高介电常数覆铜板在小型化微带天线中的应用

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)国家电子电路基材工程技术研究中心 作者:颜善银

  由于高介电常数覆铜板在小型化微带天线中的广泛、重要应用,本文对微带天线的小型化方法、微带天线的理论与设计和高介电常数覆铜板的制作进行了简要概述。

1、前言

  无线通信技术是通过电磁波的辐射来完成。电磁波的产生,基本上是电场与磁场的变化过程,将能量以波的方式在空间中传递,而天线的存在提了电场变化的环境。现代电磁学历经三百多年的发展,日臻完善。天线作为实现无线电应用的关键设备,随着微电子技术与大规模集成电路的迅猛发展,对能与设备大小协调且具有有效电性能的小天线的需求愈加迫切。

  然而遗憾的是,在较低频段,传统的半波长微带天线尺寸仍然太大。这样,实用化小型微带天线的研制,特别是用作第三代移动通信系统、蓝牙系统、无线定位系统及卫星导航系统的天线,成为国内外研究热点。尤其在卫星导航产业,据估计,到2020年导航应用产业的经济效益可达2600亿元,总收益甚至可达4200亿元。我国已建成的“北斗一号”卫星导航系统,填补了我国卫星导航定位领域的空白。与普通微波天线相比,微带天线重量轻、体积小、剖面薄、具有低轮廓、可共形、易集成,以及便于获得圆极化,实现双频段、双极化工作等多项优点。微带天线是一维小天线,必须经恰当设计才能获得良好性能。

2、微带天线小型化的方法

  微带天线是20世纪70年代初期研制成功的一种天线形式。由于其结构简单、低剖面、重量轻、可与飞行器表面共形安装和可与微带电路集成等优点,在通信、雷达等领域得到了广泛的应用。但由于微带天线是一种谐振结构,故当其应用于较低的频率时,其结构尺寸通常都较大,不能满足某些小尺寸要求。而且近年来,无线通信系统的不断发展对个人通信终端模块提出了更高的要求。

5、高介电常数材料介绍

  传统的高介电材料包括铁电陶瓷材料和聚合物材料。陶瓷材料有较高的介电常数,但在制备陶瓷瓷体材料时需高温烧结,得到的材料具有孔隙率较高、机械性能差、损耗大等弊端;聚合物具有良好的力学性能、优良的冲击性能、良好的电绝缘性、低介电损耗、优越的加工性能、质量轻以及低成本等优势,但除少数材料外,其介电常数通常较低。以高介电陶瓷粒子填充的聚合物基复合材料,结合了高分子材料和无机材料优点,可以同时具有介电常数高、介电损耗低、易加工等优良性能,成为制备高介电常数、低损耗材料的一种趋势。

5.1、高介电常数聚合物基复合材料介绍

  制备高介电常数聚合物基复合材料所使用的基体主要有聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物(PVDF-TrFE)、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯共聚物(PVDF-TrFE-CTFE)、三元乙丙橡胶(EPDM)、环氧树脂(Epoxy Resin)、氰酸酯(CE)、双马来酰亚胺(BMI)以及聚酰亚胺(PI)等。制备高介电常数高分子复合材料的无机粒子主要有陶瓷、碳类和金属粒子。

  目前常用的高介电常数填料有钛酸钡)BaTiO3,BT)、钛酸锶钡(BaxSr1-xTiO3,BST)、钛酸铅(PbTiO3,PT)、铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)等无机铁电陶瓷以及TiO2等氧化物。杨晓军等以钛酸钡(BT)粉末与环氧树脂(EP)采用溶液共混法制备了0-3型两相复合材料,研究发现,EP/BT复合物的介电常数随BT颗粒粒径的增大而增大,这与BT颗粒的介电常数随粒径的变化规律一致。随BT体积分数的增加,EP/BT复合材料的介电常数呈非线性增长,介电损耗的变化不明显,均在0.015~0.025之间。而且介电常数和介电损耗在103Hz ~ 107 Hz的频率范围内较为稳定。Chao等[27]研究了氰酸酯/BaTiO3体系的介电性能,用硅烷偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)对填料进行了处理,提高BaTiO3粒子的分散性,从而提高材料的介电性能。当填料含量为60%(质量分数)时,1 MHz下体系的介电常数达15.823,介电损耗低至0.001。

  朱宝库等通过将聚酰胺酸溶液与硅烷偶联剂处理的钛酸钡(BaTiO3)粒子进行溶液共混,亚胺化后得到高介电常数的聚酰亚胺/BaTiO3复合膜。复合膜的介电常数和介电损耗随着BaTiO3粒子含量的增加而增加,在50%(体积分数)时,介电常数可达35,介电损耗为0.0082(10 kHz),而且在相当大的温度和频率范围内保持稳定,是一种综合性能良好的高介电常数材料。

5.2、高介电常数覆铜板介绍

  高介电常数覆铜板由高介电常数介质材料和铜箔组成,研制具有高介电常数和良好绝缘性能及加工性能的介质材料是关键,介质材料通常利用上文所述的高介电常数聚合物基复合材料。

  张景奎用普通FR-4型覆铜板浸胶料制成了介电常数为106,介质损耗为0.0487,其它性能接近于FR-4的一种新型高介电常数铝基覆铜板。在相同的体积和电场强度下,金属与电介质构成的复合覆铜板的电极化强度远大于纯电介质材料。

  金红石型二氧化钛的介电常数较大(Dk=114),介质损耗很小(Df=0.001),在树脂体系中少量添加,就可以达到调节介电常数的目的,而且二氧化钛的粒径小,且呈球形,易于在树脂溶液中搅拌均匀。刘军采用聚苯醚(PPO)树脂体系,同时采用金红石型二氧化钛复合陶瓷粉材料作为介电常数调节剂,研制开发出了介电常数为6.23(9.37 GHz),介质损耗因数为0.0014(9.37 GHz)的金属基覆铜板。

  张翔宇等通过填料预分散法和原位聚合法合成了一种BaTiO3填充的热塑性聚酰亚胺(TPI)树脂。添加BaTiO3的主要目的是提高整个材料的介电常数。BaTiO3含量(重量比)为20%、40%、60%、80%的TPI的Dk分别为3.44、6.07、9.34、21.30,Df分别为0.0062、0.0080、0.0108、0.0194。随着填料加入量的增加,介电常数也相应增加。值得注意的是,填料含量在60%后,介电常数和介电损耗开始突增。这与填料含量只有增加到一个临界值后才急剧增大的现象相符。BaTiO3含量为20%、40%、60%、80%的TPI与铜箔的剥离强度分别为:2.00 N/mm、1.85 N/mm、1.75 N/mm、0.78 N/mm。

  李小兰采用自制的溴化环氧树脂、BMI型聚酰亚胺、氰酸酯树脂三种有机树脂(树脂的介电性能见表1)、钛酸钡陶瓷粉及分散剂、溶剂等配成一定粘度的胶粘剂,用50 g/m2的玻璃纤维无纺布浸胶后,在一定的条件下烘干制作成粘结片,双面用35 m铜箔,在4.9 MPa(50 kg/cm2)的压力下进行热压成型,压制温度170 ℃ ~ 175 ℃,保温2 h。采用三种树脂制作的高介电常数覆铜板性能见表2。

表1 常见有机树脂的介电性能

常见有机树脂的介电性能

表2 高介电常数覆铜板检测结果

高介电常数覆铜板检测结果

6、结语

  微带天线由于结构简单、体积小、成本低以及优良的电性能在卫星终端领域获得了广泛的应用,特别是近年来便携式导航产品(车用导航仪、智能手机等)的普及,更使得微带天线的用量越来越大。长期以来,卫星导航天线用介质基板材料主要是陶瓷基板,虽然陶瓷基板材料的介电常数大,可以满足卫星导航天线小型化的要求,但是其价格昂贵,脆性大,加工困难,很难在民用产品中大量应用。因此,具有优异介电性能、良好加工性能及高可靠性的有机介质基板材料成为材料界的产品开发方向之一。作为有机介质基板材料的高介电常数覆铜板的研究与开发,具有非常大的市场前景和应用价值。

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