590MHz带宽+超90%辐射效率！北大深研院光固化微波陶瓷新突破，助推高频器件新价值

来源：摩方精密

随着移动通信需求的迅猛增长，无线通信技术逐渐向毫米波和亚毫米波方向发展。作为现代无线技术不可或缺的推动者，微波陶瓷通过其优异的介电性能，已成为促进无线设备小型化和集成化的基本组成部分。在众多微波陶瓷体系中，具有复杂钙钛矿结构的Ba(Zn1/3Nb2/3)O3(BZN)微波陶瓷凭借其优异的介电性能（介电常数：40，品质因子：80,000GHz），已被广泛应用于谐振器和滤波器等无线通讯领域。然而，毫米波通信技术的到来对微波介质陶瓷提出了更加严格的要求，包括体积小型化、功能集成化以及结构复杂化等。受限于微波陶瓷材料固有的硬度和脆性等特性，因此，加工和制备具有复杂几何形状的微波陶瓷器件面临着极大的挑战。

近期，北京大学深圳研究生院李昊博士后、国家纳米科学中心刘飞博士后及河北工业大学程立金老师通过摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）技术(microArch® S240，精度：10μm)成功制备了高性能的复杂钙钛矿结构的BZN微波陶瓷。同时，首次报导了光固化复杂钙钛矿结构微波陶瓷中B位1：2有序畴结构的变化规律，并设计制备了圆柱形介质谐振器天线，实测中心频率为7.1GHz，带宽达590MHz，辐射效率超过90%，验证了光固化成形复杂钙钛矿结构的BZN陶瓷在高频器件中的实际应用价值。同时该研究为3D打印功能陶瓷的商业化应用提供了理论基础。

相关研究成果以“Microstructure and Microwave Properties of Complex Perovskite-Structured Ba(Zn1/3Nb2/3)O3 Ceramics and Dielectric Resonator Antenna by Digital Light Processing Technology”为题发表在《Journal of the European Ceramic Society》期刊上。

首先，作者通过传统固相合成法制备出平均粒径为900纳米的BZN微波陶瓷粉末。并通过喷雾干燥工艺将亚微米粒径的陶瓷粉末预团聚成直径10微米至40微米左右的球形颗粒，以此来降低陶瓷粉末团聚现象，并可以提高陶瓷浆料的固相含量（图1）。在此基础上，通过调节分散剂含量，制备出固相含量为82wt%的BZN陶瓷浆料。

图1. BZN微波陶瓷粉末表征。

光固化打印样品在1350摄氏度至1450摄氏度烧结4小时。通过XRD技术表征技术发现：烧结温度低于1400摄氏度时，样品中存在由B位1：2有序结构产生的超晶格衍射峰（2θ = 17.7°），当烧结温度达到或超过1400摄氏度时，超晶格衍射峰消失。B位1：2有序结构是决定复杂钙钛矿结构微波陶瓷介电损耗的关键因素。此外，B位有序结构的形成受动力学因素控制。为了提高光固化BZN陶瓷的介电性能，烧结样品在1300摄氏度条件下进行了24小时的退火处理。结合TEM电镜表征发现，退火样品中存在明显的超晶格电子衍射斑点。高分辨透射电子显微镜（HRTEM）通过观察两种不同的晶格间距：0.71纳米，对应有序结构；0.41纳米，对应无序立方结构，直接证明了光固化BZN样品中B位1：2有序畴结构的存在（图2）。通过退火处理，光固化样品中有序度最大提高至81.31%，退火处理后样品呈现出优异的介电性能：介电常数为38.9，品质因子为89,600GHz，谐振频率温度系数为22ppm/℃。

图2. 光固化BZN样品B位1：2有序结构表征。

在此基础上，作者设计并制备了圆柱形BZN介质谐振天线（图3），由于介质谐振块具有显著的共振和辐射效应，实现了超带宽范围的高辐射效率：实测通带带宽为590MHz（6.76GHz至7.35GHz），辐射效率超过90%，实测中心频率为7.1GHz。以上研究验证了通过光固化技术制备的微波介质陶瓷在高频通讯技术领域具有潜在的应用价值。

图3. 光固化BZN介质谐振天线测试结果。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2025.117492