Development of High-Performance Single- and Multiphase Dielectrics for Advanced Microwave Applications

А. Білоуc; О. В’юнов; Л. Коваленко; В. Хитровський; К. Годзішевський; Є. Ящишин

doi:10.15407/scine21.04.021

Автор(и)

А. Білоуc Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В. І. Вернадського НАН України https://orcid.org/0000-0001-7808-3828
О. В’юнов Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В. І. Вернадського НАН України https://orcid.org/0000-0001-7420-2287
Л. Коваленко Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В. І. Вернадського НАН України https://orcid.org/0000-0003-1854-9694
В. Хитровський ТОВ НВП «Сінько» https://orcid.org/0009-0007-9622-252X
К. Годзішевський Варшавський технологічний університет https://orcid.org/0000-0002-8438-4667
Є. Ящишин Варшавський технологічний університет https://orcid.org/0000-0001-8378-1399

DOI:

https://doi.org/10.15407/scine21.04.021

Ключові слова:

високодобротний НВЧ-діелектрик, кристалічна структура, однофазний матеріал, багатофазний матеріал, діелектричний резонатор, твердотільний генератор

Анотація

Вступ. Мікрохвильові пристрої потребують високодобротних діелектриків для досягнення мініатюризації та покращення технічних характеристик різних пристроїв, зокрема радіофільтрів, твердотільних генераторів тощо.
Проблематика. Розробка високодобротних діелектриків мікрохвильового діапазону в дециметровому, сантиметровому та міліметровому діапазонах є актуальною проблемою через їхню критичну роль у сучасних радіоелектронних системах.
Мета. Розробити високодобротні мікрохвильові діелектрики на основі одно- та багатофазних систем і охарактеризувати їхній потенціал для вдосконалення пристроїв бездротового зв’язку.
Матеріали й методи. Застосовано методи рентгеноструктурного аналізу та діелектричної спектроскопії для дослідження особливостей кристалічної структури та електрофізичних властивостей високодобротних матеріалів з різною кристалічною структурою (перовськіту, шпінелі тощо). Резонансні елементи на основі мікрохвильової кераміки
випробували у пристроях бездротового зв’язку.
Результати. Розроблено високодобротні термостабільні мікрохвильові діелектрики з діапазоном значень діелектричної проникності для дециметрових, сантиметрових та міліметрових хвиль, з яких виготовлено діелектричні резонатори для радіофільтрів і твердотільних генераторів. Застосування останніх забезпечує низький рівень шуму та покращену продуктивність порівняно з традиційними технологіями. Діелектричні резонатори суттєво ефективніші
за кварцові генератори для зменшення шуму та значно мініатюрніші, що робить їх пріоритетнішими для малошумних мікрохвильових пристроїв у сучасних системах зв’язку. Показано, що розробку нових матеріалів (багатофазні та високоентропійні діелектрики) та методів отримання (низькотемпературне та наднизькотемпературне спікання) зумовлено потребою застосування більш високих частот у 5G і 6G зв’язку.
Висновки. Розроблені високодобротні НВЧ-діелектрики і прилади на їх основі не поступаються світовим аналогам та є важливим вкладом у сектор національної економіки, безпеки й оборони.

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.

Біографія автора

О. В’юнов , Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В. І. Вернадського НАН України

Народився 12 травня 1968 року в Києві, Україна. Після закінчення середньої школи у 1985-1993 роках навчався у Київському політехнічному інституті (нині Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського") на факультеті електронної техніки. У цей час також проводить 2 роки в Радянських Збройних Силах (сержант). У 1994-1997 роках був аспірантом Інституту загальної та неорганічної хімії ім. В.І. Вернадського (Київ). У 1998 році захистив кандидатську дисертацію на тему "Синтез, будова та властивості аліовалентно-заміщених оксидів титану зі структурою перовскіту". У 1998-2000 рр. працював в Інституті ім. В.І. Вернадського на посаді наукового співробітника. З 2000 р. по теперішній час працює на посаді старшого наукового співробітника. Кілька разів стажувався у Франції, де здобув нові знання з різних інструментальних методів хімії твердого тіла. Є співавтором більше ста рецензованих статей у міжнародних наукових журналах.

Наукові інтереси переважно зосереджені на хімічних методах синтезу порошків складних оксидних систем і твердих розчинів, кераміки та плівок на їх основі. Методи дослідження, які надають інструмент для прогнозування та розуміння взаємозв'язку між структурними, електричними та фізичними властивостями різних функціональних оксидних матеріалів.

Посилання

Spitzer, W. G., Miller, R. C., Kleinman, D. A., Howarth, L. E. (1962). Far Infrared Dielectric Dispersion in BaTiO3 , SrTiO3 , and TiO2 . Physical Review, 126(5), 1710—1721. https://doi.org/10.1103/PhysRev.126.1710

Wakino, K. (1989). Recent development of dielectric resonator materials and filters in Japan. Ferroelectrics, 91(1), 69—86. https://doi.org/10.1080/00150198908015730

Wersing, W. (1996). Microwave ceramics for resonators and filters. Current Opinion in Solid State and Materials Science, 1(5), 715—731. https://doi.org/10.1016/S1359-0286(96)80056-8

Fiedziuszko, S. J., Hunter, I. C., Itoh, T., Kobayashi, Y., Nishikawa, T., Stitzer, S. N., Wakino, K. (2002). Dielectric materials, devices, and circuits. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 50(3), 706—720. https://doi.org/10.1109/22.989956

Ra, S.-H., Phulé, P. P. (1999). Processing and microwave dielectric properties of barium magnesium tantalate ceramics for high-quality-factor personal communication service filters. Journal of Materials Research, 14, 4259—4265. https://doi.org/10.1557/JMR.1999.0577

Bharati, S., Podder, P., Mondal, M., Robel, M. R. A. (2020). Threats and countermeasures of cyber security in direct and remote vehicle communication systems. Journal of Information Assurance and Security, 15, 153—164. https://doi.org/10.48550/arXiv.2006.08723

Ahmed, S. S. (2021). Microwave Imaging in Security — Two Decades of Innovation. IEEE Journal of Microwaves, 1(1), 191—201. https://doi.org/10.1109/jmw.2020.3035790

Kaur, G., Kaur, A. (2020). Monostatic radar‐based microwave imaging of breast tumor detection using a compact cubical dielectric resonator antenna. Microwave and Optical Technology Letters, 63(1), 196—204. https://doi.org/10.1002/mop.32557

Rodenbeck, C. T., Jaffe, P. I., Strassner Ii, B. H., Hausgen, P. E., McSpadden, J. O., Kazemi, H., Shinohara, N., ..., Self, A. P. (2021). Microwave and Millimeter Wave Power Beaming. IEEE Journal of Microwaves, 1(1), 229—259. https://doi.org/10.1109/jmw.2020.3033992

Braginsky, V., Gorodetsky, M., Ilchenko, V. (1989). Quality-factor and nonlinear properties of optical whispering-gallery modes. Physics Letters A, 137(7—8), 393—397. https://doi.org/10.1016/0375-9601(89)90912-2

Zhang, J., Grischkowsky, D. (2003). Whispering-gallery-mode cavity for terahertz pulses. JOSA B, 20(9), 1894—1904. https://doi.org/10.1364/JOSAB.20.001894

Annino, G., Bertolini, D., Cassettari, M., Fittipaldi, M., Longo, I., Martinelli, M. (2000). Dielectric properties of materials using whispering gallery dielectric resonators: Experiments and perspectives of ultra-wideband characterization. The Journal of chemical physics, 112(5), 2308—2314. https://doi.org/10.1063/1.480795

Solopan, S., Yukhymchuk, V., Vorona, I., Belous, A., Lemishko, S., Shlapa, Y. (2021). Dielectric materials for enhancement of the sensitivity of electron paramagnetic resonance spectroscopy. Materials Science and Engineering: B, 272, 115303. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2021.115303

Ovchar, O., Durylin, D., Belous, A., Jancar, B., Kolodiazhnyi, T. (2011). A-site deficient perovskites Ba(M2+ 1/3Nb2/3)O3 : microstructural attributes for a high quality factor. Materials Science-Poland, 29(1), 56—62. https://doi.org/10.2478/s13536-011-0010-z

Belous, A., Ovchar, O., Durylin, D., Valant, M., Macek-Krzmanc, M., Suvorov, D. (2007). Microwave composite dielectrics based on magnesium titanates. Journal of the European Ceramic Society, 27(8—9), 2963—2966. https://doi.org/10. 1016/j.jeurceramsoc.2006.11.022

Belous, A., Ovchar, O., Durilin, D., Krzmanc, M. M., Valant, M., Suvorov, D. (2006). High‐Q Microwave Dielectric Materials Based on the Spinel Mg2 TiO4 . Journal of the American Ceramic Society, 89(11), 3441—3445. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2006.01271.x

Masse, D., Pucel, R., Readey, D., Maguire, E., Hartwig, C. (1971). A new low-loss high-k temperature-compensated dielectric for microwave applications. Proceedings of the IEEE, 59(11), 1628—1629. https://doi.org/10.1109/PROC.1971.8508

Plourde, J. K., Linn, D. F., O’Bryan Jr., H. M., Thomson Jr., J. (1975). Ba2 Ti9 O20 as a microwave dielectric resonator. Journal of the American Ceramic Society, 58(9—10), 418—420. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1975.tb19013.x

Wakino, K., Tamura, H. (1980). Relations between Microwave Dielectric Losses and Microstructure on (ZrSn)TiO4 Dielectric Ceramics. Journal of the Ceramic Society of Japan, 88(1020), 475—482. https://doi.org/10.2109/jcersj1950.88.1020_475

Bolton, R. L. (1968). Temperature compensating ceramic capacitors in the system baria-rare-earth-oxide-titania. Ph.D Thesis University of Illinois at Urbana-Champaign. URL: https://www.proquest.com/openview/cc8588197cd4a2b524 bb993a7e5d91e1 (Last accessed: 10.11.2024).

USA Patent No. 3775142D. Ceramic composition for high stability capacitor. Roup R. URL: https://patentscope.wipo. int/search/ru/detail.jsf?docId=US36653269 (Last accessed: 10.11.2024).

Ohsato, H., Ohhashi, T., Nishigaki, S., Okuda, T., Sumiya, K., Suzuki, S. (1993). Formation of solid solutions of new tungsten bronze-type microwave dielectric compounds Ba6–3x R8+2x Ti18O54 (R = Nd and Sm, 0 ≤ x ≤ 1). Japanese Journal of Applied Physics, 32(9S), 4323. https://doi.org/10.1143/JJAP.32.4323

Belous, A., Ovchar, O., Valant, M., Suvorov, D. (2002). Abnormal behavior of the dielectric parameters of Ba6−x Ln8+2x/3Ti18O54 (Ln= La—Gd) solid solutions. Journal of Applied Physics, 92(7), 3917—3922. https://doi.org/10.1063/1.1503855

Belous, A. G., Ovchar, O. V., Valant, M., Suvorov, D. (2000). Anomalies in the temperature dependence of the microwave dielectric properties of Ba6−x Sm8+2x/3Ti18O54. Applied Physics Letters, 77(11), 1707—1709. https://doi.org/10.1063/1.1309024

Tang, C. C., Roberts, M. A., Azough, F., Leach, C., Freer, R. (2002). Synchrotron x-ray diffraction study of Ba4.5Nd9 Ti18O54 microwave dielectric ceramics at 10—295 K. Journal of Materials Research, 17(3), 675—682. https://doi.org/10.1557/JMR.2002.0096

Patent of Ukraine No. UA58005A. Bilous, A. H., Ovchar, O. V. Microwave dielectric material based on barium, neodymium, and samarium titanates. URL: https://sis.nipo.gov.ua/uk/search/detail/368684/ (Last accessed: 10.11.2024).

Kawashima, S., Nishida, M., Ueda, I., Ouchi, H., Hayakawa, S. (1977). Dielectric Properties of Ba(Zn1/3Nb2/3)O3 — Ba(Zn1/3Ta2/3)O3 Ceramics. Proc. Ferroelectr. Mater. Appl., Kyoto.

Nomura, S., Toyama, K., Kaneta, K. (1982). Ba (Mg1/3Ta2/3)O3 ceramics with temperature-stable high dielectric constant and low microwave loss. Japanese Journal of Applied Physics, 21(10A), L624. https://doi.org/10.1143/JJAP.21.L624

Kawashima, S., Nishida, M., Ueda, I., Ouchi, H. (1983). Ba(Zn1/3Ta2/3)O3 ceramics with low dielectric loss at microwave frequencies. Journal of the American Ceramic Society, 66(6), 421—423. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1983.tb10074.x

Matsumoto, H., Tamura, H., Wakino, K. (1991). Ba(Mg,Ta)O3 —BaSnO3 high-Q dielectric resonator. Japanese Journal of Applied Physics, 30(9S), 2347. https://doi.org/10.1143/JJAP.30.2347

Klein, N., Scholen, A., Tellmann, N., Zuccaro, C., Urban, K. W. (1996). Properties and Applications of HTS-Shielded Dielectric Resonators: A State-of-the-Art Report. IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, 44(7), 1369—1373. https://doi.org/10.1109/22.508242

Sorli, I. (2001). Tantalum capacitor replacement with ceramic capacitor. Informacĳe MIDEM, 31(2), 110—114.

Belous, A. G., Ovchar, O. V., Jancar, B., Suvorov, D. (2012). Microwave Quality Factor of Cation-Deficient Perovskites Ba(M2+ 1/3Nb2/3)O3 . Ferroelectrics, 435(1), 166—175. https://doi.org/10.1080/00150193.2012.740338

Belous, A. G., Ovchar, O. V., Macek-Krzmanc, M., Valant, M. (2006). The homogeneity range and the microwave dielectric properties of the BaZn2 Ti4 O11 ceramics. Journal of the European Ceramic Society, 26(16), 3733—3739. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2005.12.013

Huang, C.-L., Pan, C.-L. (2002). Low-Temperature Sintering and Microwave Dielectric Properties of (1-x)MgTiO3 — xCaTiO3 Ceramics Using Bismuth Addition. Japanese Journal of Applied Physics, 41(2R), 707—711. https://doi.org/10.1143/jjap.41.707

Bhuyan, R. K., Kumar, T. S., Pamu, D. (2017). Liquid phase effect of Bi2 O3 additive on densification, microstructure and microwave dielectric properties of Mg2 TiO4 ceramics. Ferroelectrics, 516(1), 173—184. https://doi.org/10.1080/001501 93.2017.1362226

Jantunen, H., Rautioaho, R., Uusimäki, A., Leppävuori, S. (2000). Compositions of MgTiO3 —CaTiO3 ceramic with two borosilicate glasses for LTCC technology. Journal of the European Ceramic Society, 20(14—15), 2331—2336. https://doi.org/10.1016/S0955-2219(00)00145-X

Huang, C.-L., Weng, M.-H. (2001). Improved high Q value of MgTiO3 —CaTiO3 microwave dielectric ceramics at low sintering temperature. Materials Research Bulletin, 36(15), 2741—2750. https://doi.org/10.1016/S0025-5408(01)00752-8

Patent of Ukraine No. UA78081C2. Bilous, A. H., Ovchar, O. V., Durylin, D. O., Matsek-Krzhmanch, M., Valant, M., Suvorov, D. Composite microwave dielectric material based on magnesium titanate and calcium titanate. URL: https:// patents.google.com/patent/UA78081C2/en (Last accessed: 10.11.2024).

Ilchenko, M. Y., Kravchuk, S. O., Khitrovskiy, V. A., Bugai, V. M., Ivanov, V. M. (2017). Transceiver block for a compact troposcatter radiorelay station. Proceedings of the International Scientific Conference “Modern Challenges In Telecom munications”. URL: https://conferenc.its.kpi.ua/proc/article/view/101005 (Last accessed: 10.11.2024).

Khitrovskiy, V. A. (2002). Different aspects of frequency synthesizer design for advanced radars. 1st International RadioElectronic Forum “Applied radio electronics. State and development prospects” (8—10 October 2002, Kharkiv, Ukraine). Kharkiv.

Golledge. (2024). Surface Acoustic Wave (SAW) Filters. Golledge Electronics Ltd. URL: https://www.golledge.com/ products/saw-filters-from-golledge-electronics/c-26/c-81 (Last accessed: 19.04.2024).

Ohsato, H. (2017). Millimeter‐wave materials. Microwave Materials and Applications 2V Set, 203—265. https://doi.org/10.1002/9781119208549.ch5

Zhang, Y., Ogurtsov, S., Vasilev, V., Kishk, A. A., Caratelli, D. (2024). Advanced Dielectric Resonator Antenna Technology for 5G and 6G Applications. Sensors, 24(5), 1413. https://doi.org/10.3390/s24051413

Qadir, Z., Le, K. N., Saeed, N., Munawar, H. S. (2023). Towards 6G Internet of Things: Recent advances, use cases, and open challenges. ICT Express, 9(3), 296—312. https://doi.org/10.1016/j.icte.2022.06.006

Wang, D., Li, L., Jiang, J., Lu, Z., Wang, G., Song, K., Zhou, D., Reaney, I. M. (2021). Cold sintering of microwave dielectric ceramics and devices. Journal of Materials Research, 36(2), 333—349. https://doi.org/10.1557/s43578-020-00029-w

Varghese, J., Joseph, N., Jantunen, H., Behera, S. K., Kim, H. T., Sebastian, M. T. (2020). Microwave Materials for Defense and Aerospace Applications. In: Handbook of Advanced Ceramics and Composites (pp. 165—213). URL: https://doi.org/10.1007/978-3-030-16347-1_9 (Last accessed: 19.04.2024).

Chen, D., Zhu, X., Yang, X., Yan, N., Cui, Y., Lei, X., Liu, L., ..., Li, C. (2023). A review on structure—property relationships in dielectric ceramics using high‐entropy compositional strategies. Journal of the American Ceramic Society, 106(11), 6602—6616. https://doi.org/10.1111/jace.19349

Xie, M., Li, X., Lai, Y., Qi, C., Yin, J., Gong, W., Li, Y., Liu, Q., Wu, C. (2024). Phase evolution and microware dielectric pro perties of high-entropy spinel-type (Mg0.2Co0.2Ni0.2Li0.4Zn0.2)Al2 O4 ceramics. Journal of the European Ceramic Society, 44(1), 284—292. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2023.09.017

Zhang, Y., Chen, L., Liu, H., Deng, S., Qi, H., Chen, J. (2023). High‐performance ferroelectric based materials via high‐ entropy strategy: Design, properties, and mechanism. InfoMat, 5(12). https://doi.org/10.1002/inf2.12488

Xiang, H., Yao, L., Chen, J., Yang, A., Yang, H., Fang, L. (2021). Microwave dielectric high-entropy ceramic Li(Gd0.2Ho0.2Er0.2Yb0.2Lu0.2)GeO4 with stable temperature coefficient for low-temperature cofired ceramic technologies. Journal of Materials Science & Technology, 93, 28—32. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.03.057

Krupka, J., Derzakowski, K., Riddle, B., Baker-Jarvis, J. (1998). A dielectric resonator for measurements of complex permittivity of low loss dielectric materials as a function of temperature. Measurement Science and Technology, 9(10), 1751. https://doi.org/10.1088/0957-0233/9/10/015

Bajurko, P., Godziszewski, K., Yashchyshyn, Y., Vynnyk, D., Haiduchok, V., Solskii, I. (2020). Determination of Bi12SiO20 permittivity and loss tangent in the 220—325 GHz band and the influence of UV exposure on these parameters. In 2020 IEEE 15th International Conference on Advanced Trends in Radioelectronics, Telecommunications and Computer Engineering (TCSET) (25—29 February 2020, Slavske, Ukraine), 576—579. https://doi.org/10.1109/TCSET49122.2020.235498

Ohsato, H., Varghese, J., Vahera, T., Kim, J. S., Sebastian, M. T., Jantunen, H., Iwata, M. (2019). Micro/Millimeter-Wave Dielectric Indialite/Cordierite Glass-Ceramics Applied as LTCC and Direct Casting Substrates: Current Status and Prospects. Journal of the Korean Ceramic Society, 56(6), 526—533. https://doi.org/10.4191/kcers.2019.56.6.01