Design and Fabrication of a Patch Antenna for 5G Wireless Communications from a Low-Permittivity LiAlSi2O6-Based Ceramic

材料科学 陶瓷 相对介电常数 温度系数 微波食品加热 介电常数 烧结 电介质 制作 热膨胀 光电子学 复合材料 电信 医学 替代医学 病理 计算机科学
作者
Siyu Xiong,Xiaowei Zhu,Guobin Zhu,Deqin Chen,Hongbo Cui,Laijun Liu,Chunchun Li
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsami.4c17300
摘要

A microwave dielectric ceramic based on lithium aluminum silicate (LiAlSi2O6) with ultralow permittivity was synthesized using the traditional solid-state reaction technique, and its dielectric characteristics at microwave frequencies are presented. The nominal LiAlSi2O6 ceramic exhibited a relative permittivity of 3.95. To enhance the material properties, LiAlSi2O6-x wt % B2O3 microwave dielectric ceramics were fabricated by incorporating a low-melting-point sintering aid (B2O3), achieving a relative density exceeding 94%. The resultant ceramics exhibited a relative permittivity (εr) ranging from 3.95 to 4.42, a microwave quality factor (Q × f) between 24,720 and 28,990 GHz, and a resonant frequency temperature coefficient (τf) varying from −45.9 to −20.6 ppm/°C. Additionally, the introduction of B2O3 broadened the sintering temperature window and effectively lowered the optimal sintering temperature from 1400 to 1200 °C. Furthermore, LiAlSi2O6 ceramics demonstrated a near-zero coefficient of thermal expansion (CTE) of 1.44 ppm/°C, which is advantageous for applications requiring high thermal stability. Based on LiAlSi2O6-2.0 wt % B2O3 ceramics with εr = 4.42, Q × f = 28,990 GHz, and τf = −20.6 ppm/°C, a microstrip patch antenna was designed and fabricated. Testing of the antenna revealed exceptional performance, including a center frequency of 4.98 GHz, a bandwidth of 280 MHz (−10 dB), and a total efficiency reaching up to 93.7%. These findings underscore the promising potential of this material in advanced microwave and wireless communication applications.
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