新型MgAl5/4 (Li1/3 Ti2/3 )3/4 O4 微波介质陶瓷的协同调控及其多频段介电谐振天线应用

为解决5G通信中微波介质陶瓷高烧结温度、介电损耗大及频率稳定性差等问题，研究人员通过复合离子(Li1/3 Ti2/3 )3+ 取代MgAl2 O4 中Al3+ ，开发出低εr (11.83)、高Q×f(79,381 GHz)和近零τf (?28.5×10?6 /°C)的MgAl5/4 (Li1/3 Ti2/3 )3/4 O4 陶瓷，并设计出带宽达39.37%的多频段介电谐振天线(DRA)，为通信导航设备微型化提供新方案。

　　

随着5G通信技术的快速发展，基站设备对微波介质陶瓷提出了更严苛的要求：需要兼具低介电常数(ε_r
)以减少信号延迟、高品质因子(Q×f)来抑制信号衰减，以及接近零的谐振频率温度系数(τ_f
)确保温度稳定性。然而传统MgAl₂
O₄
陶瓷虽具有低ε_r
(8.75)和高Q×f(68,900 GHz)，但其τ_f
(?75×10^?6
/°C)负值过大且烧结温度超过1600°C，严重限制了实际应用。针对这一难题，国内研究人员通过创新性的复合离子取代策略，开发出性能优异的新型微波介质陶瓷材料。

为突破性能瓶颈，研究团队提出用(Li_1/3
Ti_2/3
)³⁺
复合离子取代MgAl₂
O₄
中Al³⁺
的设计思路。通过固态反应法合成MgAl_5/4
(Li_1/3
Ti_2/3
)_3/4
O₄
(MALT)陶瓷，并系统研究了烧结温度对材料性能的影响。研究采用X射线衍射(XRD)分析晶体结构，Raman光谱表征化学键振动，扫描电镜(SEM)观察微观形貌，网络分析仪测试微波介电性能。

1. 材料设计与结构表征
通过Goldschmidt规则计算证实(Li_1/3
Ti_2/3
)³⁺
在MALT陶瓷中存在有限固溶度(ΔR=22.7%)。XRD精修显示材料由MgAl₂
O₄
主相和Li₄
Ti₅
O₁₂
次相组成，1240°C烧结时MgAl₂
O₄
相含量最高(晶胞体积531.724 ?³
)。Raman光谱中393 cm^?1
处Eg模式峰宽变化表明温度影响阳离子有序度，711 cm^?1
处A_1g
模式位移反映TiO₆
八面体结构变化。

2. 性能优化机制
在1240°C获得最佳性能：ε_r
=11.83、Q×f=79,381 GHz、τ_f
=?28.5×10^?6
/°C。介电常数提升源于(Li_1/3
Ti_2/3
)³⁺
的离子极化率(α=2.1 ?³
)高于Al³⁺
(0.8 ?³
)，而Q×f值提高与MgAl₂
O₄
相含量增加和相对密度达96.02%相关。通过引入7% CaTiO₃
形成0.93MALT-0.07CaTiO₃
复合材料，成功将τ_f
调节至近零(+2.77×10^?6
/°C)，同时保持ε_r
=14.36和Q×f=44,144 GHz。

3. 多频段天线应用
基于优化陶瓷设计的介电谐振天线(DRA)采用微带线结构激发HEM_11δ
混合模式，实测带宽覆盖5.97-6.49 GHz和7.19-9.83 GHz(相对带宽39.37%)，适用于Wi-Fi 6E、X波段卫星通信(7.9-8.4 GHz)和航空无线电导航(8.7-9.2 GHz)。天线增益超过4 dB，辐射效率达80%以上，在9.0-9.14 GHz频段实现左旋圆极化(LHCP)，有效解决极化失配问题。

该研究发表于《Journal of Materiomics》，通过复合离子取代策略实现了微波介质陶瓷烧结温度降低(1240°C vs传统1600°C)、密度减小(3.38 g/cm³
)和性能协同提升，为5G通信设备小型化提供了新材料解决方案。设计的宽带DRA通过高阶模激发实现多频段覆盖，在民用通信和航空导航领域展现出重要应用价值。研究不仅揭示了烧结温度诱导元素扩散对相组成的调控机制，更为开发低损耗、高稳定的微波介质材料提供了新思路。