6G射频前端用多功能微波-热敏陶瓷材料研究获进展
文章导读
你是否想过，未来6G通信的“神经中枢”竟藏身于一块小小陶瓷？传统材料在高温下失稳、信号损耗大，难以兼顾微波传输与温度感知双重任务，严重制约空天地海一体化通信发展。中国科学院新疆理化技术研究所团队另辟蹊径，创新引入Sc³⁺离子“锚定”晶格，一举破解尖晶石陶瓷电学非线性与微波损耗难题。这项突破不仅在200–1000℃超宽温域内实现高线性热敏响应，更使材料同时具备低介电常数、超高Q·f值和近零频率温度系数，让单一陶瓷兼具信号传输“高速公路”与精准“热眼”双重身份。基于该材料的天线在12 GHz频段实现92%辐射效率，为6G卫星通信前端模块提供了国产化核心材料新选择。
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随着5G/6G通信技术向空天地海一体化网络演进，传统功能陶瓷在宽温域内同步实现稳定微波信号传输与精准温度传感的核心材料瓶颈愈发显著。特别是在毫米波通信频段向Ku/Ka波段拓展的需求下，微波介质陶瓷需兼具三项关键特性：可调谐的介电常数（εr），满足器件微型化需求；高Q·f值，可增强频率选择性；接近零的谐振频率温度系数（τf），确保热稳定性。同时，负温度系数热敏陶瓷作为系统“热管理器”，需在宽温域内具备高线性度与高B值以实时校准温度漂移。尖晶石陶瓷在单一功能领域表现突出，如MgAl2O4的优异微波性能和MnFe2O4的负温度系数特性，但二者存在固有缺陷——前者因超高电阻率无法实现热敏功能，后者因Fe3+/Fe2+变价导致高温电学失稳。
前期，中国科学院新疆理化技术研究所科研人员通过固溶设计制备的Mg0.8Mn0.2Al1.6Fe0.4O4陶瓷将B值提升至8056 K，但受限于氧空位诱导的电荷失衡和非阿伦尼乌斯行为，导致微波性能与热敏线性度难以兼容。
近期，研究人员针对Mg-Al-Mn-Fe-O尖晶石陶瓷在高温下电学性能非线性及微波损耗等问题，提出了基于Sc3+晶格锚定效应调控价态平衡，同步抑制氧空位扩散并强化八面体键价的策略。实验结果表明，在200℃至1000℃超宽温域内实现了高度线性热敏特性，满足宽温域温度传感的线性度需求。同时，研究实现了尖晶石陶瓷低εr、超高Q·f 及近零τf的平衡。基于该材料制备的圆柱介质谐振天线在12 GHz卫星通信频段实现了92%的辐射效率与6.28 dBi的增益，验证了其在卫星通信前端模块中的工程应用潜力。
相关研究成果发表在《先进陶瓷》（Journal of Advanced Ceramics）上。研究工作得到国家自然科学基金和中国科学院相关项目等的支持。
多功能微波-热敏陶瓷材料结构、性能和应用
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