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590MHz帶寬+超90%輻射效率!北大深研院光固化微波陶瓷新突破

閱讀:131      發(fā)布時間:2025-5-22
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隨著移動通信需求的迅猛增長,無線通信技術(shù)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(shù)重要的推動者,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(jié)構(gòu)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(lǐng)域。然而,毫米波通信技術(shù)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(jié)構(gòu)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(shù)(microArch® S240,精度10μm)成功制備了高性能的復雜鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的BZN微波陶瓷。同時,報了光固化復雜鈣鈦礦結(jié)構(gòu)微波陶瓷中B12有序疇結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(chǔ)。


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



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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(chǔ)上,通過調(diào)節(jié)分散劑含量,制備出固相含量為82wt%BZN陶瓷漿料。



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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(jié)4小時。通過XRD技術(shù)表征技術(shù)發(fā)現(xiàn):燒結(jié)溫度低于1400攝氏度時,樣品中存在由B12有序結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的超晶格衍射峰(2θ = 17.7°),當燒結(jié)溫度達到或超過1400攝氏度時,超晶格衍射峰消失。B12有序結(jié)構(gòu)是決定復雜鈣鈦礦結(jié)構(gòu)微波陶瓷介電損耗的關(guān)鍵因素。此外,B位有序結(jié)構(gòu)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(jié)樣品在1300攝氏度條件下進行了24小時的退火處理。結(jié)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(jié)構(gòu);0.41納米,對應無序立方結(jié)構(gòu),直接證明了光固化BZN樣品中B12有序疇結(jié)構(gòu)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/。



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2. 光固化BZN樣品B12有序結(jié)構(gòu)表征。


在此基礎(chǔ)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590MHz6.76GHz7.35GHz),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(shù)制備的微波介質(zhì)陶瓷在高頻通訊技術(shù)領(lǐng)域具有潛在的應用價值。



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3. 光固化BZN介質(zhì)諧振天線測試結(jié)果。


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