介电谐振器天线（DRA）作为5G毫米波通信及卫星通信的核心组件，其性能高度依赖于微波介质陶瓷的关键参数：低介电常数（ε_r）降低信号干扰、超高品质因数（Q×f）提升频率选择性、近零谐振频率温度系数（TCF）保障温度稳定性。然而，三者因材料本征特性相互制约难同步优化，成为高频通信器件发展的瓶颈。因此，研究兼具低相对介电常数、超高Q×f值和近零TCF的新型材料体系至关重要。近年来，稀土铌酸盐RENbO₄陶瓷因低本证损耗（高Q）和可调TCF特性备受关注。研究表明，B位离子取代（如V⁵⁺替代Nb⁵⁺）可通过调控[NbO6]八面体畸变提升Q×f（如Sm(Nb,V)O₄体系达90,000-120,000 GHz）。然而， Sm³⁺小离子半径限制了褐钇铌矿→白钨矿相变，且多相陶瓷Q×f增强机制尚不明确。现有理论支指出，晶体堆积率、晶格能及[NbO₆]畸变是关键影响因素：高堆积率抑制非谐振动，高晶格能降低本征损耗，八面体畸变直接影响介电损耗。为应对5G通信对DRA高频高效、高选择性及低延时的挑战，本研究聚焦SmNbO4体系，采用离子半径更小的P⁵⁺（0.38 Å）进行B位取代，旨在突破离子取代极限，揭示多相陶瓷Q×f提升机制，并探索其在X波段的应用潜力。

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，该课题组以“P⁵⁺- Enhanced Novel Samarium Niobate Ultralow-loss Microwave Ceramics as Dielectric Resonator for X-Band Antenna Applications”为题发表在Advanced Functional Materials上。论文第一作者为西安交通大学博士生吴芳芳（现就职于宁夏大学材料与新能源学院），通讯作者为西安交通大学周迪教授和芬兰奥卢大学Heli Jantunen教授。该研究通过P⁵⁺离子对单斜褐钇铌结构的SmNbO₄进行Nb位离子取代，发现该体系在0.1≤x≤0.4范围内为单斜褐钇铌相和独居石相的复合相，表明P⁵⁺离子半径过小，更倾向于形成[PO₄]四面体，而非[PO₆]八面体。Sm(Nb_1-xP_x)O₄（SNP@x）体系介电常数（ε_r）由P⁵⁺低离子极化率与低ε_r第二相SmPO₄的协同作用主导。Q×f值的提升源于双重机制：其一，第二相的形成抑制了微裂纹生成与扩展，阻碍电子迁移并降低漏导损耗；其二，P 2p结合能的增加强化了原子核对外层电子的束缚作用，减少损耗机制，进而提高品质因数。其中，Sm(Nb_0.7P_0.3)O₄（SNP@0.3）陶瓷表现出优异的高频选择性（Q×f = 93,900 GHz）。此外，使用超低损耗的SNP@0.3和罗杰斯基板设计并制作了一个工作在X波段的圆柱形介电谐振器天线（CDRA），在带宽区域（10.903 - 11.482 GHz）内实现了高增益（4.8 - 6.0 dBi）和高效率（> 90%），提升了通信系统中的传输和通信质量。这项工作加速了介电陶瓷和介电谐振器天线在高频通信领域的发展。

 

 

 

 

 

 

周迪，教授、博士生导师、西安交通大学电子科学与工程学院副院长/电子材料党支部书记/多功能材料与结构教育部重点实验室副主任，现任Journal of Advanced Dielectrics 期刊副编辑。在国际知名期刊发表科技论文300余篇，总引用次数17000余次（Google Scholar H-index=70），申请中国发明专利25项（已授权17项）。主持国家自然科学基金、陕西省国际合作项目、华为公司横向课题，作为研究骨干参与国家973计划、国家863计划、国家重点研发计划等，在微波介质结构性能调节分析、LTCC低温共烧陶瓷技术应用、谐振器滤波器及天线基板应用等方面取得一系列新颖的研究成果。近期，该课题组在褐钇铌矿结构高品质因数微波介质陶瓷领域取得了一系列新颖的成果。ACS Applied Materials & Interfaces, 2022, 14, 5, 7030-7038（SBN微波介质陶瓷）；ACS Applied Materials & Interfaces, 2022, 14, 48897-48906（CNV微波介质陶瓷）; Journal of Materials Chemistry C, 2021, 9, 9962-9971（SNV微波介质陶瓷）; Chemistry of Materials, 2023, 35, 104-115（SNCMo微波介质陶瓷）.更多内容欢迎访问周迪教授课题组主页http://gr.xjtu.edu.cn/web/zhoudi1220。