Undersøgelse undersøger dielektrisk keramik med lav permittivitet til mikrobølge/millimeterbølgekommunikation

Mikrobølge-dielektrisk keramik er hjørnestenen i trådløse kommunikationsenheder, der i vid udstrækning anvendes i mobilkommunikation, satellitradar, GPS, Bluetooth og WLAN-applikationer. Komponenter fremstillet af disse keramiske materialer, såsom filtre, resonatorer og dielektriske antenner, bruges i vid udstrækning i trådløse kommunikationsnetværk.

Efterhånden som trådløse kommunikationsfrekvenser strækker sig ind i højere bånd, bliver problemer med signalforsinkelser stadig mere fremtrædende. Lave dielektriske konstanter (ε_r ) kan reducere elektromagnetiske koblingseffekter, hvilket effektivt minimerer signalforsinkelser.

Derfor er udvikling af nye keramiske materialer med lave dielektriske konstanter blevet et kritisk emne på dette område. Derudover er det et centralt fokus for forskere på dette område at udforske dielektrisk keramiks iboende dielektriske responsmekanismer for at give teoretisk vejledning til forbedring af ydeevnen.

Forskergruppen ledet af professor Zidong Zhang fra Shandong University har for nylig rapporteret om et banebrydende nyt system af letvægts, lav-dielektricitetskonstant og lav-tab mikrobølge dielektrisk keramik. Dette innovative system har et stærkt kovalent [PO₄ ] tetraedrisk ramme, der inkorporerer LiO₂ med lavt smeltepunkt , og sjældne jordarters elementer introduceres for at opnå højkvalitetsfaktorværdier (Q·f).

Baseret på LiO₂ -Ln₂ O₃ -P₂ O₅ ternært fasediagram, LiLn(PO₃ )₄ (Ln =La, Sm, Eu) system blev syntetiseret med succes ved sintringstemperaturer under 950°C, som udviser en lav dielektrisk konstant (5,05-5,26), en højkvalitetsfaktor (41.607-75.968 GHz) og lav densitet (3,04) –3,26 g/cm ³ ), der viser enestående generel ydeevne blandt lav-dielektriske materialer.

Holdet offentliggjorde deres anmeldelse i Journal of Advanced Ceramics den 14. maj 2024.

"I dette arbejde rapporterede vores forskerhold om et lavdielektrisk system baseret på fosfater. Bygger på systematiske undersøgelser af orthophosphater (-PO₄ ) og pyrophosphater (-P₂ O₇ ), identificerede vi et metaphosphatsystem inden for de stabile områder af fosfatfasediagrammet. Ved at optimere forberedelsesbetingelserne opnåede vi fremragende dielektriske egenskaber.

"Derudover, med fremtidige enhedsapplikationer i tankerne, designet forskerholdet en prototype mikrostrip patch-antenne. Praktiske målinger matcher simuleringsresultaterne nøje, hvilket viser antennens fremragende ydeevne," sagde professor Zhang fra School of Materials Science and Engineering i Shandong Universitet. Professor Zhang fungerer også som vicegeneralsekretær for Metamaterials Branch af Chinese Materials Research Society.

"Yderligere udførte vi i denne undersøgelse første-principper-beregninger baseret på udviklingen af ​​krystalstrukturen og udførte P-V-L-teoretiske beregninger ved hjælp af eksperimentelle XRD-data. Disse beregninger bekræftede kemiske bindingsegenskaber og kvantificerede virkningen af ​​kemiske bindingsparametre på mikrobølgedielektrisk ydeevne, og udforskning af de iboende responsmekanismer for dielektriske egenskaber.

"Derudover, ved at undersøge de iboende bidrag til mikrobølgedielektrisk respons gennem gittervibrationsspektroskopi, ekstrapolerede vi lavtabsgrænsen ved mikrobølgefrekvenser. Denne analyse indikerer potentialet af denne struktur til at opnå endnu lavere tab," sagde professor Zhang.

Forskerholdet stræber efter, at denne undersøgelse tilbyder nye materialemuligheder til RF-enheder. Desuden kan udforskningen af ​​lave tabsgrænser og undersøgelsen af ​​forholdet mellem struktur og ydeevne give teoretisk vejledning til materialemodifikation. Dette vil lette udviklingen af ​​millimeterbølgekommunikation og forbedre signalforsinkelsen.

Den første forfatter er Huanrong Tian fra School of Materials Science and Engineering ved Shandong University. Andet bidrag inkluderer professor Yao Liu fra School of Materials Science and Engineering ved Shandong University, og Xiaohan Zhang, professor Haitao Wu fra School of Environmental and Material Engineering ved Yantai University.