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微波通信領(lǐng)域的重要材料——微波介質(zhì)陶瓷材料

日期：2021-03-12 瀏覽次數(shù)：次

微波介質(zhì)陶瓷是一種重要的功能陶瓷材料，是應(yīng)用于微波通信領(lǐng)域的陶瓷材料之一，主要應(yīng)用在介質(zhì)諧振器、介質(zhì)濾波器、波導(dǎo)雙工器、天線等領(lǐng)域作為介質(zhì)材料完成一種或多種功能的陶瓷材料。微波介質(zhì)陶瓷的存在讓微波集成電路的尺寸和封裝密度得到了大幅提高。

（圖片來源：MARUWACo.，Ltd）

萬物互聯(lián)時代，微波介質(zhì)陶瓷的下游應(yīng)用：移動通訊、衛(wèi)星通信、軍用雷達(dá)、電子工業(yè)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）、藍(lán)牙技術(shù)、其他國防軍工等眾多行業(yè)的蓬勃發(fā)展，技術(shù)水平不斷升級，對微波介質(zhì)陶瓷行業(yè)的材料也提出了新的要求。隨著5G和物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，微波介質(zhì)陶瓷行業(yè)迎來了爆發(fā)式的增長，據(jù)有關(guān)市場研究報告預(yù)估（見參考文獻(xiàn)1），我國微波介質(zhì)陶瓷的年復(fù)增加率在20%左右，到了2023年，我國微波介質(zhì)陶瓷市場規(guī)模將達(dá)到百億級。這個具有巨大潛力的應(yīng)用市場，正蓬勃發(fā)展中。

一、微波通信的介紹

微波指的是波長較短的電磁波，在無線電通信中指波長在0.1毫米至1米（頻率為300MHz-300GHz）之間的電磁波。微波頻率比一般的無線電波頻率高，通常也稱為“超高頻電磁波”。

（圖片來源：kids.alma兒童科普網(wǎng)站）

（表格資料來源：頭豹研究院）

二、微波介質(zhì)陶瓷三大性能指標(biāo)

衡量微波介質(zhì)陶瓷主要有三個性能指標(biāo)：介電常數(shù)，諧振頻率溫度系數(shù)，品質(zhì)因子。介電常數(shù)簡單來說表征了諧振器所適合的頻率且決定了器件尺寸。諧振頻率溫度系數(shù)，又叫做溫漂，表征了器件在環(huán)境溫度變化下穩(wěn)定工作的能力。品質(zhì)因子簡單來說衡量了濾波特性和通訊質(zhì)量。品質(zhì)因子越高，通訊質(zhì)量越好。一般來說，介電常數(shù)與品質(zhì)因子呈負(fù)相關(guān)，而與諧振頻率溫度系數(shù)呈正相關(guān)。新一代微波介質(zhì)陶瓷材料的研究開發(fā)將主要圍繞如下兩大方向展開：首先是追求超低損耗的極限；其次是探索更高相對介電常數(shù)的新材料體系。前者是為了適應(yīng)高可靠性與更高頻率應(yīng)用的需要，而后者的應(yīng)用主要是為滿足下一代通信技術(shù)的小型化要求。國際上微波介質(zhì)材料與器件行業(yè)一方面為了縮小器件的體積而開發(fā)高介電常數(shù)的材料體系，另一方面為了提高器件的靈敏度而研究高品質(zhì)因子的材料配方，重視器件工作的高穩(wěn)定性而開發(fā)小諧振頻率溫度系數(shù)的介質(zhì)陶瓷。

三、微波介質(zhì)陶瓷的類型

微波介質(zhì)陶瓷元器件生產(chǎn)涉及到材料學(xué)、微波與電磁場、電子技術(shù)與應(yīng)用、微波與射頻測量技術(shù)、高精度機(jī)械制造技術(shù)、電磁兼容與可靠性技術(shù)等多學(xué)科理論與技術(shù)，學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜，技術(shù)壁壘高。從原料的角度看的話，為了不同的應(yīng)用領(lǐng)域要求，微波介質(zhì)陶瓷主要是往里摻雜各種其他元素實(shí)現(xiàn)材料介電性能優(yōu)化，因此材料體系是相當(dāng)?shù)膹?fù)雜。通常可以按照材料介電常數(shù)的大小，大致將微波介質(zhì)陶瓷歸為低介、中介和高介3大類。低介微波介質(zhì)陶瓷體系如Al2O3-TiO2系和鈦酸鎂系列等，因其高品質(zhì)因數(shù)而被應(yīng)用于對介質(zhì)損耗要求比較嚴(yán)格的領(lǐng)域，如衛(wèi)星通訊、軍用雷達(dá)等方面；中介微波介質(zhì)陶瓷體系如(Zr,Sn)TiO4系具有高Q值，低諧振頻率溫度系數(shù)，可用于制備介質(zhì)諧振器解決窄帶諧振器的頻率漂移問題；高介微波介質(zhì)陶瓷能促進(jìn)微波通訊設(shè)備、諧振器的小型化和集成化，在高電容量的集成電路中以及低頻下工作的通訊設(shè)備中應(yīng)用廣泛，高介微波介質(zhì)陶瓷主要以BaO - Ln2O3 - TiO2；CaO -Li2O -Ln2O3 -TiO2 和鉛基鈣鈦礦系列材料。

四、微波介質(zhì)陶瓷產(chǎn)業(yè)市場

根據(jù)公開資料顯示，日本富士鈦、日本化學(xué)等企業(yè)占據(jù)了國際上微波介質(zhì)陶瓷材料市場的主要份額，國內(nèi)則以國瓷材料為首，其次還有燦勤和風(fēng)華高科等。

參考資料：

1、2019年中國微波介質(zhì)陶瓷行業(yè)概覽；頭豹研究院，楊曉丹，陳夏琳等。

2、2019年微波介質(zhì)陶瓷行業(yè)市場現(xiàn)狀，通信技術(shù)發(fā)展推動產(chǎn)品需求；華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院

3、低介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷研究進(jìn)展；南京工程學(xué)院材料工程學(xué)院，胡杰、呂學(xué)鵬、張?zhí)煊睿钫?，陳昊元，徐文盛；江蘇省先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室，呂學(xué)鵬。

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