微波的頻率范圍為300 MHz～300 GHz，相應的波長從1 m到1 mm。微波通信技術具有抗干擾能力強、載波容量大、傳輸信息多等優勢，微波通信技術在當代信息技術中具有極為重要的地位，在軍事、民用通信、衛星通信、航空航天等領域有著廣泛而深度的應用。微波介質陶瓷材料主要應用于微波頻段電路中作為介質材料，該類材料通常在微波頻段內具有較高的相對介電常數（10～100）、非常低的介質損耗和接近零的諧振頻率溫度系數，廣泛應用于微波諧振器、濾波器、振蕩器、移相器、微波電容器以及微波基板等。當前，微波器件的小型化、片式化和集成化是發展的方向和趨勢，以 5G為代表的先進無線通訊技術的發展對微波介質陶瓷的性能提出了更高、更新的要求。

5G技術是全社會向數字化轉型的基石，微波介質陶瓷元器件是通信基站射頻單元的關鍵組件，在5G移動通信系統中具有不可替代的作用。隨著全球5G網絡規模化商用步入快車道，針對6G通信的研發布局已全面拉開帷幕，微波介質陶瓷的研究面臨著諸多挑戰與機遇。

圖1. 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

微波介質陶瓷材料是制造微波元器件的關鍵材料，除了要求必備的機械強度、化學穩定性及經時穩定性外，還要求它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，主要從相對介電常數ε_r ，諧振品質因數與頻率乘積Q×f 值和諧振頻率溫度系數τ_f  三個技術指標來評價材料的先進性和實用性。

相對介電常數ε_r

電介質指在電場作用下所有能建立極化的物質，相對介電常數反映了電介質的宏觀極化能力。 微波介質陶瓷屬離子型晶體結構多晶材料，通常由晶相、晶界、氣孔等組成，相對介電常數的變化服從對數混合規則:

式中，ε_r為陶瓷體系的相對介電常數，ε_i 為第i相的相對介電常數，υ_i 為第i相所占體積分數。

電磁波在電介質中與空氣中傳播的波長關系為：

式中，λ_d 為電磁波在介質中的波長，λ₀為電磁波在真空中的波長，ε_r為材料的相對介電常數。對于介質諧振器而言，其尺寸與電磁波在介質中傳播的波長有關，為λ_d /2~λ_d /4的整數倍。在相同頻率下，電介質的ε_r 越高，λ_d就越小，相應的諧振器的尺寸也越小，有利于諧振器的小型化和品質的提高。為了獲得高介電常數微波介質陶瓷，應選擇高極化率離子形成氧八面體且具有大的氧八面體體積的晶體結構。通常，高介電常數微波介質陶瓷都具有鈣鈦礦結構或類鈣鈦礦結構。然而，對于低溫共燒陶瓷（LTCC）基板材料而言，信號在介質中傳輸的時間正比于介電常數1/2次方，此時要求微波陶瓷相對介電常數盡可能小。因此，在不同的應用場景下，對于微波介質陶瓷的相對介電常數有不同的要求。

Q×f  值

品質因數Q是微波介質材料介電損耗的一個度量標準，Q = 1/tanδ。在微波頻段下，介質損耗tanδ 要小（或品質因數Q要高），一般要求tanδ < 10^-4，以保證優良的選頻特性，并降低器件在高頻下的插入損耗。Q×f 值是品質因數Q 與諧振頻率f的乘積。同一材料在不同的測試頻率下具有不同的損耗，而Q×f 值將頻率因素消去，為一常數，因此通常用Q×f 值來比較不同材料在不同諧振頻率下損耗的大小。Q×f 值越高，材料的介電損耗越小，性能越好。

微波介質陶瓷在微波頻段內的介質損耗通常來源于三方面：①理想晶體中，由于非簡諧晶格力引起晶格聲子相互作用而產生的損耗，導致光頻聲子阻尼和由此而產生的微波損耗，稱為本征損耗；②均勻的實際晶體或微晶中，由晶格缺陷（如點缺陷、空位、取代原子或締合缺陷等）引起聲子散射導致的損耗；③實際的非均勻陶瓷中的雜質缺陷偶極子或空間電荷在位錯、晶界、包裹物和第二相等界面上的弛豫過程引起的損耗，后兩者又稱為非本征損耗。原則上通過合適的工藝可將非本征損耗消除或降至最小。

諧振頻率溫度系數τ_f

諧振頻率溫度系數用來衡量微波介質材料和器件的溫度穩定性，由以下公式計算得到：

式中, f₀ 和f_T 分別為室溫T₀ 和溫度T 下的諧振頻率。τ_f  越接近零，表明材料的熱穩定性越好，一般要求τ_f  值范圍在±10 ppm/℃以內。目前，調節材料的τ_f  主要有兩種途徑：一是采用具有相反溫度系數的材料和要調節的材料形成多相復合材料，二是采用具有相反溫度系數且結構相近的材料形成固溶體。

1.2 微波介質陶瓷的分類

微波陶瓷可以按介電性能和材料體系進行分類。本文主要按介電常數的大小不同對微波介質陶瓷進行分類，分為低介、中介和高介微波介質陶瓷三類。通常來講，微波介質陶瓷的相對介電常數越大，其Q 值會減小（圖2展示了微波介質陶瓷的主要材料體系及介電常數與Q×f 值的關系）。

圖2. 微波介質陶瓷研究與發展的三個方向。

低介微波陶瓷是指ε_r<20且Qxf值>50000GHz的微波介質陶瓷，主要用于f≥10GHz的衛星直播等微波通訊領域。隨著微波通信和雷達技術的快速發展，微波技術向著更高頻即毫米波和亞毫米波的方向發展，ε_r<15、具有高Q與近零諧振頻率溫度系數的超低介微波介質材料也越來越受到關注。中介微波陶瓷是指ε_r=20～70且Qxf值>20000GHz的微波介質陶瓷，主要應用于微波軍用雷達及微波通訊系統中作為介質諧振器件，移動通信基站的小型化迫切需要研究開發頻率溫度系數小的高Q值、中等ε_r的微波介質陶瓷新材料。高介微波陶瓷是指ε_r>70的微波介質陶瓷。相對于中介、低介微波介質陶瓷來說，高介微波介質陶瓷的種類較少，主要應用于f<2GHz的民用移動通信中。表1~表3為各類微波介質陶瓷的代表材料體系及其微波介電性能。

表1. 低介微波介質陶瓷體系代表及其微波介電性能。

表2. 中介微波介質陶瓷體系代表及其微波介電性能。

表3. 高介微波介質陶瓷體系代表及其微波介電性能。

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。

圖3. 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。

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。

2.2 微波介質陶瓷行業的產業鏈分析

如圖4所示，微波介質陶瓷行業的產業鏈分為三部分：上游參與者為原材料和設備的供應商，中游主體為微波介質陶瓷元器件生產企業，下游由信息通信、航空航天、雷達、汽車等不同應用領域的各類生產企業構成。

圖4. 微波介質陶瓷行業產業鏈。

微波介質陶瓷制造中需使用高純原料，上游的陶瓷粉體材料占微波介質陶瓷類產品成本約為30%，陶瓷粉體的龍頭企業有日本村田、日本京瓷、廣東風華高科、無錫鑫圣慧龍、無錫惠虹電子。微波介質陶瓷制備的工藝參數須經嚴格控制以達到雜質少、缺陷少、晶粒分布均勻、微波介電性能良好的效果。微波介質陶瓷制備技術包括固相法、濕化學合成法、水熱法三大技術體系，涉及到的工藝復雜，技術壁壘高。微波介質陶瓷元器件有諸多不同的應用方向（見表4）。下游參與者為通信設備生產企業和微波通信類消費類電子產品生產企業，其中華為、中興、愛立信、大唐移動、三星、諾基亞等企業壟斷了中國通信設備行業的絕大部分市場份額，對中游企業有很強的議價能力。

表4. 微波介質陶瓷元器件應用方向。

微波介質陶瓷行業的生產技術壁壘，行業內企業數量少，整體供給能力較弱，一定程度上制約了行業的規模化發展。一方面，微波介質陶瓷元器件的生產涉及多學科交叉，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、電磁兼容與可靠性技術等多學科的理論與技術，難度大；另一方面，下游的通信行業產品種類多、市場需求更新頻繁。這要求企業具備不斷升級的研發實力和對于新產品的快速響應能力。目前，國內具有自主研發生產能力的微波介質陶瓷企業不到20家，具備批量化生產能力的企業只有幾家，且在技術水平和產品品種上與國際龍頭企業依然存在顯著差距。在高端微波介質陶瓷市場，國際龍頭企業更是占據了近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下游整機產品的質量，這對行業整體的標準體系建設提出了較高的要求。然而，現行業標準還是原電子工業部于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，配套細分標準有待完善。此外，國內專業配套的產品質量檢測中心較少，難以確保微波介質陶瓷及其元器件的高品質產出。質量測試產業配套不完善在一定程度上制約了行業高質發展。標準建設不完善和質量測試產業配套不完善亦在一定程度上制約了我國微波介質陶瓷行業的高質發展。

3.  5G/6G應用下的新機遇

微波介質陶瓷元器件的重要應用方向為移動通信基站，介質諧振器、介質濾波器、雙工器和多工器均是通信基站射頻單元的關鍵組件。大規模建立5G基站對微波介質陶瓷材料提出了高速、高頻、高度集成化和超低損耗等性能要求，開發出具有低損耗、高穩定性等優異性能的微波介質陶瓷材料是近年功能陶瓷方向研究的重點之一。

微波介質陶瓷行業整體處于5G產業鏈上游，在各省市的5G規劃中，重點關注5G上游射頻元器件、有源陣列天線等關鍵技術與核心元器件的突破和發展，并制定了全方位扶持政策，這將帶動微波介質陶瓷元器件的快速發展。5G通信技術提升，基站數量大幅增（將是4G時代的4~5倍），對微波通信元件需求巨大。5G天線的通道數量是4G時代的7~15倍，意味著對射頻器件中微波介質陶瓷元器件的需求量是4G時代的7~15倍。小型化和輕量化成為天線設計的基礎，相較于金屬濾波器，微波陶瓷介質波導濾波器可實現高抑制的系統兼容，體積更小，重量更輕，成為5G基站的主流技術方案。

隨著全球5G網絡規模化商用步入快車道，針對6G研發的戰略性布局已全面拉開帷幕。盡管業界雖然還尚未對6G的愿景、關鍵技術、標準等形成統一的共識，但普遍預期6G在2030年左右開始商用，未來3~5年將是6G研發的關鍵窗口期。相較于5G，6G將具有更加泛在的連接、更大的傳輸帶寬、更低的端到端時延、更高的可靠性和確定性以及更智能化的網絡特性。

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）已確定5G新增頻譜的新決議，將24.25 GHz~27.5 GHz、37 GHz~43.5 GHz、66 GHz~71 GHz共14.75GHz帶寬的頻譜標識用于5G 和未來國際移動通信系統，表明其中部分毫米波頻段或可用于6G。同時，WRC-19正式批準了275 GHz~296 GHz、306 GHz~313 GHz、318 GHz~333 GHz和356 GHz~450 GHz共137 GHz帶寬的資源可用于固定和陸地移動業務應用，這些頻段未來可能用于6G通信業務。

圖5. 近十年以特定國家/地區為目的地的6G關鍵技術專利申請量。

近年來，全球6G專利快速發展（見圖5），6G相關的關鍵技術專利申請量呈攀升態勢（2020 年由于受新冠肺炎影響，申請量有所減少），技術開始加速更新迭代。各國已啟動6G研究，各大企業與研究機構對6G具體潛在技術的構想略有區別，但已逐步收斂于“至簡+柔性+數字孿生”、立體網絡覆蓋、全頻段組網、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、算網融合等領域。在面向6G時代的研究中，需強化儲備6G潛在關鍵技術，積極推進新材料、儀器儀表等關聯產業基礎儲備，進行6G 應用場景的前瞻研究和應用試驗，保護知識產權，做好專利儲備與布局，實現產業鏈自主可控。

表5. 各國家或組織6G研究情況。

太赫茲通信技術可能是未來6G通信技術發展的一個重要方向。太赫茲頻率在0.1～10THz波段，波長為0.03 ~3 mm，處于微波與紅外光譜之間。與微波相似，太赫茲能穿透不導電材料，此外，太赫茲的寬頻帶能提供達幾GB/秒的傳輸速率, 在高速通信等領域有良好的應用前景。但是在太赫茲頻段，只有非常少的低損耗材料符合使用要求。目前，太赫茲頻段下的研究主要集中在聚合物和半導體，對于陶瓷在太赫茲下介電性能的系統研究剛剛開始。陶瓷在太赫茲頻段下的測試面臨兩個問題：一是陶瓷的低損耗使得信號對比度小，誤差增加；另一方面，陶瓷具有相對高的介電常數，在空氣與陶瓷界面會引起多反射。微波介質陶瓷的折射率可調（高折射率有利于器件小型化和集成）、耐高溫、強度高、成本低，但在太赫茲下損耗和吸收系數較高。因此，要實現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，確保正確測量材料在太赫茲下的性能；二要進一步降低材料的損耗、提高Q值；三要探索新的、合適的材料體系，簡單地認為現有性能優異的微波介質陶瓷材料體系在太赫茲下也能表現出良好性能是不嚴謹的。

微波介質陶瓷是5G/6G通信的關鍵基礎材料，未來的研究應圍繞以下重點展開：①進一步提高材料微波介電性能，降低介電損耗，尤其是研發超低介電常數（ε_r <20）以及中高介電常數（ε_r =60~80）的材料；②利用先進測試表征技術和計算方法從本征因素和非本征因素角度研究微波介質陶瓷的介電響應機理；③深入探索燒結助劑的降溫機理，發展LTCC技術，在降低微波介質陶瓷燒結溫度的同時仍使其具有優異的介電性能；④響應5G/6G技術發展對上游材料及元器件的新需求，研發合適的材料體系，積累生產技術經驗，力爭實現產業鏈的自主可控。

6G時代我國將面臨比5G時代更為激烈的競爭，乃至不公平的封鎖，應貫徹落實“十四五規劃綱要”的要求，牢牢把握未來3~5年的關鍵窗口期，科學有序推進關鍵材料、關鍵技術的研發，實現高水平科技自立自強。

主要參考資料：

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6. 張迎春, 黃延偉, 張遠謀,等. 鈣鈦礦和類鈣鈦礦型微波介質陶瓷的研究進展[J]. 硅酸鹽學報, 2021, 49(4):15.

7. 王文文. Li-Mg-Nb系微波介質陶瓷改性研究[D].電子科技大學,2020.

8. 熊喆. Ba/Ca-Nd-Ti基高介微波介質陶瓷制備與改性機理研究[D].電子科技大學,2020.

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。