Два новых галлата MGa2O4 с низким значением εr (M = Ca, Sr) были синтезированы стандартным методом твердофазной реакции. Согласно результатам РСА, CaGa2O4 кристаллизуется в пространственной группе Pna21 с орторомбической симметрией, а SrGa2O4 относится к моноклинной системе P21/c. Обе керамики демонстрируют постоянно улучшающуюся микроструктуру с повышением температуры спекания. Оптимальные микроволновые диэлектрические свойства (εr = 9,2, Qf = 66 000 ГГц, τf = –85 ppm/°C для SrGa2O4 и εr = 10,6, Qf = 15 400 ГГц, τf = –58 ppm/°C для CaGa2O4) достигаются при спекании при 1275 ◦С. Патч-антенна изготовлена с использованием керамики SrGa2O4 в качестве подложки, что обеспечивает обратные потери –19,94 дБ и общий КПД –1,38 дБ (72,8 % по мощности) на частоте 4,84 ГГц. Исключительные характеристики указывают на то, что керамика SrGa2O4 является многообещающим кандидатом для применения в антеннах в диапазоне ниже 6 ГГц.
Введение
С резким ростом потребностей в беспроводной связи значительно возрастает объем использования данных, и нехватка спектра стала серьезной проблемой. Сотовая беспроводная система пятого поколения (5G), пришедшая на смену сетям 4G LTE, к которым мы подключаемся с 2010 года, предлагает такие важные функции, как высокая скорость, большая емкость, низкая задержка и т. д. [1–3]. Среди частотных диапазонов, используемых в технологиях 5G, низкочастотный диапазон (<15) стал объектом исследований, поскольку td пропорционально √ εr [5–7]. С другой стороны, на более высоких частотах диэлектрические потери значительно возрастают из-за увеличения волновых чисел. Следовательно, высокий коэффициент качества (Q = 1/tanδ) является еще одним требованием для приложений в системах 5G [5,8]. Алюминаты являются типичными материалами с низким εr из-за низкой ионной поляризуемости Al3+ (0,79 Å3) [9]. Среди алюминатов шпинельная керамика AAl2O4 (A = Zn, Mg) обладает прекрасными микроволновыми диэлектрическими свойствами (εr = ~ 8,5, Qf = 56 000 ~ 105 000 ГГц, τf = ~ –70 ppm/o C) и считается одной из самых перспективные материалы с низким εr [10,11]. Для дальнейшего изучения физической природы соединений AAl2O4 Yi et al. сообщили об отличных характеристиках (εr = 8,9, Qf = 91 350 ГГц, τf = –55 ppm/o C) также в керамике CaAl2O4 [12,13]. Сходные характеристики между CaAl2O4 и шпинелями следует отнести к аналогичному радиусу между Ca2+ (1,0 Å) и Zn2+ (0,74 Å)/Mg2+ (0,72 Å). Между тем дальнейшее увеличение радиуса A2+ до 1,18 Å приводит к структурным изменениям и нарушению симметрии керамики SrAl2O4, а микроволновые диэлектрические свойства становятся едва ли приемлемыми [14]. С другой стороны, элементы Ga и Al принадлежат к одной и той же группе и имеют схожие физические/химические свойства.  Более того, такие галлаты, как ZnGa2O4 (Qf ~ 94 600 ГГц) [15], MgGa2O4 (Qf ~ 117 000 ГГц) [16], LaGaO3 (Qf ~ 97 000 ГГц) [17], обычно демонстрируют более высокие значения Qf по сравнению с их алюминатными аналогами, такими как ZnAl2O4 ( Qf ~ 56000 ГГц) [10], MgAl2O4 (Qf ~ 105000 ГГц) [11], LaAlO3 (Qf ~ 68000 ГГц) [18]. Между тем структурная эволюция и микроволновые диэлектрические свойства в керамике MGa2O4 (M = Ca, Sr) до сих пор неясны, что является фундаментальным для их потенциального применения в системах 5G. В этом исследовании систематически исследуются поведение при спекании, кристаллическая структура и микроструктура керамики MGa2O4, а также их влияние на микроволновые диэлектрические свойства. Между тем, микрополосковая патч-антенна с использованием керамики SrGa2O4 в качестве подложки изготовлена, чтобы показать их применение в диапазоне частот ниже 6 ГГц.
……………
Выводы
Керамика MGa2O4 (M = Ca, Sr) была приготовлена стандартным методом твердофазного спекания. Результаты РФА и уточнения по Ритвельду показывают, что SrGa2O4 кристаллизуется в симметрии P21/c, а кристалл CaGa2O4 принадлежит к пространственной группе Pna21. Снимки СЭМ указывают на постоянное улучшение микроструктуры с повышением температуры спекания. Оптимизация микроструктуры в основном определяет улучшение εr и Qf, а τf тесно связана с валентностью связи. Оптимальные микроволновые диэлектрические свойства керамики MGa2O4 получены следующим образом: εr = 9,2, Qf = 66000 ГГц, τf = –85 ppm/oC для SrGa2O4 и εr = 10,6, Qf = 15400 ГГц, τf = –58 ppm/oC для CaGa2O4. Квадратная патч-антенна спроектирована и изготовлена с использованием SrGa2O4.
Керамика в качестве диэлектрической подложки. Изготовленная антенна имеет хорошие коэффициенты излучения в целевом диапазоне ниже 6 ГГц с обратными потерями –19,94 дБ и КСВ 1,22 дБ на частоте 4,84 ГГц. Общий КПД предлагаемой антенны моделируется равным –1,38 дБ (72,8 % по мощности). Соответственно, ожидается, что керамика SrGa2O4 станет многообещающим кандидатом для применения в антеннах 5G.