[發明專利]5G基站陶瓷濾波器用高Q輕質微波介質材料

在審

• 申請號: 202010300030.X
• 申請日: 2020-04-16
• 公開（公告）號: CN111606705A
• 公開（公告）日: 2020-09-01
• 發明（設計）人: 李玲霞;杜明昆;于仕輝;王棟;岳濤
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: C04B35/462
• 分類號: C04B35/462;C04B35/622
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 張宏祥

本發明公開了一種5G基站陶瓷濾波器用高Q輕質微波介質材料，合成物表達式為Li₂O?0.98TiO₂?0.02MgF₂?x w.t.％Nb₂O₅，其中x＝0.5～2。先將Li₂CO₃、TiO₂和MgF₂按化學計量式配料，經球磨、烘干、過篩后于680～880℃預燒，再外加質量百分比含量為0.5～2％的Nb₂O₅二次球磨，再經烘干、過篩后進行造粒，再壓制成生坯；生坯于1100～1150℃燒結，制成5G基站陶瓷濾波器用高Q輕質微波介質材料。本發明在微波頻段下，諧振頻率溫度系數τ_f值+9.98～+19.11ppm/℃，品質因數Q×f值163,952～185,262GHz，介電常數ε_r值23.51～24.11，制備工藝簡單，由其制作研發的陶瓷濾波器在5G基站中具有廣泛的應用前景。

技術領域

本發明屬于一種以成分為特征的微波介質陶瓷組合物，特別涉及一種5G基站陶瓷濾波器用高Q輕質微波介質材料。

背景技術

移動通信網絡的發展驅動基站架構持續演進，以往4G接入網主要由BBU(基帶處理單元)、RRU(射頻拉遠單元)、天線和饋線(天饋系統)組成，在第五代移動通信技術(5G)的標準下，3GPP提出重構方案，將CU-DU-AAU架構引入至5G的接入網中，RRU上移和天饋系統合二為一組成AAU(有源天線單元)。微波濾波器作為AAU單元中RRU與天線連接處的核心器件，對基站性能起到舉足輕重的作用。

除AAU外，Massive MIMO(大規模天線陣列技術)是5G基站中的另一關鍵技術，基站天線由4G時期的2T2R、4T4R向64T64R發展。AAU和Massive MIMO同時對濾波器提出了小型化、輕量化的要求。一方面，Massive MIMO帶來天線陣面呈指數級增加，且重量較大的RRU上移至天面(4G RRU一般重20-30kg，最輕的為10kg)與天饋系統構成AAU單元，從而導致基站天面承載數量與重量的增加，對濾波器提出減輕重量的要求。另一方面，Massive MIMO引起通道數激增，單面天線集成64通道，所需濾波器單元相應增加，對濾波器提出減小體積的要求。

基于AAU和Massive MIMO的技術要求，設備商傾向于選擇體積更小、重量更輕、成本更低的陶瓷濾波器(插損低、穩定性好、承載功率高)。高性能微波介質材料是研發高品質陶瓷濾波器的關鍵材料，已成為近年來最活躍的研究方向之一。其中，Li₂TiO₃微波介質陶瓷是一種鋰基巖鹽類材料，體積密度低(ρ_bul～3.1g/cm³)，制成相同體積的濾波器，重量輕；原料相對便宜，燒結溫度相對低(T_s～1230℃)；在毫米波段具有適中的介電常數(ε_r～19.80)，屬于K20系列微波介質材料，確保濾波器小型化的同時，保持較低的傳輸損耗，是5G基站濾波器和未來可穿戴設備的優選材料。然而，其存在品質因數低(Q×f～23,600GHz)，諧振頻率溫度系數略高(τ_f～+38.5ppm/℃)的缺點。

陶瓷濾波器的Q值越高，通帶就越窄，從而電路的選擇性越好，因此為了實現更好的濾波功能，微波介質材料需要具有高的品質因數(Q×f≥150,000GHz)。此外，5G基站建設中功耗增加是不爭的實事，對濾波器帶來一個直接問題，即溫度增加，而且一些高緯度地區自然環境溫度接近-40℃，故要保證其較寬的工作溫度范圍(-40～105℃)。當微波介質材料τ_f值很大時，濾波器的中心頻率隨溫度變化會產生很大漂移，導致其不能正常工作，一般要求材料的|τ_f|≤20ppm/℃，即微波介質材料要具備較小的諧振頻率溫度系數，這樣才能確保所制備器件的高可靠和高穩定。