【摘 要】
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随着5G技术的发展成熟,全球掀起了新一轮通信基础设施建设热潮,制造通信设备所需的微波器件需求量大大提高。5G技术对于微波器件性能的要求更为苛刻,对于器件本身的可靠性,稳定性有着更高的要求。目前5G基站用小型化微波滤波器主要以高介电常数、低损耗的微波陶瓷材料为基材,其电性能优异,但也存在着烧结过程易导致同批次产品间尺寸不均,材料硬度大难加工等问题。而复合材料具有易加工,重量轻,与聚合物亲和性好的优点
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随着5G技术的发展成熟,全球掀起了新一轮通信基础设施建设热潮,制造通信设备所需的微波器件需求量大大提高。5G技术对于微波器件性能的要求更为苛刻,对于器件本身的可靠性,稳定性有着更高的要求。目前5G基站用小型化微波滤波器主要以高介电常数、低损耗的微波陶瓷材料为基材,其电性能优异,但也存在着烧结过程易导致同批次产品间尺寸不均,材料硬度大难加工等问题。而复合材料具有易加工,重量轻,与聚合物亲和性好的优点,制备高介电常数低损耗的复合材料可以弥补陶瓷材料的不足,具有较强的应用潜力。本文致力于尝试改良传统意义上介电常数低,介电损耗大的复合材料,充分发挥其优点。首先以聚四氟乙烯（PTFE）为基体制备了不同质量分数的多组CaTiO3/PTFE复合材料和CCTO/PTFE复合材料,对两种复合材料进行了性能测试并对比分析。结果显示尽管CCTO的低频介电常数远高于CaTiO3,但其作为填料制备的复合材料在微波频段性能严重劣化,介电性能不及CaTiO3。筛选出当CaTiO3的质量分数为64wt%时高频（>1 GHz）介电性能最优,此时其高频介电常数为15.48,损耗略小于5×10-3。利用理论模型对复合材料介电常数进行了预测并与实验结果对比,发现有效介质理论（EMT）模型和改良Logarithmic模型预测结果与实验结果更为接近。在此基础上,尝试向两相复合材料中引入导体作为第三相,分别制备了以石墨,多壁碳纳米管（MWCNT）以及纳米银粉作为第三相的三相复合材料并进行了性能测试。创新性地将常用于储能材料的核-卫星结构应用于介电材料中:使用原位还原法在陶瓷/聚合物复合材料体系中引入分散良好的纳米银颗粒,制备出了一种核-卫星结构CaTiO3@Ag/PTFE复合材料。其高频介电常数达到19.23的同时,损耗仅为4.83×10-3,介电常数接近目前在滤波器中常用的介电常数20左右的陶瓷材料。同时利用所制备的PTFE基复合材料设计了一系列中心频率为3.5 GHz,回波损耗>20 db的介质滤波器。针对滤波器的带外抑制能力进行了拓扑结构优化,最优化的馈源输出交叉耦合四腔滤波器的矩形系数仅1.965,实现了很强的带外抑制能力,充分验证了PTFE基复合材料在微波通信领域的应用潜力。
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