【摘 要】
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随着现代信息通讯技术的不断发展,5G通信、IoT、智能可穿戴设备、智慧医疗的推广和应用,各类终端设备正逐步向微型化、高密度集成和高稳定性发展。微波通信器件的需求激增,低温共烧陶瓷（LTCC）技术在实现小型化的同时具有良好高频特性。与此同时也对LTCC材料提出了更高的要求:适中的介电常数、较低的介质损耗和近零的谐振温度系数,同时还需要较低的烧结温度（通常≤950℃）,并且与电极材料共烧时具有良好的化
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随着现代信息通讯技术的不断发展,5G通信、IoT、智能可穿戴设备、智慧医疗的推广和应用,各类终端设备正逐步向微型化、高密度集成和高稳定性发展。微波通信器件的需求激增,低温共烧陶瓷（LTCC）技术在实现小型化的同时具有良好高频特性。与此同时也对LTCC材料提出了更高的要求:适中的介电常数、较低的介质损耗和近零的谐振温度系数,同时还需要较低的烧结温度（通常≤950℃）,并且与电极材料共烧时具有良好的化学兼容性。本文以中介电常数铌酸盐ZnTiNb2O8微波介质陶瓷为研究对象,针对两大限制ZnTiNb2O8陶瓷应用LTCC技术的短板:较高的烧结温度和较大负值的谐振频率温度系数。借助离子取代、添加助烧剂和两相复合等方法,对其进行了改性研究。采用传统固相反应法制备所有的陶瓷样品。根据相关理论和研究报道,通过X射线衍射、XRD精修、扫描电子显微镜等分析与表征方法,探究了改性后ZnTiNb2O8微波介质陶瓷的晶体结构、微观形貌、物相组成和介电性能之间的相关性,主要研究内容分为四部分:首先,使用离子半径大小相近的Mn2+取代ZnTiNb2O8中的Zn2+。取代适量的Mn2+形成了稳定的（Zn,Mn）Ti Nb2O8固溶体。过量取代会生成次相MnTiNb2O8并对微观形貌和晶体结构产生影响,使得陶瓷的微波介电性能有所恶化。其中εr值主要由相对密度决定,Q×f值主要取决于原子堆积密度,而τf值与[Zn/Ti/Nb O6]八面体畸变密切相关。1100℃烧结的Zn1-xMnxTi Nb2O8（x=0.05）陶瓷样品,微波介电性能为:εr=35.91,Q×f=63672GHz,τf=-68.68ppm/℃。然后,分别使用LMZBS和LBBS两种低熔点玻璃作为助烧剂。添加这两种玻璃都能有效地将ZnTiNb2O8的烧结温度从1250℃将至950℃。且微波介电性能相比于高温烧结时的ZnTiNb2O8均有不同程度的提升。950℃烧结的ZnTiNb2O8-1.0wt.%LMZBS陶瓷,呈现出优异的微波介电性能:εr=33.512,Q×f=65272GHz,τf=-52.64ppm/℃。950℃烧结的ZnTiNb2O8-0.25wt.%LBBS陶瓷较为优秀的微波介电性能为:εr=35.513,Q×f=52932GHz,τf=-58.17ppm/℃。接着,将ZnTiNb2O8-1.5wt.%LMZBS陶瓷和CaTiO3复合,以调节谐振频率温度系数。CaTiO3的添加,对复合陶瓷的物相组成影响显著,反应生成两种具有正温度系数的相Ca Nb2O6和Ti O2,且相含量逐渐增加,使复合陶瓷的谐振温度系数不断向正方向移动,在x=0.35时温度系数调至±10ppm/℃左右,925℃烧结的0.65ZnTiNb2O8-0.35CaTiO3-1.5wt.%LMZBS复合陶瓷具有相对最佳的综合微波介电性能:εr=26.456,Q×f=12726GHz,τf=12.28ppm/℃。最后,基于所研制εr=26.456的LTCC材料,设计了中心频率为3.57GHz探针馈电的矩形微带贴片天线。达到了相关性能指标要求,其输入阻抗带宽约为47.5MHz,回波损耗S11约为-29d B,最大增益为4.38d Bi,微带天线的尺寸为11.54mm×21.6mm×5mm。实现了微带天线的小型化,验证了新材料的实用性。
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