Микроволновая диэлектрическая керамика жизненно важна для фильтров, диэлектрических резонаторов и диэлектрических антенн в эпоху 5G. Было обнаружено, что замена (Cu1/3Nb2/3)4+ позволяет эффективно регулировать ВКФ (температурный коэффициент резонансной частоты) Li2TiO3 и одновременно увеличивать его Q × f (Q и f обозначают добротность и резонансную частоту соответственно ) ценность. Примечательно, что в сплаве Li2Ti0,8(Cu1/3Nb2/3)0,2O3 (LTCN0. 2) керамика, спеченная при 1140 °С. Кроме того, температура спекания LTCN0.2 была снижена до 860 °C за счет добавления 3 мас. % H3BO3, демонстрирующего превосходные диэлектрические свойства для микроволнового излучения (εr ≈ 21,0, Q × f ≈ 51 940 ГГц и TCF ≈ 1,4 ppm/°C). и быть химически совместимым с серебром. Кроме того, керамика LTCN0,2 + 3 мас. % H3BO3 была разработана как патч-антенна и диэлектрическая резонаторная антенна, обе из которых показали высокие смоделированные эффективности излучения (88,4 и 93%) и коэффициенты усиления (4,1 и 4,03 дБи) на центральных частотах ( 2,49 и 10,19 ГГц). Материалы LTCN0,2 + 3 вес. % H3BO3 имеют многообещающее будущее применение либо в устройствах мобильной связи 5G, либо в низкотемпературной технологии совместного обжига керамики благодаря их высокой добротности, низкой температуре спекания, малой плотности и хорошей температурной стабильности.
ВВЕДЕНИЕ
В современной беспроводной связи важной областью применения микроволновых диэлектрических керамических компонентов являются базовые станции мобильной связи, а диэлектрические резонаторы, диэлектрические фильтры, дуплексеры и мультиплексоры являются ключевыми компонентами радиочастотных блоков базовых станций связи. В базовых станциях 5G будут внедрены коммуникационные технологии, такие как интеграция РЧ-блока AAU (активный антенный блок) и массивные крупномасштабные антенные решетки MIMO, благодаря чему миниатюризация и малый вес станут основными требованиями к конструкции базовых станций связи. диэлектрическая керамика с низкой плотностью продемонстрировала значительный потенциал развития в эпоху 5G из-за спроса на легкий вес. Материалы со структурой типа каменной соли хорошо известны исследователям.6,7 Следует отметить, что среди них значительное внимание привлекает Li2TiO3 из-за его малой плотности (∼3,1 г/см3, что ниже коммерческого микроволнового диэлектрического материала K20: 0,95MgTiO3−0,05CaTiO3 ≈ 3,7 г/см3,8), хорошие характеристики, относительно низкая температура спекания (∼1230 °C), низкая стоимость и множество исходных характеристик,9,10 что делает его одним из из наиболее перспективных материалов для оборудования связи 5G. Однако он по-прежнему сталкивается с проблемами, такими как недостаточно высокое значение Q × f (∼23 600 ГГц) и большой TCF (∼+38,5 ppm/°C). Известно, что значение Q и TCF являются двумя важными параметрами для СВЧ-диэлектрической керамики. Более высокое значение Q может обеспечить лучшую функцию фильтрации, а почти нулевой TCF (температурный коэффициент резонансной частоты) может обеспечить высокую надежность и стабильность СВЧ-оборудования. Следовательно, крайне желательно разработать новые микроволновые диэлектрические материалы на основе Li2TiO3, которые обладают как высоким значением добротности, так и близким к нулю ВКФ. Для многих материалов на основе титанатов кислородные вакансии генерируются за счет улетучивания кислорода в процессе спекания в воздушной атмосфере. Эти положительно заряженные кислородные вакансии могут адсорбировать свободные электроны, вызывая восстановление Ti4+ до Ti3+.

Эти ионы Ti3+ стабильны при комнатной температуре, что является причиной высоких диэлектрических потерь 11,12 Следует отметить, что Тиан и др. комплексного иона со средней валентностью +4, содержание кислородных вакансий, генерируемых электростатической компенсацией, будет значительно уменьшено, тем самым уменьшая диэлектрические потери и улучшая значение добротности микроволновой диэлектрической керамики. Более того, этот метод замещения также может играть роль в регулировании TCF, что имеет важное значение для нашего исследования. Исходя из вышеизложенных соображений, CuO в качестве акцепторной легирующей примеси впервые был введен в керамику Li2TiO3 в настоящей работе. Сообщалось также, что достаточное количество CuO полезно для снижения температуры спекания.15–17 Для поддержания баланса заряда был введен Nb5+ с образованием (Cu1/3Nb2/3)4+ для замены Ti4+. Кроме того, одинаковый ионный радиус между (Cu1/3Nb2/3)4+ (0,67 Å) и Ti4+ (0,605 Å)18 делает процесс замещения теоретически возможным. В данной работе образцы Li2Ti1-x(Cu1/3Nb2/3)xO3 (LTCNx) (0 ≤ x ≤ 0,4) были изготовлены по обычной твердофазной реакции. Детально изучено влияние замещения (Cu13Nb2/3)4+ на структуру и характеристики керамики Li2TiO3. Кроме того, чтобы удовлетворить прикладные требования интеграции, также активно исследуется снижение температуры спекания для адаптации к технологии низкотемпературного совместного обжига керамики (LTCC). LTCC обычно достигается с помощью следующих трех подходов: (i) химическая обработка, (ii) новые низкотемпературные спеченные материалы и (iii) добавление спекающего агента. Среди них последний метод обычно считается эффективным, недорогим и универсальным методом, способным снизить температуру спекания керамики.19 Стоит отметить, что H3BO3 является распространенным и эффективным вспомогательным средством для спекания с низкой температурой плавления. 20–24 Таким образом, представляется разумным полагать, что добавление добавки H3BO3 также может эффективно снижать температуру спекания системы LTCNx. В этой работе исследуется влияние содержания H3BO3 на кристаллическую структуру, микроструктуру, плотность и микроволновые диэлектрические свойства керамики LTCN0.2 (образец с оптимальными характеристиками). В то же время была исследована химическая совместимость керамики LTCN0.2, легированной H3BO3, с серебром. Кроме того, керамика LTCN0.2, легированная H3BO3, была разработана как патч-антенна и диэлектрическая резонаторная антенна с использованием программного обеспечения CST Microwave Studio.
…………
ВЫВОДЫ
Интенсивно исследовались фазовый переход и микроволновые диэлектрические свойства LTCNx (0 ≤ x ≤ 0,4). Обнаружен фазовый переход из моноклинной фазы в кубическую при x = 0,3. Замена Ti4+ на (Cu1/3Nb2/3)4+ оказалась эффективной в регулировании ВКФ почти до нуля при одновременном улучшении значения Q × f. Примечательно, что превосходные микроволновые диэлектрические свойства с εr ≈ 18,3, Q × f ≈ 77 840 ГГц и TCF ≈ +9,8 ppm/°C были достигнуты в керамике LTCN0.2, спеченной при 1140°C. Кроме того, керамика LTCN0.2, легированная 3% масс. превосходные характеристики εr ≈ 21,0, Q × f ≈ 51 940 ГГц и TCF ≈ +1,4 ppm/°C, что обеспечивает широкие перспективы его применения как в устройствах мобильной связи 5G, так и в технологии LTCC. Кроме того, как прототип антенны с диэлектрическим резонатором, так и патч-антенна, разработанные из материалов LTCN0.2 + 3 мас.% H3BO3, демонстрируют хорошие характеристики. DRA обеспечивает высокую модельную эффективность излучения (∼93%) и коэффициент усиления (∼4,03 дБи) на центральной частоте (∼10,19 ГГц). Патч-антенна обеспечивает высокую имитируемую эффективность излучения (∼88,4%) и коэффициент усиления (∼4,1 дБи) на центральной частоте (∼2,49 ГГц), а также малый вес и низкую стоимость, которые могут найти потенциальное применение в BDS.