微波介質陶瓷研究現狀及其在5G/6G下的發展趨勢

微波頻率范圍為300MHz300GHz，對應波長為1m1mm。微波通信技術具有抗干擾能力強、載波容量大、信息傳輸多等優點。微波通信技術在當代信息技術中具有極其重要的地位。在軍事通信、民用與衛星通信、航空航天等領域有著廣泛而深入的應用。微波介電陶瓷材料主要用作微波頻率電路中的介電材料。這些材料通常具有較高的相對介電常數(10-100)、非常低的介電損耗和在微波頻率范圍內接近于零的溫度諧振頻率系數。用于微波諧振器、濾波器、振蕩器、移相器、微波電容器和微波基板。目前，小型化、芯片化和微波器件集成化是發展的方向和趨勢。以5G為代表的先進無線通信技術的發展，對微波介質陶瓷的性能提出了越來越高的要求。

5G技術是整個社會數字化轉型的基石。微波介質陶瓷元件是通信基站射頻單元的關鍵部件，在5G移動通信系統中發揮著不可替代的作用。隨著全球5G網絡規模商用進入快車道，6G通信研發設計全面啟動，微波介質陶瓷研究面臨諸多挑戰和機遇。

圖一. 電磁波頻譜及不同頻率下的應用

1.微波介質陶瓷簡介

1.1 微波介質陶瓷的主要性能指標。

微波介電陶瓷材料是制造微波元件的關鍵材料，除具有必要的機械強度、化學穩定性和時間穩定性外，還要求具有不同于一般電子陶瓷的特殊性能。目前，對于微波介質陶瓷，主要從三個技術指標來評價材料的先進性和可行性：相對介電常數r、諧振品質因數與頻率值Qf的乘積、以及系數諧振頻率溫度f。

相對介電常數r

電介質是指在電場作用下能建立極化的所有物質，相對介電常數反映了電介質的宏觀極化能力。微波介電陶瓷是具有離子晶體結構的多晶材料，一般由晶相、晶界、孔隙等組成，相對介電常數的變化服從：對數混合規則。

式中，r為陶瓷體系的相對介電常數，i為第i相的相對介電常數，i為第i相的體積分數。

在電介質中傳播的電磁波的波長與空氣的關系為：

式中，d為介質中電磁波的波長，0為真空中電磁波的波長，r為材料的相對介電常數。對于介質諧振器，它的大小與在介質中傳播的電磁波的波長有關，是d/2d/4的整數倍。在相同頻率下，介質的r越大，越小是d，并且相應的諧振器的尺寸越小，這導致諧振器的小型化和質量的提高。要獲得高介電常數微波介電陶瓷，必須選擇高極化離子形成氧八面體，并具有較大的氧八面體晶體結構。通常，高介電常數微波介電陶瓷具有鈣鈦礦結構或類鈣鈦礦結構。然而，對于低溫燒制陶瓷基板材料（LTCC），信號在介質中的傳輸時間與介電常數的1/2 次方成正比。此時，要求微波陶瓷的相對介電常數盡可能小。因此，在不同的應用場景下，對微波介電陶瓷的相對介電常數有不同的要求。

Qf 值

品質因數Q 是衡量微波介電材料介電損耗的指標，Q=1/tan。在微波頻段，介質損耗tan必須?。ɑ蚱焚|因數Q必須高），一般要求tan為10-4，以保證優良的選頻特性，降低器件在高頻下的插入損耗。 Q f 值是品質因數Q 和諧振頻率f 的乘積。同一種材料在不同的測試頻率下有不同的損耗，Qf值去掉了頻率因子，成為一個常數。因此，Qf值一般用于比較不同材料在不同諧振頻率下的損耗。 Qf值越高，材料的介電損耗越低，性能越好。

微波頻段微波介質陶瓷的介電損耗一般來自三個方面：在理想晶體中，非諧晶格力引起的晶格聲子相互作用引起的損耗導致光頻聲子的衰減，從而導致光頻聲子的衰減。微波的產生。損失稱為內在損失； 在均勻的實晶或微晶中，由晶格缺陷（如點缺陷、空位、取代原子或締合缺陷等）引起的聲子散射引起的損耗； 實用異質陶瓷中位錯、晶界、夾雜物和第二相等界面上的缺陷雜質偶極子或空間電荷弛豫過程引起的損耗，后兩者也稱為外在損耗。原則上，外在損失可以通過合適的工藝消除或最小化。

諧振頻率溫度系數f

諧振頻率的溫度系數用于衡量材料和微波介質器件的溫度穩定性，由下式計算：

式中，f0 和fT 分別為室溫T0 和溫度T 下的諧振頻率。 f 越接近于零，材料的熱穩定性越好。一般要求f的值在10ppm/以內。目前調節材料的f主要有兩種方式：一種是使用溫度系數相反的材料和會調節形成多相復合材料的材料，另一種是使用溫度系數相反、結構相似的材料。形成固溶體。

微波陶瓷可根據介電特性和材料體系進行分類。本文主要根據介電常數的大小對微波介電陶瓷進行分類，分為低介電、中介和高介電微波介電陶瓷三大類。一般來說，微波介電陶瓷的相對介電常數越高，其Q值越低（圖2為微波介電陶瓷的主要材料體系及介電常數與Q值f的關系）。

圖二.微波介質陶瓷的三個研發方向

低介電微波陶瓷是指r20和Qxf值為50000GHz的微波介電陶瓷，主要用于微波通信領域，如f10GHz的衛星直播。隨著微波通信和雷達技術的飛速發展，微波技術正朝著更高的頻率發展，即毫米波和亞毫米波。 r15、具有高Q值和接近零諧振頻率溫度系數的超低介電微波介質材料也越來越受到人們的關注。中級微波陶瓷是指r=2070，Qxf值為20000GHz的微波介質陶瓷，主要用作軍用微波雷達和微波通信系統中的介質諧振器件。移動通信基站的小型化迫切需要研發一種低頻溫度系數高的高Q值、中等r的新型微波介質陶瓷。高介電微波陶瓷指r70微波介電陶瓷。與低、中介電介質微波介質陶瓷相比，高介電介質微波介質陶瓷種類較少，主要用于f2GHz民用移動通信。表1表3是各種微波介電陶瓷的代表性材料體系及其微波介電性能。

表一. 低介電微波介電陶瓷系統的代表及其微波介電特性。

表二. 中間微波介電陶瓷系統的代表及其微波介電特性

表三. 高介電微波介電陶瓷系統的代表及其微波介電特性。

2. 微波介質陶瓷研究現狀概述

2.1 國內外研究現狀

1939年，Richtmyer從理論上證明了電介質在微波電路中用作介質諧振器的可能性后，美國便率先開始了微波介質陶瓷材料的研制。接著，日本以及法國、德國等歐洲國家相繼開始這方面研究。隨著日本對介質陶瓷進行大規模實用化生產，微波介質陶瓷材料得到了蓬勃發展和廣泛應用，松下、村田等公司都研發出了各具特色的微波介質材料體系。目前微波陶瓷材料和器件的生產水平以日本村田公司、德國EPCOS公司、美國Trans-Tech公司、Narda Microwave-West公司、英國Morgan Electro Ceramics等公司為最高，嵐方實業LANFAY自主研發的介質波導濾波器。

圖三. 微波介質陶瓷發展歷程。

相較而言，我國微波介質陶瓷的研究起步較晚，始于20世紀80年代。90年代，國家對微波介質陶瓷的研究愈發重視，同時國內在設備儀器和合成工藝等方面有了極大的改善，我國研究人員陸續研發出了鈦酸鹽、鉬酸鹽和磷酸鹽等一系列新型陶瓷材料。2009年9月，國家發改委、工信部發布《電子信息產業調整和振興計劃》，微波介質陶瓷元器件被列入改造投資方向，標志著微波介質陶瓷進入優化發展時期。2015年5月，國務院發布《中國制造2025》，明確將微波介質陶瓷列為關鍵性戰略材料。2017年4月，科技部發布《“十三五”材料領域科技創新專項規劃》，側重引導突破微波介質陶瓷制備關鍵技術，爭取實現微波介質陶瓷供給側改革。能夠自主研發滿足移動通信技術要求的新型微波介質陶瓷材料對國家的安全具有重要意義，目前國內研究微波介質陶瓷的主要單位有：中科院、中電13所以及清華大學、浙江大學、西安交通大學、華中科技大學以及電子科技大學等高校。

盡管我國在微波介質陶瓷材料及元器件的研究與生產商仍與國外存在一定差距，許多關鍵性材料都依賴進口。但是，在產學研模式運用逐漸成熟、下游行業需求旺盛、定制化與一體化生產模式緊密結合等因素的驅動下，國內微波介質陶瓷行業的技術水平不斷升級，高頻化、多頻化、集成化、微型化和模塊化將成為行業技術的發展趨勢。

同時對高穩定的晶體振蕩器（高穩晶振）和高功率小型化腔體濾波器和介質濾波器都有成倍的配套需求。
對應基站配套需求的時鐘模塊產品、授時守時模塊和時頻模塊對應的同比例的需求數量。

目前關于微波介質陶瓷的研究通常圍繞以下幾個方面開展：

（1）提高微波介質陶瓷的介電性能。利用離子置換、復合等多種方式對現有微波介質陶瓷材料體系的性能進行改善。如采用離子置換等手段提高微波介質陶瓷的品質因數，通過與高介電常數的材料復合提高微波介質陶瓷的介電常數，通過兩相復合調節τ_f 近零從而改善和微波介質陶瓷的溫度穩定性等。

（2）降低微波介質陶瓷的燒結溫度，滿足低溫陶瓷共燒技術的要求。LTCC技術可以使器件高度集成。由于需要與銀（961℃）等低熔點電極共燒，要求器件所用陶瓷粉料具有低的燒結溫度。降低燒結溫度也可抑制某些基板成分高溫下揮發或發生化學反應，還可以減少能源的消耗。目前，降低燒結溫度的主要途徑是添加助燒劑（如低熔點的玻璃）。

（3）改進工藝，開發新的材料合成技術，以獲得性能更為優異的微波介質陶瓷材料，并降低生產成本。提高微波介質陶瓷的介電性能，除了改變成分，還可以通過改進制備工藝來實現。一般而言，大幅度改進微波陶瓷材料的合成工藝能夠使陶瓷材料的性能有著明顯的提高。利用熱壓燒結、微波快速閃燒等方法，可提高陶瓷的致密性，使基體的氣孔減少、晶粒尺寸分布更均勻，從而提高微波介質陶瓷的品質因數。

（4）探索新的微波介質陶瓷材料體系。根據元素周期表中各元素本征特性關系，探索具有良好介電性能的新型微波介質陶瓷材料新體系，以便滿足5G及6G通信技術的發展要求。

（5）材料機理研究。研究微波介質陶瓷材料的極化機理與材料損耗之間的關系，研究缺陷與介電性能的關系，分析材料氣孔、物相結構等對微波介電性能的影響，從理論基礎上了解改善陶瓷材料微波介電性能的依據，并可利用理論指導微波介質陶瓷材料的研發。

如圖四所示。介電陶瓷元件，下游由信息通信、航空航天、雷達、汽車等各種不同應用領域的生產企業組成。

圖四. 微波介質陶瓷產業產業鏈

高純度原材料用于制造微波介電陶瓷。上述陶瓷粉體約占微波介電陶瓷產品成本的30%。領先的陶瓷粉體企業有日本村田、日本京瓷、廣東風華高科和無錫鑫盛輝龍、無錫匯宏電子等。必須嚴格控制微波介電陶瓷的工藝參數，以達到雜質少、缺陷少、晶粒分布均勻、微波介電性能好的效果。微波介電陶瓷制備技術包括固相法、濕化學合成法和水熱法三大技術體系，工藝復雜，技術壁壘高。微波介質陶瓷元件有許多不同的應用方向（見表4）。中間參與者是通信設備制造商和微波通信消費電子制造商。其中，華為、中興、愛立信、大唐移動、三星、諾基亞等公司壟斷了中國通信設備行業的絕大部分市場份額。企業有很強的議價能力。

表四 微波介質陶瓷元件的應用方向。

微波介質陶瓷行業的生產技術壁壘、行業企業數量少、整體供應能力薄弱，一定程度上制約了行業的規?；l展。一方面，微波介電陶瓷元件的生產涉及多學科交叉學科，需要材料科學、微波與電磁場、電子技術與應用、微波與射頻測量技術、電磁兼容技術與可靠性等學科理論和技術。這是非常困難的；另一方面，下游通信行業產品種類繁多，市場需求更新頻繁。這就要求企業不斷提高研發能力和對新產品的快速反應能力。目前，國內具有自主研發和生產能力的微波介質陶瓷企業不足20家，具有量產能力的企業僅有少數，技術水平和產品品種與國際領先企業仍有較大差距。在高端微波介質陶瓷市場，國際領先企業占據了近90%的市場份額。

微波介質陶瓷元器件的產品質量和實際效果直接影響后續產品的質量，對行業標準體系的整體建設提出了更高的要求。但目前的行業標準仍然是原電子工業部1991年制定的行業標準《微波介質材料A-陶瓷》，更新速度緩慢，覆蓋類型和體系不完善，配套的細分標準有待完善。此外，國內專業配套的產品質檢中心很少，難以保證微波介質陶瓷及其元器件的高質量輸出。質檢行業配套設施不完善，一定程度上制約了行業高質量發展。標準建設的不完善和質量檢測行業的不匹配也在一定程度上制約著我國微波介質陶瓷產業的高質量發展。

微波介質陶瓷元件的重要應用方向是移動通信基站，介質諧振器、介質濾波器、雙工器和多路復用器都是通信基站中射頻單元的關鍵部件。 5G基站的大規模建設對微波介質陶瓷材料提出了高速、高頻、高集成、超低損耗的性能要求。開發具有低損耗、高穩定性等優異性能的微波介電陶瓷材料是近年來功能陶瓷的方向，也是研究熱點之一。

微波介質陶瓷產業整體處于5G產業鏈的早期階段。在各省市5G規劃中，著眼于上游5G射頻器件、有源矩陣天線等關鍵技術和積木的推進和發展，制定了扶持http ://1348.cn/滿，這將推動微波介質陶瓷元件的快速發展。隨著5G通信技術的進步，基站數量大幅增加（將是4G時代的45倍），對微波通信元器件的需求量很大。 5G天線的信道數是4G時代的7~15倍，這意味著射頻器件對微波介質陶瓷元件的需求是4G時代的7~15倍。小型化、輕量化成為天線設計的基礎。與金屬濾波器相比，微波陶瓷介質波導濾波器可實現與抑制系統的高兼容性，體積更小、重量更輕，成為5G基站領先的技術方案。

隨著全球5G網絡規模商用進入快車道，6G研發戰略設計已全面到位。雖然業界對6G的愿景、關鍵技術、標準尚未形成統一共識，但普遍預計6G將在2030年左右開始商用，未來3-5年將是6G的關鍵窗口期。調查和開發。與5G相比，6G將擁有更泛在的連接、更高的傳輸帶寬、更低的端到端延遲、更高的可靠性和確定性以及更智能的網絡特性。

國際電信聯盟(ITU) 于2019 年11 月23 日宣布，世界無線電通信大會(WRC-19) 確定了新的5G 頻譜的新決議，分別為24.25 GHz ~ 27.5 GHz、37 GHz ~ 43.5 GHz、66 GHz ~ 總帶寬為14.75 GHz的71 GHz頻譜標識用于5G和未來的國際移動通信系統，表明部分頻段毫米波可以用于6G。同時，WRC-19正式批準了275 GHz296 GHz、306 GHz313 GHz、318 GHz333 GHz和356 GHz450 GHz的資源，總帶寬為137 GHz，用于陸地移動業務應用。這些頻段將來可能會使用。它們用于6G 通信服務。

圖5. 過去十年針對特定國家/地區的6G 關鍵技術專利申請數量。

近年來，全球6G專利發展迅速（見圖5），6G相關關鍵技術專利申請量不斷增加（2020年受新冠肺炎影響，申請量有所下降） ，并且該技術已經開始加速更新迭代。各國已開始6G研究，各大企業和研究機構對6G特有的潛在技術思路略有不同，但逐漸趨向于“極簡+靈活+數字孿生”、三維網絡覆蓋、頻段網絡完備和超大——規模天線、感知通信一體化、AI使能空口、新材料、新器件、新天線、新基站、可見光通信、確定性數據傳輸、網絡集成與計算等領域。在面向6G時代的研究中，要加強6G潛在關鍵技術池，積極推進新材料、儀器儀表等相關產業核心池，開展6G應用的前瞻性研究和應用測試。場景，保護知識產權，做好專利的儲備和處置工作，實現產業鏈自主可控。

表五. 每個國家或組織的6G 研究現狀

太赫茲通信技術可能是未來6G通信技術發展的重要方向。太赫茲頻率在0.1 至10 THz 波段，波長為0.03 至3 毫米，介于微波和紅外光譜之間。與微波類似，太赫茲可以穿透非導電材料。此外，太赫茲寬頻帶可提供數GB/秒的傳輸速度，在高速通信等領域具有良好的應用前景。但在太赫茲頻段，只有少數低損耗材料滿足使用要求。目前，太赫茲頻段的研究主要集中在聚合物和半導體，對太赫茲下陶瓷介電特性的系統研究才剛剛起步。太赫茲頻段的陶瓷測試面臨兩個問題：一是陶瓷的低損耗使得信號對比度變小，誤差增大；另一方面，陶瓷具有相對較高的介電常數，這會在空氣-陶瓷界面處引起多次反射。微波介質陶瓷具有可調節的折射率（高折射率有利于小型化和器件集成）、耐高溫、高強度、低成本，但在太赫茲以下損耗和吸收系數高。因此，要開展微波介質陶瓷在太赫茲頻段的應用，首先需要發展準確可靠的表征技術，以保證對太赫茲下材料性能的正確測量；第二，進一步減少材料損耗，提高Q值；三、探索僅僅認為現有的性能優良的微波介電陶瓷材料系統也能表現出良好的低太赫茲性能，對新的、合適的材料系統并不嚴謹。

微波介質陶瓷是5G/6G 通信的關鍵構建塊。未來的研究應重點關注以下方面：進一步提高材料的微波介電性能，降低介電損耗，特別是超低介電常數（r20）和電常數（r=6080）中高介電材料的研發); 采用先進的測試表征技術和計算方法，從內在因素和外在因素的角度研究微波介電陶瓷的介電響應機制； 深入探索燒結助劑的冷卻機理開發LTCC技術，降低微波介質陶瓷的燒結溫度，同時使其具有優良的介電性能； 響應5G/6G技術發展對上述材料及元器件的新需求，開發合適的材料體系，積累生產技術經驗，努力實現產業鏈自主可控。

在6G時代，中國將面臨比5G時代更激烈的競爭甚至不公平的封鎖。要落實“十四五”規劃要求，牢牢把握未來3-5年關鍵窗口期，科學有序推進關鍵材料和技術研發，實現高水平技術自主化。充足。

主要參考資料：

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9. 張杰. 高Q微波介質陶瓷材料的改性及缺陷-性能的關聯研究[D].清華大學,2016.10. 2019年中國微波介質陶瓷行業概覽, 頭豹研究院.

作者簡介

施赟舟，畢業于清華大學材料學院，先后獲得學士學位和博士學位，2020年11月加入姑蘇實驗室戰略規劃部，負責實驗室發展的戰略規劃及科研業務規劃工作。