前言随着5G通信技术的迅猛发展，其所带来的超高速（20 Gbit/s）通信标准催生了通信基站的迅速增加，尤其在大规模天线阵列技术的广泛应用下，对通信系统的能耗提出了更为严峻的挑战。
在这一背景下，微波无源器件，如介质滤波器和介质天线等，所产生的能耗损耗占据了系统能耗的40%以上，因此，降低微波无源器件的损耗成为降低通信系统整体能耗的关键举措。
微波介电性能参数介电常数决定微波介质器件的尺寸与信号延时(高的介电常数有利于减小器件尺寸，但会导致传播延迟增大)，品质因数决定功耗与容量(超高的品质因数有利于降低功耗，实现大容量通信)，谐振频率温度系数决定器件工作稳定性(工作频率对环境温度的敏感程度)。
适中的介电常数，超高的品质因数与近零的谐振频率温度系数是5G时代下高性能微波介质陶瓷的发展趋势。
实验原料与设备微波介质陶瓷的性能受到原材料产地、种类、纯度、粒度分布的影响。
一般来说，同一产地的同种原材料，其纯度越高，粒度分布越集中，则制得的微波介质陶瓷性能越好。
此次针对影响Ba(Mg1/3Ta2/3)O3微波介质陶瓷介电性能的关键因素之一(原材料粒度分布)，选取多家厂商的原材料进行横向对比实验并进行粒度测试分析，获得原材料的最佳组合，如表2-1所示：完备的实验平台是保证制备工艺的精确性与可重复性，以及探索微波介质陶瓷内部机理的重要保障。
本文实验所用设备具体信息如表2-2所示：实验制备与分析测试流程本文采用固相法制备Ba(Mg1/3Ta2/3)O3基微波介质陶瓷，并采用多种分析测试手段对其进行表征。
具体实验与分析测试流程如图2-1所示：微波介质陶瓷制备工艺采用固相法制备Ba(Mg1/3Ta2/3)O3基微波介质陶瓷主要包括以下七个工艺步骤：（1）配料配料是按照实验设计的化学配比对原材料进行称量的过程。
原材料的称量在原则上应将用量较少的原材料置于用量较多的原材料之间，这有利于后续球磨过程中原材料分布均匀。
此外，为保证原材料之间配比的精确性，避免在制备过程中产生第二相，本文采用万分之一电子天平，按照“五氧化二钽-氧化镁-碳酸钡”的顺序进行原材料的称量，同时在称量时严格控制称量值与设计值之间误差小于±0.0005g；一次球磨一次球磨是将原材料进行初次研磨与粉碎的过程，需要选择合适的分散介质和调整球磨时间，使得粉料得不到充分分散，防止颗粒发生团聚，推迟逆磨行为的发生，从而提高球磨效率，我们选择去离子水作为分散剂；烘干、预烧烘干是指将球磨后得到的浆料置于干燥箱内进行恒温干燥的过程。
预烧的主要目的是使一次球磨后的粉体生成所需主晶相，同时去除粉体中残留的挥发物(如二氧化碳、水等)。
烘干后粉料过40目筛网，后置于坩埚中预烧；二次球磨、烘干造粒造粒是在二次球磨的粉料中加入一定量的粘结剂，制成具有一定假颗粒粒度、流动性好的团粒。
良好的造粒过程有利于微波介质陶瓷成型时的均匀性和烧结时的传质过程；干压成型干压成型是将造粒后的粉体装入金属模具中，通过加压的方式，使得坯料内空隙中的空气逐渐排出，粉体颗粒相互接触相嵌形成生坯的过程。
为保证坯块内压力的充分传递，使其各部位致密度尽可能均匀，避免烧结时发生形变与开裂，需保持足够的保压时间；排胶烧结排胶是指在烧结前将陶瓷生坯中的粘结剂、水分、气体等杂质排出的过程。
需要注意的是升温速率不宜过快，避免因生坯内的杂质快速排出导致的坯块形变与开裂。
此外，还应设置足够的保温时间，使得生坯内的残留杂质充分排出。
设置的最佳排胶曲线为3小时内升温至200℃以排出水分，随后再3小时内升温至550℃以排出粘结剂等有机物，之后随炉冷却。
由于Ba(Mg1/3Ta2/3)O3基微波介质陶瓷的介电性能受烧结参数影响较大，为保证烧结过程中温度与升温速率的精确控制，选用高温炉作为烧结设备。
此外，本文均在保证品质因数最佳的基础上，设置相应的烧结曲线；退火热处理Ba(Mg1/3Ta2/3)O3微波介质陶瓷烧结的致密化温度高于其有序-无序转变温度，在烧结过程中会发生有序相向无序相的转变，出现离子扩散现象，烧结后得到的陶瓷有序度并不高且有序结构不均匀，影响其品质因数。
通过在致密化温度以下长时间的退火热处理来提高其有序度，并在第五章研究缓慢降温台阶对Ba(Mg1/3Ta2/3)O3体系性能的影响，获得高度B位有序的低损耗结构。
分析测试方法表观密度分析陶瓷样品的表观密度分析可以在一定程度上作为其烧结质量的评判标准，进一步结合X射线衍射图谱精修获得的样品理论密度可计算出陶瓷样品的相对密度，可作为样品的微观形貌以及微波介电性能分析的参考。
Ba(Mg1/3Ta2/3)O3陶瓷样品表观密度测试采用瑞士梅特勒-托利多XS64型分析天平，基于阿基米德原理，计算公式如下：微波介电性能分析采用平行金属板谐振法测试Ba(Mg1/3Ta2/3)O3陶瓷的介电常数，该方法目前已成为微波介质陶瓷介电常数测试的国际通用方法。
测试时需将待测陶瓷样品置于两平行金属板之间正中的位置，调节耦合环位置产生谐振，并在竖直方向调节上方平行金属板使其与待测陶瓷样品接触，测量相应参数，其结构示意图如图2-2所示：当介质谐振器处在TE011模时，满足如下方程：本文中Ba(Mg1/3Ta2/3)O3基陶瓷的微波介电性能测试系统实物图如图2-3所示：品质因数测试本文采用闭式腔谐振法测量陶瓷样品的品质因数[85]，通过测量TE01δ模下无载品质因数Q0求得微波介质陶瓷品质因数。
耦合系数与反射系数之间存在如下关系：其中，β为耦合系数，有载Q值与无载Q值之间存在如下关系：有载Q值与无载Q值之间存在如下关系：谐振时的传输系数|S21|取决于耦合系数乘积的平方根，这意味着理论上一个耦合系数可以低至10-4，另一个耦合系数为1，这样得到的|S21|与两个系数都等于10-2的情况是相同的。
在后一种情况下，尽管|S21|相同，但是有载Q值和无载Q值之间的差异为2%，而在前一种情况下则大于50%。
实际测量中，如果|S21|<-45dB，并且两个耦合系数相似，但不一定相等，则可以近似认为有载Q值与无载Q值相同。
由于极弱耦合(<-50dB)下谐振曲线起伏较大，因此本文中，品质因数的测量在|S21|=40dB下进行，此时有载Q值与无载Q值的差距为1%。
谐振频率温度系数测试谐振频率温度系数(τf)的测试基于谐振腔法，借助两种恒温箱与矢量网络分析仪构件的测试平台实现。
本文分别进行25-85℃温度范围内的常规测试以及55-85℃温度范围内的谐振频率稳定性测试。
谐振频率稳定性测试方法如下：首先将待测陶瓷样品放置在TE01δ型闭式腔(QWED公司)中，并将其分别置于两种类型的恒温箱中(参见图2-3(d)-(e))；一种是高温循环箱(测试温度范围：25-85℃)，另一种是高低温试验箱(测试温度范围：-55-25℃)。
设置温度循环并在10个温度节点(-55℃，-40℃，-25℃，-10℃，5℃，25℃，40℃，55℃，70℃和85℃)记录样品谐振频率的变化，每个温度节点上保持温度半小时，以确保测试结果的可靠性。
本文中Ba(Mg1/3Ta2/3)O3陶瓷的谐振频率温度系数根据下式确定：结构与微观形貌表征（1）X射线衍射谱分析X射线衍射(XRD)通过X射线入射晶体时在特定方向所产生的衍射线强度及分布来解析晶体结构，该分析基于布拉格定律：其中，θ为布拉格角，d为晶面间距，λ为X射线波长。
仅当满足布拉格定律时才会发生X射线衍射。
采用D/MAX-2500型X射线衍射仪测试，并结合Jade6.0分析软件对陶瓷的晶体结构及物相组成进行分析。
扫描电子显微镜分析本文采用日本日立公司的S-4800型场发射扫描电子显微镜对Ba(Mg1/3Ta2/3)O3陶瓷的微观形貌进行测试分析，获得样品表面的气孔分布、晶粒尺寸与形状等，并借助ImageJ软件对SEM图像中的晶粒分布进行统计；（3）拉曼散射光谱分析拉曼散射光谱(Ramanspectra)分析基于拉曼散射效应：当频率为υ的光束入射到样品上时，大部分光会以相同频率发生透射或者散射；但是部分入射光会与物质的分子发生相互作用，该散射光与入射光之间存在的频率差即为拉曼位移。
拉曼光谱对于物质的结构及成键非常敏感，在每种物质的拉曼散射光谱中，其峰位和峰形往往对应于分子振动-转动能级的特点。
采用DXRMicroscope型激光显微拉曼光谱仪测试Ba(Mg1/3Ta2/3)O3陶瓷样品的拉曼散射光谱，并基于Lorentz函数对其拉曼振动模式的进行拟合和标定。
Ba(MgxTa2/3)O3陶瓷样品制备Ba(MgxTa2/3)O3(x=0.321、0.324、0.327、0.330、1/3)微波介质陶瓷的具体制备工艺如下：（1）首先根据Ba(MgxTa2/3)O3陶瓷相应的化学计量比称取BaCO3(99.0%)、MgO(98.0%)、Ta2O5(99.9%)，使用去离子水作为球磨介质球磨12h；（2）将球磨后的粉体浆料转入红外干燥箱中烘干，设置烘箱温度100℃，烘干时间3-5h；（3）待烘干的粉料冷却后，将其通过40目筛网，然后置入氧化铝坩埚中，使用高温马弗炉中在1300℃下空气中预烧5h；（4）预烧后将Ba(MgxTa2/3)O3粉体再次置入球磨罐中，加入6wt%的PVA粘结剂，球磨6h；（5）将球磨后的粉体浆料烘干冷却后过80目筛网造粒；（6）称取造粒后的粉料1.5g置入模具中，单向加压2-3MPa、保压30s，将粉体压制成成直径为10mm，厚度为4-5mm的圆柱体生坯；（7）将生坯以5℃/min的升温速率升至1640℃，保温12h后随炉降温冷却；（8）待样品冷却后，再次将其置于氧化锆承烧板上使用合肥科晶高温炉进行退火处理，以5℃/min的升温速率升至1500℃，保温12h后随炉降温冷却。
如图3-1(a)所示为Ba(MgxTa2/3)O3陶瓷的X射线衍射图谱：测试结果与标准卡片(JCPDS#18-0176)比对可知所有样品均呈现单相Ba(Mg1/3Ta2/3)O3结构(空间群：p3m1)，并且在所有样品中观察到明显的超晶格衍射峰(2θ≈17.7°)，表明生成1:2有序结构。
此外，在X射线衍射测试误差范围内未检测到其他匹配的晶相。
Ba(MgxTa2/3)O3陶瓷的微波介电性能图3-2所示为Ba(MgxTa2/3)O3陶瓷的微波介电性能及谐振频率随Mg2+位化学计量的变化：不难得出以下结论：（1）Ba(MgxTa2/3)O3陶瓷的介电常数、相对密度以及Q×f值的变化趋势相似，均随着Mg位化学计量的降低而提升，在x=0.327处达到峰值，随后逐渐降低；（2）Ba(MgxTa2/3)O3陶瓷的谐振频率温度系数几乎不随Mg2+位化学计量而变化，整体保持在一个近零的水平(0.48ppm/℃-0.89ppm/℃)。
晶格振动为分析Ba(MgxTa2/3)O3陶瓷的化学键性质，本章首先基于Rietveld晶体结构精修法，通过GSAS软件使用标准Ba(Mg1/3Ta2/3)O3相对Ba(MgxTa2/3)O3陶瓷的X射线衍射图谱进行全谱拟合，结果如表3-1所示：较低的χ2值表明Ba(MgxTa2/3)O3和Ba(Mg1/3Ta2/3)O3的晶体结构相似，并且精修结果误差较低。
在Ba(MgxTa2/3)O3陶瓷中，B位1:2阳离子有序度取决于阳离子Ta5+的占位情况：Ta5+既可以占据Mg2+位，又可以占据Ta5+位，不同占位情况对应的Ta5+的配位环境不同；当且仅当全部的Ta5+离子占据Ta5+位时，体系呈现完全的1:2有序度。
因此，B位1:2阳离子有序结构与体系中Ta5+的配位环境密切相关。
根据Ba(MgxTa2/3)O3陶瓷Rietveld法晶体结构精修结果可知，Ba(MgxTa2/3)O3陶瓷中A位Ba2+离子形成4种不同类型的化学键：Ba(1)-O(1)、Ba(1)-O(2)、Ba(2)-O(1)、Ba(2)-O(2)，共计24个；Bʹ位Mg2+离子存在Mg(1)-O(1)一类化学键共计6个；而Bʺ位Ta5+离子形成2种类型的化学键：Ta(1)-O(1)、Ta(1)-O(2)，每类化学键有且仅有3个。
结语为更好地研究Ba(MgxTa2/3)O3陶瓷Ta5+配位环境的变化，本文依据元素种类与占位的不同，将复杂多元晶体Ba(Mg1/3Ta2/3)O3体系分解为一系列二元化合物子式形式；由图3-4可以确定Ba(MgxTa2/3)O3陶瓷内部各个离子的配位情况，共包含4种阳离子和2种氧离子，具体分布为：Ba(1)与Ba(2)均为12配位，Mg为6配位，Ta为6配位，O(1)与O(2)均为6配位，共存在4种不同类型的化学键。
根据复杂晶体化学键理论，分解前后键子式总体上保持电荷平衡(阳离子化合价保持不变)，即Ba为+2价，Mg为+2价，Ta为+5价；不同键子式中O离子所呈现的化合价具体为：Ba-O键中O离子的化合价为-1价，Mg-O键中O离子的化合价为-2价，Ta-O键中O离子的化合价为-5价。
综上可知，O离子共计有3种分布不均衡的化合价价态，这将对Ba(MgxTa2/3)O3陶瓷的结构特性产生一定的影响。
(3)Ba(MgxTa2/3)O3晶体的化学键性质计算第一章已对复杂化学键理论进行简要介绍，本章基于化学键性质计算公式对Ba(MgxTa2/3)O3陶瓷内部各类化学键的离子性、共价性与晶格能进行计算。