MICROWAVE DIELECTRICS FOR APPLICATIONS IN THE 5G FR3 RANGE
The 5G FR3 band requires low-permittivity materials. Spinel-structured materials, like SrY2O4, are promising due to their high Q-factor and tunability. However, their practical performance limits in terms of frequency range need further investigation. Planar technologies like microstrip lines and me...
Gespeichert in:
| Datum: | 2024 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Englisch |
| Veröffentlicht: |
V.I.Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry
2024
|
| Online Zugang: | https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/654 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Ukrainian Chemistry Journal |
| Завантажити файл: |  |
Institution
Ukrainian Chemistry Journal| _version_ | 1871466046004658176 |
|---|---|
| author | Fedorchuk, Oleksandr V’yunov, Oleg Plutenko, Tetiana Belous, Anatolii |
| author_facet | Fedorchuk, Oleksandr V’yunov, Oleg Plutenko, Tetiana Belous, Anatolii |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Oleksandr Fedorchuk",
"institution": "V.I. Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry of National Academy of Sciences of Ukraine"
},
{
"author": "Oleg V’yunov",
"institution": "V.I. Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry of National Academy of Sciences of Ukraine, Palladina ave., 32\/34, Kyiv, 03142"
},
{
"author": "Tetiana Plutenko",
"institution": "V.I. Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry of National Academy of Sciences of Ukraine"
},
{
"author": "Anatolii Belous",
"institution": "V.I. Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry of National Academy of Sciences of Ukraine, Palladina ave., 32\/34, Kyiv, 03142"
}
] |
| author_sort | Fedorchuk, Oleksandr |
| baseUrl_str | https://ucj.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-22T08:23:54Z |
| description | The 5G FR3 band requires low-permittivity materials. Spinel-structured materials, like SrY2O4, are promising due to their high Q-factor and tunability. However, their practical performance limits in terms of frequency range need further investigation. Planar technologies like microstrip lines and metamaterials, using these materials as substrates, can enable efficient and high-frequency devices for 5G and beyond.
This study aimed to synthesize ceramic materials with the compositions SrY2O4and  SrYSmO4, possessing a spinel structure, and investigate their properties. The potential application of these materials in millimeter-wave devices and instruments was explored by modeling the spectral characteristics of antennas utilizing these materials as substrates and comparing the results with those obtained from literature-reported materials.
High-purity (≥99%) SrCO3, CaCO3, Sm2O3, and Y2O3 powders were employed as starting materials. Stoichiometric quantities of the raw materials were mixed, ball-milled, dried, sieved, calcined, and re-milled. A binder was added, and the mixture was pressed into pellets. The green compacts were sintered at temperatures ranging from 1480 to 1560 °C for durations of 2–6 hours, with a heating and cooling rate of 200 °C/h.
A quality factor Q×f = 89400 at a frequency of 11 GHz was achieved with a dielectric permittivity εr = 15.4 and a near zero temperature coefficient of dielectric permittivity/frequency TКε. The substitution of yttrium with samarium further decreased the dielectric permittivity to 9.4 but significantly reduced the quality factor of the material Q·f = 17800. The obtained SrY2O4 meets the requirements for dielectric materials in the centimeter wave range. It surpasses most materials in the millimeter wave range presented in the literature in terms of characteristics set.
Modeling of an antenna cell based on a double split-ring resonator showed the possibility of using microstrip materials and metamaterials with substrates made of the prepared materials in the frequency range of 8.6–11 GHz and adjacent ranges, which are used in satellite communication and television systems, aviation, weather, and police radars, line-of-sight (LOS) communication systems and electronic news gathering (ENG) systems. |
| doi_str_mv | 10.33609/2708-129X.90.4.2024.60-72 |
| first_indexed | 2025-09-24T17:43:56Z |
| format | Article |
| fulltext |
60 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2024
УДК 29.35.47:29.19.33:28.21.27 doi: 10.33609/2708-129X.90.4.2024.60-72
НАДВИСОКОЧАСТОТНІ ДІЕЛЕКТРИКИ ДЛЯ ПЛАНАРНИХ
СТРУКТУР 5G FR3- ДІАПАЗОНУ
О. П. Федорчук, О. І. В’юнов, Т. О. Плутенко, Ю. Д. Ступін, А. Г. Білоус
Інститут загальної та неорганічної хімії імені В. І. Вернадського НАН України,
просп. Академіка Палладіна, 32/34, Київ 03142, Україна
e-mail: alex1377c9@gmail.com
У результаті цієї роботи було синтезовано, досліджено SrY2O4 та SrYSmO4 зі струк
турою шпінелі, визначено перспективи їхнього використання у міліметровому діапа
зоні хвиль. Було досягнуто добротності Q×f = 89400 на частоті 11 ГГц за діелектричної
проникності εr = 15.4 та нульовим коефіцієнтом діелектричної проникності/частоти
ТКε. Заміщення ітрію самарієм дозволило додатково знизити діелектричну проник
ність до 9.4, однак дуже знизило добротність матеріалу Q×f = 17800. Отриманий SrY2O4
відповідає вимогам до діелектричних матеріалів сантиметрового діапазону хвиль й пе
ревершує за сукупністю характеристик більшість матеріалів міліметрового діапазону,
наведених у літературі. Моделювання комірки антени на базі подвійного розрізано
го кільцевого резонатора (split-ringresonator, SRR) показало можливість використання
мікросмужкових матеріалів та метаматеріалів із підкладками з отриманих матеріалів у
діапазоні частот 8.6–11 ГГц і суміжних діапазонах, які використовують у системах су
путникового зв’язку і телебачення, авіаційних, погодних і поліцейських радарах, сис
темах зв’язку прямої видимості (line-of-sight, LOS) та системах електронної звітності
(electronic news gathering, ENG).
Ключові слова: структура шпінелі, міліметровий діапазон хвиль, температурна ста
більність, діелектричні підкладки, системи зв’язку.
ВСТУП. Запровадження стандарту 5G
безпровідного зв’язку залишається склад
ним процесом, який вимагає вирішення
нових завдань як інженерами, так і техно
логами-синтетиками. Незважаючи на
труднощі, на сьогодні діапазон FR1 можна
вважати освоєним та введеним у побут і
промисловість. Частоти FR2 у більшості
випадків досягаються помножувачами
частоти і наразі їх мало використовують у
промислових зразках приладів. Наприкінці
2023 року [1] було запропоновано для вве
дення до стандарту діапазон зв’язку 5GFR3
(7.125–24.25 ГГц), який займає частотний
проміжок між 5G FR1 (410–7125 МГц) і 5G
FR2 (24.25–71.00 ГГц) [2].
Введення діапазону до стандарту озна
чає його поступове освоєння і розроблення
61https://ucj.org.ua
О. П. Федорчук, О. І. В’юнов, Т. О. Плутенко, Ю. Д. Ступін, А. Г. Білоус УХЖ № 4 / ТОМ 90
нового приймально-передавального та ін
шого обладнання. Однак подальше розроб
лення стає неможливим внаслідок непри
датності існуючих на сьогодні матеріалів
для застосувань у міліметровому діапазоні
хвиль. Зокрема це стосується діелектрич
них матеріалів, які є основою об’ємних ре
зонаторів, фільтрів, антен, підкладок для
планарних структур [3]. Якщо попередні
діапазони частот освоювали із використан
ням діелектричних матеріалів зі значенням
діелектричної проникності εr = 20–100, то
для додатків у міліметровому діапазоні є
необхідними діелектрики зі значенням про
никності εr<20 [4]. Стають більш жорсткими
вимоги до електрофізичної добротності ма
теріалів як наслідок підвищення робочих
частот. Так, у літературі зустрічаються ке
рамічні матеріали зі значенням добутку до
бротності на частоту понад Q×f>80000 ГГц
[5, 6, 7]. Ще однією важливою вимогою до
властивостей діелектриків є висока тер
мостабільність. На практиці ця вимога оз
начає мінімальне (близько нуля) значення
температурного коефіцієнту діелектричної
проникності, а її виконання дозволить усу
нути температурний дрейф діелектричної
проникності, який призводить до дрейфу
частот мод коливань і спектрів характерис
тик у цілому [5]. Подібний дрейф є непри
пустимим в умовах фіксованої ширини ка
налів зв’язку.
Враховуючи перспективи появи і вве
дення у промисловість приладів, які функ
ціонуватимуть у нових частотних діапа
зонах, науковці почали звертати уваги на
матеріали, які наближаються до відповід
ності вимогам для використання у міліме
тровому діапазоні. Наприклад, у праці [6]
було заявлено про отримання Mg2SiO4 з до
мішкою оксиду титану TiO2 для міліметро
вого діапазону. Кераміка мала добротність
Q×f = 85000, діелектричну проникність
εr = 11.0 й близький до нуля температурний
коефіцієнт діелектричної проникності ТКε.
Кераміка Mg1.92Cu0.08SiO4 продемонструвала
добротність Q×f = 188500 при εr = 9.1, однак
при цьому дещо вищим виявився темпера
турний коефіцієнт діелектричної проник
ності ТКε = -2 [8]. У праці [9] для керамі
ки складу CaSn0.1SiO3.2 було повідомлено
про досягнення f = 32000 при εr = 7.6, але
з високою температурною стабільністю,
ТКε = -0.2.
Перспективними виглядають матері
али зі структурою шпінелі [10, 11, 12, 13].
Зокрема, ітрат стронцію SrY2O4, відомий у
оптиці як матеріал люмінофорів та світло
діодів [10], демонструє високу добротність
із низьким значенням діелектричної про
никності та дуже малим температурним
коефіцієнтом діелектричної проникності.
Завдяки широким можливостям модифі
кації властивостей за рахунок введення до
мішок [5], що є характерним для шпінелей
[14], можна очікувати досягнення необхід
них характеристик. Наприклад, при вве
денні Sm із меншим йонним радіусом, ніж
у Y, очікується зменшення значення діелек
тричної проникності.
Більшість джерел концентруються на
синтезі й дослідженні матеріалів без без
посередньої демонстрації можливостей та
границь їхнього використання, наприклад,
робочого діапазону частот, що було б ці
каво для розроблення приймально-пере
давальної апаратури. З іншого боку, варто
відмітити тренд у комунікаціях та систе
мах зв’язку на перехід від об’ємних компо
нент до композитів та приладів на основі
62 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2024
НАДВИСОКОЧАСТОТНІ ДІЕЛЕКТРИКИ ДЛЯ ПЛАНАРНИХ СТРУКТУР 5G FR3- ДІАПАЗОНУФІЗИЧНА ХІМІЯ
мікросмужкових ліній та метаматеріалів
[15], основою яких є металеві планарні
структури на поверхні діелектричних під
кладок. Мікросмужкові лінії є основою
антен, фільтрів, MEMS. Метаматеріали на
основі планарних структур цікаві тим, що
дають можливість отримувати властивості,
які не спостерігають в інших матеріалах та
структурах, наприклад, від’ємний показ
ник заломлення й формування лівосто
ронніх середовищ [16]. В обох випадках
використання нових діелектричних матері
алів як підкладок для вказаних структур у
перспективі дозволило б зменшити втрати
енергії й змістити робочі частоти приладів
у бажані області міліметрового діапазону.
Тому метою зазначеної роботи був син
тез керамічних матеріалів складу SrY2O4,
SrYSmO4 зі структурою шпінелі і дослі
дження їхніх властивостей, визначення
перспектив використання цих матеріалів у
приладах та пристроях міліметрового діа
пазону шляхом моделювання спектрів ха
рактеристик антен із використанням отри
маних матеріалів як підкладок, порівняння
їх із відомими матеріалами.
ЕКСПЕРИМЕНТ І ОБГОВОРЕННЯ РЕ-
ЗУЛЬТАТІВ. Синтез та дослідження. Для
синтезу керамічних зразків було викори
стано SrCO3, CaCO3, Sm2O3 та Y2O3 кваліфі
кації ос. ч. (≥99%). Перед зважуванням по
рошків Y2O3 та Sm2O3 проводили попереднє
термооброблення за температури 900 °C
упродовж 2 годин.
Синтез кераміки проводили традицій
ним методом твердофазних реакцій. Сте
хiометричні кількості реагентів змішували
з дистильованою водою та подрібнювали в
планетарному млині Retsch PM100 із халце
доновими кульками протягом 8 годин зі
швидкістю 300 об/хв. Отриману суспензію
сушили за температури 100 °C. Висушений
порошок просіювали через сито з розмі
ром осередку 200 меш та кальцинували за
1350 °C протягом 4 годин. Синтезований
порошок додатково подрібнювали впро
довж 12 годин за тих самих умов.
Дрібний порошок змішували з 5% розчи
ном полівінілового спирту як зв’язувачем
та пресували в таблетки діаметром 10 мм
та товщиною 5 мм під тиском 500 кг/см².
Отримані таблетки спікали за температур
від 1480 до 1560 °C протягом 2, 4 та 6 годин
зі швидкістю нагрівання та охолодження
200 °C/год.
Фазовий склад та кристалічна структура
синтезованих зразків досліджували мето
дом рентгенівської порошкової дифракто
метрії (РПД) на дифрактометрі DRON-4-07
із використанням Cu Kα-випромінювання.
Параметри елементарної комірки уточню
вали за методом Ле Байля в програмному
забезпеченні FullProf [24].
Мікроструктуру зразків досліджували
за допомогою скануючої електронної мі
кроскопії (СЕМ) на мікроскопах JEM 10CX II
(JEOL) та SEC miniSEM SNE 4500 MB, осна
щених енергодисперсійним спектрометром
EDAX ElementPV6500/00 F. Розподіл розмі
рів зерен визначали за методом еквівалент
ного діаметра кола в програмному забезпе
ченні Fiji [17,18].
Густину спечених зразків вимірювали
за методом Архімеда з використанням ди
стильованої води. Температурний коефі
цієнт резонансної частоти (τf) визначали
резонаторним методом у температурному
діапазоні від 125 до 180 °C. Значення τf роз
раховували за наступною формулою:
63https://ucj.org.ua
О. П. Федорчук, О. І. В’юнов, Т. О. Плутенко, Ю. Д. Ступін, А. Г. Білоус УХЖ № 4 / ТОМ 90
Дрібний порошок змішували з 5% розчином полівінілового спирту як зв’язувачем та
пресували в таблетки діаметром 10 мм та товщиною 5 мм під тиском 500 кг/см². Отримані
таблетки спікали за температур від 1480 до 1560 °C протягом 2, 4 та 6 годин зі швидкістю
нагрівання та охолодження 200 °C/год.
Фазовий склад та кристалічна структура синтезованих зразків досліджували методом
рентгенівської порошкової дифрактометрії (РПД) на дифрактометрі DRON-4-07 із
використанням Cu Kα-випромінювання. Параметри елементарної комірки уточнювали за
методом Ле Байля в програмному забезпеченні FullProf [24].
Мікроструктуру зразків досліджували за допомогою скануючої електронної мікроскопії
(СЕМ) на мікроскопах JEM 10CX II (JEOL) та SEC miniSEM SNE 4500 MB, оснащених
енергодисперсійним спектрометром EDAX ElementPV6500/00 F. Розподіл розмірів зерен
визначали за методом еквівалентного діаметра кола в програмному забезпеченні Fiji [17,18].
Густину спечених зразків вимірювали за методом Архімеда з використанням
дистильованої води. Температурний коефіцієнт резонансної частоти (τf) визначали резонаторним
методом у температурному діапазоні від 125 до 180 °C. Значення τf розраховували за наступною
формулою:
𝜏𝜏𝑓𝑓(𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝/°C) = 𝑓𝑓2 − 𝑓𝑓1
𝑓𝑓1 · 106
𝑇𝑇2 − 𝑇𝑇1
(1)
де f1 та f2 – резонансні частоти за температур T1 та T2 відповідно.
Добротність та діелектричну проникність керамічних зразків визначали методом
діелектричного TE01δ резонатора (TE01δ resonantcavity) в режимі проходження хвилі (traveling
wave mode). Для цього використовували вимірювальний стенд, що складався з вимірювальної
комірки у вигляді ТЕ01δ-резонатора з внутрішнім діаметром 18 мм та векторного аналізатора
НВЧ кіл PNA-L Agilent N5230A (рис. 1). Добротність керамічних резонаторів визначали на основі
резонансної частоти й ширини резонансної кривої на рівні -3 дБ відносно пікового значення і
величини діелектричної проникності матеріалу резонаторів [19].
Моделювання. Використовували програмне забезпечення Ansys HFSS, що застосовує чисельні
розрахунки рівняння Максвелла та рівняння середовища методом найменших елементів, що
знімало необхідність аналітичного визначення ефективної діелектричної проникності структури
чи введення спрощень або припущень про розподіл електромагнітного поля. У процесі
моделювання отримували коефіцієнти матриці розсіювання S21 й S11, які характеризують
проходження та відбивання сигналу в системі. На основі отриманих спектрів вираховували
спектр поглинання (A) подібно до того, як це робили у праці [Ошибка! Закладка не
определена.] із використанням співвідношення
𝐴𝐴 = 1 − |𝑆𝑆21|2 − |𝑆𝑆11|2 (2)
а б в
,
де f1 та f2 – резонансні частоти за темпера
тур T1 та T2 відповідно.
Добротність та діелектричну проник
ність керамічних зразків визначали ме
тодом діелектричного TE01δ резонатора
(TE01δ resonantcavity) в режимі проходжен
ня хвилі (traveling wave mode). Для цього
використовували вимірювальний стенд,
що складався з вимірювальної комірки у
вигляді ТЕ01δ-резонатора з внутрішнім ді
аметром 18 мм та векторного аналізато
ра НВЧ кіл PNA-L Agilent N5230A (рис. 1).
Добротність керамічних резонаторів ви
значали на основі резонансної частоти й
ширини резонансної кривої на рівні -3 дБ
відносно пікового значення і величини ді
електричної проникності матеріалу резо
наторів [19].
Моделювання. Використовували про
грамне забезпечення Ansys HFSS, що за
стосовує чисельні розрахунки рівняння
Максвелла та рівняння середовища мето
дом найменших елементів, що знімало не
обхідність аналітичного визначення ефек
тивної діелектричної проникності структу
ри чи введення спрощень або припущень
про розподіл електромагнітного поля.
У процесі моделювання отримували кое
фіцієнти матриці розсіювання S21 й S11, які
характеризують проходження та відбиван
ня сигналу в системі. На основі отриманих
спектрів вираховували спектр поглинання
(A) подібно до того, як це робили у праці
[20] із використанням співвідношення
Дрібний порошок змішували з 5% розчином полівінілового спирту як зв’язувачем та
пресували в таблетки діаметром 10 мм та товщиною 5 мм під тиском 500 кг/см². Отримані
таблетки спікали за температур від 1480 до 1560 °C протягом 2, 4 та 6 годин зі швидкістю
нагрівання та охолодження 200 °C/год.
Фазовий склад та кристалічна структура синтезованих зразків досліджували методом
рентгенівської порошкової дифрактометрії (РПД) на дифрактометрі DRON-4-07 із
використанням Cu Kα-випромінювання. Параметри елементарної комірки уточнювали за
методом Ле Байля в програмному забезпеченні FullProf [24].
Мікроструктуру зразків досліджували за допомогою скануючої електронної мікроскопії
(СЕМ) на мікроскопах JEM 10CX II (JEOL) та SEC miniSEM SNE 4500 MB, оснащених
енергодисперсійним спектрометром EDAX ElementPV6500/00 F. Розподіл розмірів зерен
визначали за методом еквівалентного діаметра кола в програмному забезпеченні Fiji [17,18].
Густину спечених зразків вимірювали за методом Архімеда з використанням
дистильованої води. Температурний коефіцієнт резонансної частоти (τf) визначали резонаторним
методом у температурному діапазоні від 125 до 180 °C. Значення τf розраховували за наступною
формулою:
𝜏𝜏𝑓𝑓(𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝/°C) = 𝑓𝑓2 − 𝑓𝑓1
𝑓𝑓1 · 106
𝑇𝑇2 − 𝑇𝑇1
(1)
де f1 та f2 – резонансні частоти за температур T1 та T2 відповідно.
Добротність та діелектричну проникність керамічних зразків визначали методом
діелектричного TE01δ резонатора (TE01δ resonantcavity) в режимі проходження хвилі (traveling
wave mode). Для цього використовували вимірювальний стенд, що складався з вимірювальної
комірки у вигляді ТЕ01δ-резонатора з внутрішнім діаметром 18 мм та векторного аналізатора
НВЧ кіл PNA-L Agilent N5230A (рис. 1). Добротність керамічних резонаторів визначали на основі
резонансної частоти й ширини резонансної кривої на рівні -3 дБ відносно пікового значення і
величини діелектричної проникності матеріалу резонаторів [19].
Моделювання. Використовували програмне забезпечення Ansys HFSS, що застосовує чисельні
розрахунки рівняння Максвелла та рівняння середовища методом найменших елементів, що
знімало необхідність аналітичного визначення ефективної діелектричної проникності структури
чи введення спрощень або припущень про розподіл електромагнітного поля. У процесі
моделювання отримували коефіцієнти матриці розсіювання S21 й S11, які характеризують
проходження та відбивання сигналу в системі. На основі отриманих спектрів вираховували
спектр поглинання (A) подібно до того, як це робили у праці [Ошибка! Закладка не
определена.] із використанням співвідношення
𝐴𝐴 = 1 − |𝑆𝑆21|2 − |𝑆𝑆11|2 (2)
а б в
Дрібний порошок змішували з 5% розчином полівінілового спирту як зв’язувачем та
пресували в таблетки діаметром 10 мм та товщиною 5 мм під тиском 500 кг/см². Отримані
таблетки спікали за температур від 1480 до 1560 °C протягом 2, 4 та 6 годин зі швидкістю
нагрівання та охолодження 200 °C/год.
Фазовий склад та кристалічна структура синтезованих зразків досліджували методом
рентгенівської порошкової дифрактометрії (РПД) на дифрактометрі DRON-4-07 із
використанням Cu Kα-випромінювання. Параметри елементарної комірки уточнювали за
методом Ле Байля в програмному забезпеченні FullProf [24].
Мікроструктуру зразків досліджували за допомогою скануючої електронної мікроскопії
(СЕМ) на мікроскопах JEM 10CX II (JEOL) та SEC miniSEM SNE 4500 MB, оснащених
енергодисперсійним спектрометром EDAX ElementPV6500/00 F. Розподіл розмірів зерен
визначали за методом еквівалентного діаметра кола в програмному забезпеченні Fiji [17,18].
Густину спечених зразків вимірювали за методом Архімеда з використанням
дистильованої води. Температурний коефіцієнт резонансної частоти (τf) визначали резонаторним
методом у температурному діапазоні від 125 до 180 °C. Значення τf розраховували за наступною
формулою:
𝜏𝜏𝑓𝑓(𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝/°C) = 𝑓𝑓2 − 𝑓𝑓1
𝑓𝑓1 · 106
𝑇𝑇2 − 𝑇𝑇1
(1)
де f1 та f2 – резонансні частоти за температур T1 та T2 відповідно.
Добротність та діелектричну проникність керамічних зразків визначали методом
діелектричного TE01δ резонатора (TE01δ resonantcavity) в режимі проходження хвилі (traveling
wave mode). Для цього використовували вимірювальний стенд, що складався з вимірювальної
комірки у вигляді ТЕ01δ-резонатора з внутрішнім діаметром 18 мм та векторного аналізатора
НВЧ кіл PNA-L Agilent N5230A (рис. 1). Добротність керамічних резонаторів визначали на основі
резонансної частоти й ширини резонансної кривої на рівні -3 дБ відносно пікового значення і
величини діелектричної проникності матеріалу резонаторів [19].
Моделювання. Використовували програмне забезпечення Ansys HFSS, що застосовує чисельні
розрахунки рівняння Максвелла та рівняння середовища методом найменших елементів, що
знімало необхідність аналітичного визначення ефективної діелектричної проникності структури
чи введення спрощень або припущень про розподіл електромагнітного поля. У процесі
моделювання отримували коефіцієнти матриці розсіювання S21 й S11, які характеризують
проходження та відбивання сигналу в системі. На основі отриманих спектрів вираховували
спектр поглинання (A) подібно до того, як це робили у праці [Ошибка! Закладка не
определена.] із використанням співвідношення
𝐴𝐴 = 1 − |𝑆𝑆21|2 − |𝑆𝑆11|2 (2)
а б в
Рис. 1. Модель комірки антени, яку досліджували і моделювали у праці [20] (а), та скетч-
зображення антени з позначеннями розмірів (б); модель, яку використовували в цій роботі (в)
Fig. 1. Model of the antenna cell studied and modeled in [20] (a) and a sketch image of the antenna
with size markings (b); model used in this work (c).
Як орієнтир при моделюванні вико
ристовували поглинаючу комірку антени з
подвійним розрізаним кільцевим резона
тором, подібну до тієї, яку досліджували у
праці [20]. Геометричні параметри антени,
яку моделювали у цій роботі, були анало
гічними (табл. 1).
64 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2024
НАДВИСОКОЧАСТОТНІ ДІЕЛЕКТРИКИ ДЛЯ ПЛАНАРНИХ СТРУКТУР 5G FR3- ДІАПАЗОНУФІЗИЧНА ХІМІЯ
Таблиця 1.
Геометричні параметри моделі комірки
SRR антени [20]
Table 1:
Geometric parameters of the SRR antenna
cell model [20].
Параметр Значення, мм
Lx 11.0
Ly 11.0
l1 5.0
l2 7.0
g 0.5
w 0.5
Моделювання проводили у режимі гі
бридної модальної мережі (modal hybrid
network) для врахування внеску різних мод
коливань, що виникали б у структурі. Об
ласть випромінювання обмежували пло
щею перерізу підкладки антени для усунен
ня втрат, не пов’язаних із самою антеною,
та імітації падіння пласкої хвилі на антену.
Для металізації використовували мідь із
типовими параметрами, а параметри мате
ріалу підкладки вибирали такі, які дорів
нюють величинам, визначеним для синте
зованих матеріалів.
Рентгенівський структурний аналіз
(XRD) засвідчив формування однорідної
фази SrY2O4 з орторомбічною просторовою
групою Pnma у кераміці, спеченій за темпе
ратури 1520 °C протягом 4 годин (рис. 2).
Визначені параметри кристалічної ґратки
становили: a = 10,085(3) Å, b = 11,914(4) Å,
c = 3,412(1) Å. Насипна густина матеріалу,
спеченого за 1520 °C, досягла 97,5% тео
ретичної густини, розрахованої на осно
ві рентгенівських даних, що свідчить про
незначну пористість. Крім того, хімічний
склад матеріалу узгоджується зі стехіоме
тричною формулою SrY2O4.
Рис. 2. Ренгенограма керамічного зразка SrY2O4 після спікання за температури 1520 °C протягом
4 годин. Вертикальні ліній позначають Брегівські позиції дифраційних піків.
Fig. 2. X-ray diffraction pattern of SrY2O4 ceramic sample after sintering at 1520 °C for 4 hours. The
vertical bars indicate the Bregg positions of the diffraction peaks.
Рис. 2. Ренгенограма керамічного зразка SrY2O4 після спікання за температури 1520 °C протягом 4 годин.
Вертикальні ліній позначають Брегівські позиції дифраційних піків.
Fig. 2. X-ray diffraction pattern of SrY2O4 ceramic sample after sintering at 1520 °C for 4 hours. The vertical
bars indicate the Bregg positions of the diffraction peaks.
Зображення кераміки SrY2O4 та SrYSmO4, отримані за допомогою скануючої електронної
мікроскопії (SEM, рис. 3), підтвердили, що оптимальним є спікання за температури 1520 °C
тривалістю 4 години. За таких умов спікання мікроструктура стає майже непористою й
досягається рівномірний розподіл розмірів зерен. Середній розмір зерен становив 11 мкм.
а
б
Рис. 3. SEM-зображення поверхні кераміки SrY2O4(а) та SrYSmO4 (б) після спікання за температури
1520 °C протягом 4 годин
Fig. 3. SEM images of the surface of SrY2O4 (a) and SrYSmO4 (b) ceramics after sintering at 1520 °C for 4
hours.
500
400
300
200
100
0
-100
І,
ві
дн
. о
д
2Θ, °
10 30 50 70 90 110 130
65https://ucj.org.ua
О. П. Федорчук, О. І. В’юнов, Т. О. Плутенко, Ю. Д. Ступін, А. Г. Білоус УХЖ № 4 / ТОМ 90
Зображення кераміки SrY2O4 та SrYSmO4,
отримані за допомогою скануючої електро
нної мікроскопії (SEM, рис. 3), підтвердили,
що оптимальним є спікання за температу
ри 1520 °C тривалістю 4 години. За таких
умов спікання мікроструктура стає майже
непористою й досягається рівномірний
розподіл розмірів зерен. Середній розмір
зерен становив 11 мкм.
Рис. 2. Ренгенограма керамічного зразка SrY2O4 після спікання за температури 1520 °C протягом 4 годин.
Вертикальні ліній позначають Брегівські позиції дифраційних піків.
Fig. 2. X-ray diffraction pattern of SrY2O4 ceramic sample after sintering at 1520 °C for 4 hours. The vertical
bars indicate the Bregg positions of the diffraction peaks.
Зображення кераміки SrY2O4 та SrYSmO4, отримані за допомогою скануючої електронної
мікроскопії (SEM, рис. 3), підтвердили, що оптимальним є спікання за температури 1520 °C
тривалістю 4 години. За таких умов спікання мікроструктура стає майже непористою й
досягається рівномірний розподіл розмірів зерен. Середній розмір зерен становив 11 мкм.
а
б
Рис. 3. SEM-зображення поверхні кераміки SrY2O4(а) та SrYSmO4 (б) після спікання за температури
1520 °C протягом 4 годин
Fig. 3. SEM images of the surface of SrY2O4 (a) and SrYSmO4 (b) ceramics after sintering at 1520 °C for 4
hours.
Рис. 3. SEM-зображення поверхні кераміки SrY2O4(а) та SrYSmO4 (б) після спікання за
температури 1520 °C протягом 4 годин
Fig. 3. SEM images of the surface of SrY2O4 (a) and SrYSmO4 (b) ceramics after sintering at 1520 °C
for 4 hours.
На рис. 4 представлено експеримента
льний спектр коефіцієнту проходження
керамічного зразка, виготовленого із син
тезованого ітрату стронцію SrY2O4. Із ви
користанням експериментальних спектрів
було визначено резонансні характеристики
(добротність, частота резонансу) кераміч
них зразків SrY2O4 та SrYSmO4.
На рис. 4 представлено експериментальний спектр коефіцієнту проходження керамічного
зразка, виготовленого із синтезованого ітрату стронцію SrY2O4. Із використанням
експериментальних спектрів було визначено резонансні характеристики (добротність, частота
резонансу) керамічних зразків SrY2O4 та SrYSmO4.
10.9976 10.9978 10.9980
-55
-50
-45
-40
S 2
1,
дБ
f, ГГц
Рис. 4. Експериментальний спектр коефіцієнту проходження керамічного зразка SrY2O4
Fig. 4. Experimental spectrum of the transmission coefficient of the SrY2O4 ceramic sample.
Таблиця 2
Характеристики діелектричних матеріалів для застосування у 5G FR3-діапазоні та характеристики
спектру моделі комірки антени при використанні підкладки з цих матеріалів
Table 2.
Characteristics of dielectric materials for use in the 5G FR3 band and spectrum characteristics of the
antenna cell model when using a substrate made of these materials.
Хімічний склад εr
Q×f
ГГц
f0
ГГц
τf
ppm/K
Параметри спектру
(розрахунок)
Джерело
характе-
ристик
підкладки
частота
ГГц
ширина
ГГц
0.945SiO2 –
0.055Li2TiO3
3.20 10180 0.17 18.29 3.35 [22]
LiAlSiO4 + 12 wt%
B2O3
5.30 212000 – -7.7 15.80 3.15 [23]
Mg1.92Cu0.08SiO4 6.35 188500 10–16 -2.00 14.78 3.06
[Ошибка!
Закладка не
определена
.]
CaSn0.1SiO3.2 7.60 32000 9–12 -0.20 13.73 2.96
[Ошибка!
Закладка не
определена
.]
Zn2SiO4 + 11 ваг.%
TiO2
9.10 150800 14–16 -1.00 12.66 2.84
[Ошибка!
Закладка не
определена
.]
SrYSmO4 9.40 17800 13.7 0.00 12.47 2.82 Ця робота
Mg2SiO4 + 24 ваг.% 11.0 85000 – 0.00 11.57 2.71 [Ошибка!
Рис. 4. Експериментальний спектр коефі
цієнту проходження керамічного зразка SrY2O4
Fig. 4. Experimental spectrum of the transmis
sion coefficient of the SrY2O4 ceramic sample.
66 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2024
НАДВИСОКОЧАСТОТНІ ДІЕЛЕКТРИКИ ДЛЯ ПЛАНАРНИХ СТРУКТУР 5G FR3- ДІАПАЗОНУФІЗИЧНА ХІМІЯ
Таблиця 2
Характеристики діелектричних матеріалів для застосування у 5G FR3-діапазоні та
характеристики спектру моделі комірки антени при використанні підкладки з цих ма-
теріалів
Table 2.
Characteristics of dielectric materials for use in the 5G FR3 band and spectrum charac
teristics of the antenna cell model when using a substrate made of these materials.
Хімічний склад εr
Q×f
ГГц
f0
ГГц
τf
ppm/K
Параметри
спектру
(розрахунок)
Джерело
характе-
ристик
підкладкичастота
ГГц
ширина
ГГц
0.945SiO2 – 0.055Li2TiO3 3.20 10180 0.17 18.29 3.35 [22]
LiAlSiO4 + 12 wt% B2O3 5.30 212000 – -7.7 15.80 3.15 [23]
Mg1.92Cu0.08SiO4 6.35 188500 10–16 -2.00 14.78 3.06 [8]
CaSn0.1SiO3.2 7.60 32000 9–12 -0.20 13.73 2.96 [9]
Zn2SiO4 + 11 ваг.% TiO2 9.10 150800 14–16 -1.00 12.66 2.84 [7]
SrYSmO4 9.40 17800 13.7 0.00 12.47 2.82 Ця робота
Mg2SiO4 + 24 ваг.% TiO2 11.0 85000 – 0.00 11.57 2.71 [6]
SrY2O4 15.4 89400 11 0.00 9.83 2.46 Ця робота
Результати дослідження синтезованих
зразків та матеріалів міліметрового діапа
зону з інших джерел наведено в Таблиці 2.
Обидва синтезовані зразки демонструють
прекрасну температурну стабільність і
перевершують більшість матеріалів із лі
тературних джерел. При цьому SrY2O3 де
монструє добротність, вищу ніж Mg2SiO4
[6], який також має близький до нуля тем
пературний коефіцієнт діелектричної про
никності. Введення Sm у структуру SrY2O3
дозволило суттєво знизити діелектричну
проникність матеріалу, проте призвело до
сильного падіння добротності, що робить
його недоцільним для використання.
Щоб пересвідчитися у коректності на
шого розрахунку, спочатку проводили мо
делювання антени з підкладкою, що має
ефективну діелектричну проникність ε = 5.
Отримані результати порівнювали з да
ними праці [20]. Слід зазначити, що у ро
боті [20] для моделювання використовува
ли програмне забезпечення Cadence AWR
Design Environment. Аналіз даних таблиці 3
свідчить про те, що програмне забезпечен
ня Ansys HFSS забезпечує більш точне про
гнозування як частоти резонансного по
глинання, так і ширини смуги пропускання
порівняно з експериментальними даними.
Зокрема, центральна частота отриманого
67https://ucj.org.ua
О. П. Федорчук, О. І. В’юнов, Т. О. Плутенко, Ю. Д. Ступін, А. Г. Білоус УХЖ № 4 / ТОМ 90
спектру відповідає експериментально ви
значеній частоті 15.85 ГГц, тоді як у моделі
[20], де використовували програмне забез
печення Cadence AWR Design Environment,
вона зміщена в область більш високих час
тот приблизно на 250 МГц. З огляду на цю
обставину, для точних досліджень впливу
діелектричної проникності на характери
стики мікрохвильових пристроїв бажано
використовувати Ansys HFSS як інструмент
для проведення чисельних експериментів.
Хоча можливо, що різниця в параметрах
спектра зумовлена похибкою у визначенні
ефективної діелектричної проникності під
кладки. Занижене значення цього параме
тра в моделі могло призвести до зміщення
резонансних частот в область більш висо
ких значень.
Таблиця 3
Порівняння характеристик робочої смуги частот спектрів поглинання планарної
антени за різними моделями та експериментальними даними
Table 3
Comparison of the characteristics of the operating frequency band of the absorption
spectra of a planar antenna according to different models and experimental data.
Центральна частота,
ГГц
Ширина, ГГц Метод визначення Джерело
15.85 3.16 Експеримент [20]
16.01 3.13 Розрахунок [20]
15.85 3.15 Розрахунок Ця робота
5 10 15
10
12
14
16
18
Ц
ен
тр
ал
ьн
а
ча
ст
от
а,
Г
Гц
e
а
4 8 12
2.4
2.8
3.2
e
Ш
ир
ин
а
сп
ек
тр
у,
Г
Гц
б
Рис. 5. Залежність центральної частоти (а) та ширини робочої смуги частот (б) спектру планарної антени
від діелектричної проникності матеріалу підкладки
Fig. 5. Dependence of the center frequency (a) and the operating band width (b) of the planar antenna spectrum
on the dielectric constant of the substrate material.
Ширину спектру поглинання W та його положення f визначали з профілю спектру зі
співвідношень W = f2–f1таf = (f1+f2)/2 відповідно. Отримані залежності центральної частоти та
ширини робочої області спектру від значення діелектричної проникності підкладки
представлено на рис. 5s. Підвищення діелектричної проникності підкладки зумовлює як
зміщення спектру у сторону низьких частот, так і звуження смуги поглинання. Отримані
результати свідчать про можливість оптимізації характеристик антени шляхом вибору
відповідного матеріалу підкладки.
8 10 12 14 16 18 20
Частота, ГГц
SrY2O4
Mg2SiO4
+ TiO2
0.945 SiO2
- 0.055 Li2TiO3
SrYSmO4
Zn2SiO4
+ TiO2
Mg1.9Cu0.8-
SiO4
8-12 10.70-12.70 12.75-13.25 13.75-14.50 18-26.5
X-діа- Ku 2 Ku 1 Ku 1 K
пазон низхідні лінії висхідні лінії
CaSn0.1SiO3.2 LiAlSiO4 + B2O3
Рис. 6. Робочі частоти моделі комірки антени з підкладками з різних термостабільних матеріалів,
представлених у роботі
Fig. 6. Operating frequencies of the antenna cell model with substrates made of different thermostable materials
presented in this paper.
Вплив діелектричних властивостей підкладки з синтезованих нами або відомих
матеріалів, що мають термостабільні властивості, на характеристики спектру антени в діапазоні
5G FR3, наведено на рис. 6. Як видно з рис. 6, за заданих розмірів антена з підкладкою із
синтезованого SrY2O4 працюватиме на частотах 8.6–11 ГГц. У цій області працюють
Рис. 5. Залежність центральної частоти (а) та ширини робочої смуги частот (б) спектру
планарної антени від діелектричної проникності матеріалу підкладки
Fig. 5. Dependence of the center frequency (a) and the operating band width (b) of the planar
antenna spectrum on the dielectric constant of the substrate material.
68 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2024
НАДВИСОКОЧАСТОТНІ ДІЕЛЕКТРИКИ ДЛЯ ПЛАНАРНИХ СТРУКТУР 5G FR3- ДІАПАЗОНУФІЗИЧНА ХІМІЯ
Ширину спектру поглинання W та його
положення f визначали з профілю спектру
зі співвідношень W = f2–f1таf = (f1+f2)/2 від
повідно. Отримані залежності центральної
частоти та ширини робочої області спектру
від значення діелектричної проникності
підкладки представлено на рис. 5s. Підви
щення діелектричної проникності підклад
ки зумовлює як зміщення спектру у сто
рону низьких частот, так і звуження смуги
поглинання. Отримані результати свідчать
про можливість оптимізації характеристик
антени шляхом вибору відповідного мате
ріалу підкладки.
5 10 15
10
12
14
16
18
Ц
ен
тр
ал
ьн
а
ча
ст
от
а,
Г
Гц
e
а
4 8 12
2.4
2.8
3.2
e
Ш
ир
ин
а
сп
ек
тр
у,
Г
Гц
б
Рис. 5. Залежність центральної частоти (а) та ширини робочої смуги частот (б) спектру планарної антени
від діелектричної проникності матеріалу підкладки
Fig. 5. Dependence of the center frequency (a) and the operating band width (b) of the planar antenna spectrum
on the dielectric constant of the substrate material.
Ширину спектру поглинання W та його положення f визначали з профілю спектру зі
співвідношень W = f2–f1таf = (f1+f2)/2 відповідно. Отримані залежності центральної частоти та
ширини робочої області спектру від значення діелектричної проникності підкладки
представлено на рис. 5s. Підвищення діелектричної проникності підкладки зумовлює як
зміщення спектру у сторону низьких частот, так і звуження смуги поглинання. Отримані
результати свідчать про можливість оптимізації характеристик антени шляхом вибору
відповідного матеріалу підкладки.
8 10 12 14 16 18 20
Частота, ГГц
SrY2O4
Mg2SiO4
+ TiO2
0.945 SiO2
- 0.055 Li2TiO3
SrYSmO4
Zn2SiO4
+ TiO2
Mg1.9Cu0.8-
SiO4
8-12 10.70-12.70 12.75-13.25 13.75-14.50 18-26.5
X-діа- Ku 2 Ku 1 Ku 1 K
пазон низхідні лінії висхідні лінії
CaSn0.1SiO3.2 LiAlSiO4 + B2O3
Рис. 6. Робочі частоти моделі комірки антени з підкладками з різних термостабільних матеріалів,
представлених у роботі
Fig. 6. Operating frequencies of the antenna cell model with substrates made of different thermostable materials
presented in this paper.
Вплив діелектричних властивостей підкладки з синтезованих нами або відомих
матеріалів, що мають термостабільні властивості, на характеристики спектру антени в діапазоні
5G FR3, наведено на рис. 6. Як видно з рис. 6, за заданих розмірів антена з підкладкою із
синтезованого SrY2O4 працюватиме на частотах 8.6–11 ГГц. У цій області працюють
Рис. 6. Робочі частоти моделі ко
мірки антени з підкладками з різних
термостабільних матеріалів, предс
тавлених у роботі
Fig. 6. Operating frequencies of
the antenna cell model with substrates
made of different thermostable materi
als presented in this paper.
Вплив діелектричних властивостей під
кладки з синтезованих нами або відомих
матеріалів, що мають термостабільні вла
стивості, на характеристики спектру анте
ни в діапазоні 5G FR3, наведено на рис. 6.
Як видно з рис. 6, за заданих розмірів ан
тена з підкладкою із синтезованого SrY2O4
працюватиме на частотах 8.6–11 ГГц. У цій
області працюють супутникове телебачен
ня [3], радари (авіаційні високоточні рада
ри наближення, погодні, поліцейські рада
ри), в системах зв’язку прямої видимості
(line-of-sight, LOS) та системах електронної
звітності/журналістики (electronic news ga
thering, ENG) [3]. Вирішальним фактором
для застосування у кожному випадку буде
досягнення високої добротності та термос
табільності і тому можна виділити син
тезований у зазначеній роботі SrY2O4 та
Mg2SiO4, отриманий в праці [6]. Синтезо
ваний SrYSmO4 також є термостабільним,
антена з його використанням перекриває
область спектру одразу після антени з під
кладкою з SrY2O4 що відповідає частотній
області комерційного супутникового зв’яз
ку [23]. Однак відносно низька добротність
Q×f ≈ 17800 обмежує його застосування,
тому доцільно проводити додаткові дослі
дження для оцінки можливостей підви
щення добротності SrYSmO4.
ВИСНОВКИ. Синтезовано матеріали
зі структурою шпінелі складу SrY2O4 та
SrYSmO4, показано їхню високу темпера
турну стабільність (ТКε ~ 0). Отриманий
SrY2O4 відповідає вимогам до діелектрич
них матеріалів у міліметровому діапазоні
хвиль, перевершуючи аналоги з літератур
них джерел за електрофізичною добротні
стю, тоді як для використання SrYSmO4 не
обхідним є підвищення добротності.
69https://ucj.org.ua
О. П. Федорчук, О. І. В’юнов, Т. О. Плутенко, Ю. Д. Ступін, А. Г. Білоус УХЖ № 4 / ТОМ 90
Шляхом моделювання отримано спектр
поглинання комірки антени на основі по
двійного розрізаного кільцевого резона
тора з діелектричною підкладкою із син
тезованих матеріалів. Отримані спектри
вказують на придатність комірки для вико
ристання у міліметровому діапазоні хвиль.
Частотний діапазон відповідає частотам,
на яких працюють або передбачено робо
ту супутникового телебачення, авіаційних,
погодних і поліцейських радарів), систем
зв’язку прямої видимості та систем елек
тронної звітності, супутникового зв’язку.
Роботу виконано за підтримки
Національного фонду досліджень
України в рамках проекту «Мікро-
хвильові пристрої на основі резо-
нансних структур із метаматеріаль-
ними властивостями для захисту
життєдіяльності та інформаційної
безпеки України», ID 2021.01/0030.
MICROWAVE DIELECTRICS FOR APPLICATIONS
IN THE 5G FR3 RANGE.
O. P. Fedorchuk, O. I. V’yunov, T. O. Plutenko,
Yu. D. Stupin, A. G. Bilous
V. I. Vernadsky Institute of General and Inor
ganic Chemistry of the National Academy of
Sciences of Ukraine,
32/34 Academic Palladin ave., 03142 Kyiv,
Ukraine
e-mail: alex1377c9@gmail.com
The 5G FR3 band requires low-permit
tivity materials. Spinel-structured materials,
like SrY2O4, are promising due to their high
Q-factor and tunability. However, their prac
tical performance limits in terms of frequency
range need further investigation. Planar tech
nologies like microstrip lines and metamate
rials, using these materials as substrates, can
enable efficient and high-frequency devices for
5G and beyond.
This study aimed to synthesize ceramic
materials with the compositions SrY2O4 and
SrYSmO4, possessing a spinel structure, and
investigate their properties. The potential ap
plication of these materials in millimeter-wave
devices and instruments was explored by mo
deling the spectral characteristics of antennas
utilizing these materials as substrates and com
paring the results with those obtained from li
terature-reported materials.
High-purity (≥99%) SrCO3, CaCO3, Sm2O3,
and Y2O3 powders were employed as starting
materials. Stoichiometric quantities of the
raw materials were mixed, ball-milled, dried,
sieved, calcined, and re-milled. A binder was
added, and the mixture was pressed into pel
lets. The green compacts were sintered at tem
peratures ranging from 1480 to 1560 °C for du
rations of 2–6 hours, with a heating and cool
ing rate of 200 °C/h.
A quality factor Q×f = 89400 at a frequency
of 11 GHz was achieved with a dielectric per
mittivity εr = 15.4 and a near zero temperature
coefficient of dielectric permittivity/frequency
TКε. The substitution of yttrium with samarium
further decreased the dielectric permittivity to
9.4 but significantly reduced the quality factor of
the material Q·f = 17800. The obtained SrY2O4
meets the requirements for dielectric materials
in the centimeter wave range. It surpasses most
70 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2024
НАДВИСОКОЧАСТОТНІ ДІЕЛЕКТРИКИ ДЛЯ ПЛАНАРНИХ СТРУКТУР 5G FR3- ДІАПАЗОНУФІЗИЧНА ХІМІЯ
materials in the millimeter wave range present
ed in the literature in terms of characteristics set.
Modeling of an antenna cell based on a dou
ble split-ring resonator showed the possibility
of using microstrip materials and metamateri
als with substrates made of the prepared ma
terials in the frequency range of 8.6–11 GHz
and adjacent ranges, which are used in satellite
communication and television systems, avia
tion, weather, and police radars, line-of-sight
(LOS) communication systems and electronic
news gathering (ENG) systems.
Keywords: spinel structure, millimeter wa
ve range, temperature stability, dielectric sub
strates, communication systems.
ЛІТЕРАТУРА
1. World Radio communication Conference
2023 (WRC-23). Provisional Final Acts. 2023.
https://www.itu.int/dms_pub/itu-r/opb/act/R-
ACT-WRC.15-2023-PDF-E.pdf.
2. European Telecommunications Standards
Institute. 5G NR User Equipment (UE) radio
transmission and reception. 2020.
3. Kamutzki F., Schneider S., Barowski J., Gur
lo A., Hanaor D. A. H. Silicate dielectric ce
ramics for millimetre wave applications. J Eur
Ceram Soc. 2021. 41(7). P. 3879–3894.
DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2021.02.048.
4. Peng R., Li Y., Su H., Lu Y., Shi L., Yu G., Wang
G., Gan G., Yu C. Three‐phase borate solid
solution with low sintering temperature, high‐
quality factor, and low dielectric constant. J Am
Ceram Soc. 2021. 104(7). P. 3303–3315.
DOI: 10.1111/jace.17707.
5. He G.Q., Jiang Y., Song K. X., Liu Y. J., Nie Y.,
Zhang W. J., Zhao Z. Q., He Y. H., Ma X. Y.,
Chen X. L., Li X., Zhou H. Ultra high Q Sr1+x
Y2O4+x (x=0-0.04) microwave dielectric cera
mics for temperature-stablemillimeter-wave
dielectric resonator antennas. JAdvCeram.
2024. 13(2). P. 155–165.
DOI: 10.26599/Jac.2024.9220828.
6. Ullah A., Liu H., Pengcheng Z., Hao H., Iqbal J.,
Cao M., Yao Z., Ahmad A. S., Manan A. Influ
ence of Cosubstitution on the phase, micro
structure, and microwave dielectric proper
ties of MgSiO3 ceramics. Journal of Materials
Science: Materialsin Electronics. 2019. 30(7).
P. 6469–6474.
DOI: 10.1007/s10854-019-00951-8.
7. Dong M. Z., Yue Z. X., Zhuang H., Meng S. Q.,
Li L. T. Microstructure and Microwave Dielec
tric Properties of TiO2-Doped Zn2SiO4 Cera
mics Synthesized Through the Sol-GelProcess.
J AmCeramSoc. 2008. 91(12). P. 3981–3985.
DOI: 10.1111/j.1551-2916.2008.02814.x.
8. Lai Y.M., Tang X.L., Huang X., Zhang H.W.,
Liang X.F., Li J., Su H. Phase composition, crys
tal structure and microwave dielectric proper
ties of Mg2-xCuxSiO4 ceramics. J EurCeramSoc.
2018. 38(4). P. 1508–1516.
DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2017.10.035.
9. Du K., Song X. Q., Li J., Wu J. M., Lu W. Z.,
Wang X. C., Lei W. Optimised phase composi
tions and improved microwave dielectric pro
perties based on calcium in silicates. J EurCe
ramSoc. 2019. 39(2–3). P. 340–345.
DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2018.10.005.
10. Wei R.F., Yang L.P., Zhang X., Tian X.L., Peng
X.S., Hu F.F., Guo H. Energy transfer and high
ly thermal stability in single-phase SrY2O4:Bi3+,
Sm3+phosphors for UV-LEDs. J Lumin. 2020.
228. P. 117606.
DOI: 10.1016/j.jlumin.2020.117606.
11. Ma L. Z., Tian G., Xiao H. Z., Jiang L. X.,
Du Q. B., Li H., Yang B. A novelspinel-type
Mg3Ga2SnO8 microwave dielectric ceramic
with low εr and low loss. J EurCeramSoc. 2024.
44(10). P. 5731–5737.
DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2024.03.027.
12. Ma L. Z., Tian G., Xiao H. Z., Jiang L. X., Du
Q. B., Li H. Microwave dielectric properties
and chemical bond of novel spinel-structure
Zn3Ga2SnO8 ceramics. CeramInt. 2024. 50(13).
P. 24508–24514.
DOI: 10.1016/j.ceramint.2024.04.184.
71https://ucj.org.ua
О. П. Федорчук, О. І. В’юнов, Т. О. Плутенко, Ю. Д. Ступін, А. Г. Білоус УХЖ № 4 / ТОМ 90
13. He G. Q., Ma X. Y., Liu Y. J., He Y. H., Xiao
Y. Q., Qu X., Deng S., Liu K. Y., Wang X., Zhou
S. C., Li Q., Dai Z., Wu Y., Chen X., Zhou H.
Sintering characteristics and microwave die
lectric properties of ultra low-loss SrY2O4 cera
mics. CeramInt. 2022. 48(15). P. 21299–21304.
DOI: 10.1016/j.ceramint.2022.04.081.
14. Narang S. B., Pubby K. Nickel Spinel Ferrites: A
review. Journal of Magnetismand Magnetic Ma-
terials. 2021. 519. P. 167163.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2020.167
163.
15. Elalaouy O., ElGhzaoui M., Foshi J. Enhancing
antenna performance: A comprehensive review
of metamaterial utilization. MaterialsScience-
andEngineering: B. 2024. 304. P. 117382.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.mseb.2024.117382.
16. Wu X., Yan H., Zhou Y., Zhang P., Lu Q., Shi H.
Review of additive manufactured metallic me
tamaterials: Design, fabrication, property and
application. Optics&Laser Technology. 2025.
182. P. 112066. DOI: https://doi.org/10.1016/j.
optlastec.2024.112066.
17. LeBail A. Whole powder pattern decomposi
tion methods and applications: A retrospec
tion. PowderDiffr. 2005. 20(4). P. 316–326.
DOI: 10.1154/1.2135315.
18. Collins T. J. Image J for microscopy. Biotech-
niques. 2007. 43(1). P. 25–30.
DOI: https://doi.org/10.2144/000112517.
19. Krupka J., Derzakowski K., Riddle B., Baker-
Jarvis J. A dielectric resonator for measure
ments of complex permittivity of low loss di
electricmaterials as a function of temperature.
MeasSciTechnol. 1998. 9(10). P. 1751–1756.
DOI: 10.1088/0957-0233/9/10/015.
20. Al-badri K. S. L. Electromagnetic broad band
absorber based on metamaterial and lumped
resistance. J KingSaudUnivSci. 2020. 32(1).
P. 501–506.
DOI: 10.1016/j.jksus.2018.07.013.
21. Hu C. X., Liu P. Microwave dielectric proper
ties of SiO2 ceramics with addition of Li2TiO3.
MaterResBull. 2015. 65. P. 132–136.
DOI: 10.1016/j.materresbull.2015.01.034.
22. Kweon S. H., Joung M. R., Kim J. S., Kim B. Y.,
Nahm S., Paik J. H., Kim Y. S., Sung T. H. Low
Temperature Sintering and Microwave Dielec
tric Properties of B2O3-added LiAlSiO4 Cera
mics. J AmCeramSoc. 2011. 94(7). P.1995–1998.
DOI: 10.1111/j.1551-2916.2011.04619.x.
23. Whitaker J. C. The Electronics Handbook. CRC
Press. 2005.
REFERENCES
1. World Radio communication Conference
2023 (WRC-23). Provisional Final Acts. 2023.
https://www.itu.int/dms_pub/itu-r/opb/act/R-
ACT-WRC.15-2023-PDF-E.pdf.
2. European Telecommunications Standards
Institute. 5G NR User Equipment (UE) radio
transmission and reception. 2020.
3. Kamutzki F., Schneider S., Barowski J., Gurlo
A., Hanaor D. A. H. Silicate dielectric ceramics
for millimetre wave applications. J Eur Ceram
Soc. 2021. 41(7): 3879–3894.
DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2021.02.048.
4. Peng R., Li Y., Su H., Lu Y., Shi L., Yu G., Wang
G., Gan G., Yu C. Three‐phase borate solid
solution with low sintering temperature, high‐
quality factor, and low dielectric constant. J Am
Ceram Soc. 2021. 104(7): 3303–3315.
DOI: 10.1111/jace.17707.
5. He G.Q., Jiang Y., Song K. X., Liu Y. J., Nie Y.,
Zhang W. J., Zhao Z. Q., He Y. H., Ma X. Y., Chen
X. L., Li X., Zhou H. Ultra high Q Sr1+xY2O4+x
(x=0-0.04) microwave dielectric ceramics for
temperature-stablemillimeter-wave dielectric
resonator antennas. JAdvCeram. 2024. 13(2):
155–165.
DOI: 10.26599/Jac.2024.9220828.
6. Ullah A., Liu H., Pengcheng Z., Hao H., Iqbal J.,
Cao M., Yao Z., Ahmad A. S., Manan A. Influ
ence of Cosubstitution on the phase, micro
structure, and microwave dielectric proper
ties of MgSiO3 ceramics. Journal of Materials
Science: Materialsin Electronics. 2019. 30(7):
6469–6474.
DOI: 10.1007/s10854-019-00951-8.
7. Dong M. Z., Yue Z. X., Zhuang H., Meng S. Q.,
72 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2024
НАДВИСОКОЧАСТОТНІ ДІЕЛЕКТРИКИ ДЛЯ ПЛАНАРНИХ СТРУКТУР 5G FR3- ДІАПАЗОНУФІЗИЧНА ХІМІЯ
Li L. T. Microstructure and Microwave Dielec
tric Properties of TiO2-Doped Zn2SiO4 Cera
mics Synthesized Through the Sol-GelProcess.
J AmCeramSoc. 2008. 91(12): 3981–3985.
DOI: 10.1111/j.1551-2916.2008.02814.x.
8. Lai Y.M., Tang X.L., Huang X., Zhang H.W.,
Liang X.F., Li J., Su H. Phase composition, crys
tal structure and microwave dielectric proper
ties of Mg2-xCuxSiO4 ceramics. J EurCeramSoc.
2018. 38(4): 1508–1516.
DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2017.10.035.
9. Du K., Song X. Q., Li J., Wu J. M., Lu W. Z.,
Wang X. C., Lei W. Optimised phase composi
tions and improved microwave dielectric pro
perties based on calcium in silicates. J EurCer-
amSoc. 2019. 39(2-3): 340–345.
DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2018.10.005.
10. Wei R.F., Yang L.P., Zhang X., Tian X.L., Peng
X.S., Hu F.F., Guo H. Energy transfer and high
ly thermal stability in single-phase SrY2O4:Bi3+,
Sm3+ phosphors for UV-LEDs. J Lumin. 2020.
228: 117606.
DOI: 10.1016/j.jlumin.2020.117606.
11. Ma L. Z., Tian G., Xiao H. Z., Jiang L. X.,
Du Q. B., Li H., Yang B. A novelspinel-type
Mg3Ga2SnO8 microwave dielectric ceramic
with low εr and low loss. J EurCeramSoc. 2024.
44(10): 5731–5737.
DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2024.03.027.
12. Ma L. Z., Tian G., Xiao H. Z., Jiang L. X., Du Q.
B., Li H. Microwave dielectric properties and
chemical bond of novel spinel-structure Zn
3Ga2SnO8 ceramics. Ceram Int. 2024. 50(13):
24508–24514.
DOI: 10.1016/j.ceramint.2024.04.184.
13. He G. Q., Ma X. Y., Liu Y. J., He Y. H., Xiao
Y. Q., Qu X., Deng S., Liu K. Y., Wang X., Zhou
S. C., Li Q., Dai Z., Wu Y., Chen X., Zhou H.
Sintering characteristics and microwave die
lectric properties of ultra low-loss SrY2O4 cera
mics. CeramInt. 2022. 48(15): 21299–21304.
DOI: 10.1016/j.ceramint.2022.04.081.
14. Narang S. B., Pubby K. Nickel Spinel Ferrites: A
review. Journal of Magnetismand Magnetic Ma-
terials. 2021. 519: 167163.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2020.167
163.
15. Elalaouy O., ElGhzaoui M., Foshi J. Enhancing
antenna performance: A comprehensive review
of metamaterial utilization. Materials Science-
and Engineering: B. 2024. 304: 117382.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.mseb.2024.117382.
16. Wu X., Yan H., Zhou Y., Zhang P., Lu Q., Shi H.
Review of additive manufactured metallic me
tamaterials: Design, fabrication, property and
application. Optics&LaserTechnology. 2025.
182: 112066.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2024.
112066.
17. LeBail A. Whole powder pattern decomposi
tion methods and applications: A retrospec
tion. PowderDiffr. 2005. 20(4): 316–326.
DOI: 10.1154/1.2135315.
18. Collins T. J. Image J for microscopy. Biotech-
niques. 2007. 43(1): 25–30.
DOI: https://doi.org/10.2144/000112517.
19. Krupka J., Derzakowski K., Riddle B., Baker-
Jarvis J. A dielectric resonator for measure
ments of complex permittivity of low loss di
electricmaterials as a function of temperature.
MeasSciTechnol. 1998. 9(10): 1751–1756.
DOI: 10.1088/0957-0233/9/10/015.
20. Al-badri K. S. L. Electromagnetic broad band
absorber based on metamaterial and lumped
resistance. J KingSaudUnivSci. 2020. 32(1):
501–506. DOI: 10.1016/j.jksus.2018.07.013.
21. Hu C. X., Liu P. Microwave dielectric proper
ties of SiO2 ceramics with addition of Li2TiO3.
MaterResBull. 2015. 65: 132–136.
DOI: 10.1016/j.materresbull.2015.01.034.
22. Kweon S. H., Joung M. R., Kim J. S., Kim B. Y.,
Nahm S., Paik J. H., Kim Y. S., Sung T. H. Low
Temperature Sintering and Microwave Dielec
tric Properties of B2O3-added LiAlSiO4 Cera
mics. J AmCeramSoc. 2011. 94(7): 1995–1998.
DOI: 10.1111/j.1551-2916.2011.04619.x.
23. Whitaker J. C. The Electronics Handbook. CRC
Press. 2005.
Стаття надійшла 21.03.2024.
|
| id | oai:ojs2.1444248.nisspano.web.hosting-test.net:article-654 |
| institution | Ukrainian Chemistry Journal |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | English |
| last_indexed | 2026-07-23T01:11:42Z |
| publishDate | 2024 |
| publisher | V.I.Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | ucjorgua/36/7e025c5407a8b451f037f7e606dbb036.pdf |
| spelling | oai:ojs2.1444248.nisspano.web.hosting-test.net:article-6542026-07-22T08:23:54Z MICROWAVE DIELECTRICS FOR APPLICATIONS IN THE 5G FR3 RANGE Fedorchuk, Oleksandr V’yunov, Oleg Plutenko, Tetiana Belous, Anatolii spinel structure, millimeter wave range, temperature stability, dielectric substrates, communication systems. The 5G FR3 band requires low-permittivity materials. Spinel-structured materials, like SrY2O4, are promising due to their high Q-factor and tunability. However, their practical performance limits in terms of frequency range need further investigation. Planar technologies like microstrip lines and metamaterials, using these materials as substrates, can enable efficient and high-frequency devices for 5G and beyond. This study aimed to synthesize ceramic materials with the compositions SrY2O4and&nbsp; SrYSmO4, possessing a spinel structure, and investigate their properties. The potential application of these materials in millimeter-wave devices and instruments was explored by modeling the spectral characteristics of antennas utilizing these materials as substrates and comparing the results with those obtained from literature-reported materials. High-purity (≥99%) SrCO3, CaCO3, Sm2O3, and Y2O3 powders were employed as starting materials. Stoichiometric quantities of the raw materials were mixed, ball-milled, dried, sieved, calcined, and re-milled. A binder was added, and the mixture was pressed into pellets. The green compacts were sintered at temperatures ranging from 1480 to 1560&nbsp;°C for durations of 2–6 hours, with a heating and cooling rate of 200 °C/h. A quality factor Q×f = 89400 at a frequency of 11 GHz was achieved with a dielectric permittivity εr = 15.4 and a near zero temperature coefficient of dielectric permittivity/frequency TКε. The substitution of yttrium with samarium further decreased the dielectric permittivity to 9.4 but significantly reduced the quality factor of the material Q·f = 17800. The obtained SrY2O4 meets the requirements for dielectric materials in the centimeter wave range. It surpasses most materials in the millimeter wave range presented in the literature in terms of characteristics set. Modeling of an antenna cell based on a double split-ring resonator showed the possibility of using microstrip materials and metamaterials with substrates made of the prepared materials in the frequency range of 8.6–11 GHz and adjacent ranges, which are used in satellite communication and television systems, aviation, weather, and police radars, line-of-sight (LOS) communication systems and electronic news gathering (ENG) systems. V.I.Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry 2024-05-27 Article Article Physical chemistry Физическая xимия Фізична xімія application/pdf https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/654 10.33609/2708-129X.90.4.2024.60-72 Ukrainian Chemistry Journal; Vol. 90 No. 4 (2024): Ukrainian Chemistry Journal; 60-72 Украинский химический журнал; ##issue.vol## 90 ##issue.no## 4 (2024): Ukrainian Chemistry Journal; 60-72 Український хімічний журнал; Том 90 № 4 (2024): Ukrainian Chemistry Journal; 60-72 2708-129X 2708-1281 en https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/654/327 Copyright (c) 2024 Oleksandr Fedorchuk, Oleg V’yunov, Tetiana Plutenko, Anatolii Belous https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0 |
| spellingShingle | Fedorchuk, Oleksandr V’yunov, Oleg Plutenko, Tetiana Belous, Anatolii MICROWAVE DIELECTRICS FOR APPLICATIONS IN THE 5G FR3 RANGE |
| title | MICROWAVE DIELECTRICS FOR APPLICATIONS IN THE 5G FR3 RANGE |
| title_full | MICROWAVE DIELECTRICS FOR APPLICATIONS IN THE 5G FR3 RANGE |
| title_fullStr | MICROWAVE DIELECTRICS FOR APPLICATIONS IN THE 5G FR3 RANGE |
| title_full_unstemmed | MICROWAVE DIELECTRICS FOR APPLICATIONS IN THE 5G FR3 RANGE |
| title_short | MICROWAVE DIELECTRICS FOR APPLICATIONS IN THE 5G FR3 RANGE |
| title_sort | microwave dielectrics for applications in the 5g fr3 range |
| topic_facet | spinel structure millimeter wave range temperature stability dielectric substrates communication systems. |
| url | https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/654 |
| work_keys_str_mv | AT fedorchukoleksandr microwavedielectricsforapplicationsinthe5gfr3range AT vyunovoleg microwavedielectricsforapplicationsinthe5gfr3range AT plutenkotetiana microwavedielectricsforapplicationsinthe5gfr3range AT belousanatolii microwavedielectricsforapplicationsinthe5gfr3range |