【摘 要】
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随着5G技术的普及,高频化、低延迟、小型化、高稳定成为通讯系统发展的新方向,因此也对制作材料提出了更高的要求。微波介质陶瓷被广泛用于制作天线、滤波器、谐振器等功能模块以及集成电路基板等绝缘介质,具有高品质因数（Q×f）、低介电常数()、高温度稳定性(1))特点的微波介质陶瓷也将成为未来研究的重点。本文通过传统的固相反应法合成了MgAl2O4基陶瓷,并研究其结构特点,优化其介电性能,并制作滤波器验证
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随着5G技术的普及,高频化、低延迟、小型化、高稳定成为通讯系统发展的新方向,因此也对制作材料提出了更高的要求。微波介质陶瓷被广泛用于制作天线、滤波器、谐振器等功能模块以及集成电路基板等绝缘介质,具有高品质因数（Q×f）、低介电常数()、高温度稳定性(1))特点的微波介质陶瓷也将成为未来研究的重点。本文通过传统的固相反应法合成了MgAl2O4基陶瓷,并研究其结构特点,优化其介电性能,并制作滤波器验证了该材料在5G频段的可用性,具体研究内容如下:（1）探究Mg0.95X0.05Al2O4（X=Ni,Cu,Mg,Co,Zn）陶瓷的反转度随取代离子的变化以及对介电性能的影响。通过不同离子半径的元素去取代MgAl2O4陶瓷A位中的Mg2+离子,通过传统固相反应法合成了Mg0.95X0.05Al2O4陶瓷,所有组分均未发现二次相。根据晶体场理论,对于八面体穴位稳定化能（OSPE）较高的离子,离子取代时会优先占据八面体位点,导致离子占位反转的比例增大,反转度λ的变化趋势与精修结果一致,反转度的增大以及样品晶界数量的减少会导致其Q×f值的提高。而值会受到取代离子的离子极化率的影响,理论介电常数、孔隙率校正介电常数和实测介电常数变化趋势一致。计算得到的B位键价会影响陶瓷的1)值,B位键价越高,氧多面体的恢复能力提高,导致1)值的提高。当X=Ni时,陶瓷样品的品质因数最佳:=8.39,Q×f=78,338 GHz（f=11.97 GHz）,1)=-66.8 ppm/℃,λ=0.221。（2）探究MgAl2-x(Mg0.5Ge0.5)xO4（0≤x≤0.12）陶瓷的微波介电性能随取代量x的变化。为了获得介电性能优异的MgAl2O4基陶瓷,通过传统固相反应法制备了MgAl2-x(Mg0.5Ge0.5)xO4陶瓷。所有样品均未发现二次相,并且随着取代量x的增大,最佳烧结温度降低。由于Mg2+和Ge4+的OSPE较低,在发生离子取代时会优先占据四面体位,并且随着x的增大,陶瓷的反转度λ持续增大,同时计算得到的原子填充率也随x的增大而增大,导致样品的Q×f值呈现先增大后减小的趋势,并且测得Q×f值会随样品的谐振频率的提高而提高。由于Mg2+和Ge4+的离子极化率较Al3+高,会导致样品的相对介电常数随x增加而增加。通过(Mg0.5Ge0.5)3+复合离子的取代,会导致B位键价的降低,从而导致氧多面体的恢复能力降低,从而导致1)值的降低。最终在1590℃下烧结得到的微波介质陶瓷具有优异的介电性能:=8.70,Q×f=105,384 GHz（f=11.83 GHz）,1)=-66.4 ppm/℃,λ=0.225。（3）对MgAl2-x(Mg0.5Ge0.5)xO4陶瓷的谐振频率温度系数的调节以及基于该材料的5G滤波器设计制作。通过掺杂不同质量百分比的Sr Ti O3,合成MgAl1.91(Mg0.5Ge0.5)0.09O4-x wt%Sr Ti O3复合陶瓷。从XRD、SEM和EDS图中,可以分析得到Sr Ti O3没有固溶到陶瓷中,并且随着掺杂量x的增大,复合陶瓷的介电常数随之上升,品质因数也发生恶化,但是可以有效调节陶瓷的1)值。在x=5时,获得近零的谐振频率温度系数:=9.91,Q×f=51,152 GHz（f=11.53 GHz）,τf=+2.6 ppm/℃。使用该复合陶瓷设计并制作了一款中心频率在3.6GHz,带宽400 MHz的四阶发夹型滤波器,实测结果与仿真结果接近,S21在带内平坦处在-1.7 d B左右,带内S11参数在-10.6 d B以下,显示该材料符合5G通讯的要求且有着巨大应用潜力。
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