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5G技术提出超高速（20 Gbit/s）的通信指标,相应的通信频率不断上升,电磁波在传输过程中受到空气和水蒸气的衰减作用更加明显,使得信号传输距离缩短,基站建设量扩大,加之大规模天线阵列技术的应用,要求通信系统具有更低的能耗。以通信基站为例,微波无源器件（如介质谐振器、滤波器和天线）的损耗可占系统能耗的40%以上,减小微波无源器件的损耗成为降低通信系统能耗的关键。微波介质陶瓷作为微波无源器件的核心,其品质因数（Q）直接决定器件损耗的大小。近年来,钛酸锂（Li2Ti O3）基微波介质陶瓷受到广泛关注,该体系不但具有高Q值,而且其介电常数约为20、密度较低（～3.1 g/cm~3）,有利于新一代通信系统的小型化、集成化和轻量化。本论文围绕Li2Ti O3体系展开性能调控和机理研究工作,重点探究调控介电损耗（1/Q）的物理机制,从不同角度揭示影响微波介电性能的规律,进而基于改性后的材料体系,设计仿真微波无源器件,为发展新型超低损耗介质陶瓷与器件提供理论和应用指导。本论文采用X射线衍射谱（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、EDS能谱和拉曼散射光谱（Raman）等结构分析手段,结合X射线光电子能谱（XPS）、漏电流和交流阻抗谱等缺陷表征方法,系统研究本征和非本征因素（有序度、晶格振动、微观形貌、锂离子扩散和氧空位）对Li2Ti O3体系微波介电性能的影响机理,从理论和设计角度提出降低介电损耗和优化综合介电性能的方法。同时,基于Ansoft HFSS三维电磁仿真软件,研究层状介质谐振器、基板滤波器和天线等原型器件,拓展改性后的材料体系在通信系统中的应用前景。主要研究工作如下:1、建立钛酸锂基微波介质陶瓷的高Q值设计和性能优化思路。通过复合离子(Mg1/3Nb2/3)4+共同取代B位Ti4+,使纯相Li2Ti O3的Q×f提升约125%;在此基础上,通过Li2Ti0.85(Mg1/3Nb2/3)0.15O3-Mg Ti O3-Li2Ti0.85(Mg1/3Nb2/3)0.15O3叠层结构设计,实现谐振频率温度系数近零（25～85°C）,相比于传统两相复合方式,使Q×f提升约46%。主要内容如下:（1）综合利用XRD和SEM等分析方法,深入研究离子取代方式（单独取代和共同取代）对体系晶体结构和显微形貌的影响;（2）引入漏电流与交流阻抗谱测试手段,探明锂离子扩散与介电损耗的关联机制,阐明Mg2+/Nb5+共同取代提高Q×f的深层次机理;（3）基于HFSS软件系统分析层状结构不同介质层中电磁场的分布情况;（4）利用并联分布模型拟合体系的介电性能,从电磁场分布的角度探究层状复合陶瓷中介电损耗的影响机制。最终,制备出Li2Ti0.85(Mg1/3Nb2/3)0.15O3样品:εr=19.01,Q×f=113,774 GHz,τf=13.80 ppm/°C（25～85°C）;Li2Ti0.85(Mg1/3Nb2/3)0.15O3-Mg Ti O3-Li2Ti0.85(Mg1/3Nb2/3)0.15O3层状复合样品:εr=19.05,Q×f=76,705 GHz,τf=-0.99 ppm/°C（25～85°C）,为复合离子取代改性和层状结构性能优化提供理论指导。2、探明钛酸锂基微波介质陶瓷中的固溶改性机理和交流阻抗响应特性。采用不同添加剂Li2CO3,Li F,Mg O,Mg O＆Li F和Mg F2固溶改性纯相Li2Ti O3的微波介电性能,其中Mg F2可使Q×f提升210%。主要内容如下:（1）结合XRD、SEM和Raman等多种测试表征技术,阐明不同添加剂的改性机理,Mg F2能够产生Mg O和Li F的共同作用;（2）基于XRD全谱拟合数据,分析键价和氧八面体畸变等结构参数对微波介电性能的影响规律;（3）基于交流阻抗谱分析,深入研究Mg F2单一添加剂的深层次作用机理,建立电导激活能与Q×f的关联机制。最终,制备出0.966Li2Ti O3-0.034Mg F2（LTMF）样品:εr=24.91,Q×f=156,398 GHz,τf=15.98 ppm/°C（25～85°C）,为进一步设计高Q值体系提供新的思路。3、拓宽钛酸锂基微波介质陶瓷的工作温区,满足宽温稳定性的要求。基于探明的固溶改性机理,将Li2Mg3Ti0.92(Zn1/3Nb2/3)0.08O6（LMTZN）与0.966Li2Ti O3-0.034Mg F2（LTMF）体系形成固溶体,调控谐振频率温度系数近零,工作温区从25～85°C拓宽至-40～120°C。主要内容如下:（1）基于O 1s XPS光谱的拟合结果,探明该体系中氧空位与介电损耗的内在联系;（2）基于XRD全谱拟合数据,系统分析结构变化对温度稳定性的调控机制;（3）设计出一款发夹型陶瓷基微带线滤波器,仿真结果表明其在通带内具有较低的插入损耗0.06 d B。最终,制备出0.892LTMF-0.108LMTZN样品:εr=17.98,Q×f=145,916 GHz,τf=0.29 ppm/°C（-40～120°C）,有望满足低损耗微波无源器件在严苛环境中的工作要求。4、完善钛酸锂基微波介质陶瓷的低介电损耗理论,实现体系的低温共烧。基于前期研究的取代和固溶机理,在Li2Ti0.98Mg0.02O2.96F0.04体系中引入Nb2O5添加剂,使纯相Li2Ti O3的Q×f提升267%;在此基础上加入B2O3和Cu O两种低熔点氧化物,将体系烧结温度从1120°C降低至790°C。主要内容如下:（1）基于Ti 2p的XPS拟合结果和复杂晶体的化学键理论,解析晶格缺陷和晶格振动与介电损耗间的关联机制;（2）结合XRD图谱和EDS元素面分布图,分析陶瓷与Ag的共烧匹配特性;（3）设计出一款LTCC贴片天线,仿真结果显示,天线在中心频率2.49 GHz处具有较高的增益4.634 d B。最终,制备出Li2Ti0.98Mg0.02O2.96F0.04-1wt%Nb2O5样品:εr=19.01,Q×f=185,262 GHz,τf=12.23 ppm/°C（25～85°C）,790°C下烧结的(Li2Ti0.98Mg0.02O2.96F0.04-1wt%Nb2O5)-1wt%（x B2O3-y Cu O）（质量比x:y=1:1）样品:εr=23.50,Q×f=60,574 GHz,τf=22.8 ppm/°C（25～85°C）,在高性能微波集成器件中具有潜在应用价值。