Studie untersucht dielektrische Keramik mit niedriger Permittivität für die Mikrowellen-/Millimeterwellenkommunikation

Dielektrische Mikrowellenkeramiken sind der Grundstein für drahtlose Kommunikationsgeräte und werden häufig in Mobilkommunikations-, Satellitenradar-, GPS-, Bluetooth- und WLAN-Anwendungen eingesetzt. Aus diesen Keramikmaterialien hergestellte Komponenten wie Filter, Resonatoren und dielektrische Antennen werden häufig in drahtlosen Kommunikationsnetzwerken verwendet.

Da sich die drahtlosen Kommunikationsfrequenzen in höhere Bänder ausdehnen, treten Probleme mit der Signalverzögerung immer stärker in den Vordergrund. Niedrige Dielektrizitätskonstanten (εr) können elektromagnetische Kopplungseffekte reduzieren und so Signalverzögerungen effektiv minimieren.

Daher ist die Entwicklung neuer Keramikmaterialien mit niedrigen Dielektrizitätskonstanten in diesem Bereich zu einem entscheidenden Thema geworden. Darüber hinaus ist die Erforschung der intrinsischen dielektrischen Reaktionsmechanismen dielektrischer Keramiken ein zentraler Schwerpunkt für Forscher in diesem Bereich, um theoretische Leitlinien für die Leistungssteigerung bereitzustellen.

Die von Professor Zidong Zhang von der Shandong-Universität geleitete Forschungsgruppe hat kürzlich über ein bahnbrechendes neues System aus leichter dielektrischer Mikrowellenkeramik mit niedriger Dielektrizitätskonstante und geringem Verlust berichtet. Dieses innovative System zeichnet sich durch eine stark kovalente Struktur aus [PO4] Ein tetraedrisches Gerüst mit niedrigschmelzendem LiO2 und seltenen Erdelementen wird eingeführt, um Werte für den Qualitätsfaktor (Q·f) zu erzielen.

Basierend auf dem ternären Phasendiagramm LiO2-Ln2O3-P2O5 wurde das System LiLn(PO3)4 (Ln = La, Sm, Eu) erfolgreich bei Sintertemperaturen unter 950 °C synthetisiert, die eine niedrige Dielektrizitätskonstante (5,05–5,26) aufweisen. , ein hoher Qualitätsfaktor (41.607–75.968 GHz) und eine niedrige Dichte (3,04–3,26 g/cm3), was eine außergewöhnliche Gesamtleistung unter den Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante darstellt.

Das Team veröffentlichte seine Rezension im Zeitschrift für Hochleistungskeramik am 14. Mai 2024.

„In dieser Arbeit berichtete unser Forschungsteam über ein System mit niedriger Dielektrizitätskonstante, das auf Phosphaten basiert. Aufbauend auf systematischen Untersuchungen von Orthophosphaten (-PO4) und Pyrophosphaten (-P2O7) identifizierten wir ein Metaphosphatsystem innerhalb der stabilen Regionen des Phosphatphasendiagramms. Durch die Optimierung der Herstellungsbedingungen erreichten wir hervorragende dielektrische Eigenschaften.

„Darüber hinaus hat das Forschungsteam im Hinblick auf zukünftige Geräteanwendungen einen Prototyp einer Mikrostreifen-Patchantenne entworfen. Praktische Messungen stimmen gut mit den Simulationsergebnissen überein und demonstrieren die hervorragende Leistung der Antenne“, sagte Professor Zhang von der School of Materials Science and Engineering in Shandong Universität. Professor Zhang fungiert außerdem als stellvertretender Generalsekretär der Abteilung Metamaterialien der Chinese Materials Research Society.

„Darüber hinaus führten wir in dieser Studie Ab-initio-Berechnungen basierend auf der Entwicklung der Kristallstruktur durch und führten theoretische PVL-Berechnungen unter Verwendung experimenteller XRD-Daten durch. Diese Berechnungen bestätigten chemische Bindungseigenschaften und quantifizierten den Einfluss chemischer Bindungsparameter auf die dielektrische Mikrowellenleistung. und Erforschung der intrinsischen Reaktionsmechanismen dielektrischer Eigenschaften.

„Darüber hinaus haben wir durch die Untersuchung der intrinsischen Beiträge zur dielektrischen Mikrowellenreaktion mittels Gitterschwingungsspektroskopie die Grenze des geringen Verlusts bei Mikrowellenfrequenzen extrapoliert. Diese Analyse zeigt das Potenzial dieser Struktur, noch geringere Verluste zu erzielen“, sagte Professor Zhang.

Das Forschungsteam möchte mit dieser Studie neue Materialoptionen für HF-Geräte bieten. Darüber hinaus können die Erkundung von Niedrigverlustgrenzen und die Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Struktur und Leistung theoretische Leitlinien für die Materialmodifikation liefern. Dies wird die Entwicklung der Millimeterwellenkommunikation erleichtern und die Signalverzögerung verbessern.

Der erste Autor ist Huanrong Tian von der School of Materials Science and Engineering der Shandong University. Weitere Beiträge sind Professor Yao Liu von der School of Materials Science and Engineering der Shandong University und Xiaohan Zhang, Professor Haitao Wu von der School of Environmental and Material Ingenieurwesen an der Universität Yantai.