中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
在無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)迅猛發(fā)展的背景下，其已成為推動(dòng)當前網(wǎng)絡(luò )轉型的核心驅動(dòng)力。作為射頻（RF）元器件的核心基礎材料，微波介質(zhì)陶瓷對現代通信系統性能的優(yōu)化具有關(guān)鍵支撐作用。為滿(mǎn)足不同應用場(chǎng)景的技術(shù)需求，微波介質(zhì)陶瓷需具備特定核心性能：低介電常數（εr）、高品質(zhì)因數（Q×f）、近零諧振頻率溫度系數（τf）的核心性能要求。超低溫度共燒陶瓷技術(shù)（ULTCC）作為實(shí)現電子元件微型化、高集成化及低成本制造的關(guān)鍵技術(shù)路徑，在新一代通信系統模塊制造中展現出廣闊應用前景。然而，在當前已報道的ULTCC體系中，大部分微波介質(zhì)陶瓷面臨成分窗口窄、難以同時(shí)平衡介電性能與電極共燒兼容性的問(wèn)題。在此背景下，本工作通過(guò)將新型Ba3V2P3O15超低溫燒結微波介質(zhì)陶瓷與BaV2O6陶瓷復合的方法，實(shí)現了其微波介電性能的精準調控，為解決現有超低溫共燒陶瓷技術(shù)難題提供了有效思路。
圖1. (a) (1-x)Ba3V2P3O15-xBaV2O6（0 ≤ x ≤ 1）陶瓷樣品在各自最佳燒結溫度下燒結后的XRD圖譜；(b) 上述陶瓷樣品的拉曼散射光譜；(1-x)Ba3V2P3O15-xBaV2O6陶瓷樣品在各自最佳燒結溫度下燒結后的Rietveld精修圖譜：(c) x = 0；(d) x = 0.8；(e) x = 1
本研究采用XRD、Raman及XPS等表征手段系統揭示復合陶瓷的結構特性。XRD分析結果顯示，所有復合陶瓷的衍射峰均可索引至Ba3V2P3O15（ICSD#50921）與BaV2O6（ICSD#10038）純晶相，未檢測到任何次生相，證實(shí)體系內兩相共存；隨x值增大，Ba3V2P3O15特征衍射峰（如2θ = 28.0°、29.0°）強度呈逐漸減弱趨勢，而B(niǎo)aV2O6特征峰（如2θ = 26.3°、27.8°）強度按比例增強，反映出體系內相含量隨x值的變化（見(jiàn)圖1）。
圖2. 720 ℃下燒結的Ba3V2P3O15陶瓷的XPS圖：(a) 全譜圖；(b) Ba 3d、(c) P 2p、(d) V 2p的高分辨譜圖
Raman光譜測試結果表明，Ba3V2P3O15中PO43-四面體的特征振動(dòng)峰（1090、1001、925 cm-1）隨x值增加呈逐漸減弱趨勢，同時(shí)出現歸屬于BaV2O6中VO43-陰離子對稱(chēng)伸縮振動(dòng)的特征峰（892 cm-1），進(jìn)一步佐證體系組分的變化。XPS測試結果揭示了Ba3V2P3O15中V的混合價(jià)態(tài)特征：其中V5+對應2p3/2結合能518.5 eV、2p1/2結合能526.6 eV，自旋-軌道分裂能Δ = 8.1 eV，占比約58 %；V4+對應2p3/2結合能517.2 eV、2p1/2結合能524.7 eV，Δ = 7.5 eV，占比約42 %；同時(shí)證實(shí)Ba以Ba2+、P以P5+形式存在，與晶體結構電荷平衡要求相符（見(jiàn)圖1及圖2）。
圖3. (1-x)Ba3V2P3O15-xBaV2O6復合陶瓷在最佳溫度下燒結后的SEM圖像及對應的晶粒尺寸分布：(a) x = 0；(b) x = 0.4；(c) x = 0.6；(d) x = 0.8；(e) x = 1；(f) (1-x)Ba3V2P3O15-xBaV2O6陶瓷的EDS譜圖。（其中Dave代表單相陶瓷的平均晶粒尺寸，DLarge和DSmall分別代表復合陶瓷中兩種不同晶粒類(lèi)型的平均晶粒尺寸）
SEM圖像與密度測試結果顯示，隨x值增加，復合陶瓷致密化程度顯著(zhù)提升：x = 0時(shí)（單相Ba3V2P3O15）相對密度為92.5 %，x = 0.8時(shí)增至95.5 %，x = 1時(shí)（單相BaV2O6）進(jìn)一步提升至96.1 %；其中x = 0.8的復合陶瓷呈現“小晶粒（DSmall ≈ 1.0 μm，對應BaV2O6相）與大晶粒（DLarge ≈ 2.3 μm，對應Ba3V2P3O15相）緊密堆積”的致密微觀(guān)結構，通過(guò)EDS分析可明確區分兩種晶粒所屬物相，與XRD測試結果一致（見(jiàn)圖3）。
圖4. (a) (1-x)Ba3V2P3O15-xBaV2O6（0 ≤ x ≤ 1）陶瓷的介電常數、(b) Q×f值隨燒結溫度變化的關(guān)系；(c) 微波介電性能隨x值變化的實(shí)測與計算結果；(d) 0.2Ba3V2P3O15-0.8BaV2O6陶瓷的實(shí)測與擬合紅外反射光譜；(e) 0.2Ba3V2P3O15-0.8BaV2O6陶瓷在微波頻率范圍內，介電常數隨溫度的變化關(guān)系。（溫度范圍：?15~105 ℃）
本研究采用TE01δ模式介電諧振法（Agilent 8720ES矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀），對(1-x)Ba3V2P3O15-xBaV2O6（0 ≤ x ≤ 1）體系的微波介電性能進(jìn)行系統測試。測試結果表明，純相Ba3V2P3O15在720°C燒結時(shí)εr = 7.5、Q×f = 25,920 GHz、τf = ? 38 ppm/°C；x = 0.8時(shí)在580°C燒結獲得最佳性能（εr = 10.0、Q×f = 21,600 GHz、τf = + 3.5 ppm/°C）。為探究復合陶瓷在太赫茲頻段的介電響應，本研究利用中國國家同步輻射實(shí)驗室的Bruker IFS 66v/S紅外光譜儀，對0.2Ba3V2P3O15-0.8BaV2O6陶瓷的傅里葉變換紅外（FTIR）反射光譜進(jìn)行測試，并結合Drude-Lorentz模型與Fresnel公式開(kāi)展擬合分析。結果顯示，該復合陶瓷的ε∞ ≈ 2.81遠低于ε? ≈ 9.80，證實(shí)離子極化是調控其介電性能的主導機制；通過(guò)太赫茲時(shí)域光譜（THz-TDS）測試發(fā)現，在0.2-1.5 THz頻段，陶瓷的介電性能與擬合曲線(xiàn)高度一致，且從太赫茲頻段外推至微波頻段的介電常數實(shí)部（ε'）與虛部（ε''），與TE01δ法直接測試結果相符，表明該陶瓷在微波-太赫茲寬頻段內具有穩定的介電性能。此外，在? 15至105 ℃溫度區間內，0.2Ba3V2P3O15-0.8BaV2O6陶瓷的微波介電常數呈現線(xiàn)性增長(cháng)趨勢，對應介電常數溫度系數τε ≈ 12 ppm/℃；結合該陶瓷在25-85 ℃區間的熱膨脹系數（CTE ≈ + 7.5 ppm/℃），通過(guò)公式計算得到的τf值，與TE01δ法實(shí)測結果（+ 3.5 ppm/℃）高度一致，進(jìn)一步驗證了該陶瓷介電性能的穩定（見(jiàn)圖4）。
圖5. DRA單元：(a) 設計結構、(b)(c) 實(shí)際制備結構；(d) 反射系數|S11|幅值仿真與實(shí)測結果；(e) 輻射效率、(f) 輸入阻抗、(g) 實(shí)際增益；(h) 在5.8 GHz下的三維方向圖；(i) x-z平面、(k) y-z平面內電場(chǎng)分布的仿真結果；(j) E面、(l) H面輻射方向圖的仿真結果。
本研究驗證了復合材料與鋁電極（熔點(diǎn)661℃）的化學(xué)兼容性，證實(shí)0.2Ba3V2P3O15-0.8BaV2O6陶瓷與鋁電極具有良好的共燒匹配特性。為驗證復合陶瓷在天線(xiàn)領(lǐng)域的應用價(jià)值，本研究基于0.2Ba3V2P3O15-0.8BaV2O6陶瓷，采用CST Microwave Studio2021軟件設計并制備了一款基于縫隙耦合饋電方式的圓柱形介質(zhì)諧振器天線(xiàn)（DRA）。仿真結果表明，該DRA在|S11| < ? 10 dB條件下的阻抗帶寬為5.72-5.87 GHz（150 MHz，中心頻率5.80 GHz），實(shí)測帶寬為5.92-6.06 GHz（141 MHz，中心頻率5.99 GHz），兩者差異主要由制備過(guò)程中的誤差所致；在5.8 GHz頻段，該DRA的輻射效率達88.7 %；其輸入阻抗實(shí)部為50.7Ω、虛部為? 0.19Ω，實(shí)現了與微帶饋線(xiàn)的最優(yōu)阻抗匹配；沿θ = 0°、φ = 0°方向的峰值實(shí)現增益為5.56 dBi，3D輻射圖與E/H面輻射圖均表現出穩定的定向輻射特性，證實(shí)該復合陶瓷在5.8 GHz Wi-Fi通信系統中具有良好的應用前景。（見(jiàn)圖5）
該研究成果以“新型溫度穩定型(1-x)Ba3V2P3O15-xBaV2O6復合陶瓷：具有超低燒結溫度和低介電損耗，適用于介質(zhì)諧振器天線(xiàn)”（Novel Temperature-Stable (1-x)Ba3V2P3O15-xBaV2O6 Composite Ceramics with Ultralow Sintering Temperature and Low Dielectric Loss for Dielectric Resonator Antenna Applications）為題，在國際知名期刊《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials, IF=19.4）在線(xiàn)發(fā)表。西安交通大學(xué)電信學(xué)部電子科學(xué)與工程學(xué)院博士生王昌昊為第一作者，西安交通大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院周迪教授、西安工業(yè)大學(xué)龐利霞教授、杭州電子科技大學(xué)周濤副教授及馬來(lái)西亞博特拉大學(xué)Kar Ban Tan副教授為共同通訊作者。該工作得到國家自然科學(xué)基金（U24A2052）、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃（2024YFE0103900）、陜西省高校聯(lián)合項目（2023GXLH-019）及中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費等項目的資助，國家同步輻射實(shí)驗室合肥光源紅外譜學(xué)和顯微成像線(xiàn)站提供了遠紅外反射譜技術(shù)支持與數據采集分析協(xié)助。
