西安交大科研团队在反常温漂特性微波介质陶瓷领域取得重要进展

随着5G技术的规模化应用与6G技术的加速研发，通信系统正朝着高频、高速、大容量、宽温域的方向快速演进。微波介电陶瓷作为基站天线、毫米波雷达、射频前端模块等核心器件的关键材料，其性能直接决定了通信系统的信号传输效率与运行稳定性。在高频通信场景下，低介电常数（low-k）的微波介电陶瓷能够有效降低信号传输过程中的介质损耗，保障高频信号的快速、低失真传输。而谐振频率温度系数（τ_f）作为另一核心指标，直接影响器件工作频率的温度稳定性。当前，多数微波介电陶瓷呈现负频率温度系数特性，在宽温工况下易出现频率漂移，严重影响通信精度。传统负温漂特性的低介电微波陶瓷需搭配高介电正温漂材料补偿，易导致器件介电常数攀升、信号延迟加剧。因此，研发兼具低介电常数与超大正频率温度系数的陶瓷材料，成为解决高频器件频率补偿问题的关键，也是该领域的研究难点与前沿方向。

针对这一难题，电信学部电子科学与工程学院周迪教授团队聚焦AB₂O₄型陶瓷的晶体结构设计与性能调控，采用固相反应法结合精准烧结工艺，成功制备出具有“低介电常数-低损耗-极大正温度系数”的BaSc₂O₄微波介电陶瓷。

材料性能的“反常”优势:低介电常数（εᵣ≈13）：减少5G/6G高频信号传输延迟，适配高速通信；超低损耗（tanδ≈1.46×10^-3）：低介电损耗保证信号传输的高保真度；超大正温漂（τ_f=+167 ppm/℃）：为负温漂器件提供高效补偿，且无需牺牲低介特性。

图1：常见AB₂O₄型晶体结构的典型类型示意图及BaSc₂O₄与同类化合物的结构特性关联

团队通过介温谱与原位XRD技术，首次发现BaSc₂O₄在−40℃附近存在可逆低温相变：当温度降至−75℃时，材料出现新衍射峰，回升至+ 25℃后衍射峰消失，并伴随介电损耗的剧烈变化。这一特性使其在低温传感领域具备独特潜力，可开发循环使用低温温度传感器，拓展了微波陶瓷的应用。

图2：（a）-（b）不同频率下BaSc2O4陶瓷介电常数与损耗的温度依赖性；（c）-（d）对应等高线图；（e）原位XRD谱图；（f）局部放大等高线图

BaSc₂O₄陶瓷的超大正τ_f值（+167 ppm/℃）在低介电常数单相微波介电陶瓷中较为罕见（90%同类陶瓷τ_f值为负）。基于该陶瓷设计的2.4GHz微带带通滤波器，在−40~+120℃范围内中心频率从2.357GHz线性漂移至2.423GHz，此频率偏移特性源于陶瓷正τ_f值与金属电极热膨胀的协同作用，为WiFi-2.4G、物联网、RFID等宽温无线通信场景提供了高效的频率补偿解决方案。

图 3：（a）BaSc2O4陶瓷谐振频率在−40~+120℃温度范围内的变化；（b）相对密度、τf值及[ScO6]八面体畸变程度随烧结温度的变化；（c）BaSc2O4陶瓷的dL/d0温度特性；（d）BaSc2O4陶瓷与同类陶瓷的τf 值对比；（e）~（f）滤波器侧/主视图；（g）~（h）模拟滤波器的S11、S21参数

该研究成果以《BaSc₂O₄：一种适用于5G/6G频率补偿的具有超大正频率温度系数的新型AB₂O₄型低介电常数微波介电陶瓷》（BaSc₂O₄: A Novel AB₂O₄-Type Low-k Microwave Dielectric Ceramic With Giant Positive τ_f for 5G/6G Frequency Compensation）为题，在国际知名学术期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）在线发表，西安交通大学为该论文的第一通讯单位。西安交通大学电信学部电子科学与工程学院博士生何国强为第一作者，西安交通大学电子学院周迪教授、马来西亚博特拉大学KarBan Tan教授为共同通讯作者。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费以及清华大学新型陶瓷材料国家重点实验室开放课题的支持，国家同步辐射实验室提供了相关测试表征支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202528138

周迪教授团队主页：http://gr.xjtu.edu.cn/web/zhoudi1220