微波介质陶瓷元器件生产涉及到材料学、微波与电磁场、电子技术与应用、微波与射频测量技术、高精度机械制造技术、电磁兼容与可靠性技术等多学科理论与技术，学科领域复杂，技术壁垒高。从原料的角度看的话，为满足不同的应用领域要求，微波介质陶瓷主要是往里掺杂各种其他元素实现材料介电性能优化，因此材料体系是相当的复杂。

微波介质陶瓷材料的优势 

● 高Q值、低插损。微波介质陶瓷材料的介质损耗是影响介质滤波器插入损耗的一个主要因素。材料品质因素（Q值）越高，滤波器的插入损耗就越低。为获得低损耗、高Q值的微波介质陶瓷材料，必须不断改进微波介质陶瓷材料的粉体配方和制备工艺，研制出杂质少、缺陷少、晶粒均匀分布的高Q值微波介质陶瓷材料，从而制造出低插损的介质滤波器产品。

▲微波介质陶瓷

● 高稳定性、高可靠性。由于终端设备的工作环境温度一般在-40℃～+100℃，微波介质陶瓷材料的谐振频率如果随温度变化较大，载波信号在不同的温度下就会产生漂移，从而影响设备的使用性能。这就要求材料在上述温度范围内的谐振频率温度系数不能大于10ppm/℃。陶瓷材料具有耐腐蚀、耐酸碱、耐高温等特性，使用寿命较长，目前已实用化的微波介质陶瓷材料的频率温度系数接近零，从而实现微波通信元器件的高稳定性和高可靠性。

● 小型化、集成化。微波介质陶瓷材料因其特殊的制备工艺形成的晶相结构，具有较高的介电常数，有利于实现微波介质滤波器的小型化，满足现代电子技术对元器件集成化的要求。使用微波介质陶瓷制作的谐振器等器件尺寸可以达到毫米量级。

微波介质陶瓷材料的制备技术

① 粉末制备技术

微波介质陶瓷粉末通常采用的是固相反应法合成，即将多种氧化物粉料混合、煅烧，经过机械研磨获得粉体，具有设备、工艺简单、易于工业化生产的优点。缺点在于此法难以获取高纯度的物相，且不能确保粉体成分分布的均匀性。此外，制备的粉体粒径较大，反应活性较差还容易导致烧结温度变高。为避免传统固相反应法的不足，出现了溶胶-凝胶法、熔盐法、水热法、共沉淀法、微乳液法等方法。

● 溶胶-凝胶法（Sol-gel）：指金属有机或无机化合物经过溶胶-凝胶化、干燥和煅烧形成氧化物或其他固体化合物的方法。相比固相法具有较低的陶瓷粉末合成温度和陶瓷烧结温度，避免了机械研磨过程引入杂质，且组分混合均匀。但溶胶-凝胶法制粉成本较高，工艺复杂。此法在何种条件下能促进陶瓷的致密化，改善材料的纤维组织，从而提高其微波介电性能，还有待进一步研究。

● 熔盐法：指通过在常规固相反应中引入低熔点盐作为助溶剂来合成物质的一种新方法。低熔点盐的引入导致合成过程中有液相出现，很大程度上加快了离子的扩散速率。熔盐法工艺简单、粉末合成温度低、保温时间短、合成粉体的化学成分均匀、产物的形貌易控制。但烧结过程中熔盐的挥发容易对炉体造成污染，同时该法制备的微波介质陶瓷的介电性能普遍较低，原因尚需进一步研究。

● 水热法：基本原理是把在常温常压下不易被氧化的物质，以水溶液作为介质在密封的压力容器中进行材料合成，粉体的形成经历了一个溶解-结晶过程。是近几年发展起来的最合适规模生产陶瓷粉末的湿化学制备方法。但因陶瓷粉末的合成反应难以反应完全，残留的杂相会使材料的微波介电性能急剧下降，改进方法还有待研究。

● 共沉淀法：是利用各种组分元素的可溶性金属盐类，按一定比例匹配制成溶液，然后加入合适的沉淀剂，各类金属离子形成均匀沉淀，通过调节溶液的浓度和pH值等来控制沉淀粉末的性能，将沉淀物煅烧得到组分均匀的氧化物混合体。

与传统方法相比工艺简单，共沉淀法制得的粉末成分均匀，且颗粒细小。此法制备微波介质陶瓷不仅能得到纳米尺寸的陶瓷粉末，降低材料的烧结温度，同时材料还保持了较好的微波介电性能，发展前景较好。但缺点是制得的粉末容易发生团聚，这会使粉末的烧结性能降低。

● 微乳液法：是将反应物溶液在油类相、表面活性剂和表面活性剂的作用下形成热力稳定、各相同性、外观透明或半透明的分散体系。其中每个被表面活化剂和油类相包裹的液珠都是一个反应微胞团，然后将生成的纳米颗粒从乳液状中分离、清洗、干燥后即可得到细小均匀的粉末。

采用微乳液法能有效降低粉末的合成温度和陶瓷烧结温度，同时材料的微波介电性能变化不大。但由于需要使均匀分散在连续油相中的水相维持热力学稳定，导致该法工艺比较复杂，限制了其应用。

② 烧结技术

● 常压固相烧结：是在大气条件下将坯体烧结的过程，是制备微波介质陶瓷最常使用的一种方法。

● 微波烧结：具有加热速度快、温度场均匀、烧结时间短、高效节能等优点，能显著改善材料的显微组织，有利于微波介电性能的提高。

● 放电等离子烧结：通过承压导电模具加上可控脉冲电流对粉末进行烧结。该技术利用加热和表面活化实现材料的超快速致密化烧结，且所得烧结晶粒均匀，致密度，可广泛用于磁性材料、功能梯度材料、纳米陶瓷、纤维增强陶瓷和金属间化合物等一系列新型材料的烧结。

● 反应烧结：指初始粉末间的化学反应和材料的致密化在同一加热过程中完成的一种烧结方法。该法无需常规方法中的预烧阶段，是获得高致密陶瓷的一种简单有效的方法。

③ 烧结助剂

对于难以烧结致密或要求低温烧结的陶瓷体系，通常需要添加低熔点的氧化物或玻璃相等烧结助剂。烧结助剂在烧结过程中可以形成液相加速传质，可改善陶瓷的烧结特性。但烧结助剂在烧结后往往在晶界富集、易使晶粒表层产生化学计量比偏离等晶格缺陷，并且还可能与基体反应生成第二相。此外，有些添加剂所含多价态离子在烧结过程中会产生变价，导致氧空位浓度改变，从而影响材料的微波介电性能。因此，选择合适的烧结助剂十分重要。

微波介质陶瓷元器件

微波介质陶瓷元器件是以微波介质陶瓷作为原材料，经过一定的工艺流程加工而成的一类电子元器件。微波介质陶瓷作为一种重要的电子陶瓷材料，在现代通信产业中被广泛用于介质谐振器、介质滤波器、介质双工器、介质耦合器、介质基片、介质天线等元器件。其中，介质滤波器是微波介质陶瓷的重要应用领域。陶瓷滤波器与同等频率的金属腔体滤波器相比，具有体积小、重量轻、成本低等优势，因此在移动通信、卫星通信、雷达等诸多领域得到广泛应用。

▲微波介质陶瓷元器件（图源：南京以太）

基于优异的微波介电性能，微波介质陶瓷元器件目前广泛应用于移动通信、卫星通讯、卫星导航与定位、航空航天、电子器件、汽车工业、万物互联等领域。其中，移动通信领域是微波介质陶瓷元器件的重要应用方向。介质谐振器、介质滤波器、介质双工器、介质多工器、卫星授时天线等均是通信基站的重要元器件。

进入5G通信时代，微波介质陶瓷元器件在满足性能要求的条件下，符合5G基站小型化和轻量化的设计要求，并且能够解决高抑制的系统兼容问题，逐渐成为5G基站射频器件的重要选择方案。另一方面，万物互联、航空航天等领域的应用有望给微波介质陶瓷元器件带来新的市场增长点，微波介质陶瓷元器件作为基础性射频器件，应用前景将更加广阔。