高介電常數覆銅板在小型化微帶天線(xiàn)中的應用
由于高介電常數覆銅板在小型化微帶天線(xiàn)中的廣泛、重要應用，本文對微帶天線(xiàn)的小型化方法、微帶天線(xiàn)的理論與設計和高介電常數覆銅板的制作進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述。
1、前言
無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)是通過(guò)電磁波的輻射來(lái)完成。電磁波的產(chǎn)生，基本上是電場(chǎng)與磁場(chǎng)的變化過(guò)程，將能量以波的方式在空間中傳遞，而天線(xiàn)的存在提了電場(chǎng)變化的環(huán)境�，F代電磁學(xué)歷經(jīng)三百多年的發(fā)展，日臻完善。天線(xiàn)作為實(shí)現無(wú)線(xiàn)電應用的關(guān)鍵設備，隨著(zhù)微電子技術(shù)與大規模集成電路的迅猛發(fā)展，對能與設備大小協(xié)調且具有有效電性能的小天線(xiàn)的需求愈加迫切。
然而遺憾的是，在較低頻段，傳統的半波長(cháng)微帶天線(xiàn)尺寸仍然太大。這樣，實(shí)用化小型微帶天線(xiàn)的研制，特別是用作第三代移動(dòng)通信系統、藍牙系統、無(wú)線(xiàn)定位系統及衛星導航系統的天線(xiàn)，成為國內外研究熱點(diǎn)。尤其在衛星導航產(chǎn)業(yè)，據估計，到2020年導航應用產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟效益可達2600億元，總收益甚至可達4200億元。我國已建成的“北斗一號”衛星導航系統，填補了我國衛星導航定位領(lǐng)域的空白。與普通微波天線(xiàn)相比，微帶天線(xiàn)重量輕、體積小、剖面薄、具有低輪廓、可共形、易集成，以及便于獲得圓極化，實(shí)現雙頻段、雙極化工作等多項優(yōu)點(diǎn)。微帶天線(xiàn)是一維小天線(xiàn)，必須經(jīng)恰當設計才能獲得良好性能。
2、微帶天線(xiàn)小型化的方法
微帶天線(xiàn)是20世紀70年代初期研制成功的一種天線(xiàn)形式。由于其結構簡(jiǎn)單、低剖面、重量輕、可與飛行器表面共形安裝和可與微帶電路集成等優(yōu)點(diǎn)，在通信、雷達等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。但由于微帶天線(xiàn)是一種諧振結構，故當其應用于較低的頻率時(shí)，其結構尺寸通常都較大，不能滿(mǎn)足某些小尺寸要求。而且近年來(lái)，無(wú)線(xiàn)通信系統的不斷發(fā)展對個(gè)人通信終端模塊提出了更高的要求。
5、高介電常數材料介紹
傳統的高介電材料包括鐵電陶瓷材料和聚合物材料。陶瓷材料有較高的介電常數，但在制備陶瓷瓷體材料時(shí)需高溫燒結，得到的材料具有孔隙率較高、機械性能差、損耗大等弊端;聚合物具有良好的力學(xué)性能、優(yōu)良的沖擊性能、良好的電絕緣性、低介電損耗、優(yōu)越的加工性能、質(zhì)量輕以及低成本等優(yōu)勢，但除少數材料外，其介電常數通常較低。以高介電陶瓷粒子填充的聚合物基復合材料，結合了高分子材料和無(wú)機材料優(yōu)點(diǎn)，可以同時(shí)具有介電常數高、介電損耗低、易加工等優(yōu)良性能，成為制備高介電常數、低損耗材料的一種趨勢。
5.1、高介電常數聚合物基復合材料介紹
制備高介電常數聚合物基復合材料所使用的基體主要有聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物(PVDF-TrFE)、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯共聚物(PVDF-TrFE-CTFE)、三元乙丙橡膠(EPDM)、環(huán)氧樹(shù)脂(Epoxy Resin)、氰酸酯(CE)、雙馬來(lái)酰亞胺(BMI)以及聚酰亞胺(PI)等。制備高介電常數高分子復合材料的無(wú)機粒子主要有陶瓷、碳類(lèi)和金屬粒子。
目前常用的高介電常數填料有鈦酸鋇)BaTiO3，BT)、鈦酸鍶鋇(BaxSr1-xTiO3，BST)、鈦酸鉛(PbTiO3，PT)、鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PMN-PT)等無(wú)機鐵電陶瓷以及TiO2等氧化物。楊曉軍等以鈦酸鋇(BT)粉末與環(huán)氧樹(shù)脂(EP)采用溶液共混法制備了0-3型兩相復合材料，研究發(fā)現，EP/BT復合物的介電常數隨BT顆粒粒徑的增大而增大，這與BT顆粒的介電常數隨粒徑的變化規律一致。隨BT體積分數的增加，EP/BT復合材料的介電常數呈非線(xiàn)性增長(cháng)，介電損耗的變化不明顯，均在0.015~0.025之間。而且介電常數和介電損耗在103Hz ~ 107 Hz的頻率范圍內較為穩定。Chao等[27]研究了氰酸酯/BaTiO3體系的介電性能，用硅烷偶聯(lián)劑γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)對填料進(jìn)行了處理，提高BaTiO3粒子的分散性，從而提高材料的介電性能。當填料含量為60%(質(zhì)量分數)時(shí)，1 MHz下體系的介電常數達15.823，介電損耗低至0.001。
朱寶庫等通過(guò)將聚酰胺酸溶液與硅烷偶聯(lián)劑處理的鈦酸鋇(BaTiO3)粒子進(jìn)行溶液共混，亞胺化后得到高介電常數的聚酰亞胺/BaTiO3復合膜。復合膜的介電常數和介電損耗隨著(zhù)BaTiO3粒子含量的增加而增加，在50%(體積分數)時(shí)，介電常數可達35，介電損耗為0.0082(10 kHz)，而且在相當大的溫度和頻率范圍內保持穩定，是一種綜合性能良好的高介電常數材料。
5.2、高介電常數覆銅板介紹
高介電常數覆銅板由高介電常數介質(zhì)材料和銅箔組成，研制具有高介電常數和良好絕緣性能及加工性能的介質(zhì)材料是關(guān)鍵，介質(zhì)材料通常利用上文所述的高介電常數聚合物基復合材料。
張景奎用普通FR-4型覆銅板浸膠料制成了介電常數為106，介質(zhì)損耗為0.0487，其它性能接近于FR-4的一種新型高介電常數鋁基覆銅板。在相同的體積和電場(chǎng)強度下，金屬與電介質(zhì)構成的復合覆銅板的電極化強度遠大于純電介質(zhì)材料。
金紅石型二氧化鈦的介電常數較大(Dk=114)，介質(zhì)損耗很小(Df=0.001)，在樹(shù)脂體系中少量添加，就可以達到調節介電常數的目的，而且二氧化鈦的粒徑小，且呈球形，易于在樹(shù)脂溶液中攪拌均勻。劉軍采用聚苯醚(PPO)樹(shù)脂體系，同時(shí)采用金紅石型二氧化鈦復合陶瓷粉材料作為介電常數調節劑，研制開(kāi)發(fā)出了介電常數為6.23(9.37 GHz)，介質(zhì)損耗因數為0.0014(9.37 GHz)的金屬基覆銅板。
張翔宇等通過(guò)填料預分散法和原位聚合法合成了一種BaTiO3填充的熱塑性聚酰亞胺(TPI)樹(shù)脂。添加BaTiO3的主要目的是提高整個(gè)材料的介電常數。BaTiO3含量(重量比)為20%、40%、60%、80%的TPI的Dk分別為3.44、6.07、9.34、21.30，Df分別為0.0062、0.0080、0.0108、0.0194。隨著(zhù)填料加入量的增加，介電常數也相應增加。值得注意的是，填料含量在60%后，介電常數和介電損耗開(kāi)始突增。這與填料含量只有增加到一個(gè)臨界值后才急劇增大的現象相符。BaTiO3含量為20%、40%、60%、80%的TPI與銅箔的剝離強度分別為：2.00 N/mm、1.85 N/mm、1.75 N/mm、0.78 N/mm。
李小蘭采用自制的溴化環(huán)氧樹(shù)脂、BMI型聚酰亞胺、氰酸酯樹(shù)脂三種有機樹(shù)脂(樹(shù)脂的介電性能見(jiàn)表1)、鈦酸鋇陶瓷粉及分散劑、溶劑等配成一定粘度的膠粘劑，用50 g/m2的玻璃纖維無(wú)紡布浸膠后，在一定的條件下烘干制作成粘結片，雙面用35 m銅箔，在4.9 MPa(50 kg/cm2)的壓力下進(jìn)行熱壓成型，壓制溫度170 ℃ ~ 175 ℃，保溫2 h。采用三種樹(shù)脂制作的高介電常數覆銅板性能見(jiàn)表2。
表1 常見(jiàn)有機樹(shù)脂的介電性能
表2 高介電常數覆銅板檢測結果
6、結語(yǔ)
微帶天線(xiàn)由于結構簡(jiǎn)單、體積小、成本低以及優(yōu)良的電性能在衛星終端領(lǐng)域獲得了廣泛的應用，特別是近年來(lái)便攜式導航產(chǎn)品(車(chē)用導航儀、智能手機等)的普及，更使得微帶天線(xiàn)的用量越來(lái)越大。長(cháng)期以來(lái)，衛星導航天線(xiàn)用介質(zhì)基板材料主要是陶瓷基板，雖然陶瓷基板材料的介電常數大，可以滿(mǎn)足衛星導航天線(xiàn)小型化的要求，但是其價(jià)格昂貴，脆性大，加工困難，很難在民用產(chǎn)品中大量應用。因此，具有優(yōu)異介電性能、良好加工性能及高可靠性的有機介質(zhì)基板材料成為材料界的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方向之一。作為有機介質(zhì)基板材料的高介電常數覆銅板的研究與開(kāi)發(fā)，具有非常大的市場(chǎng)前景和應用價(jià)值。
