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周迪教授课题组最新研究成果:微波介质材料以及低温共烧陶瓷技术的研究
发布者: 周迪 | 2021-02-01

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研究背景

微波介质陶瓷作为5G时代滤波器、介质谐振器、天线材料等的重要解决方案,其研究热度不言而喻。在当代通信系统中,微波介质陶瓷元器件的重要应用方向为移动通信基站,而介质谐振器、介质滤波器、双工器和多工器均是通信基站射频单元的关键组件。5G基站将引入Massive MIMO大规模阵列天线技术和集成化的有源天线架构,促使小型化和轻量化成为通信基站基本设计要求。因此,兼具小密度和高性能的微波介质陶瓷材料由于能够满足轻量化的需求而在5G时代表现出良好的发展潜力。

 

成果介绍

西安交通大学周迪教授课题组一直致力于微波介质材料以及低温共烧陶瓷技术的研究。近日,该课题组在《ACS Applied Materials & Interfaces》上发表了题为“Design of a High-Efficiency and -Gain Antenna Using Novel Low-Loss, Temperature-Stable Li2Ti1x(Cu1/3Nb2/3)xO3 Microwave Dielectric Ceramics”的研究文章。作者发现利用(Cu1/3Nb2/3)4+复合离子对岩盐结构的Li2TiO3进行离子取代改性,可以获得兼具低损耗和高温度稳定性的微波介质陶瓷材料Li2Ti0.8(Cu1/3Nb2/3)0.2O3 (LTCN0.2),并通过添加适量助烧剂实现了900℃以下的低温烧结,低温烧结的陶瓷材料LTCN0.2 + 3 wt.% H3BO3表现出优异的微波介电性能(εr ~21.0, Q×~51,940 GHz and TCF ~ +1.4 ppm/oC)以及小的密度(~3.44 g/cm3);利用晶体结构精修、高分辨透射电镜等技术,并结合介电性能测试和远红外光谱的拟合,阐明了晶体结构与性能变化的规律及机制。此外,还研制了原型天线器件,对所开发的高性能微波介质陶瓷材料进行了器件验证。该工作为开发高性能微波介质材料及新型LTCC材料提供了思路。

 

通过(Cu1/3Nb2/3)4+取代对Li2TiO3进行改性获得了高性能的温度稳定型微波介质陶瓷LTCN0.2。但为了满足小型化和集成化的应用需求,还添加助烧剂H3BO3对其进行降温烧结研究。研究结果表明添加H3BO3作为烧结助剂可有效降低LTCN0.2陶瓷的烧结温度至Ag熔点(961 oC)以下,并形成致密的微观结构。从图3中可以看到,在860 ℃下烧结2小时的LTCN0.2 + 3 wt.% H3BO3陶瓷可以获得优异的微波介电性能,εr ~ 21.0,Q×f ~ 51,940 GHz和近零的TCF值~ +1.4 ppm/oC(25~85℃),而且在-40 ~ 120℃的宽温度范围内TCF值依然是近零的。最佳烧结温度要比未掺杂的LTCN0.2陶瓷低280 oC,降温烧结效果显著。LTCN0.2 + 3 wt.% H3BO3与Ag在860 oC下进行共烧的研究表明,其不会与Ag发生反应,具有良好的兼容性,表明该种陶瓷在LTCC中具有很好的应用前景。此外,对新型高性能的LTCN0.2 + 3 wt.% H3BO3微波介质陶瓷进行仿真,设计了一款具有高辐射效率的贴片天线原型(图4),在无线通信系统中具有良好的应用前景。

 

文献信息

Huan-Huan Guo, Mao-Sen Fu, Di Zhou, Chao Du, Peng-Jian Wang, Li-Xia Pang, Wen-Feng Liu, Antonio Sergio Bezerra Sombra, and Jin-Zhan Su, Design of a High-Efficiency and -Gain Antenna Using Novel Low-Loss, Temperature-Stable Li2Ti1–x(Cu1/3Nb2/3)xO3 Microwave Dielectric Ceramics, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13(1), 912–923.

论文链接:

https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c18836

 

 

团队介绍

文章第一作者为西安交通大学博士生郭欢欢,通讯作者为西安交通大学周迪教授,更多内容欢迎访问课题组主页

http://gr.xjtu.edu.cn/web/zhoudi1220。