【摘 要】
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随着第五代移动通信技术（5G）和物联网技术的快速发展,对电子信息材料的需求也日益增长,同时也提出了更高的性能要求。微波介质陶瓷在移动基站、卫星通信、军用雷达、GPS、蓝牙技术等领域有着广泛的应用。具有稳定温度系数（τf）和高Q值（Q×f）的低介电常数()微波介质陶瓷是未来5G基站滤波器的重要解决方案。本文采用高温固相反应法合成超低介电常数堇青石(Mg2Al4Si5O18)基微波陶瓷,具体研究内容如
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随着第五代移动通信技术（5G）和物联网技术的快速发展,对电子信息材料的需求也日益增长,同时也提出了更高的性能要求。微波介质陶瓷在移动基站、卫星通信、军用雷达、GPS、蓝牙技术等领域有着广泛的应用。具有稳定温度系数（τf）和高Q值（Q×f）的低介电常数()微波介质陶瓷是未来5G基站滤波器的重要解决方案。本文采用高温固相反应法合成超低介电常数堇青石(Mg2Al4Si5O18)基微波陶瓷,具体研究内容如下:（1）Mg2-x(Li0.5Ga0.5)xAl4Si5O18（x=0-0.1）陶瓷的微波介电性能。实验通过固相反应法合成Mg2-x(Li0.5Ga0.5)xAl4Si5O18（x=0-0.1）陶瓷,所有组分均为堇青石固溶体。陶瓷的相对介电常数主要与化学键的离子性、离子极化率、密度等因素有关,其中Mg-O键的离子性相对Al-O键和Si-O键的影响较大,其离子性与介电常数呈正相关。陶瓷晶体结构中Si-O键的晶格能远大于Mg-O键和Al-O键的晶格能,Si-O键晶格能、原子填充率和晶体结构中[Si4Al2O6]六元环的对称度对Q×f值有着重要作用。陶瓷的τf值主要与键能、热膨胀系数和[Mg O6]八面体的畸变程度有关,三种化学键的键能属Al-O键最大,对陶瓷温度稳定性影响最大。当x=0.02时,具有最佳综合微波介电性能为:=4.72,Q×f=42,170GHz,τf=-29ppm/℃。（2）Mg1.8R0.2Al4Si5O18（R=Ca,Sr,Ba,Mn,Co,Ni,Cu,Zn）陶瓷的微波介电性能。本实验系统研究Mg1.8R0.2Al4Si5O18（R=Ca,Sr,Ba,Mn,Co,Ni,Cu,Zn）陶瓷的微波介电性能与二价元素离子极化率、化学键和晶体结构之间的联系。实验结果发现所有组分的相对介电常数在4-6之间,数值与R元素的离子极化率和化学键的离子性有关。陶瓷的Q×f值和τf值呈现如下规律:在R元素为第四周期过度金属元素（Mn、Co、Ni、Cu、Zn）时要优于R元素为第二主族碱土元素（Ca、Sr、Ba）,其中当R=Ni时陶瓷的Q×f值最大,为61,880GHz,此时相应的介电常数和τf值分别为4.53和-32ppm/℃。（3）堇青石陶瓷的温度系数调控、光谱研究与5G天线集成。本实验通过添加不同质量百分比的Ti O2调节堇青石的τf值,当加入的Ti O2质量百分比为5.5wt%时,陶瓷的τf值被调节到-2.8ppm/℃,此时相应的介电常数和Q×f值分别为5.24和33,400GHz。采用合肥国家同步辐射中心红外站的红外反射光谱测试系统并结合Kramers-Kronig（K-K）公式计算Mg2Al4Si5O18-x wt%Ti O2（x=0,1.5,5.5）陶瓷在微波频段和太赫兹频段下理论介电常数与介电损耗。在此基础上,采用自由空间法测试Mg2Al4Si5O18-x wt%Ti O2（x=0,1.5,5.5）陶瓷在太赫兹频段下的介电常数与介电损耗,在x=5.5时拟合结果与测试结果吻合。最后采用τf值近零的Mg2Al4Si5O18-5.5wt%Ti O2陶瓷为介质基板,设计加工5G贴片天线,其实际工作频率在5.86GHz,效率和增益分别为76.3%和4.92d Bi。
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