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研究背景

微波介质陶瓷是应用于通信基站射频单元关键部件（如介质谐振器、滤波器、双工器等）的基本材料，具有介质波导、介质隔离、介质谐振等功能，在5G移动通信系统中具有不可替代的作用。5G基站将引入Massive MIMO技术，促使天线数量倍数增长，从而增加微波介质陶滤波器的需求量。因此，具有低介电常数（减少信号延迟）、低损耗（高频选择性）和近零的谐振频率温度系数（热稳定性）微波介电陶瓷成为5G/6G通信器件的研究热点。目前，同时满足三者介电性能的微波介质陶瓷很少和/或不适用于5G和毫米波段，这是推动微波介质陶瓷在该领域不断研究和开发的驱动力。

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及其器件的研究。近日，该课题组在《Journal of Materials Chemistry C》上发表了题为“Temperature stable Sm(Nb_1-xV_x)O₄ (0.0 ≤ x ≤ 0.9) microwave dielectric ceramics with ultra-low dielectric loss for dielectric resonator antenna applications”的研究文章。作者发现通过用离子半径较小的V⁵⁺对单斜褐钇铌结构的SmNbO₄进行B-位离子取代改性，获得系列兼具高温度稳定性和低损耗的微波介电陶瓷材料Sm(Nb_1-xV_x)O₄ (SNV-x, 0.2 ≤ x ≤ 0.4)，其中Sm(Nb_0.7V_0.3)O₄陶瓷样品介电常数为18，Qf为91,500GHz，‒40~+120摄氏度宽温度范围内TCF<2ppm/℃。利用晶体结构精修、Raman、高分辨透射电镜等技术，并结合介电性能测试、远红外以及THz反射光谱等测试，阐明V⁵⁺离子取代通过对晶体结构的影响，近而调控该体系介电性能的变化规律及机制。此外，还研制了矩形介质谐振器天线器件，进一步验证所开发的高性能微波介质陶瓷材料在天线中的应用。该体系陶瓷是5G和未来毫米波应用的理想选择。

在SNV-x（0 ≤ x ≤ 0.9）陶瓷体系中，从图1可以发现V⁵⁺取代能有效地诱导单斜褐钇铌相到四方锆石相（x≈ 0.3）的相变，同时降低了单斜褐钇铌-四方白钨矿的相变温度。图2结果表明，利用离子半径较小的V⁵⁺取代Nb⁵⁺来对SmNbO₄进行改性不仅可以有效地将TCF值调节至近零，同时还能显著提高Q × f值。值得指出的是，在x = 0.2, 0.3, 0.4时均获得了具有超低介电损耗和温度稳定的微波介质陶瓷： ε r  ~18.01, Q × f ~ 97,800 GHz, TCF ~ -5.6 ppm / ℃ (x = 0.2), ε r  ~17.85, Q × f ~ 91,500 GHz, TCF ~ +2.3 ppm / ℃ (x = 0.3) and ε r  ~16.89, Q × f ~ 75,200 GHz, TCF ~ -6.3 ppm / ℃ (x = 0.4)。

文献信息

Fang-Fang Wu, Di Zhou, Chao Du, Shi-Kuan Sun, Li-Xia Pang, Biao-Bing Jin, Ze-Ming Qi, Jobin Varghese, Qiang Li, and Xiu-Qun Zhang. Temperature stable Sm(Nb_1-xV_x)O₄ (0.0 ≤ x ≤ 0.9) microwave dielectric ceramics with ultra-low dielectric loss for dielectric resonator antenna applications, J. Mater. Chem. C, 2021,9, 9962-9971.

团队介绍

文章第一作者为西安交通大学博士生吴芳芳，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。