高频陶瓷坯、其应用及其制造方法 【技术领域】
本发明涉及应用于微波区、毫米波区和其它高频区的高频陶瓷坯及其制造方法。此外，本发明还涉及装在例如移动电话、个人收音机、卫星接收机、无线局域网和毫米波雷达上的介质天线、介质谐振器支架、介质谐振器、介质滤波器、介质双工器与通信系统。
背景技术
陶瓷坯通常广泛应用于例如在微波区、毫米波区与其它高频区中使用的介质谐振器与电路板。
此类高频陶瓷坯必须具有(1)低的介质损耗，即高Q值，和(2)热稳定的谐振频率，即可随意控制在0ppm/℃附近的谐振频率的温度系数(τf)。
为使得到的装置小型化，具有高的相对介电常数(εr)的陶瓷是较佳的，因为介质中电磁波的波长缩短为1/(εr)1/2。然而，由于介质装置的尺寸变得过小，当该装置在高频下使用时，削弱了其工作能力，因此也要求提供相对介电常数低的材料，
例如，这类常规高频陶瓷坯包括Ba(Sn，Mg，Ta)O3基陶瓷(如日本已审专利申请公报No.3-34164中所述)和MgO-SiO2-AlO3基陶瓷(如日本已审专利申请公报No.6-103603与日本待审专利申请公报No.8-69715中所述)。
Ba(Sn，Mg，Ta)O3基陶瓷坯可将谐振频率的温度系数控制在0ppm/℃附近，且在10GHz时具有20000到30000的高Q值。然而，该陶瓷坯的相对介电常数(εr)高达24，得到的装置尺寸过小，因而在微波区或毫米波区使用时，工作能力下降。
与此相对照，Mg-SiO2-Al2O3基陶瓷坯与氧化铝陶瓷的相对介电常数(εr)很低，从7到10，且在10GHz时具有6000到29000的高Q值。然而，这些陶瓷的谐振频率的温度系数(τf)地绝对值高达-30ppm/℃到-50ppm/℃，限于在微波区或毫米波区用作介质材料。
控制氧化铝陶瓷坯的谐振频率的温度系数(τf)的一种可行方法是结合使用具有正谐振频率温度系数(τf)的TiO2。然而，这类原料必须通过不低于1350℃的温度的烧制而烧结，在如此高的温度下烧制会形成Al2TiO5晶相，从而劣化了Q值和其它特性。
【发明内容】
因此，本发明的一个目的是解决上述诸问题而提供一种高频陶瓷坯，并提供一种制造该高频陶瓷的方法，这种高频陶瓷坯具有优良的高频特性与温度特性，其相对介电常数(εr)约为20或更小，在10GHz下的Q值约为10000或更大，且能将谐振频率的温度系数(τf)随意控制在约0ppm/℃。
本发明的另一个目的是用上述陶瓷坯提供具有优良电学特性的介质天线、介质谐振器支架、介质谐振器、介质滤波器或介质双工器，并提供一种小型的高性能通信系统。
具体而言，在一个方面，本发明提供了一种高频陶瓷坯，它包括Al、Ti与Mn金属元素，且基本上不含Al2TiO5晶相。
该高频陶瓷坯最好以不超过约1310℃的温度烧制得到。
在另一方面，本发明提供了一种高频陶瓷坯，它在10GHz时具有10000或更大的Q值，它包含Al、Ti与Mn金属元素，可用下式表示：
(100-x-y)AlO3/2-xTiO2-yMnO其中x与y是摩尔百分比，x与y满足以下条件：3.0≤x≤9.0；和0.1≤y≤1.0。
具体地说，组份公式中的x与y最好还满足以下条件：3.0≤x≤7.0和0.1≤y≤0.25。高频陶瓷坯中最好基本上不含Al2TiO5晶相。
该组份公式是高频陶瓷坯烧结后的组份公式。作为高频陶瓷坯的原料，最好将比表面积约4m2/g或更大的氧化铝粉和比表面积约3m2/g或更大的二氧化钛粉，分别用作AlO3/2成份的原料与TiO2成份的原料。比表面积从约4m2/g到5m2/g的氧化铝粉尤其可用作AlO3/2成份的原料。
在又一个方面，本发明提供一种制造由下式表示的高频陶瓷坯的方法：
(100-x-y)AlO3/2-xTiO2-yMnO，其中x与y是摩尔百分比，x与y满足条件：3.0≤x≤9.0；和0.1≤y≤1.0，该方法包括步骤：
把含Al原料、含Ti原料与含Mn原料相混合；
将得到的混合物模压形成生坯；以及
以不超过约1310℃的温度烧制生坯。
较佳地，在上述方法中，把比表面积约4m2/g或更大的氧化铝粉用作含Al原料，而把比表面积约3m2/g的二氧化钛粉用作含Ti原料。氧化铝粉的比表面积最好从约4m2/g到5m2/g。另外，烧制温度最好约为1300℃或更低。
附图概述
图1是本发明介质天线的一个实施例的透视图；
图2是介质谐振器系统的剖面图，示出本发明的介质谐振器支架的一个实施例；
图3是本发明介质谐振器的一个实施例的透视图；
图4是图3所示介质谐振器沿线a-b截取的剖视图；
图5是本发明介质滤波器的一个实施例的透视图；
图6是本发明介质双工器的一个实施例的透视图；和
图7是本发明通信系统的一个实施例的框图。
较佳实施例的描述
本发明的介质陶瓷尤其适用于高频电子部件。下面参照附图详细说明应用本发明的介质陶瓷的高频电子部件的诸实施例。
介质天线
图1是本发明介质天线的一个实施例的透视图。介质天线1包括立方体天线基板2。输入-输出电极3在天线基板2的一侧端上形成，直线发射电极4在天线基板2顶面的中心形成并向天线基板2的另一侧端延伸。发射电极4安置成与输入-输出电极3隔开一预定间隔。另外，接地电极5形成几乎覆盖天线基板2的整个底面，并且电气连接到反射电极4。在具有上述配置的介质天线1中，天线基板2由本发明的高频陶瓷坯构成。
具有带状线(stripline)型发射电极的介质天线示于图1，但是本发明介质天线中的发射电极并不限于该类型，而且本发明的高频陶瓷还适用于其它类型的介质天线。
介质谐振器支架
图2是TE 01δ模介质谐振器系统的剖视图，示出本发明介质谐振器支架的一个实施例。
介质谐振器系统11包括一金属壳体12，在金属壳体12内部的空间置有用支架13支承的柱状介质谐振器14。输入端15与输出端16由金属壳体12固定并支承。
在介质谐振器系统11中，支承介质谐振器14的支架13由本发明的高频陶瓷坯构成。
介质谐振器
图3是本发明介质谐振器的一个实施例的透视图，图4是图3所示介质谐振器21沿线a-b截取的剖面图。
介质谐振器21由具有通孔31的柱状介质陶瓷22构成，在通孔31内侧形成内导体23a，围绕介质谐振器形成外导体23b。介质谐振器21通过使介质陶瓷体22与输入-输出端(即外部耦合装置)的电磁耦合而起到介质谐振器的作用。
组成介质谐振器21的介质陶瓷体22由本发明的高频陶瓷坯构成。
传播TEM模的柱状介质谐振器示于图3，但本发明并不限于传播该模的介质谐振器。当然，本发明的高频陶瓷还适用于传播其它谐振模如横向电磁模(TEM模)、横向磁性模(TM模)与横向电气模(TE模)等的介质谐振器。
介质滤波器
图5是本发明介质滤波器的一个实施例的透视图。
介质滤波器24包括一介质谐振器和介质谐振器上形成的作为输入-输出端的外部耦合装置25。介质谐振器包括具有通孔31的介质陶瓷体22、在通孔31内形成的内导体23a和在介质陶瓷体22表面上形成的外导体23b。
块状介质滤波器示于图5，本发明的介质滤波器也可以是分立型介质滤波器。
介质双工器
图6是本发明介质双工器的一个实施例的透视图。
介质双工器26包括两个介质滤波器、连接到这两个介质滤波器之一的输入连接装置27、连接到另一介质滤波器的输出连接装置28以及与这两个介质滤波器共同连接的天线连接装置29。这两个介质滤波器各自包括一介质谐振器，而该介质谐振器包括带通孔31的介质陶瓷体22、在通孔31内侧形成的内导体23a和在介质陶瓷22表面上形成的外导体23b。
块状介质双工器示于图6，但本发明的介质双工器还可以是分立型介质双工器。
通信系统
图7是本发明通信系统的一个实施例的框图。
通信系统30包括介质双工器32、发射电路34、接收电路36和天线38。发射电路34连接到介质双工器32的输入连接装置40，接收电路36连接到介质双工器32的输出连接装置42。天线38连接到介质双工器32的天线连接装置44。介质双工器32包括两个介质滤波器46与48。各介质滤波器46和48包括本发明的介质谐振器和连接到介质谐振器的外部耦合装置。例如，在本实施例中，介质滤波器是将各外部耦合装置50分别连接到介质谐振器21的输入与输出端而形成的。介质滤波器46连接在输入连接装置40与另一介质滤波器48之间，而该另一介质滤波器48连接在介质滤波器46与输出连接装置42之间。
本发明的高频陶瓷的应用不限于上述介质天线与介质谐振器等装置，而是广泛地包括如用于微波区或毫米波区的电路板等高频装置。
举例
参照以下例子再详细示出本发明，但这些举例并不限于本发明的范围。
例1
开始时，把纯度为99.9％或更高且比表面积为4m2/g的高纯度氧化铝(Al2O3)粉、纯度为99.8％或更高且比表面积为3m2/g的二氧化钛(TiO2)粉及碳酸锰(MnCO3)粉制备成原材料。
然后将这些材料混合在一起，得到具有表1所示烧制后组份比的陶瓷。
把混合粉末在球磨机中与适量粘合剂湿磨16小时，然后干燥，以1000到2000kg/cm2的压强模压成盘状，把该盘以表1所示温度在空气中烧制，从而得到陶瓷盘(烧结的坯)。将得到的陶瓷磨成直径为10mm、厚度为5mm而得到测试样品。
在这方面，除了压模技术以外，模压操作也可通过片料成型模压(sheetmolding)、冷等静压(CIP)、湿模压、压力粉浆浇铸和任何其它能形成所需形状的技术实现。
通过使用两端短路的介质谐振器的方法，在10到14GHz的测量波长下，对上述制备的各样品测量相对介电常数(εr)与Q值。按照Q乘以f为常数的定律，将测得的Q值转换成10GHz下的Q值。根据TEO 1δ模谐振频率的温度变化，计算出谐振频率的温度系数(τf，25到55℃)。用波长λ为1.5418的Cu-Kα射
其结果列于下表1。线，以x射线衍射分析法确定样品3、9、16、31与37的晶相。 表1 组份：(100-x-y)AlO3/2-yTiO2-zMnO样品写 AlO3/2 (100-x-y) TiO2 x MnO y 烧制温度 (℃) 对相介电 常数 εr Q-值 (10GHz) 谐振频率的 温度系数 τ(pppm/℃) 晶相 1 100.00 0.00 0 1550 10.0 11,920 -53.0 -- 2 98.00 2.00 0 1310 8.6 1,000 -- -- 3 95.5 4.5 0 1400 11.4 9500 -16.9Al2O3，TiO2， Al2TiO5 4 95.50 4.50 0 1310 9.6 1,500 -- -- 5 90.00 10.00 0 1310 13.2 1,140 -- -- 6 97.90 2.00 0.10 1310 11.3 13,500 -31.2 -- 7 96.90 3.00 0.10 1310 12.0 21,300 -20.0 -- 8 95.90 4.00 0.10 1310 12.3 22,500 -11.2 -- 9 95.40 4.50 0.10 1310 12.5 24,400 -6.5Al2O3，TiO2 10 92.90 7.00 0.10 1310 13.5 19,500 17.8 -- 11 90.90 9.00 0.10 1310 14.4 14,000 35.1 -- 12 89.90 10.00 0.10 1310 15.6 12,500 52.5 -- 13 97.75 2.00 0.25 1290 10.9 14,300 -32.1 -- 14 96.75 3.00 0.25 1290 11.5 21,600 -16.8 -- 15 95.75 4.00 0.25 1290 12.1 20,500 -6.5 -- 16 95.25 4.50 0.25 1290 12.4 18,900 -4.8Al2O3，TiO2 表1-续 组份：(100-x-y)AlO3/2-yTiO2-zMnO 样品写 AlO3/2 (100-x-y) TiO2 x MnO y 烧制温度 (℃) 对相介电 常数 εr Q-值 (10GHz) 谐振频率的 温度系数 τf(ppm/℃) 晶相 17 92.75 7.00 0.25 1290 13.9 17,200 24.4 -- 18 90.75 9.00 0.25 1290 15.1 13,600 38.0 -- 19 89.75 10.00 0.25 1290 15.7 12,100 55.3 -- 20 97.60 2.00 0.40 1270 10.8 14,500 -33.7 -- 21 96.60 3.00 0.40 1270 11.4 14,800 -23.2 -- 22 95.60 4.00 0.40 1270 12.1 14,300 -12.7 -- 23 95.10 4.50 0.40 1270 12.4 14,100 -7.5 -- 24 92.60 7.00 0.40 1270 14.1 12,800 18.8 -- 25 90.60 9.00 0.40 1270 15.4 11,900 39.8 -- 26 89.60 10.00 0.40 1270 15.9 10,300 50.3 -- 27 97.50 2.00 0.50 1250 10.7 9,900 -39.0 -- 28 96.50 3.00 0.50 1250 11.3 14,500 -27.8 -- 29 95.50 4.00 0.50 1250 11.9 14,100 -16.6 -- 30 95.00 4.50 0.50 1250 12.2 13,900 -11.0 -- 31 92.50 7.00 0.50 1250 13.7 12,900 17.0Al2O3，TiO2 32 90.50 9.00 0.50 1250 14.9 11,100 39.4 -- 33 89.50 10.00 0.50 1250 15.5 8,700 50.6 -- 表1-续 组份：(100-x-y)AlO3/2-yTiO2-zMnO 样品写 AlO3/2 (100-x-y) TiO2 x MnO y烧制温度 (℃) 对相介电 常数 εr Q-值 (10GHz) 谐振频率的 温度系数 τf(ppm/℃) 晶相 34 97.00 2.00 1.00 1200 10.5 11,900 -47.9 -- 35 96.00 3.00 1.00 1200 11.1 11,000 -27.2 -- 36 95.00 4.00 1.00 1200 10.8 10,800 -26.5 -- 37 94.50 4.50 1.00 1200 11.8 11,500 -21.1Al2O3，TiO2 38 92.00 7.00 1.00 1200 12.1 10,900 5.7 -- 39 90.00 9.00 1.00 1200 13.6 10,100 37.9 -- 40 89.00 10.00 1.00 1200 15.6 7,920 53.3 -- 41 95.70 2.00 2.30 1200 10.8 8,400 -40.2 -- 42 93.20 4.50 2.30 1200 12.3 7,500 -12.3 -- 43 87.70 10.00 2.30 1200 15.6 6,920 54.2 --
表1表明，在微波区内，样品7到11、14到18、21到25、28到32和35到39的高频陶瓷呈现出高Q值且保持低的相对介电常数。
这里参考表1来检查x与y值由以下组份公式表示的高频陶瓷：(100-x-y)AlO3/2-xTiO2-yMnO，其中x与y为摩尔百分比。
如表1所示，组份公式中的x范围最好为约3.0到9.0。如果x小于约3.0(样品6、13、20、27、34与41)或大于约9.0(样品12、19、26与33)，则谐振频率的温度系数(τf)就变成低于-30ppm/℃或高于+50ppm/℃，无法获得稳定的谐振频率温度系数。
表1还表明，组份公式中的y范围最好在约0.1到1.0内。若y小于约0.1(样品4)，得到的组份无法在不超过约1310℃的温度下充分烧结，导致烧结的坯料易具有低Q值。如果y大于约1.0(样品42)，则得到的组份虽能在不超出约1310℃的温度下烧结，但烧结的坯料易具有低Q值。
此外，当组份公式中的x与y都满足条件3.0≤x≤7.0且0.1≤y≤0.25时，如样品7到10和14到17的陶瓷，则烧结的坯料可呈现出令人满意的在0±30ppm/℃范围内的谐振频率温度系数(τf)的温度特性，并在10GHz下具有15000或更大的Q值的优良高频特性。
通过样品3陶瓷与样品9、16、31与37的陶瓷的比较，可看出本发明的高频陶瓷基本上不含可观察到的Al2TiO5晶相，并具有高Q值。
例2
开始时，把高纯度氧化铝(Al2O3)粉、二氧化钛(TiO2)粉和碳酸锰(MnCO3)粉制成原材料。作为Al2O3粉，采用纯度为99.％或更高且比表面积为3m2/g、4m2/g或13m2/g的粉。作为TiO2粉，采用纯度99.8％或更高且比表面积为1m2/g、3m2/g、7m2/g和30m2/g的粉。
接着将这些材料混合在一起，得到表2所示烧制后组份比的陶瓷。
除了烧制温度设置为表2中的温度外，以与例1相同的方式制备一系列样品。用与例1同样的方法确定制备样品的相对介电常数(εr)、Q值和谐振频率的温度系数(τf)。结果列于表2。 表2 组份：(100-x-y)AlO3/2-yTiO2-zMnO 样品写 AlO3/2(100-x-y) TiO2 x MnO y TiO2 比表面积 (m2/g) TiO2 比表面积 (m2/g) 烧制温度 (℃) 对相介电 常数 εr Q-值 (10GHz) 谐振频率的 温度系数 τf(ppm/℃) 44 94.50 5.25 0.25 3 1 1310 12.5 10,500 6.7 45 94.50 5.25 0.25 4 1 1310 12.7 13,100 5.2 46 94.50 5.25 0.25 4 3 1290 12.8 17,600 4.8 47 94.50 5.25 0.25 4 7 1290 12.8 17,700 4.4 48 94.50 5.25 0.25 4 30 1270 12.4 21,000 1.5 49 94.50 5.25 0.25 13 3 1270 12.7 18,500 2.7 50 94.50 5.25 0.25 13 7 1270 12.7 18,900 1.5 51 94.50 5.25 0.25 13 30 1250 12.6 15,600 0.2 52 94.65 5.25 0.10 13 30 1270 12.9 22,000 3.5 53 94.25 5.25 0.50 13 30 1210 12.6 15,200 -1.0 54 96.75 3.00 0.25 13 30 1250 11.3 18,300 -15.5 55 92.75 7.00 0.25 13 30 1250 13.6 15,100 21.2
表2说明，为提高低温下的可烧结性，颗粒尺寸较小的氧化铝与二氧化钛粉是较佳的。具体而言，应用比表面积分别为4m2/g或更大的氧化铝粉以及比表面积为3m2/g或更大的二氧化钛粉，可在低于1300℃的温度下烧制此混合物。
例如，通过样品51的陶瓷与样品44与45的陶瓷的比较可知，与应用比表面积小于4m2/g的氧化铝粉与比表面积小于3m2/g的二氧化钛粉相比，应用比表面积为13m2/g的氧化铝与比表面积为30m2/g的二氧化钛粉，可将烧制温度减低约60℃到80℃而不劣化特性。
然而，应用颗粒尺寸过小的材料粉，尤其是应用氧化铝粉，会增大粉料成本或增大粉的膨松度，从而影响生产率。因此，这类过小的颗粒尺寸在商业上不总是有用的。相应地，对性能、成本与生产率作一综合研究表明，氧化铝粉的比表面积最好约4m2/g到5m2/g，而二氧化钛粉的从表面积最好约3m2/g或更大些。
在上述例子中把氧化铝、氧化钛与碳酸锰用作原料。但用于本发明的原料并不专门限于这些材料，也可适当使用碳酸盐、硝酸盐与氢氧化物等经烧制形成氧化物的化合物。
本发明的高频陶瓷可进一步包括痕量添加物，其范围不劣化上述的特性。如配用重量百分比为1.0或更少的SiO2、B2O3、V2O5或WO3，可将烧制温度降低约10℃到20℃，并抑制了特性劣化。
此外，本发明的高频陶瓷还可包括Na、K、Fe、Cu、Ga、Cl、Ca与Zr等约束性(obligatory)杂质，以氧化物而言其数量约为0.1重量百分比。以陶瓷总重量为基础，就氧而言，Zr元素的量最好控制在1.0重量百分比或更少。
优点
如上所述，本发明包含Al、Ti与Mn金属元素的高频陶瓷，经x射线衍射分析确定，基本上不含Al2TiO5相，因而相对介质电常数(εr)低达20或更小，10GHz下的Q值高达10000或更大，能随意将谐振频率的温度系数(τf)控制在0ppm/℃左右，从而获得令人满意的高频特性与温度特性。
另外，在组份公式表面的高频陶瓷中，通过进一步限定Ti元素与Mn元素的量，可得到令人满意的特性，即谐振频率的温度系数范围为0±30ppm/℃，10GHz下的Q值达15000或更大。
把比表面积约为4m2/g或更大的氧化铝与比表面积约为3m2/g或更大的二氧化钛粉分别用作本发明的高频陶瓷的Al材料和Ti材料，可阻止材料费用上涨，且改善了低温下的可烧结性而不劣化生产率。
因此，使用上述组份的介质陶瓷例如可生产出电学特性令人满意的介质天线、介质谐振器支架、介质谐振器、介质滤波器与介质双工器，并能生产高性能的小型通信系统。
本领域的技术人员显然明白其它实施例与变化，本发明并不限于上述的特定实施例。