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这款电子功能材料具有“瘦身”的“魔力” 5G时代轻薄化的秘密
发布时间: 2021-05-20 09:50 | 【 【打印】【关闭】

  这所被列入实体名单的科研院所,低调却特别。

  工科性质的它,不但研制生产军用产品,也出民用产品。5G建设中需要应用的关键材料——微波介质陶瓷,就是中国电科十三所(以下简称“十三所”)耕耘已久的一块良田。

  务实,是十三所低调的另一面展现。面对封锁,十三所周水杉研究员依旧大气从容:“我们应该踏实地把工作干好,不能用民族主义去应对。” 

  踏实搞科研,他确实是这么做的,一心扑在微波介质陶瓷和微波介质滤波器,及传感器、双工器、加热器等应用方面的研究,耕耘了三十多年,在科研生涯里结出累累硕果,输出 41件专利,其中28件是第一发明人。

  

 

  这个微波介质陶瓷领域的老兵,见证了国内微波介质陶瓷在艰苦岁月中蹒跚前进的步伐。而今,几经沉浮的微波介质陶瓷在5G时代掀开的大幕中,又一次迎来了曙光。

 

  01 

  几经浮沉的发展史 

  5G基站的建设如火如荼。

  基站里面有一个关键部件—滤波器。每个基站有专属而明确的工作频段,这要求基站具备选择各种频率信号来进行收发的能力。滤波器的作用就是帮助基站完成这项工作,让需要的频率信号通过,阻拦其他频率信号。

  5G信号频率高,波长短,衍射能力弱,因此基站开始缩小体积,密集地分布在各个地点。

  基站要小型化,滤波器也相应要缩小,此时体积较大的金属腔体滤波器显然无法完成“瘦身”要求,微波介质陶瓷波导滤波器顺理成章地站在了风口。

  微波介质陶瓷是款神奇的“可瘦身”材料,在周水杉研究员的眼里,站在5G风口的微波介质陶瓷,当年也是这么站在微波中继通信的风口的。

  在没有光纤的年代,通信是靠微波来传递的。假如从北京发出信号到深圳,在这个跨度里面,需要每隔50公里设置一个站,这些基站里面需要用到谐振器,其关键材料就是微波介质陶瓷。一年10万支的微波陶瓷谐振器,对于当时的微波介质陶瓷而言是天量的数字。

  早前的谐振器是靠殷钢来做的,它的体积是介质陶瓷谐振器的数十倍甚至上百倍,除了体积大,还不能调整谐振频率的温度系数,使用不便。可见,微波介质陶瓷的瘦身,为通信的固体化、集成化带来了可能。 

  使得微波介质陶瓷“可瘦身”的“魔力”是什么?

  和谐振器一样,在上世纪70年代,国家的很多微波仪器设备也需要面临体积缩小的难题。面对国家的需求,十三所就承担起了微波介质陶瓷的研究工作。

  周水杉为《大国之材》揭开了它“可瘦身”的奥秘。“如二氧化钛陶瓷,介电常数较大,它的原来尺寸除以介电常数开平方,就是它可缩小的一维线长度。” 

  1939年,国外一位科学家提出一个理论,电磁波入射到两个介电常数不同的界面,如果入射角合适,就能产生全反射,形成谐振。以此推测,陶瓷可以用作谐振器。

  到了上世纪70年代,二氧化钛陶瓷有了技术上的突破,理论被迫不及待的需求变成商业化的产品。

  此时的周水杉刚刚进入这一行,毕业于天津大学电子陶瓷专业的他,进入中国电科十三所。1983年,在导师的带领下展开了相关的研究,成为国内微波介质陶瓷及介质滤波器开创者之一。

  

 

  和国外的情况一样,国内的微波介质陶瓷被研发出来,但由于当时市场经济并不发达,在民用方面的应用领域有限,因此其发展经历也是几经浮沉。

  最早的导入应用就是中继通信。90年前后,卫星电视的出现又给微波介质陶瓷材料带来了新的机遇,微波介质振荡器在卫星电视高频头上得到大量的应用,行业得到了空前的发展。

  但很快地,一方面,卫星电视高频头的震荡器、混频器、放大器等微波器件用半导体工艺直接合成在一起,也不再采用微波介质谐振器,微波介质谐振器需求大幅萎缩;另一方面,卫星电视逐渐被淘汰。这给整个行业都造成了重大打击,大量企业在此期间破 产、倒 闭、淘汰。

  如今,微波介质陶瓷又迎来一个翻身的机会。进入到5G时代,华为提出基站滤波器采用微波介质陶瓷的方案。 

  “老兵”周水杉颇为感激地说:“是华为这些高科技企业的选择,让微波介质陶瓷又有了新的机遇。”

 

  02 

  艰难的测试 

  作为现代通信的关键材料,微波介质陶瓷的研发被多个国家列入战略地位。 

  不少西方发达国家都将功能陶瓷作为关键技术,投入大量经费进行研究和开发,中国也不例外。“5G里边所用的介质波导滤波器、介质波导双工器,中国目前是领先的。”周水杉对《大国之材》说。

  而在早期,微波介质陶瓷的研制,却像“两弹一星”等尖端科研项目一样历经困难重重。

  科研人员面临的最大的问题就是微波介质陶瓷参数测试,只有测试出结果才知道实验产品的好坏,“没有测试方法,没有测试仪器,不会测、不能测。”周水杉回忆起当初的窘境,有些无奈,这在当年阻挡了很多想进行微波介质陶瓷研究的人。

  他回忆道,当时测试一个TE01模的谐振器,没有测试仪器,只能用测电容的办法测损耗角正切,频率是1MHz,可测的精度非常差,“就好比拿一把米尺测1微米一样。”

  没有夹具和仪器,周水杉只好用土办法自己搭建测试仪器。用扫频信号源作为频率源,同时把示波器、功分器、耦合器、衰减器、隔离器、环形器等搭建测试系统,高Q的频率计也处于缺乏状态,当初的周水杉经常楼上楼下来回跑,“找了个旋转机械式的,结果它自身的误差都有2兆。”

  周水杉是学材料出身的,对微波的理解深度有限,只能自己钻研微波知识,然后找方法、找夹具、找仪器去尝试。回忆当时的场景,他觉得无奈又好笑。

  除了测试仪器,还有辅助材料、计算都是缺乏状态。在计算机资源十分匮乏的年代,像“两弹一星”这样的尖端科技项目,繁琐复杂的计算靠的是计算尺。“两弹元勋”邓稼先在研究原子弹的过程中,一个关键数据算上一遍,要有上万个网点,而每个网点要解五、六个方程。

  “我们当时搞这个材料的时候,测试方面的难度可能跟用计算尺计算导弹轨迹差不多。

  所幸的是,测试仪器在国家的帮助下得到了解决,微波介质陶瓷的研究进展也飞速突破。“中国人都是很聪明的,只要把短板补齐了,跟国外的差距就会越来越小,甚至会迎头赶上。”

 

  03 

  用做工艺品的方式做产品 

  微波介质陶瓷产业的发展步伐愈发稳健。

  相关数据显示,2011年国内微波介质陶瓷行业规模约12.92亿元,到2018年增长到了22.9亿元。

  微波介质陶瓷的应用面也在不断被挖掘出来。基站介质陶瓷滤波器商业化之前,用量较大的是全球定位系统的贴片天线和共享单车定位天线。

  随着5G的爆发,面对5G滤波器巨量的需求,国内传统的介质厂商以及4G时代的主流腔体滤波器厂商都进行了相关产业的布局,很多企业都在大资金投入建设陶瓷介质滤波器生产线,扩大产能储备。

  为了分得一杯羹,不少企业布局其中。面对企业反应的直通率低的问题,周水杉研究员表示,“如果用做艺术品的心态去做产品,这些问题自然迎刃而解。” 

  随着电子产品朝着轻薄化方向发展,微波介质陶瓷以自身特性有了更多的用武之地,但加工工艺仍然有限,现在的陶瓷工艺都是通过成型、烧结、研磨、抛光等一些机械式的方式来调整其尺寸。“如果要在更高频率的频段上发挥作用,就要看能否用半导体工艺来对它进行精细加工。”

  

 

  挖掘微波介质陶瓷的潜力,是行业人士一直在致力推动的方向,“如果更高的介电常数、更小的微波损耗、更低的生产成本的陶瓷材料能被找到,它就能走到更宽广的应用空间里。” 

  如今,微波介质陶瓷的发展瓶颈在于它的“魔咒”,在自然界中,介电常数越大的材料,微波的损耗也都同样的较大。因此,要打破介电常数变大后,性能变差的“魔咒”。

  为了更多地挖掘它的“魔力”,这所低调的科研机构一直也在围绕着它在转,正如“老兵”周水杉所说,从绝缘体、半导体到超导体,他愿意在这里开展更深入的研究和推广工作。

  文章来源:新材料在线、新材料网

  文章链接:http://www.xincailiao.com/news/news_detail.aspx?id=577545

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