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微波介质陶瓷研究现状及其在5G/6G下的发展趋势

发表时间:2021/11/2 15:47:50  来源:材料科学姑苏实验室   浏览次数:4193  
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微波频率范围为300MHz300GHz,对应波长为1m1mm。微波通信技术具有抗干扰能力强、载波容量大、信息传输多等优点。微波通信技术在当代信息技术中具有极其重要的地位。在军事通信、民用与卫星通信、航空航天等领域有着广泛而深入的应用。微波介电陶瓷材料主要用作微波频率电路中的介电材料。这些材料通常具有较高的相对介电常数(10-100)、非常低的介电损耗和在微波频率范围内接近于零的温度谐振频率系数。用于微波谐振器、滤波器、振荡器、移相器、微波电容器和微波基板。目前,小型化、芯片化和微波器件集成化是发展的方向和趋势。以5G为代表的先进无线通信技术的发展,对微波介质陶瓷的性能提出了越来越高的要求。

5G技术是整个社会数字化转型的基石。微波介质陶瓷元件是通信基站射频单元的关键部件,在5G移动通信系统中发挥着不可替代的作用。随着全球5G网络规模商用进入快车道,6G通信研发设计全面启动,微波介质陶瓷研究面临诸多挑战和机遇。

图一. 电磁波频谱及不同频率下的应用

1.微波介质陶瓷简介

1.1 微波介质陶瓷的主要性能指标。

微波介电陶瓷材料是制造微波元件的关键材料,除具有必要的机械强度、化学稳定性和时间稳定性外,还要求具有不同于一般电子陶瓷的特殊性能。目前,对于微波介质陶瓷,主要从三个技术指标来评价材料的先进性和可行性:相对介电常数r、谐振品质因数与频率值Qf的乘积、以及系数谐振频率温度f。

相对介电常数r

电介质是指在电场作用下能建立极化的所有物质,相对介电常数反映了电介质的宏观极化能力。微波介电陶瓷是具有离子晶体结构的多晶材料,一般由晶相、晶界、孔隙等组成,相对介电常数的变化服从:对数混合规则。


式中,r为陶瓷体系的相对介电常数,i为第i相的相对介电常数,i为第i相的体积分数。

在电介质中传播的电磁波的波长与空气的关系为:

式中,d为介质中电磁波的波长,0为真空中电磁波的波长,r为材料的相对介电常数。对于介质谐振器,它的大小与在介质中传播的电磁波的波长有关,是d/2d/4的整数倍。在相同频率下,介质的r越大,越小是d,并且相应的谐振器的尺寸越小,这导致谐振器的小型化和质量的提高。要获得高介电常数微波介电陶瓷,必须选择高极化离子形成氧八面体,并具有较大的氧八面体晶体结构。通常,高介电常数微波介电陶瓷具有钙钛矿结构或类钙钛矿结构。然而,对于低温烧制陶瓷基板材料(LTCC),信号在介质中的传输时间与介电常数的1/2 次方成正比。此时,要求微波陶瓷的相对介电常数尽可能小。因此,在不同的应用场景下,对微波介电陶瓷的相对介电常数有不同的要求。

Qf 值

品质因数Q 是衡量微波介电材料介电损耗的指标,Q=1/tan。在微波频段,介质损耗tan必须小(或品质因数Q必须高),一般要求tan为10-4,以保证优良的选频特性,降低器件在高频下的插入损耗。 Q f 值是品质因数Q 和谐振频率f 的乘积。同一种材料在不同的测试频率下有不同的损耗,Qf值去掉了频率因子,成为一个常数。因此,Qf值一般用于比较不同材料在不同谐振频率下的损耗。 Qf值越高,材料的介电损耗越低,性能越好。

微波频段微波介质陶瓷的介电损耗一般来自三个方面:在理想晶体中,非谐晶格力引起的晶格声子相互作用引起的损耗导致光频声子的衰减,从而导致光频声子的衰减。微波的产生。损失称为内在损失; 在均匀的实晶或微晶中,由晶格缺陷(如点缺陷、空位、取代原子或缔合缺陷等)引起的声子散射引起的损耗; 实用异质陶瓷中位错、晶界、夹杂物和第二相等界面上的缺陷杂质偶极子或空间电荷弛豫过程引起的损耗,后两者也称为外在损耗。原则上,外在损失可以通过合适的工艺消除或最小化。

谐振频率温度系数f

谐振频率的温度系数用于衡量材料和微波介质器件的温度稳定性,由下式计算:

式中,f0 和fT 分别为室温T0 和温度T 下的谐振频率。 f 越接近于零,材料的热稳定性越好。一般要求f的值在10ppm/以内。目前调节材料的f主要有两种方式:一种是使用温度系数相反的材料和会调节形成多相复合材料的材料,另一种是使用温度系数相反、结构相似的材料。形成固溶体。

1.2 微波介质陶瓷的分类

微波陶瓷可根据介电特性和材料体系进行分类。本文主要根据介电常数的大小对微波介电陶瓷进行分类,分为低介电、中介和高介电微波介电陶瓷三大类。一般来说,微波介电陶瓷的相对介电常数越高,其Q值越低(图2为微波介电陶瓷的主要材料体系及介电常数与Q值f的关系)。

图二.微波介质陶瓷的三个研发方向

低介电微波陶瓷是指r20和Qxf值为50000GHz的微波介电陶瓷,主要用于微波通信领域,如f10GHz的卫星直播。随着微波通信和雷达技术的飞速发展,微波技术正朝着更高的频率发展,即毫米波和亚毫米波。 r15、具有高Q值和接近零谐振频率温度系数的超低介电微波介质材料也越来越受到人们的关注。中级微波陶瓷是指r=2070,Qxf值为20000GHz的微波介质陶瓷,主要用作军用微波雷达和微波通信系统中的介质谐振器件。移动通信基站的小型化迫切需要研发一种低频温度系数高的高Q值、中等r的新型微波介质陶瓷。高介电微波陶瓷指r70微波介电陶瓷。与低、中介电介质微波介质陶瓷相比,高介电介质微波介质陶瓷种类较少,主要用于f2GHz民用移动通信。表1表3是各种微波介电陶瓷的代表性材料体系及其微波介电性能。

表一. 低介电微波介电陶瓷系统的代表及其微波介电特性。

表二. 中间微波介电陶瓷系统的代表及其微波介电特性

表三. 高介电微波介电陶瓷系统的代表及其微波介电特性。

2. 微波介质陶瓷研究现状概述

2.1 国内外研究现状

1939年,Richtmyer从理论上证明了电介质在微波电路中用作介质谐振器的可能性后,美国便率先开始了微波介质陶瓷材料的研制。接着,日本以及法国、德国等欧洲国家相继开始这方面研究。随着日本对介质陶瓷进行大规模实用化生产,微波介质陶瓷材料得到了蓬勃发展和广泛应用,松下、村田等公司都研发出了各具特色的微波介质材料体系。目前微波陶瓷材料和器件的生产水平以日本村田公司、德国EPCOS公司、美国Trans-Tech公司、Narda Microwave-West公司、英国Morgan Electro Ceramics等公司为最高,向日葵成人appLANFAY自主研发的介质波导滤波器。

图三. 微波介质陶瓷发展历程。

相较而言,我国微波介质陶瓷的研究起步较晚,始于20世纪80年代。90年代,国家对微波介质陶瓷的研究愈发重视,同时国内在设备仪器和合成工艺等方面有了极大的改善,我国研究人员陆续研发出了钛酸盐、钼酸盐和磷酸盐等一系列新型陶瓷材料。2009年9月,国家发改委、工信部发布《电子信息产业调整和振兴计划》,微波介质陶瓷元器件被列入改造投资方向,标志着微波介质陶瓷进入优化发展时期。2015年5月,国务院发布《中国制造2025》,明确将微波介质陶瓷列为关键性战略材料。2017年4月,科技部发布《“十三五”材料领域科技创新专项规划》,侧重引导突破微波介质陶瓷制备关键技术,争取实现微波介质陶瓷供给侧改革。能够自主研发满足移动通信技术要求的新型微波介质陶瓷材料对国家的安全具有重要意义,目前国内研究微波介质陶瓷的主要单位有:中科院、中电13所以及清华大学、浙江大学、西安交通大学、华中科技大学以及电子科技大学等高校。

尽管我国在微波介质陶瓷材料及元器件的研究与生产商仍与国外存在一定差距,许多关键性材料都依赖进口。但是,在产学研模式运用逐渐成熟、下游行业需求旺盛、定制化与一体化生产模式紧密结合等因素的驱动下,国内微波介质陶瓷行业的技术水平不断升级,高频化、多频化、集成化、微型化和模块化将成为行业技术的发展趋势。

同时对高稳定的晶体振荡器(高稳晶振)和高功率小型化腔体滤波器和介质滤波器都有成倍的配套需求。
对应基站配套需求的时钟模块产品、授时守时模块和时频模块对应的同比例的需求数量。

目前关于微波介质陶瓷的研究通常围绕以下几个方面开展:

(1)提高微波介质陶瓷的介电性能。利用离子置换、复合等多种方式对现有微波介质陶瓷材料体系的性能进行改善。如采用离子置换等手段提高微波介质陶瓷的品质因数,通过与高介电常数的材料复合提高微波介质陶瓷的介电常数,通过两相复合调节τf 近零从而改善和微波介质陶瓷的温度稳定性等。

(2)降低微波介质陶瓷的烧结温度,满足低温陶瓷共烧技术的要求。LTCC技术可以使器件高度集成。由于需要与银(961℃)等低熔点电极共烧,要求器件所用陶瓷粉料具有低的烧结温度。降低烧结温度也可抑制某些基板成分高温下挥发或发生化学反应,还可以减少能源的消耗。目前,降低烧结温度的主要途径是添加助烧剂(如低熔点的玻璃)。

(3)改进工艺,开发新的材料合成技术,以获得性能更为优异的微波介质陶瓷材料,并降低生产成本。提高微波介质陶瓷的介电性能,除了改变成分,还可以通过改进制备工艺来实现。一般而言,大幅度改进微波陶瓷材料的合成工艺能够使陶瓷材料的性能有着明显的提高。利用热压烧结、微波快速闪烧等方法,可提高陶瓷的致密性,使基体的气孔减少、晶粒尺寸分布更均匀,从而提高微波介质陶瓷的品质因数。

(4)探索新的微波介质陶瓷材料体系。根据元素周期表中各元素本征特性关系,探索具有良好介电性能的新型微波介质陶瓷材料新体系,以便满足5G及6G通信技术的发展要求。

(5)材料机理研究。研究微波介质陶瓷材料的极化机理与材料损耗之间的关系,研究缺陷与介电性能的关系,分析材料气孔、物相结构等对微波介电性能的影响,从理论基础上了解改善陶瓷材料微波介电性能的依据,并可利用理论指导微波介质陶瓷材料的研发。

2.2 微波介质陶瓷产业产业链分析

如图四所示。介电陶瓷元件,下游由信息通信、航空航天、雷达、汽车等各种不同应用领域的生产企业组成。

图四. 微波介质陶瓷产业产业链

高纯度原材料用于制造微波介电陶瓷。上述陶瓷粉体约占微波介电陶瓷产品成本的30%。领先的陶瓷粉体企业有日本村田、日本京瓷、广东风华高科和无锡鑫盛辉龙、无锡汇宏电子等。必须严格控制微波介电陶瓷的工艺参数,以达到杂质少、缺陷少、晶粒分布均匀、微波介电性能好的效果。微波介电陶瓷制备技术包括固相法、湿化学合成法和水热法三大技术体系,工艺复杂,技术壁垒高。微波介质陶瓷元件有许多不同的应用方向(见表4)。中间参与者是通信设备制造商和微波通信消费电子制造商。其中,华为、中兴、爱立信、大唐移动、三星、诺基亚等公司垄断了中国通信设备行业的绝大部分市场份额。企业有很强的议价能力。

表四 微波介质陶瓷元件的应用方向。

微波介质陶瓷行业的生产技术壁垒、行业企业数量少、整体供应能力薄弱,一定程度上制约了行业的规模化发展。一方面,微波介电陶瓷元件的生产涉及多学科交叉学科,需要材料科学、微波与电磁场、电子技术与应用、微波与射频测量技术、电磁兼容技术与可靠性等学科理论和技术。这是非常困难的;另一方面,下游通信行业产品种类繁多,市场需求更新频繁。这就要求企业不断提高研发能力和对新产品的快速反应能力。目前,国内具有自主研发和生产能力的微波介质陶瓷企业不足20家,具有量产能力的企业仅有少数,技术水平和产品品种与国际领先企业仍有较大差距。在高端微波介质陶瓷市场,国际领先企业占据了近90%的市场份额。

微波介质陶瓷元器件的产品质量和实际效果直接影响后续产品的质量,对行业标准体系的整体建设提出了更高的要求。但目前的行业标准仍然是原电子工业部1991年制定的行业标准《微波介质材料A-陶瓷》,更新速度缓慢,覆盖类型和体系不完善,配套的细分标准有待完善。此外,国内专业配套的产品质检中心很少,难以保证微波介质陶瓷及其元器件的高质量输出。质检行业配套设施不完善,一定程度上制约了行业高质量发展。标准建设的不完善和质量检测行业的不匹配也在一定程度上制约着我国微波介质陶瓷产业的高质量发展。

3.5G/6G应用下的新机遇

微波介质陶瓷元件的重要应用方向是移动通信基站,介质谐振器、介质滤波器、双工器和多路复用器都是通信基站中射频单元的关键部件。 5G基站的大规模建设对微波介质陶瓷材料提出了高速、高频、高集成、超低损耗的性能要求。开发具有低损耗、高稳定性等优异性能的微波介电陶瓷材料是近年来功能陶瓷的方向,也是研究热点之一。

微波介质陶瓷产业整体处于5G产业链的早期阶段。在各省市5G规划中,着眼于上游5G射频器件、有源矩阵天线等关键技术和积木的推进和发展,制定了扶持http ://1348.cn/满,这将推动微波介质陶瓷元件的快速发展。随着5G通信技术的进步,基站数量大幅增加(将是4G时代的45倍),对微波通信元器件的需求量很大。 5G天线的信道数是4G时代的7~15倍,这意味着射频器件对微波介质陶瓷元件的需求是4G时代的7~15倍。小型化、轻量化成为天线设计的基础。与金属滤波器相比,微波陶瓷介质波导滤波器可实现与抑制系统的高兼容性,体积更小、重量更轻,成为5G基站领先的技术方案。

随着全球5G网络规模商用进入快车道,6G研发战略设计已全面到位。虽然业界对6G的愿景、关键技术、标准尚未形成统一共识,但普遍预计6G将在2030年左右开始商用,未来3-5年将是6G的关键窗口期。调查和开发。与5G相比,6G将拥有更泛在的连接、更高的传输带宽、更低的端到端延迟、更高的可靠性和确定性以及更智能的网络特性。

国际电信联盟(ITU) 于2019 年11 月23 日宣布,世界无线电通信大会(WRC-19) 确定了新的5G 频谱的新决议,分别为24.25 GHz ~ 27.5 GHz、37 GHz ~ 43.5 GHz、66 GHz ~ 总带宽为14.75 GHz的71 GHz频谱标识用于5G和未来的国际移动通信系统,表明部分频段毫米波可以用于6G。同时,WRC-19正式批准了275 GHz296 GHz、306 GHz313 GHz、318 GHz333 GHz和356 GHz450 GHz的资源,总带宽为137 GHz,用于陆地移动业务应用。这些频段将来可能会使用。它们用于6G 通信服务。

图5. 过去十年针对特定国家/地区的6G 关键技术专利申请数量。

近年来,全球6G专利发展迅速(见图5),6G相关关键技术专利申请量不断增加(2020年受新冠肺炎影响,申请量有所下降) ,并且该技术已经开始加速更新迭代。各国已开始6G研究,各大企业和研究机构对6G特有的潜在技术思路略有不同,但逐渐趋向于“极简+灵活+数字孪生”、三维网络覆盖、频段网络完备和超大——规模天线、感知通信一体化、AI使能空口、新材料、新器件、新天线、新基站、可见光通信、确定性数据传输、网络集成与计算等领域。在面向6G时代的研究中,要加强6G潜在关键技术池,积极推进新材料、仪器仪表等相关产业核心池,开展6G应用的前瞻性研究和应用测试。场景,保护知识产权,做好专利的储备和处置工作,实现产业链自主可控。

表五. 每个国家或组织的6G 研究现状

太赫兹通信技术可能是未来6G通信技术发展的重要方向。太赫兹频率在0.1 至10 THz 波段,波长为0.03 至3 毫米,介于微波和红外光谱之间。与微波类似,太赫兹可以穿透非导电材料。此外,太赫兹宽频带可提供数GB/秒的传输速度,在高速通信等领域具有良好的应用前景。但在太赫兹频段,只有少数低损耗材料满足使用要求。目前,太赫兹频段的研究主要集中在聚合物和半导体,对太赫兹下陶瓷介电特性的系统研究才刚刚起步。太赫兹频段的陶瓷测试面临两个问题:一是陶瓷的低损耗使得信号对比度变小,误差增大;另一方面,陶瓷具有相对较高的介电常数,这会在空气-陶瓷界面处引起多次反射。微波介质陶瓷具有可调节的折射率(高折射率有利于小型化和器件集成)、耐高温、高强度、低成本,但在太赫兹以下损耗和吸收系数高。因此,要开展微波介质陶瓷在太赫兹频段的应用,首先需要发展准确可靠的表征技术,以保证对太赫兹下材料性能的正确测量;第二,进一步减少材料损耗,提高Q值;三、探索仅仅认为现有的性能优良的微波介电陶瓷材料系统也能表现出良好的低太赫兹性能,对新的、合适的材料系统并不严谨。

微波介质陶瓷是5G/6G 通信的关键构建块。未来的研究应重点关注以下方面:进一步提高材料的微波介电性能,降低介电损耗,特别是超低介电常数(r20)和电常数(r=6080)中高介电材料的研发); 采用先进的测试表征技术和计算方法,从内在因素和外在因素的角度研究微波介电陶瓷的介电响应机制; 深入探索烧结助剂的冷却机理开发LTCC技术,降低微波介质陶瓷的烧结温度,同时使其具有优良的介电性能; 响应5G/6G技术发展对上述材料及元器件的新需求,开发合适的材料体系,积累生产技术经验,努力实现产业链自主可控。

在6G时代,中国将面临比5G时代更激烈的竞争甚至不公平的封锁。要落实“十四五”规划要求,牢牢把握未来3-5年关键窗口期,科学有序推进关键材料和技术研发,实现高水平技术自主化。充足。

主要参考资料:

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9. 张杰. 高Q微波介质陶瓷材料的改性及缺陷-性能的关联研究[D].清华大学,2016.10. 2019年中国微波介质陶瓷行业概览, 头豹研究院.

作者简介

施赟舟,毕业于清华大学材料学院,先后获得学士学位和博士学位,2020年11月加入姑苏实验室战略规划部,负责实验室发展的战略规划及科研业务规划工作。

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