【摘 要】
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第五代（5G）移动通信系统的快速发展对滤波器提出了高性能、小型化的要求。基片集成波导（SIW）具有功率容量大、传输损耗低、易于集成等优点,可以用来设计高性能、小型化的滤波器。作为介质滤波器关键材料的微波介质陶瓷是研究的热点,立方尖晶石结构的Li2MgTi3O8陶瓷凭借着较低的固有烧结温度和良好的综合微波介电性能受到众多学者的广泛关注。但为了适用于低温共烧陶瓷（LTCC）技术,Li2MgTi3O8陶
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第五代（5G）移动通信系统的快速发展对滤波器提出了高性能、小型化的要求。基片集成波导（SIW）具有功率容量大、传输损耗低、易于集成等优点,可以用来设计高性能、小型化的滤波器。作为介质滤波器关键材料的微波介质陶瓷是研究的热点,立方尖晶石结构的Li2MgTi3O8陶瓷凭借着较低的固有烧结温度和良好的综合微波介电性能受到众多学者的广泛关注。但为了适用于低温共烧陶瓷（LTCC）技术,Li2MgTi3O8陶瓷存在品质因数偏低以及固有烧结温度在950°C以上的问题。因此,本文在Li2MgTi3O8陶瓷的基础上,通过B位置换和添加烧结助剂对Li2MgTi3O8陶瓷进行性能调控,并探讨了改性和添加烧结助剂后陶瓷微波介电性能的变化与晶体结构、微观形貌之间的关系,最后采用研制出的具有低损耗和优异温度稳定性的陶瓷作为介质基板进行了一款高功率基片集成波导滤波器的设计。本文首先使用Nb5+对Li2MgTi3O8陶瓷进行B位置换探究其对陶瓷微波介电性能的影响,通过传统固相法制备了Li2Mg(Ti1-xNbx)3O8（x=0,0.005,0.01,0.015,0.02,0.03）陶瓷。结果表明,所有样品均为纯相的尖晶石结构。通过Nb5+离子置换可以促进晶粒长大,并填充陶瓷晶格中的氧空位,抑制Ti4+向Ti3+转化,提高陶瓷的品质因数。拉曼光谱进一步表征了晶体结构与微波介电性能之间的联系。当x=0.02时,陶瓷在1080°C下烧结4 h具有最佳的微波介电性能:εr=24.96,Q×f=42 079 GHz,TCF=-0.46 ppm/°C。考虑到Li2Mg(Ti0.98Nb0.02)3O8陶瓷的烧结温度在950°C以上,为了适用于LTCC技术,本文继续研究在Nb5+进行B位置换的基础上,添加Li F烧结助剂,制备Li2Mg(Ti0.98Nb0.02)3O8+x wt%Li F（x=1,2,4,6）陶瓷,探究其对微波介电性能的影响。结果表明,适量Li F的添加能在烧结过程中引入液相烧结机制,将Li2Mg(Ti0.98Nb0.02)3O8陶瓷烧结温度降至850°C,并且所有样品均显示出单相尖晶石结构。当Li F添加量为4 wt%时,Li2Mg(Ti0.98Nb0.02)3O8陶瓷在850°C烧结4 h后获得最佳的微波介电性能:εr=25.05,Q×f=39 242 GHz,TCF=-4.3 ppm/°C。适量Li F的加入能够有效地降低Li2Mg(Ti0.98Nb0.02)3O8陶瓷的烧结温度至850°C,研制出的Li2Mg(Ti0.98Nb0.02)3O8+4 wt%Li F陶瓷具有低损耗和优异温度稳定性。以此材料作为介质基板,本文设计了一款互补开口谐振环刻蚀基片集成波导谐振腔滤波器。设计得到的滤波器带宽为176 MHz,回波损耗为37.40 d B,通带内插入损耗为0.344 d B,远端抑制为12.7 d B,群时延小于10 ns,可以在10 W功率下工作,很好地满足了5G基站应用要求的设计指标。
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