С развитием технологий уменьшаются размеры радиоэлектронного оборудования, но 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, с ростом количества антенн спрос на них увеличится. По мнению специалистов, предпочтение отдадут керамическим диэлектрическим фильтрам. По сравнению с металлическими полыми фильтрами, которые все еще используют, например, ZTE и Nokia, устройства из керамики меньше, легче, зато с высоким фактором 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.
– Относительная простота синтеза, возможность варьирования микроволновых параметров 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, – объясняет старший научный сотрудник лаборатории роста кристаллов НОЦ «Нанотехнологии» ЮУрГУ Сергей Труханов.
Образцы керамики получили в НОЦ «Нанотехнологии». Он 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 снизив температуру спекания керамики. В образцах распределению зерен по размеру придали гомогенность, то есть обеспечили равномерность. Плотность распределения зерен также оказалась выше.
– В лаборатории ЮУрГУ проведена аттестация структурных и электродинамических характеристик образцов в широких частотных и температурных интервалах. Установлена корреляция между использованием различных оксидных добавок и физическими характеристиками полученных материалов. Наши коллеги из КНР провели исследования антенных характеристик синтезированных материалов. Получены данные о температурной стабильности и ультранизких потерях в них. Прототип антенны из диэлектрического резонатора, изготовленный из нашей керамики, продемонстрировал хорошие характеристики, – продолжает Сергей Валентинович.
В исследовании кроме того участвовали исследователи из других регионов Российской Федерации, а также из Индии. По мнению Сергея Труханова, именно при международном сотрудничестве, объединив возможности разных научных коллективов, можно получить интересные и востребованные результаты. Ученые намерены продолжить изучение новых образцов керамики – варьировать химический состав, чтобы повысить необходимые свойства, 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 найдут применение в антенных технологиях.
Исследования в области материаловедения, наряду с цифровой индустрией и экологией, являются одним из трех стратегических направлений развития научной и образовательной деятельности Южно-Уральского государственного университета. ЮУрГУ – участник Проекта 5-100, призванного повысить конкурентоспособность российских университетов среди ведущих мировых научно-образовательных центров.