BaF2 представляет собой низкотемпературный фторид с превосходными микроволновыми диэлектрическими свойствами, в то время как уплотнение керамики BaF2 является сложной задачей при обычном спекании. В настоящей работе методом холодного спекания (150–600 МПа, 150 °С, 1 ч) и последующего доотжига при 900 °С получена плотная керамика BaF2 с относительной плотностью 95,3–98,5 %. Изображения, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа, демонстрируют плотно упакованные микроструктуры, а также идентифицирована химическая совместимость между керамикой BaF2 и Ag-электродами. Оптимальное значение Qf (82 320 ГГц) в 1,53 раза выше, чем при обычном спекании (53 654 ГГц), при диэлектрической проницаемости εr = 7,3 и температурном коэффициенте резонансной частоты τf = –107,9 м.д./°C. Кроме того, изготовлена микрополосковая патч-антенна на основе BaF2, которая обеспечивает S11 = –16,5 дБ, высокий коэффициент усиления 5,84 дБ и общую эффективность –0,38 дБ на частоте 5,78 ГГц. Исключительные микроволновые диэлектрические свойства и характеристики антенны указывают на то, что керамика BaF2 является многообещающим кандидатом для применения в беспроводных локальных сетях с частотой 5,8 ГГц.
Введение
Продолжающаяся волна сетевых преобразований подпитывается быстрым развитием технологий беспроводной связи. Быстро развертываемая технология дала современному обществу возможность расширять сетевые коммуникации в областях, где традиционная проводка может быть слишком дорогой или невозможной. Беспроводная локальная сеть (WLAN) — один из самых популярных способов построения беспроводных сетей. Несущие частоты WLAN включают нижнюю полосу частот 2,4 ГГц (2,4–2,484 ГГц) и верхнюю полосу частот 5,8 ГГц (5,725–5,825 ГГц) [1,2]. В настоящее время диапазон 2,4 ГГц становится переполненным из-за резкого роста потребностей в беспроводной связи. Многие пользователи предпочитают использовать полосу частот 5,8 ГГц, поскольку она обеспечивает больший спектр и меньше помех. Микроволновая диэлектрическая керамика утвердила свой статус в системах беспроводной связи за счет улучшения размера и плотности упаковки микроволновых интегральных схем [3-5]. Для применения в подложке антенны решающими характеристиками микроволновой диэлектрической керамики являются низкая диэлектрическая проницаемость (εr), высокая добротность (Qf) и близкий к нулю температурный коэффициент резонансной частоты (τf). Кроме того, низкая температура уплотнения (<960 °C) позволяет проводить совместный обжиг керамики с проводящими электродами (такими как Ag), что дает возможность применять ее в технологии низкотемпературного совместного обжига керамики (LTCC) [5–7]. Согласно уравнению Клаузиуса-Моссотти εr определяется ионной поляризуемостью на единицу объема [8]. Следовательно, поиск материалов с низким εr в основном сосредоточен на оксидах с низкой поляризуемостью (таких как силикаты, алюминаты и бораты [9–14]).
Недавно исследователи расширили список материалов с низким εr до фторидов, поскольку F имеет более низкую ионную поляризуемость 1,62 Å3, чем у O (2,01 Å3) [15]. Гейер и др. подготовил серию фторидных монокристаллов и сообщил о превосходных диэлектрических характеристиках в микроволновом диапазоне частот [16]. Чжан и др. сообщили о новой керамике Li5Ti2O6F с низкими потерями и определили их потенциальное применение в технологии LTCC [17]. Сонг и др. подготовили керамику BaF2 с низким обжигом посредством обычного спекания (CS) при 925 ° C и сообщили о низком εr 6,72 и приемлемом значении Qf 53 654 ГГц [18]. Между тем из-за захвата газа и низкой движущей силы уплотнения во время CS оптимальная относительная плотность обычной спеченной керамики BaF2 составила всего 92,04%. [18]. Учитывая, что пористая микроструктура, как известно, вредна для значений Qf, оптимизация уплотнения в керамике BaF2 может привести к прорыву в разработке фторидов с низкими потерями. Холодное спекание — это новый метод низкотемпературной консолидации, в котором применяются высокие давления (сотни МПа) для ускорения диффузии по границам зерен/поверхности и массопереноса [19,20]. Недавние работы по сверхнизкотемпературному (ниже 200 °C) уплотнению посредством холодного спекания в основном сосредоточены на компонентах с высокой растворимостью (обычно в воде), таких как Li2MoO4 (44,8 г/100 мл), NaCl (36 г/100 мл) и H3BO3 (5,80 г/100 мл) [14,21,22]. Для нерастворимых соединений, таких как BaTiO3, K0.5Na0.5NbO3 и TiO2, обычно требуется последующая обработка после отжига [23–25]. Следовательно, учитывая большой потенциал улучшения характеристик и низкую растворимость (0,161 г/100 мл) BaF2 [26], керамику BaF2 получают с помощью процесса холодного спекания с последующим отжигом при 900 °C. Систематически исследуются уплотнение, микроволновые диэлектрические свойства и их химическая совместимость с серебряными электродами. Кроме того, микрополосковая антенна на основе BaF2, работающая на частоте 5,8 ГГц, спроектирована и изготовлена для определения их потенциальных приложений для WLAN. Обратные потери, диаграмма направленности, коэффициент усиления и общий КПД антенны на основе BaF2 измеряются и сравниваются с моделируемыми.
……………………
Выводы
Керамика BaF2 с относительной плотностью 95,3~98,5 % была получена путем холодного спекания (150–600 МПа, 150 °С, 1 ч) и последующих доотжигов при 900 °С. Результаты XRD и EDS демонстрируют удовлетворительную химическую совместимость между керамикой BaF2 и Ag-электродами, что указывает на большие перспективы применения в технологии LTCC. Оптимальные микроволновые диэлектрические свойства (εr = 7,3, Qf = 82 320 ГГц и τf = -109,4 ppm/°C) получены при приложенном одноосном давлении 600 МПа. Оптимальное значение Qf в 1,53 раза больше, чем для традиционно спеченной керамики BaF2 (53 654 ГГц). Изготовлена патч-антенна на основе BaF2, работающая на частоте 5,78 ГГц с S11 -16,5 дБ. Получены хорошие совпадения между измеренными и смоделированными результатами, а спроектированная антенна демонстрирует удовлетворительное усиление и общую эффективность 5,84 дБ и -0,38 дБ соответственно. Превосходные характеристики антенны соответствуют ожидаемым свойствам, что указывает на то, что керамика BaF2 холодного спекания и последующего отжига является многообещающим кандидатом для приложений WLAN 5,8 ГГц.