接近零损耗的基于Ge-Cordierite的微波介电陶瓷，用于介电谐振器天线

《Journal of Alloys and Compounds》：Near-Zero τ f Ge-Cordierite-Based Microwave Dielectric Ceramics for Dielectric Resonator Antennas

本研究通过Ge^4+取代霞石（Mg2Al4Si5O18）中Si^4+位离子，优化微波介电陶瓷性能。实验表明掺杂20% Ge的MASG0.2陶瓷在1360°C烧结时，εr=4.72，Q×f=119,184 GHz，τf=-24.37 ppm/°C。进一步设计TiO2复合陶瓷（0.1TiO2-0.9MASG0.2），在1275°C烧结时实现τf=2.59 ppm/°C，温度稳定性显著提升。基于该复合陶瓷开发的微带天线在7.46 GHz处反射系数-26.65 dB，带宽2.04 GHz，验证了其应用潜力。

　　

王瑞涵|苏云鹏|王志培|陈月光|刘丹|陈硕|吴海涛|史云洲|周旭|张玉萍

中国山东省烟台市烟台大学环境与材料工程学院，邮编264005

摘要

在本研究中，由于Ge⁴⁺与Si离子的离子半径相似，因此使用Ge⁴⁺替代堇青石中的Si位点离子，并系统研究了替代含量对陶瓷微波介电性能的影响。掺杂结果表明，Ge⁴⁺显著降低了介电损耗。在1360°C下烧结的Mg₂Al₄(Si_0.8Ge_0.2)₅O₁₈（MASG_0.2）表现出优异的性能，其介电常数ε_r为4.72，品质因数Q×f为119,184 GHz，以及频率温度系数τ_f为?24.37 ppm/°C。为了进一步提高温度稳定性，基于MASG_0.2设计了一种含有金红石型TiO₂的两相陶瓷复合材料，记为(1?y) MASG_0.2-y TiO₂（y = 0.05, 0.10, 0.15, 0.20）。当y = 0.10且烧结温度为1275°C时，该两相陶瓷的频率温度系数τ_f接近零，达到2.59 ppm/°C，表现出极高的温度稳定性。使用0.9MASG_0.2–0.1TiO₂作为基底制作的介电谐振器天线，在7.46 GHz和2.04 GHz的频带内反射系数分别为?26.65 dB和2.04 dB，显示出较高的实际应用潜力。

引言

随着现代通信技术向更高频率和更低延迟的发展，开发低介电常数的微波介电陶瓷变得越来越重要。除了低介电常数的要求外，高品质因数（Q×f）对于减少能量损失至关重要，而接近零的频率温度系数（τ_f）则表明优异的温度稳定性[1]、[2]、[3]。然而，在实际应用中，这三个参数通常是相互依赖和相互制约的，因此很难同时满足所有条件的微波介电陶瓷基体。因此，掺杂固溶体和多相陶瓷复合材料的设计成为调节微波介电性能的关键方法[4]、[5]。

硅酸盐陶瓷具有强共价Si-O键，这限制了电子的运动并抑制了显著的电子位移极化，因此它们通常具有相对较低的介电常数[6]、[7]。基于堇青石（Mg₂Al₄Si₅O₁₈）的陶瓷是一类研究较为深入的低介电常数材料。例如，Lai等人用单价Li⁺离子对刚玉进行A位点掺杂，成功将频率温度系数τ_f调整到接近零（?4 ppm/°C）。然而，单价离子的引入显著降低了材料的品质因数Q×f，降至17,595 GHz[8]。相比之下，Appiah等人用Ge⁴⁺离子对刚玉进行掺杂；当Ge⁴⁺替代比例达到0.2时，材料的品质因数Q×f达到107,555 GHz，但频率温度系数τ_f为?29.024 ppm/°C[9]。这些结果表明，仅依靠离子掺杂难以同时满足低损耗和高温度稳定性的双重要求[10]、[11]、[12]、[13]。

早期研究发现，只要各相的频率温度系数τ_f值相反并且以适当比例混合，就可以设计出两相或多相复合陶瓷来调整频率温度系数τ_f。TiO_{2》因其结构简单和良好的化学稳定性而被广泛用于调整负频率温度系数的陶瓷[14]、[15]。魏等人成功设计了一种两相ZnAl2O4-TiO2复合陶瓷，并将其频率温度系数τf调整到接近零的水平（?0.64 ppm/°C）[16]。在另一项研究中，陈等人报道了一种TmVO4低介电陶瓷，虽然介电损耗较低，但温度稳定性较差（τf = ?40.4 ppm/°C）；随后，通过设计含有7% TiO2的TmVO4两相复合陶瓷，他们成功将其频率温度系数τf调整到接近零的水平（+2.7 ppm/°C）[17]。因此，本研究也采用了这种调整方法。}

本研究旨在设计具有低介电损耗和高温度稳定性的堇青石基器件。首先，通过掺杂将Ge⁴⁺引入堇青石中以提高品质因数Q×f，即制备Mg₂Al₄(Si_1?xGe_x)₅O₁₈（MASGx）陶瓷，从而抵消在复合陶瓷设计过程中可能产生的介电损耗。其次，使用掺杂后性能最佳的陶瓷作为基体，制备含有TiO₂的复合材料，以调整温度稳定性。最后，使用综合性能最佳的复合陶瓷作为基底，设计并制造了介电谐振器天线（DRA），以探索其在微波器件中的应用前景。

实验部分

实验

传统的固态反应方法需要极高纯度的原材料。在本研究中，使用上海Macklin生化公司提供的MgO、SiO₂、GeO₂、TiO₂和Al₂O₃粉末（纯度>99%）作为起始材料。对于掺杂了Ge的堇青石陶瓷，首先将原材料充分混合，在1300°C下预烧结4小时，然后粉碎研磨，重新均匀混合，并与3%的PVA溶液混合。将混合物压制成均匀的陶瓷坯体。

结果与讨论

图1显示了MASG_x陶瓷在各自最佳烧结温度下的XRD图谱。相组成证实形成了正交结构的低温堇青石相，空间群为Cccm。即使在高Ge⁴⁺掺杂水平（0.3）下，XRD图中也未检测到其他次要相，表明Ge⁴⁺与堇青石基体之间的固溶度非常高。值得注意的是，Ge⁴⁺的引入显著降低了烧结温度。

结论

本研究使用Ge⁴⁺替代堇青石中的C位点离子，旨在降低介电损耗并补偿后续复合陶瓷设计中可能出现的品质因数Q×f的降低。结果表明，在1360°C高温下烧结的MASG_0.2陶瓷表现出与先前报道相似的优异介电性能：介电常数ε_r为4.82，品质因数Q×f为119,184 GHz，频率温度系数τ_f为?24.37 ppm/°C。此外，该陶瓷还表现出...

CRediT作者贡献声明

张玉萍：指导。 王瑞涵：撰写 – 原始稿，概念构思。 苏云鹏：实验研究，概念构思。 王志培：资源获取。 陈月光：数据验证，软件操作。 刘丹：数据管理。 陈硕：软件应用。 吴海涛：数据分析。 史云洲：指导。 周旭：指导，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52272126）的支持。我们感谢合肥光源（https://cstr.cn/31131.02.HLS.IRSM）的红外光谱和微光谱光束线的工作人员在数据收集和分析方面提供的技术支持和帮助。