桂林理工大学相怀成/唐莹团队：低损耗有序橄榄石微波介质陶瓷的温度稳定性调控及应用

随着5G/6G通信技术的迅猛发展，微波介质陶瓷需具备低介电常数（ε_r < 15）、高品质因数（Q×f > 50,000 GHz）和近零的谐振频率温度系数（τ_f ≈0 ppm/°C），以满足低延迟、低损耗及温度稳定性的需求。橄榄石型A₂BO₄陶瓷以低介电常数和低损耗著称，但其较大的负τ_f 值限制了实际应用。例如，CaMgGeO₄陶瓷其较大的负τ_f （-73.7 ppm/°C）和高成本，阻碍了其推广应用。

研究表明，在CaLnGaO₄中，Ca²⁺和Ln³⁺半径差增大可促进A位有序，且高温下可诱导正交橄榄石结构向四方类钙钛矿结构（K₂NiF₄型，I4/mmm）转变。在K₂NiF₄型结构中，可通过Al³⁺取代Ga³⁺可形成稳定的CaLnAlO4微波介质陶瓷，其介电常数比橄榄石体系略高（ε_r =17.9–18.9），τ_f可从负值变化到正值（-12–+6 ppm/°C），这种变化在橄榄石体系中较为罕见。基于橄榄石和K₂NiF₄陶瓷的结构特性，通过成分与相结构调控，有望在A₂BO₄体系中实现低ε_r、高Q×f和近零τ_f的统一。

本文以A₂BO₄型橄榄石陶瓷为研究对象，通过调控键长变化与离子极化，实现了从有序正交橄榄石到无序四方K₂NiF₄结构的演变，显著提升了谐振频率的温度稳定性并维持了较低的介电损耗。通过固相烧结法制备了系列CaYGa_1-xAl_xO₄ (x = 0–1)陶瓷，实现了超低介电损耗（tanδ = 1.38×10^-4, Q×f = 125,530 GHz, f = 17.3 GHz, x = 0）和近零的谐振频率温度系数（τ_f = -0.5 ppm/°C, x = 0.9）。介电性能的显著变化（ε_r = 8.3–16.2, Q×f = 125,530–50,660 GHz, τ_f = -50.9–+2.9 ppm/°C）主要受离子极化率、离子有序、化学键特性及第二相所影响。

此外，基于CaYGaO4陶瓷设计并仿真了介质谐振器天线，在5.065–5.747 GHz频段展现高增益（5.36–6.15 dBi）和高效率（>90%），为高频通信中高性能微波介质陶瓷的调控及天线设计提供了新策略。

文章亮点

(1) 通过调控正交橄榄石向四方K₂NiF₄结构的演变及A位离子有序性，实现超低介电损耗和近零的谐振频率温度系数。

(2) 通过XRD、高分辨率透射电镜、拉曼光谱、介电温谱、Rietveld结构精修和晶格能等多种表征与分析方法，系统阐明了该体系陶瓷的介电性能变化源于第二相、离子极化、离子有序/无序演变及化学键特性的协同作用。

(3) 基于超低损耗CaYGaO₄陶瓷设计了介质谐振器天线，在5.065–5.747 GHz频段实现高增益（5.36–6.15 dBi）和高辐射效率（>90%），为5G毫米波通信提供高效可靠的解决方案。

作者及研究团队简介

相怀成（第一作者/通讯作者），桂林理工大学副教授、硕士生导师。研究工作涉及低介微波介质陶瓷、电子信息功能材料和高熵陶瓷等领域。

陈军奇（通讯作者），桂林航天工业学院讲师、硕士生导师。主要从事5G关键电子材料（微波介质陶瓷）设计与制备、材料的结构与性能调控等研究。