广东风华高新科技股份有限公司 吕开明



4G通讯用介电常数45微波介质谐振器

广东风华高新科技股份有限公司 吕开明

【摘要】TD-LTE（4G）是未来通讯网络发展的必选之路，介电常数45微波介质陶瓷高介电常数、高Q值、低温度系数、温度系数连续可调、低成本等优点。通过优化介电常数45微波介质谐振器的成型参数，实现其高性能及高可靠性。

【关键词】介质谐振器；TD-LTE；4G；生坯密度

1.引言

近年来，随着移动通讯的迅猛发展，特别是第四代移动通信网络（4G）TD-LTE时代来临。全球LTE网络发展迅速，已有419个商用网络，全球LTE用户超过7.76亿，如图1。中国4G用户累计达到2.34亿，中国4G基站出货量累计达到134万个，占比全球4G基站总出货量的50%以上，中国是全球规模最大的4G网络运营国家［1］。LTE必将成为通讯运营商未来通讯网络发展的必选之路，但频谱资源紧张、高耗能、高成本等众多挑战也使运营商面临着更加严峻的成本压力，提高频谱利用率成当务之急［2，3］。

图1　全球商用LTE网络

介电常数45微波介质陶瓷介电常数具有性能优异（Qf值44000）、能够实现零温漂且温漂系数连续可调（-20～+20ppm范围内）、成本极低等优点。介电常数45微波介质谐振器制备而成的介质滤波器与传统金属腔体滤波器相比，在产品性能上温度特性更优、损耗更小、体积更小、重量更轻、整机功耗更小等优点。其成本优势将得到市场的极大青睐，成为目前国内市场占有率最大的微波介质陶瓷器件。优化介电常数45围钵介质陶瓷的成型技术具有重要意义。

2.实验

采用固相法制备的介电常数45微波介质陶瓷粉体，通过HPP-250S全自动粉末成型机进行成型。然后把产品放入1700度烧结炉中以每分钟3℃的升温速度升至1550℃，保温300min，随炉冷却。采用DX-2500型x射线衍射仪分析晶体结构；用精密的安捷伦E5063A网络分析仪进行介电性能检测，测试频率范围为100kHz～8.5GHz，测试温度范围为-40～85℃。

3.结果与分析

3.1生坯密度与Q值

品质因数Qf表征了微波介质材料的损耗大小。微波介质陶瓷的损耗和滤波器的一个重要要求是插入损耗息息相关。Qf值越大，滤波器的插入损耗就越低，滤波器所占用的频谱资源就越少。从图2可知，Qf值随着密度升高而先升高后降低，在生坯密度2.35～2.55g/mm3时候Qf值达到最佳。值得注意的是，在生坯密度低于2.35g/mm3，Qf值剧烈变化，表明生坯较低时候，粉体颗粒之前不能充分接触，不能够得到充分反应，得到致密化陶瓷。瓷粉生坯密度需要达到理论密度50%以上。当然，随着生坯密度增加，Qf值趋于稳定，但随着生坯密度增加，介质谐振器出现裂纹的几率增加。通过选择合适的成型密度，保证介质谐振器在使用相同的介电常数45微波介质陶瓷粉体的情况下，具有更高的Qf值。

图2　成型密度与Q值

3.2成型密度与介电常数

介电常数越大，采用微波介电陶瓷制备的滤波器尺寸就越小，它直接影响了滤波器产品的尺寸。从图3可知，随着成型密度提高，介电常数也在逐渐增加，表明成型密度直接影响介电常数大小，从而影响介质谐振器频率一致性。因此，成型工艺环节需要选取合适的压机，保证压制的一致性；同时在采用机械式压机成型介质谐振器时，需要严格控制生坯密度的公差，确保生坯密度的一致性，从而从成型环节保证产品介电常数的一致性。这将给批量生产过程中，介质谐振器产品的后续加工带来极大的便利。

图3　成型密度与介电常数

3.3生坯密度与SEM分析

图4是不同生坯密度介质谐振器的电镜分析图，从图中可以看出，在生坯密度较低时候，在晶粒之间存在许多空隙，空隙的增加导致，介质谐振器陶瓷致密度下降，并使介电损耗增加，从而影响介质谐振器的介电常数和Q值。

图4　不同生坯密度的SEM图

3.4生坯密度与XRD

从图5中可知，在密度较低时候，可能会形成一些杂项，从而影响介质谐振器的性能，在合适的密度情况下，在23度的地方存在一个特征峰，特征峰的强度从另一方面反映了物相合成好坏［4］。

3.5生坯密度与折弯强度

折弯强度是表征材料强度的一个重要参数，折弯强度的大小反映了介质谐振器强度大小，从一定程度上反映了介质谐振器的耐冲击强度。从图6中可以看出，折弯强度过低会严重影响K45介质谐振器陶瓷材料的折弯强度。选取合适的生坯密度能够，尽量的提高介质谐振器的可靠性。

图5　不同生坯密度的XRD图

图6　不同生坯密度的折弯强度图纸

4.总结

总的说来，介电常数45微波介质陶瓷高介电常数、高Q值、低温度系数、温度系数连续可调、低成本等优点，作为最重要的微波介质陶瓷，已大量用于介质滤波器中，取代传统的金属腔体滤波器，在LTE网络中广泛使用。选取合适的生坯密度，能够显著的改善介电常数45微波介质介质谐振器的介电常数、Qf值、致密度、折弯强度以及裂纹情况。

参考文献

［1］TDIA research.跟踪行业热点 助力产业发展［J］.行业观察，2015，5.

［2］刘菊花，张崇防.综述：中国释放4G网络商用信号给国际产业链吃“定心丸”. http：//news.xinhuanet.com/2012-02/28/c_122767708.htm. 2012，2，28.

［3］顾其诤.介质谐振器的微波电路［M］.人民邮电出版社，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.

作者简介：

吕开明（1985—），男，重庆人，硕士，中级工程师，研究方向：功能材料及器件。