由于高介電常數(shù)覆銅板在小型化微帶天線中的廣泛、重要應(yīng)用，本文對微帶天線的小型化方法、微帶天線的理論與設(shè)計(jì)和高介電常數(shù)覆銅板的制作進(jìn)行了簡要概述。

1、前言

　　無線通信技術(shù)是通過電磁波的輻射來完成。電磁波的產(chǎn)生，基本上是電場與磁場的變化過程，將能量以波的方式在空間中傳遞，而天線的存在提了電場變化的環(huán)境。現(xiàn)代電磁學(xué)歷經(jīng)三百多年的發(fā)展，日臻完善。天線作為實(shí)現(xiàn)無線電應(yīng)用的關(guān)鍵設(shè)備，隨著微電子技術(shù)與大規(guī)模集成電路的迅猛發(fā)展，對能與設(shè)備大小協(xié)調(diào)且具有有效電性能的小天線的需求愈加迫切。

　　然而遺憾的是，在較低頻段，傳統(tǒng)的半波長微帶天線尺寸仍然太大。這樣，實(shí)用化小型微帶天線的研制，特別是用作第三代移動通信系統(tǒng)、藍(lán)牙系統(tǒng)、無線定位系統(tǒng)及衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的天線，成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。尤其在衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)，據(jù)估計(jì)，到2020年導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)2600億元，總收益甚至可達(dá)4200億元。我國已建成的“北斗一號”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，填補(bǔ)了我國衛(wèi)星導(dǎo)航定位領(lǐng)域的空白。與普通微波天線相比，微帶天線重量輕、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(xiàn)雙頻段、雙極化工作等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。微帶天線是一維小天線，必須經(jīng)恰當(dāng)設(shè)計(jì)才能獲得良好性能。

2、微帶天線小型化的方法

　　微帶天線是20世紀(jì)70年代初期研制成功的一種天線形式。由于其結(jié)構(gòu)簡單、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(dá)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但由于微帶天線是一種諧振結(jié)構(gòu)，故當(dāng)其應(yīng)用于較低的頻率時(shí)，其結(jié)構(gòu)尺寸通常都較大，不能滿足某些小尺寸要求。而且近年來，無線通信系統(tǒng)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(shù)材料介紹

　　傳統(tǒng)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(shù)，但在制備陶瓷瓷體材料時(shí)需高溫?zé)�結(jié)，得到的材料具有孔隙率較高、機(jī)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(shù)材料外，其介電常數(shù)通常較低。以高介電陶瓷粒子填充的聚合物基復(fù)合材料，結(jié)合了高分子材料和無機(jī)材料優(yōu)點(diǎn)，可以同時(shí)具有介電常數(shù)高、介電損耗低、易加工等優(yōu)良性能，成為制備高介電常數(shù)、低損耗材料的一種趨勢。

5.1、高介電常數(shù)聚合物基復(fù)合材料介紹

　　制備高介電常數(shù)聚合物基復(fù)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)氧樹脂(Epoxy Resin)、氰酸酯(CE)、雙馬來酰亞胺(BMI)以及聚酰亞胺(PI)等。制備高介電常數(shù)高分子復(fù)合材料的無機(jī)粒子主要有陶瓷、碳類和金屬粒子。

　　目前常用的高介電常數(shù)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)等無機(jī)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)氧樹脂(EP)采用溶液共混法制備了0-3型兩相復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)，EP/BT復(fù)合物的介電常數(shù)隨BT顆粒粒徑的增大而增大，這與BT顆粒的介電常數(shù)隨粒徑的變化規(guī)律一致。隨BT體積分?jǐn)?shù)的增加，EP/BT復(fù)合材料的介電常數(shù)呈非線性增長，介電損耗的變化不明顯，均在0.015~0.025之間。而且介電常數(shù)和介電損耗在103Hz ~ 107 Hz的頻率范圍內(nèi)較為穩(wěn)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(dāng)填料含量為60%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，1 MHz下體系的介電常數(shù)達(dá)15.823，介電損耗低至0.001。

　　朱寶庫等通過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(shù)的聚酰亞胺/BaTiO3復(fù)合膜。復(fù)合膜的介電常數(shù)和介電損耗隨著BaTiO3粒子含量的增加而增加，在50%(體積分?jǐn)?shù))時(shí)，介電常數(shù)可達(dá)35，介電損耗為0.0082(10 kHz)，而且在相當(dāng)大的溫度和頻率范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，是一種綜合性能良好的高介電常數(shù)材料。

5.2、高介電常數(shù)覆銅板介紹

　　高介電常數(shù)覆銅板由高介電常數(shù)介質(zhì)材料和銅箔組成，研制具有高介電常數(shù)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(shù)聚合物基復(fù)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(shù)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(shù)鋁基覆銅板。在相同的體積和電場強(qiáng)度下，金屬與電介質(zhì)構(gòu)成的復(fù)合覆銅板的電極化強(qiáng)度遠(yuǎn)大于純電介質(zhì)材料。

　　金紅石型二氧化鈦的介電常數(shù)較大(Dk=114)，介質(zhì)損耗很小(Df=0.001)，在樹脂體系中少量添加，就可以達(dá)到調(diào)節(jié)介電常數(shù)的目的，而且二氧化鈦的粒徑小，且呈球形，易于在樹脂溶液中攪拌均勻。劉軍采用聚苯醚(PPO)樹脂體系，同時(shí)采用金紅石型二氧化鈦復(fù)合陶瓷粉材料作為介電常數(shù)調(diào)節(jié)劑，研制開發(fā)出了介電常數(shù)為6.23(9.37 GHz)，介質(zhì)損耗因數(shù)為0.0014(9.37 GHz)的金屬基覆銅板。

　　張翔宇等通過填料預(yù)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)樹脂。添加BaTiO3的主要目的是提高整個(gè)材料的介電常數(shù)。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。隨著填料加入量的增加，介電常數(shù)也相應(yīng)增加。值得注意的是，填料含量在60%后，介電常數(shù)和介電損耗開始突增。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(xiàn)象相符。BaTiO3含量為20%、40%、60%、80%的TPI與銅箔的剝離強(qiáng)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)氧樹脂、BMI型聚酰亞胺、氰酸酯樹脂三種有機(jī)樹脂(樹脂的介電性能見表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的玻璃纖維無紡布浸膠后，在一定的條件下烘干制作成粘結(jié)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。采用三種樹脂制作的高介電常數(shù)覆銅板性能見表2。

表1 常見有機(jī)樹脂的介電性能

表2 高介電常數(shù)覆銅板檢測結(jié)果

6、結(jié)語

　　微帶天線由于結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低以及優(yōu)良的電性能在衛(wèi)星終端領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，特別是近年來便攜式導(dǎo)航產(chǎn)品(車用導(dǎo)航儀、智能手機(jī)等)的普及，更使得微帶天線的用量越來越大。長期以來，衛(wèi)星導(dǎo)航天線用介質(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(shù)大，可以滿足衛(wèi)星導(dǎo)航天線小型化的要求，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(yīng)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(jī)介質(zhì)基板材料成為材料界的產(chǎn)品開發(fā)方向之一。作為有機(jī)介質(zhì)基板材料的高介電常數(shù)覆銅板的研究與開發(fā)，具有非常大的市場前景和應(yīng)用價(jià)值。