微波介质陶瓷滤波器具有小型化、重量轻和易集成等优点，并且低介电常数的微波介质陶瓷滤波器还具有传输和响应速度快、温度稳定性高、传输损耗低、频率选择性好等优点，这使得它在 5G 通信、卫星通信和雷达系统应用中显示出了巨大优势。

微波陶瓷滤波器的电磁性能除了与微波陶瓷的结构参数、介电常数、损耗因子相关外，还与频率温度系数有很大关系，它决定了滤波器的工作稳定性。当微波介质材料的谐振频率随温度变化较大时，载流子信号会在不同的温度下漂移，从而影响器件的性能，因此要求材料的谐振频率不随温度变化。Mg2SiO4、Mg4Nb2O9和 Al2O3作为常用的低介电常数微波陶瓷被广泛研究，但 Al2O3的品质因子和谐振频率 乘 积（Q·f）值 明 显 高 于 Mg2SiO4 和 Mg4Nb2O9。作为一种典型的低介电常数微波介质陶瓷，Al2O3具有制造成本低、导热系数大［室温下 24.5 W/（m·K）］等优点，它在毫米波下表现出优异的介电性能（介电 常 数 εr=10，Q·f=500 000 GHz，温 度 系 数 τf=-60×10-6/℃）。

然而，Al2O3的温度系数较大，烧结温度较高（1600~1700℃），限制了其工业应用。由于TiO2陶瓷拥有相对介电常数 εr=100、Q·f=48000 GHz 和 τf=450×10-6/℃的温度系数，为了改善 Al2O3陶瓷的介电性能，加入一定量的 TiO2形成Al2O3 TiO2 复合陶瓷，有望使温度系数值趋于零。Youshihiro 等人报道了 Al2O3TiO2体系的介电性能，当 Al2O3与 TiO2的摩尔比为 9∶1 时，其温度系数几乎为零。

目前，用增材制造技术（Additive manufacturing，AM），即3D制造技术加工的微波和射频无源器件吸引了越来越多的关注。与其他 AM 方法相比，立体光刻成形技术（Digital light processing，DLP）具有精度高、成型速度快等特点，因此本文利用 DLPAM 技术制造微波介电陶瓷滤波器，在确保精度的同时，提高了成型效率。

01微波介质陶瓷滤波器的设计

利用全波电磁场仿真软件 CST2019 对滤波器进行建模仿真，以获得满足微波特性要求的滤波器结构尺寸，其结构示意图如图 1 所示。图 1（a）为俯视图，图 1（b）为沿 AA/线的剖视图。

该滤波器由两个谐振腔通过中间空气窗口耦合构成。本文滤波器的设计通带为 4.8~4.9 GHz，此频段是 2020 年至2025 年我国工信部 5G 规划频段。滤波器的圆柱腔高为 H，半径为 R；作为谐振器的两个中心柱的半径为 Rd，高度为 Hd，它们轴心之间的距离为 Ld；耦合窗口的宽度为 b；输入和输出端口为特性阻抗 50 Ω的微型 A 类（SMA）连接器，其轴心与谐振柱的轴心距离为 Lx；SMA 连接器的内导体半径为 Ri，外导体内半径为 Ro；耦合窗口边缘做了半径为 2 mm 的倒圆角处理；陶瓷体的壁厚设定为 1mm；陶瓷材料 εr设为 12.3（经事先制造的样品测得此数据），SMA 端口介质材料为聚四氟乙烯（εr=4.2），SMA 内导体设为理想导体。通过调谐优化各参数获得满足要求的结构尺寸，如表1 所示，表中除了 SMA 接头参数Ri和 Ro是设定值外，其他参数都是优化值。

02滤波器的制备

图2显示了微波介电陶瓷滤波器的完整制备过程。在仿真获得最佳滤波器结构尺寸后，利 用Solidworks 软件建立三维机械模型，然后利用 Magics 软件生成支撑结构并对零件进行切片，将数据输出为立体光刻文件，并导入到 DLP 打印机。DLP 打印机的光源为发射波长 405nm 的紫外线，z 轴精度为 10μm。在成型过程中用紫外线选择性扫描陶瓷悬浮液，固化每一层图案。

第一层固化后，成型平台向上移动，用刀片在固化表面重新涂覆陶瓷悬浮液；第二层用同样的方法固化。重复这些步骤，直到最终获得整个陶瓷体，而后对打印出的陶瓷体进行清洗，首先用自来水冲洗，再在酒精中进行超声波清洗。清洗完毕后，样品内残余水分通过溶剂萃取法去除，溶剂采用聚乙二醇 400（PEG 400）。将样品浸入 PEG400 中，可在各个方向上产生均匀的萃取率。为了去除聚合物粘合剂并实现致密化，样品随后要进行脱脂和烧结。脱脂阶段是最耗时的步骤，因为树脂需要缓慢去除以防止开裂。

第一阶段真空脱脂是为了减缓热解速率，第二阶段空气脱脂是为了保证残余的碳完全去除。脱脂后的试样在 1550℃下烧结，并保温 2h，然后在 1000℃温度下退火 5h。退火工艺是为了消除 Al2TiO5相（Al2TiO5相会降低Al2O3 TiO2的微波介电性能。 烧结的0.9Al2O30.1TiO2陶瓷有 25% 的收缩率，这意味着在制造之前，必须相应地放大原始模型。为了屏蔽滤波器，在滤波器的外表面涂上 10 μm 的铜层。

本文以粒径分别为 5μm、500nm 球形 Al2O3粉体（Al2O3≥99.9 wt%）和粒径为 1 μm 的球形 TiO2粉体（TiO2≥99.5 wt%）为原料制备陶瓷悬浮液。两种粒径的 Al2O3粉末以 1∶1的重量比均匀混合，然后以 1∶9 的摩尔重量比将 TiO2粉末添加到混合的 Al2O3粉末中。用于制备陶瓷悬浮液的预混溶液由两部分组成：光敏树脂和聚丙烯酸钠分散剂。将制备好的粉末加入到预混合溶液中形成陶瓷悬浮液，人工预混后，用氧化锆球将陶瓷悬浮液球磨 14h，然后用真空混合器将悬浮液脱气 1h，这样可以得到固体含量为45% 的陶瓷悬浮液。

在这项工作中，纳米粉和微粉的混合是为了在陶瓷浆料的粘度和烧结体的密度之间建立一个平衡。因为以往的理论和实验研究表明，不同粒径的粉体组合是提高粉体体积含量和降低陶瓷浆料的粘度的有效方法，不同粒径粉末烧结体的密度比单一粒径粉末烧结体的密度高。

03仿真与测量结果

烧结和退火试样的微观结构由扫描电镜进行表征。相对密度由阿基米德位移法测定。试样成分采用 X 射线衍射（XRD）分析测定，测试条件：衍射角范围 10°~80°，使用 CuKα 射线（波长 λ=0.15406 nm）、电 压 40 kV、电 流 100 mA、0.02° 步 宽 和5°/min 扫描速度 。 Q·f 和 εr 采 用 修 正 的 Hakki 和Coleman 谐振器腔法，由网络分析仪测得。温度系数 τf 采用网络分析仪和培养箱，在 20~80℃温度范围内测量。滤波器微波性能由矢量网络分析仪测得。图3为带有输入输出 SMA 连接器的滤波器实物照片。

04结果与讨论

表 2 列出了在 1550℃ 烧 结 2h、退火5h 前 后0.9Al2O3 0.1TiO2体系陶瓷在上述测试条件下测得的介电性能对比表，可以发现 0.9Al2O30.1TiO2体系陶 瓷 在 退火后比退火前的 Q·f 值提高 了 30800GHz，εr值提高了 0.45，τf相差了 50.1×10-6/℃，相对密度增加了 0.8%。从陶瓷工艺的角度看，只要结构一致、密度高、晶粒生长均匀，孔隙、杂质和缺陷就会减少，介电损耗也会减少，从而产生改进的Q 值。

由图 4 退火前后的扫描电子显微镜（SEM）照片可以看出，退火 5h后，晶粒表面更规则，分布更均匀，表面气孔更小，致密化程度更高。由于材料的致密化，离子结合越紧密，离子运动越困难，因此离子弛豫极化很难发生。总的来说，除了电子和离子弹性位移极化，没有极化损耗。另外，当材料密度较大时，气孔较少，气体电离引起的电离损失较小。

微观分析表明介电常数 εr是一个综合反映介质极化行为的宏观物理量。Al2O3的 εr=10，TiO2的 εr=100，所以 Al2O3TiO2体系的 εr随 TiO2的加入而增加。

如图 5 所示，当烧结温度高于 1100℃且不进行退火时，在 0.9Al2O3 0.1TiO2 体系中会形成二次相Al2TiO5。

图 6 的 XRD分析图证实了这个结论，Al2TiO5 的 衍 射 峰 出 现 在 退 火 前 的 体 系 中 ，表 明Al2O3 在 烧 结 过 程 中 与 TiO2 反 应 生成 Al2TiO5，1000℃下退火5h的样品在 X射线衍射图 中Al2TiO5的衍射峰消失了，表明 Al2TiO5相经退火处理已经分解了。由于Al2TiO5的 εr值为3.4，低于主相，所以退火样品的介电常数比烧结样品的介电常数增加。烧结态试样由于高损耗相 Al2TiO5的形成，降低了系统的 Q·f值。根据 Lichnetecker 定律，随着 TiO2的增加 Al2O3TiO2体系的温度系数会逐渐增加。而由表2 可以发现退火前 0.9Al2O3 0.1TiO2体系的温度系数 τf为 -49×10-6 /℃和 纯 Al2O3 的 温 度 系 数 τ（f -60×10-6 /℃）相近，矫正变化不大，这仍是由于退火前0.9Al2O3 0.1TiO2体系中 Al2TiO5相的出现导致的，因为 Al2TiO5相的出现造成系统中 TiO2实际含量降低。 退火后 ，Al2TiO5相分解 ，TiO2 含量增加 ，0.9Al2O3 0.1TiO2体系的 τf 值从负值调整为正值1.1×10-6/℃，几乎介于零。

图 7 是滤波器不同频率下的 S 参数和相位特性。由 7（a）的 S 参数仿真结果和测试结果对比图可以看出 ，实测值的中心频点向高频偏移了 0.02GHz，相对频偏为 0.4%。中心频点偏移的主要原因是收缩率误差和制造误差引起的，如果收缩率和加工误差造成的谐振柱高度变低，就会引起谐振频率升高。在 4.8~4.9 GHz 通带内，插入损耗 S21实测值约为-1.33~-1.78 dB，仿真值最大时只有-0.15dB。反射损耗 S11实测值比仿真值大了约 10dB，但S11仍小于-15 dB，满足工程要求。插入损耗和回波损耗的差异主要是由于仿真时为提高仿真速度，金属都理想化了，另外还与收缩率和加工误差有关。收缩率的变化会影响到最终结构尺寸的变化，如果耦合窗口和两个谐振柱之间的距离发生变化，那么就会引起耦合系数变化，进而影响到滤波器的工作带宽以及通带内的插损和回波起伏。由图 7（b）的相位特性可以看到，在通带内相位和频率基本成线性关系，其斜率基本维持某一常数，所以此滤波器的线性度较高，引起的色散程度较低。

05结 论

利用 DLPAM 技术和微波介质陶瓷材料制备了一款微波介质陶瓷滤波器。在 1550℃烧结 2h，1000℃后退火 5h，得到介电性能良好的 0.9Al2O3 0.1TiO2体系陶瓷。在 4.8~4.9 GHz 的通带范围内，插入损耗为 1.33~1.78dB，反射损耗大于16 dB，线性度较好，满足 5G 通信工程要求。本文为制造结构复杂、精度高的微波介质陶瓷滤波器提供了一种有效的方法，可应用于蜂窝移动网络系统、通信基站、电视卫星接收系统、卫星通信和雷达系统中。

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