Силикатная керамика имеет большие перспективы в качестве высокочастотных диэлектриков в новых приложениях миллиметрового диапазона, включая широкополосную беспроводную связь и датчики. В этом обзоре мы показываем, как в упорядоченных силикатных структурах возникают высокие добротности и низкие термически стабильные диэлектрические проницаемости. На основе большого количества существующих исследований диэлектрические характеристики силикатной керамики всесторонне обобщены и представлены, показывая, как микроструктура и тетраэдрическая связность SiO4 влияют на поляризуемость и диэлектрические потери. Мы критически изучаем пригодность силикатных материалов для будущих применений в качестве эффективных диэлектриков миллиметрового диапазона с низкими потерями и настраиваемой диэлектрической проницаемостью. Определено, что разработка новых способов обработки силикатной диэлектрической керамики на основе мягкой химии способствует снижению температуры обработки, что позволяет совместно обжигать силикатную керамику при производстве компонентов, работающих в режиме миллиметровых волн.
Введение
Керамические диэлектрические материалы легли в основу развития беспроводных технологий в последние десятилетия. С быстрым распространением подключения к Интернету на все более широкий спектр электронных устройств (Интернет вещей, IoT) и внедрением новых сетевых технологий с высокой пропускной способностью, таких как телекоммуникации 5G, интеллектуальные транспортные системы (ИТС), дистанционное здравоохранение и сверхвысокое разрешение. телевидения (UHDTV), ожидается, что в ближайшие годы трафик беспроводной передачи данных увеличится примерно в 10 000 раз [1]. Чтобы приспособиться к этому значительному увеличению, необходимо будет использовать беспроводную передачу данных в диапазоне миллиметровых волн (ммВт) от 30 до 300 ГГц и даже выше с соответствующим изменением диэлектрических материалов, используемых в различных компонентах. По сравнению с частотами в диапазоне 5-30 ГГц частоты мм Вт предлагают экспоненциально большую полосу пропускания при более низком компоненте и более узких размерах луча [2]. Чтобы понять удивительно быстрый рост мобильного трафика данных, обусловленный возможностями подключения устройств и беспроводными широкополосными инновациями, могут быть полезны несколько цифр: • Достигнув примерно 15,4 миллиардов в 2015 году, ожидается, что количество установленных во всем мире устройств IoT превысит 75 миллиардов в 2025 году. [3] • Технологии IoT могут принести до 14,4 триллионов долларов США в стоимости [4], а общий объем инвестиций в этот рынок, по прогнозам, достигнет 15 триллионов долларов к 2025 году [5] • В 2013 году прогнозируется, что глобальный объем мобильного трафика данных составит достичь 11,2 эксабайта (ЭБ) в месяц к 2017 г. [5]. Эта оценка была превышена: в этом году было зарегистрировано 11,51 ЭБ в месяц [6]. • Последние данные Международного союза электросвязи (МСЭ) предсказывают ежегодный рост объема беспроводной передачи данных не менее чем на 55% с внедрением технологий 5G, связи подключенных устройств, а также помощи водителю и автономного транспорта [7]. . • При таком прогнозируемом темпе роста годовой трафик составит 368 000 ЭБ или 3,68x1023 байта в 2035 г. (рис. 1). Эту оценку можно считать консервативной, учитывая, что внедрение перспективной технологии 6G с увеличенной в 100 раз скоростью передачи данных по сравнению с 5G уже не за горами [7]. Компоненты, используемые в современных приложениях миллиметрового диапазона, в основном основаны на материалах, изначально разработанных для использования в низкочастотных микроволновых системах. Быстрый прогресс в разработке систем связи и радиолокации на основе миллиметрового диапазона для автономных транспортных средств вызывает потребность в новых керамических диэлектрических компонентах в виде диэлектрических резонаторов, фильтров, антенн, волноводов и подложек, которые лучше подходят для эффективного высокочастотного применения и широкомасштабного применения. производство. В частности, материалы с улучшенными характеристиками диэлектрических потерь будут пользоваться большим спросом, поскольку используемые в настоящее время материалы на более низких частотах не будут применимы в высокочастотном диапазоне, где диэлектрические потери будут повышены.

Помимо соответствующих диэлектрических свойств, материалы для таких применений должны иметь низкие температуры спекания, чтобы облегчить их внедрение в виде низкотемпературной керамики совместного обжига (LTCC), которые часто применяются для изготовления интегрированных компонентов и подложек, которые, как правило, относятся к категории диэлектриков. на основе их относительной диэлектрической проницаемости 𝜀𝑟 , также называемой диэлектрической проницаемостью 𝑘, которая описывает отношение абсолютной диэлектрической проницаемости материала 𝜀 к диэлектрической проницаемости вакуума 𝜀0 𝑘 = 𝜀𝑟 = 𝜀 𝜀0 (1) Здесь эти термины взаимозаменяемы. Оксидная керамика с низкими потерями и промежуточными значениями 𝜀𝑟 уже давно представляет особый интерес для устройств, использующих микроволновые частоты, включая приложения в сотовых телефонах, спутниковой связи и беспроводной локальной сети. В диэлектрических резонаторах, работающих на частотах до 10 ГГц, обычно используются перовскитные материалы с малыми потерями и значениями 𝜀𝑟 в диапазоне 20-100 для обеспечения функциональности и миниатюризации компонентов. Однако для диэлектрических компонентов, работающих в миллиметровом диапазоне и выше, требования к материалам несколько различаются. На частотах мм Вт длина волны и размеры схемы уменьшаются, и требуются более строгие допуски на параметры материала схемы. В частности, при переходе к более высоким частотам (> 30 ГГц) миниатюризация резонатора не вызывает беспокойства, и желательны материалы с более низкой диэлектрической проницаемостью, при этом минимизация диэлектрических потерь и стабильность эффективных значений 𝑘 имеют еще большее значение. Хорошо контролируемые диэлектрические проницаемости и низкие уровни диэлектрических потерь имеют большое значение также и в пассивных компонентах миллиметрового диапазона, таких как безызлучательные волноводы и подложки. Из-за своей кристаллохимии особый класс оксидов, а именно силикаты, естественным образом обладают низкими 𝜀𝑟 , потенциально низкими уровнями диэлектрических потерь и относительно устойчивы к температурным изменениям как в рабочих, так и в механических свойствах. Кроме того, многие известные силикатные материалы, как природные, так и синтетические, в большом количестве состоят из щелочных, щелочноземельных металлов и кремния, что делает их производство недорогим и надежным. Следовательно, силикаты все чаще становятся предметом исследования материалов для новых высокочастотных применений. Заинтересованный читатель может найти множество обзоров, в которых резюмируются керамические материалы для СВЧ и миллиметрового диапазона, включая их производство, характеристики и применение [8–20]. Тем не менее, разработка и применение силикатной керамики для сверхвысокочастотных приложений все еще находится на ранней стадии и заслуживает более тщательного изучения.
Заключение
В качестве подхода к удовлетворению быстро растущей потребности в хорошо контролируемых диэлектриках с низким k в новых приложениях миллиметрового диапазона силикатная керамика обладает привлекательными свойствами. Следовательно, они стали центром многочисленных исследований таких приложений, которые были рассмотрены здесь. Характеристики рассмотренных материалов с точки зрения относительной диэлектрической проницаемости, диэлектрических потерь и температурного фактора резонансной частоты показывают, что силикаты являются недорогими материалами-кандидатами для применения в верхнем диапазоне микроволновых частот в качестве диэлектрических резонаторов, волноводов, фильтров и материалов подложки. Самым непосредственным препятствием для использования силикатной диэлектрической керамики является то, что этот класс материалов в настоящее время ограничен с точки зрения зарегистрированных составов, сочетающих соответствующие значения диэлектрических характеристик с температурами спекания.