一种铁氧体基磁性天线基板的制备方法

1.本发明属于天线基板制备技术领域，具体涉及一种铁氧体基磁性天线基板的制备方法。


背景技术：

2.基于传统非磁性介质基板的天线小型化(紧凑化)设计往往与天线的宽带需求是矛盾的。针对这一问题，研究人员目前主要通过天线物理结构优化，获得一定程度的改善效果。根据电磁理论，天线的尺寸为四分之一介质波长的整数倍，因此使用磁性材料作为天线基板可以通过提高介质磁导率显著缩小天线物理尺寸。同时，天线的带宽可以理解为介质与空气之间的阻抗匹配问题，随着磁导率的增加并接近于相对介电常数时，介质中的波阻抗逐渐与空气波阻抗匹配，从而拓展了带宽。综上所述，含有磁导率的磁性介质材料在缩小天线尺寸的同时还可以拓展带宽，并且可以兼容传统的天线结构设计，因此这种材料有着较好的应用前景。
3.铁氧体材料有着高磁导率的特点，但是传统的铁氧体材料截止频率低、损耗大，经常被应用于khz、mhz频率下天线的设计中。对于更高的ghz频率，尽管六角铁氧体或尖晶石ni-zn铁氧体等有着较高的磁导率，较高的截止频率，适合用于射频，微波频段的器件设计，但同时也会引入较大的磁介电损耗，即使与聚合物做成复合材料，其损耗角正切仍然较高，(》0.05)，超过典型商用聚合物天线基板损耗(《0.001)一个数量级以上。使用这种材料设计的天线效率往往较低，且增益也会受到影响，不能满足实际应用的需求。因此，磁性材料的损耗控制与降损耗处理是目前磁性天线介质基板研究中的关键问题。
4.为了降低磁性介质的损耗，采用原子层沉积法(ald，atomic layer deposition是一种可以将物质单原子一层层的沉积在基底表面的方法)在铁氧体材料的表面沉积上一层厚度可控的低损耗介质，以实现降低复合材料整体损耗的有益效果，从而提高天线的综合性能，尤其是获得天线的增益和天线效率的提升，促进磁性基板的实用化。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种铁氧体基磁性天线基板的制备方法，获得具有低磁介电损耗的基板。
6.本发明所采用的技术方案是，一种铁氧体基磁性天线基板的制备方法，具体按照以下步骤实施：
7.步骤1，对铁氧体粉体原料进行ald处理；
8.步骤2，将步骤1得到的铁氧体粉末与聚合物进行复合加工，即可得到天线基板。
9.本发明的特点还在于，
10.步骤1中，具体为：
11.步骤1.1，将铁氧体粉体原料放入原子沉积设备中，抽真空至腔室压力小于5.3pa，同时升温至预设温度并保温30min，预设温度为50-200℃；
12.步骤1.2，将前驱体物质进行加热气化，形成前驱体气体，将前驱体气体和氧源气体分别通入原子沉积设备中进行原子沉积反应；
13.步骤1.3，经步骤2后，将惰性气体通入原子沉积设备中进行吹扫；吹扫时间为10-300秒，清洗反应残留，完成后，收集粉体备用。
14.步骤1.1中，铁氧体原料为m型六角铁氧体、y型六角铁氧体、z型六角铁氧体、尖晶石型铁氧体中的任意一种。
15.步骤1.2中，前驱体为al(ch3)3、c8h
24
n4ti、ticl4、sih4、zn(c2h5)2中的任意一种；前驱体物质的加热温度为50～100℃。
16.步骤1.2中，前驱气体通入时间为1-100秒，氧源通入的时间为1-200秒。
17.步骤2中，铁氧体粉末与聚合物质量比为1～6：4～9；聚合物具体为环氧树脂、pvdf、橡胶、hdpe、poe中的任意一种。
18.本发明的有益效果是：本发明的方法，选择适当的低损耗沉积层材料，通过ald技术处理铁氧体粉体表面，控制沉积层的厚度，在不影响磁导率的前提下，降低了基板的磁介电损耗。
附图说明
19.图1是本发明方法中ald的沉积原理图；
20.图2是本发明的实施例1中nzo粉体材料经过ald表面处理前后的电镜照片以及ald处理后粉末的x-射线衍射光谱图；
21.图3是本发明的实施例1中经过ald表面处理的nzo粉体材料磁滞回线；
22.图4是本发明的实施例1中nzo/橡胶复合材料所测得的相对介电常数与磁导率；
23.图5是本发明的实施例1中nizn铁氧体包覆有al2o3与橡胶复合的基板上设计的微带贴片天线以及未经ald处理的基板制作的天线的s
11
参数对比；
24.图6是本发明的实施例1中nizn铁氧体包覆有al2o3与橡胶复合的基板上设计的微带贴片天线以及未经ald处理的基板制作的天线方向图与天线辐射效率对比；
25.图7是本发明的实施例2中z型六角铁氧体包覆有tio2与环氧树脂的基板制成的微带贴片天线以及未经ald处理的基板的仿真s
11
参数；
26.图8是本发明的实施例2中z型六角铁氧体包覆有tio2与环氧树脂的基板制成的微带贴片天线以及未经ald处理的基板的中心频点的辐射方向图；
27.图9是本发明的实施例3中m型六角铁氧体包覆zno后与pvdf的基板制成的微带贴片天线以及未经ald处理的基板的中心频点辐射方向图；
28.图10是本发明的实施例3中m型六角铁氧体包覆zno后与pvdf的基板制成的微带贴片天线以及未经ald处理的基板的中心频点辐射方向图。
具体实施方式
29.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
30.本发明一种铁氧体基磁性天线基板的制备方法，具体按照以下步骤实施：
31.步骤1，对铁氧体原料进行ald处理，具体为：
32.步骤1.1，将铁氧体原料放入原子沉积设备中，抽真空至腔室压力小于5.3pa，同时
升温至预设温度并保温30min；
33.预设温度为50-200℃；
34.铁氧体原料为m型六角铁氧体、y型六角铁氧体、z型六角铁氧体、尖晶石型铁氧体中的任意一种；
35.m型六角铁氧体的通式为ba(coti)
x
fe
12-2xo19
，0《x≤3；
36.y型六角铁氧体的通式为ba2co2fe
12o12
；
37.z型六角铁氧体的通式为ba3co2fe
24o41
；
38.尖晶石型铁氧体的通式为ni
x
znycozcu
1-x-y-z
fe2o4，0《x,y,z≤1，且0《x y z≤1)；
39.步骤1.2，将前驱体物质进行加热气化，形成前驱体气体，将前驱体气体和氧源气体分别通入原子沉积设备中进行原子沉积反应；
40.前驱体为三甲基铝al(ch3)3、四(二甲氨基)钛c8h
24
n4ti、ticl4、sih4、二乙基锌zn(c2h5)2中的任意一种；前驱体物质的加热温度为50～100℃；
41.氧源物质为o2、o3或者水蒸气；其中液态的氧源需要进行加热气化；
42.前驱气体通入时间为1-100秒，决定反应沉积层厚度，氧源通入的时间为1-200秒，保证反应充分；
43.步骤1.3，经步骤2后，将惰性气体通入原子沉积设备中进行吹扫；吹扫时间为10-300秒，清洗反应残留，完成后，收集粉体备用；
44.步骤2，将步骤1得到的铁氧体粉末与聚合物进行复合加工，即可得到天线基板；
45.铁氧体粉末与聚合物质量比为1～6：4～9；
46.聚合物具体为环氧树脂、pvdf、橡胶、hdpe、poe中的任意一种；
47.当聚合物选择环氧树脂或者橡胶等热固成型材料时，采用浇注体工艺制备天线基板，具体为：将铁氧体粉末、聚合物、固化剂在室温下充分混合搅拌均匀，抽真空排除气泡，注入成型模具中，在材料的固化温度下加热固化成型；
48.当聚合物选择pvdf、hdpe或者poe等热塑成型聚合物时，采用热压成型工艺制备天线基板，具体为：将铁氧体粉末、聚合物在材料的软化温度下使聚合物完全软化后，充分混合搅拌均匀，抽真空排除气泡，挤压成型，并在室温下自然冷却硬化。
49.现有磁性复合天线基板材料主要是铁氧体粉体和聚合物直接复合加工而成。在应用过程中发现，这种基板材料加工的天线，普遍存在增益小、效率低的明显缺点，严重限制了磁性天线的应用研究。其主要原因是铁氧体陶瓷的磁介电损耗通常远高于传统非磁性天线基板介质材料的损耗。例如，聚四氟乙烯玻璃布板(f4b-2)是一种商用天线基板，在微波频段其介电常数(2.65)，损耗角正切(《0.001)，同时该材料没有磁损耗。而z型六角铁氧体ba3co2fe
24o41
是一种典型的微波铁氧体材料，在微波频段其介电常数(15)，损耗角正切(》0.05)，同时材料的磁导率(9)，磁损耗角正切(》0.1)，综合磁介电损耗高出f4b-2等聚合物天线基板1-2个数量级，严重影响了天线性能。
50.研究表明，铁氧体的介电损耗主要来自于材料的漏导损耗(即材料电导率更高)，而其磁损耗主要来源于涡流损耗，也与高电导率相关。因此降低电导率是抑制铁氧体磁介电损耗的关键。
51.本发明方法中ald的沉积原理，如图1所示，在制得的铁氧体原理上沉积一层al2o3、tio2、zno或sio2等物质，以此降低原本铁氧体所带来的损耗；同时利用该技术沉积层厚度可
控的优势，尽量控制沉积层，减小非磁性沉积层材料对复合材料磁导率的不良影响。
52.本发明方法中，采用原子层沉积法，对铁氧体粉体表面进行包覆，其优点为：
53.(1)在每个铁氧体微米粉体表面均匀包覆一层高电阻率介质层如al2o3等，在各个铁氧体粉体之间形成物理隔离层，有效抑制漏导损耗及涡流损耗的产生，从而降低复合材料的磁介电损耗；
54.(2)相比于湿法化学包覆等其他粉体包覆方法而言，该方法能够
①
有效防止铁氧体粉体的团聚，
②
形成高质量沉积层，厚度均匀、结构致密、无孔洞，
③
该方法中沉积层生长厚度是以原子尺度为步长增加的(约1nm/s)，因此包覆层厚度精确可控，而且能够以最小包覆厚度实现致密包覆获得降损效果，避免非磁性包覆层厚度过大而导致的复合材料磁导率下降等负面效果。
55.实施例1
56.本发明一种铁氧体基磁性天线基板的制备方法，具体按照以下步骤实施：
57.步骤1，对铁氧体原料进行ald处理，具体为：
58.步骤1.1，将铁氧体原料放入原子沉积设备中，抽真空至腔室压力小于5.3pa，同时升温至预设温度并保温30min；
59.预设温度为150℃；铁氧体原料为尖晶石型铁氧体；尖晶石型铁氧体的通式为ni
x
znycozcu
1-x-y-z
fe2o4，0《x,y,z≤1，且0《x y z≤1),本实施例中取x＝y＝0.5,z＝0，即铁氧体配方为ni
0.5
zn
0.5
fe2o4(简写为：nzo)；
60.步骤1.2，将前驱体物质进行加热气化，形成前驱体气体，将前驱体气体和氧源气体分别通入原子沉积设备中进行原子沉积反应；
61.前驱体为三甲基铝al(ch3)3；前驱体物质的加热温度为100℃；
62.氧源物质为水蒸气；
63.前驱气体通入时间为10秒，氧源通入的时间为10秒；
64.步骤1.3，经步骤2后，将惰性气体通入原子沉积设备中进行吹扫；吹扫时间为50秒，清洗反应残留，完成后，收集粉体，得到nzo@al2o3壳结构的铁氧体粉末样品；粉体的微观形貌和晶体结构表征如图2所示，对比图2(a)和(b)可以看出，经过ald处理后，铁氧体粉体颗粒表面均匀地包覆上了一层al2o3介质层，厚度约为5nm左右。由图2(c)xrd测试结果可以看出，粉体晶相为立方尖晶石结构的nizn铁氧体晶相，无法通过xrd检测出包覆层al2o3的晶相结构，说明al2o3包覆层厚度很小含量很少。图3的磁滞回线测试表明包覆粉体是一种具有明显磁性的软磁铁氧体材料，与未包覆粉体的饱和磁化强度一致，说明ald工艺获得的非磁性包覆层很薄，对铁氧体磁性基本没有影响。
65.步骤2，将步骤1得到的样品与聚合物进行复合加工，即可得到天线基板。
66.对于浇筑好的介质基板，需要等橡胶凝固后，测量其尺寸。示例中制作了nzo/橡胶复合材料的磁性介质基板，圆形，直径50mm，高度4mm。图4给出了复合基板材料的电磁参数在2-8ghz范围内的，例如，可以看出在5ghz频率下的相对介电常数3.8，损耗0.02，磁导率1.4，损耗0.1。根据电磁参数频谱数据测试结果，可以在该基板上进行天线设计。以圆形微带贴片天线为示例，其中参数d＝50mm，l＝8mm，p＝31.5mm，h＝4mm。天线采用背部sma接口馈电正面为辐射贴片，直径为p，背面为地。利用仿真软件hfss进行天线的仿真，并制作天线实物进行测试。测试结果如图5、图6所示。图5为天线的s
11
参数对比图，未经ald处理的天线
工作频段为2.16ghz-2.45ghz，带宽12.7％(290mhz)，但是这一带宽主要来自于损耗，实际上并不能真正的辐射出去。经过ald处理的基板设计的天线在天线效率上有明显的提升。图6为天线的增益对比与天线的效率对比。仿真中未经ald处理的天线得到的最大增益为1.2dbi，而经过ald处理后则为2.9dbi。
67.实施例2
68.本发明一种铁氧体基磁性天线基板的制备方法，具体按照以下步骤实施：
69.步骤1，对铁氧体原料进行ald处理，具体为：
70.步骤1.1，将铁氧体原料放入原子沉积设备中，抽真空至腔室压力小于5.3pa，同时升温至预设温度并保温30min；
71.预设温度为170℃；
72.铁氧体原料为z型六角铁氧体；z型六角铁氧体的通式为ba3co2fe
24o41
；
73.步骤1.2，将前驱体物质进行加热气化，形成前驱体气体，将前驱体气体和氧源气体分别通入原子沉积设备中进行原子沉积反应；
74.前驱体为四(二甲氨基)钛c8h
24
n4ti；前驱体物质的加热温度为50℃；
75.氧源物质为o3；其中液态的氧源需要进行加热气化；
76.前驱气体通入时间为100秒，氧源通入的时间为20秒；
77.步骤1.3，经步骤2后，将惰性气体通入原子沉积设备中进行吹扫；吹扫时间为300秒，清洗反应残留，完成后，收集粉体，得到z型六角铁氧体@tio2壳结构的铁氧体粉末样品。
78.步骤2，将步骤1得到的铁氧体粉末与聚合物进行复合加工，即可得到天线基板；
79.对于浇筑成型的介质基板，需要等橡胶凝固后，测量其尺寸。示例中制作了z型铁氧体/环氧树脂复合材料的磁性介质基板，方形，圆形直径50mm，高度4mm。相对介电常数11，损耗0.002，磁导率1.8，损耗0.08。在该基板上设计天线。本发明以圆形微带贴片天线为示例。其中参数d＝50mm，l＝6.2mm，p＝31.5mm，h＝4mm。天线采用背部sma接口馈电正面为辐射贴片，直径为p，背面为地。利用仿真软件hfss进行天线的仿真。测试结果如图7、图8所示。图7为测试样品天线的s
11
参数的仿真图，，工作频段为1.14ghz-1.2ghz，带宽5％(60mhz)。图8为天线中心频点的增益方向图。与未经过ald处理的基板设计出的天线相比，由于损耗的减小，天线的带宽有一定正常范围内的缩减，但是天线的增益有明显的提升。
80.实施例3
81.本发明一种铁氧体基磁性天线基板的制备方法，具体按照以下步骤实施：
82.步骤1，对铁氧体原料进行ald处理，具体为：
83.步骤1.1，将铁氧体原料放入原子沉积设备中，抽真空至腔室压力小于5.3pa，同时升温至预设温度并保温30min；
84.预设温度为250℃；
85.铁氧体原料为m型六角铁氧体；m型六角铁氧体的通式为ba(coti)
x
fe
12-2xo19
，0《x≤3；
86.步骤1.2，将前驱体物质进行加热气化，形成前驱体气体，将前驱体气体和氧源气体分别通入原子沉积设备中进行原子沉积反应；
87.前驱体为二乙基锌zn(c2h5)2；前驱体物质的加热温度为100℃；
88.氧源物质为水蒸气；前驱气体通入时间为50秒，氧源通入的时间为50秒；
89.步骤1.3，经步骤2后，将惰性气体通入原子沉积设备中进行吹扫；吹扫时间为200秒，清洗反应残留，完成后，收集粉体，得到m型六角铁氧体@zno壳结构的铁氧体粉末样品。
90.步骤2，将步骤1得到的铁氧体粉末与聚合物进行复合加工，即可得到天线基板；
91.对于浇筑好的介质基板，需要等橡胶凝固后，测量其尺寸。示例中制作了m型铁氧体/环氧树脂复合材料的磁性介质基板，方形，圆形直径50mm，高度4mm。相对介电常数10，损耗0.001，磁导率2，损耗0.1。在该基板上设计天线，以圆形微带贴片天线为示例。其中参数d＝50mm，l＝5.5mm，p＝31.5mm，h＝4mm。天线采用背部sma接口馈电正面为辐射贴片，直径为p，背面为地。利用仿真软件hfss进行天线的仿真。测试结果如图9、图10所示。图9为测试样品天线的s
11
参数的仿真图，工作频段为1.19ghz-1.23ghz，带宽3.8％(46mhz)。图10为天线中心频点的增益方向图。与未经过ald处理的基板设计出的天线相比，由于损耗的减小，天线的带宽有一定正常的缩减，天线增益明显提升。