微波的频率范围为300 MHz～300 GHz，相应的波长从1 m到1 mm。微波通信技术具有抗干扰能力强、载波容量大、传输信息多等优势，微波通信技术在当代信息技术中具有极为重要的地位，在军事、民用通信、卫星通信、航空航天等领域有着广泛而深度的应用。微波介质陶瓷材料主要应用于微波频段电路中作为介质材料，该类材料通常在微波频段内具有较高的相对介电常数（10～100）、非常低的介质损耗和接近零的谐振频率温度系数，广泛应用于微波谐振器、滤波器、振荡器、移相器、微波电容器以及微波基板等。当前，微波器件的小型化、片式化和集成化是发展的方向和趋势，以 5G为代表的先进无线通讯技术的发展对微波介质陶瓷的性能提出了更高、更新的要求。

5G技术是全社会向数字化转型的基石，微波介质陶瓷元器件是通信基站射频单元的关键组件，在5G移动通信系统中具有不可替代的作用。随着全球5G网络规模化商用步入快车道，针对6G通信的研发布局已全面拉开帷幕，微波介质陶瓷的研究面临着诸多挑战与机遇。

图1. 电磁波频谱及不同频率下的应用。

1.  微波介质陶瓷简介

1.1 微波介质陶瓷的主要性能指标

微波介质陶瓷材料是制造微波元器件的关键材料，除了要求必备的机械强度、化学稳定性及经时稳定性外，还要求它具有不同于一般电子陶瓷的特殊性能。目前，对于微波介质陶瓷，主要从相对介电常数εr ，谐振品质因数与频率乘积Q×f 值和谐振频率温度系数τf  三个技术指标来评价材料的先进性和实用性。

相对介电常数εr

电介质指在电场作用下所有能建立极化的物质，相对介电常数反映了电介质的宏观极化能力。 微波介质陶瓷属离子型晶体结构多晶材料，通常由晶相、晶界、气孔等组成，相对介电常数的变化服从对数混合规则:

式中，εr为陶瓷体系的相对介电常数，εi 为第i相的相对介电常数，υi 为第i相所占体积分数。

电磁波在电介质中与空气中传播的波长关系为：

式中，λd 为电磁波在介质中的波长，λ0为电磁波在真空中的波长，εr为材料的相对介电常数。对于介质谐振器而言，其尺寸与电磁波在介质中传播的波长有关，为λd /2~λd /4的整数倍。在相同频率下，电介质的εr 越高，λd就越小，相应的谐振器的尺寸也越小，有利于谐振器的小型化和品质的提高。为了获得高介电常数微波介质陶瓷，应选择高极化率离子形成氧八面体且具有大的氧八面体体积的晶体结构。通常，高介电常数微波介质陶瓷都具有钙钛矿结构或类钙钛矿结构。然而，对于低温共烧陶瓷（LTCC）基板材料而言，信号在介质中传输的时间正比于介电常数1/2次方，此时要求微波陶瓷相对介电常数尽可能小。因此，在不同的应用场景下，对于微波介质陶瓷的相对介电常数有不同的要求。

Q×f  值

品质因数Q是微波介质材料介电损耗的一个度量标准，Q = 1/tanδ。在微波频段下，介质损耗tanδ 要小（或品质因数Q要高），一般要求tanδ < 10-4，以保证优良的选频特性，并降低器件在高频下的插入损耗。Q×f 值是品质因数Q 与谐振频率f的乘积。同一材料在不同的测试频率下具有不同的损耗，而Q×f 值将频率因素消去，为一常数，因此通常用Q×f 值来比较不同材料在不同谐振频率下损耗的大小。Q×f 值越高，材料的介电损耗越小，性能越好。

微波介质陶瓷在微波频段内的介质损耗通常来源于三方面：①理想晶体中，由于非简谐晶格力引起晶格声子相互作用而产生的损耗，导致光频声子阻尼和由此而产生的微波损耗，称为本征损耗；②均匀的实际晶体或微晶中，由晶格缺陷（如点缺陷、空位、取代原子或缔合缺陷等）引起声子散射导致的损耗；③实际的非均匀陶瓷中的杂质缺陷偶极子或空间电荷在位错、晶界、包裹物和第二相等界面上的弛豫过程引起的损耗，后两者又称为非本征损耗。原则上通过合适的工艺可将非本征损耗消除或降至最小。

谐振频率温度系数τf

谐振频率温度系数用来衡量微波介质材料和器件的温度稳定性，由以下公式计算得到：

式中, f0 和fT 分别为室温T0 和温度T 下的谐振频率。τf  越接近零，表明材料的热稳定性越好，一般要求τf  值范围在±10 ppm/℃以内。目前，调节材料的τf  主要有两种途径：一是采用具有相反温度系数的材料和要调节的材料形成多相复合材料，二是采用具有相反温度系数且结构相近的材料形成固溶体。

1.2 微波介质陶瓷的分类

微波陶瓷可以按介电性能和材料体系进行分类。本文主要按介电常数的大小不同对微波介质陶瓷进行分类，分为低介、中介和高介微波介质陶瓷三类。通常来讲，微波介质陶瓷的相对介电常数越大，其Q 值会减小（图2展示了微波介质陶瓷的主要材料体系及介电常数与Q×f 值的关系）。

图2. 微波介质陶瓷研究与发展的三个方向。

低介微波陶瓷是指εr50000GHz的微波介质陶瓷，主要用于f≥10GHz的卫星直播等微波通讯领域。随着微波通信和雷达技术的快速发展，微波技术向着更高频即毫米波和亚毫米波的方向发展，εr20000GHz的微波介质陶瓷，主要应用于微波军用雷达及微波通讯系统中作为介质谐振器件，移动通信基站的小型化迫切需要研究开发频率温度系数小的高Q值、中等εr的微波介质陶瓷新材料。高介微波陶瓷是指εr>70的微波介质陶瓷。相对于中介、低介微波介质陶瓷来说，高介微波介质陶瓷的种类较少，主要应用于f