Mg0.4 Zn0.6 )2 SiO4 -CaTiO3 复合陶瓷的低温烧结调控与微波介质性能优化及其微带天线应用

为突破低介电微波介质陶瓷的烧结温度高、τf （谐振频率温度系数）负值过大等技术瓶颈，研究人员通过固相法制备(1-x ) wt% (Mg0.4 Zn0.6 )2 SiO4 -x wt% CaTiO3 复合陶瓷，成功将烧结温度降至1175°C，并实现τf ≈?17.95 ppm/°C、Q×f达8959 GHz的优异性能，为5G通信器件小型化提供新型基底材料。

　　

在现代无线通信技术狂飙突进的时代，微波介质陶瓷作为滤波器、谐振器和天线的核心材料，其性能直接决定信号传输速度与稳定性。然而，当前主流低介电材料如Zn₂
SiO₄
和Mg₂
SiO₄
面临两大"卡脖子"难题：一是高达1300°C以上的烧结温度导致能耗剧增，二是负值过大的谐振频率温度系数(τ_f
)使器件在温差环境下频偏显著。更棘手的是，传统TiO₂
补偿方案会与镁锌硅酸盐发生副反应，而高介电常数的CaTiO₃
(ε_r
=162)虽具+859 ppm/°C的正τ_f
特性，却可能破坏材料体系的低介电优势。如何通过精准组分设计实现τ_f
归零、低温烧结与低介电的"三重奏"，成为学界攻坚焦点。

针对这一挑战，陕西科技大学的张淼团队创新性地采用固相法制备(1-x
) wt% (Mg_0.4
Zn_0.6
)₂
SiO₄
-x
wt% CaTiO₃
复合陶瓷。研究通过X射线衍射(XRD)分析物相组成，扫描电镜(SEM)观察微观形貌，网络分析仪测试微波介电性能，并设计2.45 GHz微带贴片天线验证应用潜力。论文发表于《Materials Science and Engineering: B》，为5G通信器件提供了兼具低温工艺与稳定性能的新型陶瓷解决方案。

关键实验技术

1. 固相法合成：以MgO、ZnO、SiO₂
   为原料，经12小时球磨、900°C预烧后与CaTiO₃
   复合
2. 多温区烧结优化：在1175-1250°C区间探究烧结温度对密度的影响
3. 微波性能表征：采用1 MHz频率测试介电损耗(tanδ)，通过TE_01δ
   模式谐振法测定Q×f值
4. 天线仿真设计：基于HFSS软件模拟S₁₁
   参数与辐射效率

研究结果

物理相结构
XRD图谱显示，当CaTiO₃
添加量x=0.05时，陶瓷主晶相仍保持(Mg_0.4
Zn_0.6
)₂
SiO₄
的橄榄石结构，无杂相生成。SEM观测发现1175°C烧结样品晶粒尺寸均匀（1-2μm），致密度达理论值97.3%，证实CaTiO₃
的液相烧结效应可有效降低晶界能。

微波介电性能
在x=0.05、1175°C烧结条件下获得最佳综合性能：体密度ρ=3.70 g/cm³
，介电常数ε_r
=8.79（较纯相降低12%），品质因数Q×f=8959 GHz（提升约2.3倍），τ_f
从纯相的?60 ppm/°C优化至?17.95 ppm/°C。值得注意的是，介电损耗tanδ=8.97×10^?4
达到射频器件应用门槛。

微带天线性能
采用最优陶瓷基板设计的贴片天线在2.45 GHz处呈现优异匹配：S₁₁
=?26.20 dB，增益5.50 dB，辐射效率91.4%。时域仿真表明，温度波动±25°C时谐振频率偏移<0.1%，显著优于传统FR4基板。

结论与意义
该研究通过CaTiO₃
的精准掺杂，实现了三重突破：①将(Mg_0.4
Zn_0.6
)₂
SiO₄
烧结温度降低125°C；②通过+859 ppm/°C与?60 ppm/°C的τ_f
互补效应，使复合材料温度稳定性提升70%；③在保持低ε_r
前提下将Q×f值提高至近9000 GHz。所设计的微带天线在ISM频段（工业科学医疗频段）展现出商用级性能，为毫米波通信滤波器、卫星导航介质谐振器等器件提供了理想候选材料。这项研究不仅建立了"组分-结构-性能"的定量调控模型，更开创了低温共烧陶瓷(LTCC)技术在5G基站滤波器中的应用新路径。