Керамику с улучшенными свойствами тестируют ученые Южно-Уральского государственного университета. Материал можно будет использовать в дуплексерах MIMO-антенн для станций 5G, улучшая их приемо-передающие свойства. Первое тестирование образцов прошло успешно, но впереди у исследований еще ряд испытаний, в том числе эксперименты с варьированием химического состава. Статья о разработке новых образцов термостойкой керамики опубликована в одном из престижных журналов первого квартиля «Journal of Materials Chemistry C».
С развитием технологий радиоэлектронное оборудование становится все меньше по размеру, при этом разработчики получают запрос на увеличение скорости и объемов передачи информации. Противоречивые на первый взгляд требования можно удовлетворить с помощью миниатюризированных антенн. Сегодня количество устройств, принимающих и передающих радиоволны, растет. Особой популярностью пользуются антенны с несколькими входами и выходами (MIMO). Это объясняется приходом пятого поколения приемо-передающих станций (5G). В ближайшее время, считают ученые Южно-Уральского государственного университета, в современных устройствах будет использоваться до 128 миниатюризированных MIMO-антенн.
В каждом таком устройстве есть дуплексер — частотно-разделительный фильтр. Соответственно, спрос на них увеличится с ростом количества антенн. По мнению специалистов, предпочтение отдадут керамическим дилектрическим фильтрам. По сравнению с металлическими полыми фильтрами, которые все еще используют, например, ZTE и Nokia, устройства из керамики меньше по размеру и весу, зато обладают высоким значением фактора добротности.
Материал, из которого изготовлены фильтры, играет не последнюю роль в эффективности их работы. Поэтому ученые ЮУрГУ разработали свой вариант термоустойчивой керамики. За его основу взяли сложные диэлектрические оксиды — одни из самых востребованных материалов на сегодняшний день.
.jpg)
Изображение образцов и их показатели
«Относительная простота синтеза, возможность варьирования микроволновыми параметрами за счет изменения химического состава в широком диапазоне концентраций наряду с высокой химической стабильностью и требуемыми диэлектрическими характеристиками позволяют рассматривать сложные оксиды как наиболее перспективное направление для антенных резонаторов», — объяснил старший научный сотрудник лаборатории роста кристаллов НОЦ «Нанотехнологии» ЮУрГУ Сергей Труханов.
Образцы керамики получили в НОЦ «Нанотехнологии». Этот научный центр занимается материаловедческими вопросами исследования как наноматериалов, так и широко используемых материалов, к которым относится керамика. В ЮУрГУ отработали метод синтеза сложных оксидов путем твердофазных реакций — смешивания твердых материалов. Исследователи добавили в качестве ингибитора V2O5 (оксид ванадия) и CuO-B2O3 (метаборат меди), тем самым снизили температуру спекания керамики. В образцах распределению зерен по размеру придали гомогенность, то есть обеспечили равномерность. Плотность распределения зерен также оказалась выше.
«В лаборатории ЮУрГУ была проведена аттестация структурных и электродинамических характеристик образцов в широких частотных и температурных интервалах. Была установлена корреляция между использованием различных оксидных добавок и физическими характеристиками полученных материалов. Нашими коллегами из КНР проведены исследования антенных характеристик синтезированных материалов. Получены данные о температурной стабильности и ультранизких потерях в исследуемых материала. Прототип антенны из диэлектрического резонатора, изготовленный из нашей керамики, продемонстрировал хорошие характеристики», — сообщил Сергей Труханов.
.jpg)
Фото: старший научный сотрудник лаборатории роста кристаллов НОЦ «Нанотехнологии» ЮУрГУ Сергей Труханов
В исследовании участвовали также ученые из Индии и других регионов Российской Федерации. По мнению исследователя Сергея Труханова, именно при международном сотрудничестве можно получить интересные и востребованные результаты, так как возможности разных коллективов объединяются.
Исследование новых образцов керамики, которое провела команда ученых, намерены продолжить. Химический состав будут варьировать, чтобы повысить необходимые свойства. Исследователи намерены оптимизировать добавки легкоплавкой эвтектики по составу и концентрации, исследовать взаимосвязь микроструктурных параметров и микроволновых характеристик.
Сейчас результаты представляют фундаментальный интерес и, по словам ученых, о практической реализации говорить пока рано. Однако исследователи уверены, что в будущем их работу ждет успех, и полученные материалы будут применять в антенных технологиях.
Исследования в области материаловедения являются одними из трех стратегических направлений развития научной и образовательной деятельности Южно-Уральского государственного университета наряду с цифровой индустрией и экологией.
ЮУрГУ — участник Проекта «5-100», призванного повысить конкурентоспособность российских университетов среди ведущих мировых научно-образовательных центров.