ghz；
[0063]
谐振频率温度系数：19.8ppm/℃
[0064]
图1为实施例1-8所制得钛酸锂基微波介质陶瓷的qf变化图。由图1可知，与纯相li2tio3微波介质材料qf(～23,600ghz)相比，本发明制备的钛酸锂基微波介质陶瓷qf均有明显提升，均在75,061ghz以上。其中，当二次球磨添加nb2o5为0.5w.t.％，烧结温度为1150℃时，该体系qf值达到最高，为136,569ghz。表明了化学式为li2ti
1-x
(ga
1/2
nb
1/2
)
xo3-yw.t.％nb2o5(x＝0.025,y＝0.5)的钛酸锂基高q轻质微波介质陶瓷具有良好的qf。
[0065]
图2为实施例1-8所制得钛酸锂基微波介质陶瓷的介电常数变化图，介电常数均在21-22上下，表明了本发明制备的化学式li2ti
1-x
(ga
1/2
nb
1/2
)
xo3-y w.t.％nb2o5(x＝0.015～0.03，y＝0～1.5)的钛酸锂基高q轻质微波介质陶瓷属于k20系列微波介质材料，可确保保持较低传输损耗的同时，实现滤波器小型化。
[0066]
图3为实施例1-8所制得钛酸锂基微波介质陶瓷的谐振频率温度系数变化图。由图3可知，谐振频率温度系数在+18.6ppm/℃～+23.08ppm/℃之间，与纯相li2tio3(～+38.5ppm/℃)相比更低，频率在温度变化下更稳定。其中，对于li2ti
1-x
(ga
1/2
nb
1/2
)
xo3-yw.t.％nb2o5，谐振频率温度系数在x＝0.025,y＝1时达到最小值18.6ppm/℃。
[0067]
综上，与纯相li2tio3性能(密度ρ
bul
～3.1g/cm3，介电常数εr～19.80，品质因数q
×
f～23,600ghz，谐振频率温度系数τf～+38.5ppm/℃)相比本发明的钛酸锂基高q轻质微波介质陶瓷品质因数较高(qf:75,310～136,569ghz)兼具较小的谐振频率温度系数(τf:+18.61～+23.08ppm/℃)与合适的介电常数(εr:20.95～23.38)，并保持了li2tio3较低密度(3.09～3.23g/cm3)的特点。
[0068]
尽管上面对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。