1.前言

微波，又称”超高频电磁波”，其频率范围为300MHz至3000GHz，即频段介于超短波与红外波之间。微波频率高、频带宽，可存储信息量大，适用于微波通讯领域；微波方向性以及抗干扰能力强、能够穿透电离层，克服了环境因素的干扰，保证了传输信号的高质量以及远程通讯的准确性；并且，微波不需要依靠载体即可传输信号，降低了投入成本，具有一定的经济性^[1]。微波技术近年来快速发展并得到广泛应用，研究和开发新型高性能微波介质材料已成为必然趋势。随着现代移动通讯技术的发展，微波介质陶瓷作为一种新型功能陶瓷材料迅速崛起。微波介质陶瓷可以充当介质材料在微波和毫米波电路中实现某一特定功能或多种功能。该高性能陶瓷材料具备介电常数适中、谐振频率温度系数小、微波损耗低、品质因子高等特点，成为无线通信系统中微波滤波板、介质波导、微波集成电路基片等微波器件的关键材料，广泛应用于全球通信卫星和雷达探测器^[2]。

长期以来，低介电常数微波介质陶瓷被广泛研究并应用于毫米波无线通信系统。尖晶石陶瓷是被广泛研究的陶瓷体系之一。尖晶石结构，通式为AB₂O₄或B(AB)O₄，被用于各种材料，包括毫米级的催化剂、超导体、磁性材料、半导体和微波介质陶瓷。应用于毫米波领域的普通尖晶石陶瓷包括M₂SnO₄，M₂SiO₄和MAl₂O₄(M=Zn, Mg)。而MGa₂O₄(M=Zn, Mg)微波介质陶瓷因具备90,000GHz以上的高品质因数、低的烧结温度以及宽的烧结温度范围已广泛应用于催化剂和半导体^[3,4]。通过传统的固相法制备的镓酸锌微波介质陶瓷，具备优异的微波介电性能，如品质因数高等，但较大的谐振频率温度系数限制了它在毫米波领域的应用。为了将谐振频率温度系数调整至接近于零，引入磁性离子Mn² 添加剂，用一般固相法制备(Zn_1-xCu_x)Ga₂O₄微波介质陶瓷，并研究不同工艺参数对其晶相的组成、烧结行为、晶体结构、介电常数、品质因数及其谐振频率温度系数的影响。

2 .现阶段国内外研究概况

近几十年来，随着微波通讯需求的不断提高，开发和研究具有更高性能和稳定性的新兴微波介质陶瓷材料，成为国内外研究人员关注的热点课题。各种具有实际应用价值的新材料、新技术也如同雨后春笋般被应用在微波领域，对微波介质陶瓷的研究体系也较为完善。当下，在全世界范围内，日本、美国和德国等发达国家拥有着领先的微波介质陶瓷材料体系，主要应用为无绳电话和手机。例如，日本的村田公司早在1977年就研制开发出高性能的(Zr,Sn)TiO₄系微波介质陶瓷，并实现产业化^[5]。20世纪80年代，我国才开始微波介质陶瓷一系列相关研究，起步较晚。在原料供应、工艺设备水平以及材料检测等方面落后于国外，研究项目也仅限于跟进国外已有的微波介质陶瓷材料^[6]。近几年，随着工艺设备的改进和检测手段的完善，我国对Ba(Zn_1/3Ta_2/3)O₃等体系微波介质陶瓷进行了深入研究并且取得突破性进展。但就研究水平而言，仍与发达国家存在差距。

长期以来，低介微波陶瓷材料因具备低介电常数、高品质因数和近乎于零的谐振频率温度系数，被广泛研究并应用于毫米波无线通信系统。由于具备以上特性，这些材料可以扩大频宽、充分利用频率资源、缩短松弛时间，有助于提升智能交通系统、制备更加卓越的超稳定振荡器以及超高度的无线局域网^[7-9]。在军用雷达、卫星通讯等领域，要求材料具备较低的介质损耗，故常采用A1₂O₃、MgTiO₃等一类低介微波陶瓷^[10]。而尖晶石陶瓷例如M₂SnO₄，M₂SiO₄和MAl₂O₄(M=Zn,Mg)，是一种典型的低介电常数微波介质陶瓷材料，应用于许多科技和商业领域，可用作磁性材料、催化剂、半导体、超导体和微波介质陶瓷，也是常见的应用于毫米波领域的尖晶石陶瓷。与M₂SnO₄，M₂SiO₄和MAl₂O₄(M=Zn,Mg)相比，MGa₂O₄(M=Zn,Mg)具有超过90,000GHz的高品质因数、低烧结温度以及宽的烧结温度范围。因此，MGa₂O₄(M=Zn,Mg)尖晶石陶瓷是应用于毫米波领域的候选材料。现有的研究^[2,11,12]主要集中在提高尖晶石结构陶瓷的品质因数，研究人员认为阳离子分布对提高Q#215;#402;值有重要影响，而就ZnGa₂O₄微波介质陶瓷而言，适当的Cu² 掺杂可以促进其微波介电性能，尤其是Q#215;#402;值可以从85824GHz上升至131,445GHz，近乎2倍^[13]。由于ZnGa₂O₄微波介质陶瓷谐振频率温度系数τ_f为较大的负值，限制了其在毫米波领域的应用。为了将τ_f值调整至接近于零，广泛使用以下两种方法：磁性离子掺杂和引入具有正τ_f值的第二相。而目前市场是几乎所有的商用微波介质产品都是通过添加不同数量的磁性添加剂，如Ni、Co和Mn，来调节τ_f值^[14]。但磁性添加剂是否可以将τ_f值调节至接近于零的同时提高其他介电性能，以及掺杂后陶瓷的物相组成等都尚不清楚。

3. (Zn_1-xMn_x)Ga₂O₄陶瓷性能参数和制备方法

3.1性能参数

相对介电常数#400;_r、品质因数Q和谐振频率温度系数τ_f是微波介质陶瓷材料的三个性能参数，用来衡量电介质材料性能的优劣。要保证材料在实际应用中保持良好性能不发生故障，需要将三个参数都调控在适当的范围内，相互协调作用。

（1）相对介电常数#400;_r^[15]：