590MHz帶寬+超90%輻射效率！北大深研院光固化微波陶瓷新突破

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展。作為現代無線技術重要的推動者，微波陶瓷通過其優異的介電性能，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(Zn_1/3Nb_2/3)O₃(BZN)微波陶瓷憑借其優異的介電性能（介電常數：40，品質因子：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。

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，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律，并設計制備了圓柱形介質諧振器天線，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(Zn_1/3Nb_2/3)O₃ Ceramics and Dielectric Resonator Antenna by Digital Light Processing Technology"為題發表在《Journal of the European Ceramic Society》期刊上。

首先，作者通過傳統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，通過調節分散劑含量，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技術表征技術發現：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電鏡表征發現，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出優異的介電性能：介電常數為38.9，品質因子為89,600GHz，諧振頻率溫度系數為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介質諧振天線（圖3），由于介質諧振塊具有顯著的共振和輻射效應，實現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介質諧振天線測試結果。