通过结构优化实现超高Q值的Mg3(PO4)2固溶体，以应用于宽带天线

微波陶瓷中Zn2+掺杂改性研究。通过Zn2+取代β-Mg?(PO?)?中的Mg2+，有效抑制晶界裂纹并提升陶瓷致密度，实现ε_r≈5，Q·f=138084 GHz的优异性能。X射线衍射和P-V-L理论分析表明，Zn2+掺杂增强键合共价性和晶格能，从而提升品质因数。太赫兹时域光谱验证其亚毫米波性能，并成功设计出30.2%带宽、7.22 dBi增益的宽带圆柱形DRA器件。

　　

摘要

高频无线通信系统的迅速发展极大地增加了对具有低介电常数 ε_r 和超高品质因数 Q·f 的微波介电陶瓷的需求。为满足这一需求，通过在 β-Mg₃(PO₄)₂ 中用 Zn²⁺ 替代 Mg²⁺，开发出一种新型固溶体陶瓷。Zn²⁺ 的引入有效缓解了晶界裂纹问题，并显著提高了陶瓷的致密度。因此，(Mg_1?xZn_{x)3(PO4)2 陶瓷在 x = 0.3 时表现出最佳的微波介电性能，其介电常数 εr 约为 5，品质因数 Q·f 为 138 084 GHz，频率温度系数 τf 为 ?33.74 ppm/°C，与基体材料相比，Q·f 有了显著提升。为了探究提高 Q·f 的内在机制，对材料结构进行了分析。精炼分析表明，Zn²⁺ 的引入导致晶胞体积增大。基于此，利用 P–V–L 理论建立了结构与性能之间的关系，研究发现 Q·f 的提高主要源于键合共价性的增强和晶格能的增加。此外，太赫兹时域光谱技术证实了该陶瓷在亚毫米波范围内的优异性能（εr = 5.15，Q·f = 161 205 GHz）。利用这些优异的性能，设计并制造了一种宽带圆柱形天线（DRA），实现了 30.2% 的带宽和 7.22 dBi 的峰值增益，显示出在雷达和卫星通信应用中的巨大潜力。}