1.研究背景

據(jù)5G線路板廠了解，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)廣泛用于消費(fèi)電子產(chǎn)品中，并提供導(dǎo)航、定位和跟蹤功能。俄羅斯、美國(guó)、歐洲和中國(guó)分別安裝了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONAS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、伽利略和北斗。天線是確保低延遲、良好接收以提供高精度定位和可靠通信的關(guān)鍵組件之一。

微帶貼片天線由于其外形小巧、成本低廉、易于制造以及可集成到有限空間中的小物理尺寸而成為現(xiàn)代電子產(chǎn)品中的一種流行選擇。微波陶瓷電介質(zhì)已被廣泛用作車輛衛(wèi)星導(dǎo)航天線的基板，但常規(guī)陶瓷燒結(jié)技術(shù)通常使用1200°C以上的高溫來(lái)致密化陶瓷，無(wú)法與低熔點(diǎn)賤金屬電極（銀、 銅、鋁等）共燒。因此，低溫共燒陶瓷（LTCC，燒結(jié)溫度700-1000°C）和超低溫共燒陶瓷（ULTCC，燒結(jié)溫度400-700°C）隨之迅速發(fā)展。

然而，據(jù)5G線路板廠了解，某些高度集成、直接緊湊的系統(tǒng)需要可直接在聚合物基印刷電路板（PCB）上制造的衛(wèi)星導(dǎo)航天線。因此，需要徹底改變微波陶瓷及射頻器件制造工藝，將具有低損耗（高品質(zhì)因數(shù)，Q×f ≥ 3000 GHz）、溫度穩(wěn)定（低的諧振頻率溫度系數(shù)，TCF = +/-3 ppm/°C）和中低介電常數(shù) （8 < εr < 40）的微波陶瓷在200°C以下致密化并允許直接在PCB上印刷/壓制，從而降低制造成本和節(jié)省能源，并實(shí)現(xiàn)完全集成。

2.研究成果

英國(guó)謝菲爾德大學(xué)Ian M. Reaney教授團(tuán)隊(duì)的王大偉博士（第一及通訊作者），聯(lián)合英國(guó)拉夫堡大學(xué)Shiyu Zhang博士（共同一作）、西安交通大學(xué)周迪教授和杭州電子科技大學(xué)宋開(kāi)新教授針對(duì)上述問(wèn)題，利用冷燒結(jié)技術(shù)在超低溫150°C成功制備了致密度大于95%的Bi2Mo2O9-K2MoO4（BMO-KMO）復(fù)合微波陶瓷。XRD、Raman、BSE和EDX等表征手段證明了BMO和KMO兩相共存，沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)（圖1）。BMO-10%KMO復(fù)合陶瓷具有近零溫度系數(shù)（TCF = -1 ppm/°C）、中介電常數(shù) （εr = 31）和較高的品質(zhì)因素（Q×f = 3000 GHz）（表1）。進(jìn)一步，利用冷燒結(jié)技術(shù)將BMO-10%KMO復(fù)合陶瓷直接與PCB集成設(shè)計(jì)制造了可以用于衛(wèi)星導(dǎo)航的圓極化微帶貼片天線（圖2），工作頻率范圍覆蓋北斗、GPS和伽利略導(dǎo)航頻率（圖3），具有87%-88%的高效率，圓極化良好（表2，圓極化性能對(duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用尤其重要，因?yàn)榘l(fā)射和接收天線的相對(duì)方向不固定，并且圓極化能夠克服電離層帶來(lái)的法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，從而最大限度地提高信號(hào)接收）。

據(jù)5G線路板廠了解，本工作首次將溫度穩(wěn)定的冷燒結(jié)陶瓷直接低成本、低能量地集成到PCB上，代表了射頻器件基板制造技術(shù)的一步重要變化。這一成果近期發(fā)表在Journal of the European Ceramic Society上（Direct Integration of Cold Sintered, Temperature-Stable Bi2Mo2O9-K2MoO4 Ceramics on Printed Circuit Boards for Satellite Navigation Antennas, 40 (2020) 4029–4034）。

3.圖文解析

圖1.

冷燒結(jié)BMO-xKMO陶瓷復(fù)合材料的XRD圖。

BMO-10%KMO的Rietveld精修。