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590MHz帶寬+超90%輻射效率!北大深研院光固化微波陶瓷新突破,助推高頻器件新價值

3D打印動態(tài)
2025
05/19
09:14
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來源:摩方精密

隨著移動通信需求的迅猛增長,無線通信技術逐漸向毫米波和亞毫米波方向發(fā)展。作為現(xiàn)代無線技術不可或缺的推動者,微波陶瓷通過其優(yōu)異的介電性能,已成為促進無線設備小型化和集成化的基本組成部分。在眾多微波陶瓷體系中,具有復雜鈣鈦礦結構的Ba(Zn1/3Nb2/3)O3(BZN)微波陶瓷憑借其優(yōu)異的介電性能(介電常數(shù):40,品質(zhì)因子:80,000GHz),已被廣泛應用于諧振器和濾波器等無線通訊領域。然而,毫米波通信技術的到來對微波介質(zhì)陶瓷提出了更加嚴格的要求,包括體積小型化、功能集成化以及結構復雜化等。受限于微波陶瓷材料固有的硬度和脆性等特性,因此,加工和制備具有復雜幾何形狀的微波陶瓷器件面臨著極大的挑戰(zhàn)。

近期,北京大學深圳研究生院李昊博士后、國家納米科學中心劉飛博士后及河北工業(yè)大學程立金老師通過摩方精密面投影微立體光刻(PμSL)技術(microArch® S240,精度:10μm)成功制備了高性能的復雜鈣鈦礦結構的BZN微波陶瓷。同時,首次報導了光固化復雜鈣鈦礦結構微波陶瓷中B位1:2有序疇結構的變化規(guī)律,并設計制備了圓柱形介質(zhì)諧振器天線,實測中心頻率為7.1GHz,帶寬達590MHz,輻射效率超過90%,驗證了光固化成形復雜鈣鈦礦結構的BZN陶瓷在高頻器件中的實際應用價值。同時該研究為3D打印功能陶瓷的商業(yè)化應用提供了理論基礎。

相關研究成果以“Microstructure and Microwave Properties of Complex Perovskite-Structured Ba(Zn1/3Nb2/3)O3 Ceramics and Dielectric Resonator Antenna by Digital Light Processing Technology”為題發(fā)表在《Journal of the European Ceramic Society》期刊上。


首先,作者通過傳統(tǒng)固相合成法制備出平均粒徑為900納米的BZN微波陶瓷粉末。并通過噴霧干燥工藝將亞微米粒徑的陶瓷粉末預團聚成直徑10微米至40微米左右的球形顆粒,以此來降低陶瓷粉末團聚現(xiàn)象,并可以提高陶瓷漿料的固相含量(圖1)。在此基礎上,通過調(diào)節(jié)分散劑含量,制備出固相含量為82wt%的BZN陶瓷漿料。

圖1. BZN微波陶瓷粉末表征。

光固化打印樣品在1350攝氏度至1450攝氏度燒結4小時。通過XRD技術表征技術發(fā)現(xiàn):燒結溫度低于1400攝氏度時,樣品中存在由B位1:2有序結構產(chǎn)生的超晶格衍射峰(2θ = 17.7°),當燒結溫度達到或超過1400攝氏度時,超晶格衍射峰消失。B位1:2有序結構是決定復雜鈣鈦礦結構微波陶瓷介電損耗的關鍵因素。此外,B位有序結構的形成受動力學因素控制。為了提高光固化BZN陶瓷的介電性能,燒結樣品在1300攝氏度條件下進行了24小時的退火處理。結合TEM電鏡表征發(fā)現(xiàn),退火樣品中存在明顯的超晶格電子衍射斑點。高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)通過觀察兩種不同的晶格間距:0.71納米,對應有序結構;0.41納米,對應無序立方結構,直接證明了光固化BZN樣品中B位1:2有序疇結構的存在(圖2)。通過退火處理,光固化樣品中有序度最大提高至81.31%,退火處理后樣品呈現(xiàn)出優(yōu)異的介電性能:介電常數(shù)為38.9,品質(zhì)因子為89,600GHz,諧振頻率溫度系數(shù)為22ppm/℃。

圖2. 光固化BZN樣品B位1:2有序結構表征。

在此基礎上,作者設計并制備了圓柱形BZN介質(zhì)諧振天線(圖3),由于介質(zhì)諧振塊具有顯著的共振和輻射效應,實現(xiàn)了超帶寬范圍的高輻射效率:實測通帶帶寬為590MHz(6.76GHz至7.35GHz),輻射效率超過90%,實測中心頻率為7.1GHz。以上研究驗證了通過光固化技術制備的微波介質(zhì)陶瓷在高頻通訊技術領域具有潛在的應用價值。

圖3. 光固化BZN介質(zhì)諧振天線測試結果。

原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2025.117492


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