590MHz帶寬+超90%輻射效率！北大深研院光固化微波陶瓷新突破，助推高頻器件新價值

來源：摩方精密

隨著移動通信需求的迅猛增長，無線通信技術逐漸向毫米波和亞毫米波方向發(fā)展。作為現(xiàn)代無線技術不可或缺的推動者，微波陶瓷通過其優(yōu)異的介電性能，已成為促進無線設備小型化和集成化的基本組成部分。在眾多微波陶瓷體系中，具有復雜鈣鈦礦結構的Ba(Zn1/3Nb2/3)O3(BZN)微波陶瓷憑借其優(yōu)異的介電性能（介電常數(shù)：40，品質(zhì)因子：80,000GHz），已被廣泛應用于諧振器和濾波器等無線通訊領域。然而，毫米波通信技術的到來對微波介質(zhì)陶瓷提出了更加嚴格的要求，包括體積小型化、功能集成化以及結構復雜化等。受限于微波陶瓷材料固有的硬度和脆性等特性，因此，加工和制備具有復雜幾何形狀的微波陶瓷器件面臨著極大的挑戰(zhàn)。

近期，北京大學深圳研究生院李昊博士后、國家納米科學中心劉飛博士后及河北工業(yè)大學程立金老師通過摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(microArch® S240，精度：10μm)成功制備了高性能的復雜鈣鈦礦結構的BZN微波陶瓷。同時，首次報導了光固化復雜鈣鈦礦結構微波陶瓷中B位1：2有序疇結構的變化規(guī)律，并設計制備了圓柱形介質(zhì)諧振器天線，實測中心頻率為7.1GHz，帶寬達590MHz，輻射效率超過90%，驗證了光固化成形復雜鈣鈦礦結構的BZN陶瓷在高頻器件中的實際應用價值。同時該研究為3D打印功能陶瓷的商業(yè)化應用提供了理論基礎。

相關研究成果以“Microstructure and Microwave Properties of Complex Perovskite-Structured Ba(Zn1/3Nb2/3)O3 Ceramics and Dielectric Resonator Antenna by Digital Light Processing Technology”為題發(fā)表在《Journal of the European Ceramic Society》期刊上。

首先，作者通過傳統(tǒng)固相合成法制備出平均粒徑為900納米的BZN微波陶瓷粉末。并通過噴霧干燥工藝將亞微米粒徑的陶瓷粉末預團聚成直徑10微米至40微米左右的球形顆粒，以此來降低陶瓷粉末團聚現(xiàn)象，并可以提高陶瓷漿料的固相含量（圖1）。在此基礎上，通過調(diào)節(jié)分散劑含量，制備出固相含量為82wt%的BZN陶瓷漿料。

圖1. BZN微波陶瓷粉末表征。

光固化打印樣品在1350攝氏度至1450攝氏度燒結4小時。通過XRD技術表征技術發(fā)現(xiàn)：燒結溫度低于1400攝氏度時，樣品中存在由B位1：2有序結構產(chǎn)生的超晶格衍射峰（2θ = 17.7°），當燒結溫度達到或超過1400攝氏度時，超晶格衍射峰消失。B位1：2有序結構是決定復雜鈣鈦礦結構微波陶瓷介電損耗的關鍵因素。此外，B位有序結構的形成受動力學因素控制。為了提高光固化BZN陶瓷的介電性能，燒結樣品在1300攝氏度條件下進行了24小時的退火處理。結合TEM電鏡表征發(fā)現(xiàn)，退火樣品中存在明顯的超晶格電子衍射斑點。高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）通過觀察兩種不同的晶格間距：0.71納米，對應有序結構；0.41納米，對應無序立方結構，直接證明了光固化BZN樣品中B位1：2有序疇結構的存在（圖2）。通過退火處理，光固化樣品中有序度最大提高至81.31%，退火處理后樣品呈現(xiàn)出優(yōu)異的介電性能：介電常數(shù)為38.9，品質(zhì)因子為89,600GHz，諧振頻率溫度系數(shù)為22ppm/℃。

圖2. 光固化BZN樣品B位1：2有序結構表征。

在此基礎上，作者設計并制備了圓柱形BZN介質(zhì)諧振天線（圖3），由于介質(zhì)諧振塊具有顯著的共振和輻射效應，實現(xiàn)了超帶寬范圍的高輻射效率：實測通帶帶寬為590MHz（6.76GHz至7.35GHz），輻射效率超過90%，實測中心頻率為7.1GHz。以上研究驗證了通過光固化技術制備的微波介質(zhì)陶瓷在高頻通訊技術領域具有潛在的應用價值。

圖3. 光固化BZN介質(zhì)諧振天線測試結果。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2025.117492