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工科性質(zhì)的它，不但研制生產(chǎn)軍用產(chǎn)品，也出民用產(chǎn)品。5G建設(shè)中需要應(yīng)用的關(guān)鍵材料——微波介質(zhì)陶瓷，就是中國(guó)電科十三所（以下簡(jiǎn)稱“十三所”）耕耘已久的一塊良田。

務(wù)實(shí)，是十三所低調(diào)的另一面展現(xiàn)。面對(duì)封鎖，十三所周水杉研究員依舊大氣從容：“我們應(yīng)該踏實(shí)地把工作干好，不能用民族主義去應(yīng)對(duì)。”

踏實(shí)搞科研，他確實(shí)是這么做的，一心撲在微波介質(zhì)陶瓷和微波介質(zhì)濾波器，及傳感器、雙工器、加熱器等應(yīng)用方面的研究，耕耘了三十多年，在科研生涯里結(jié)出累累碩果，輸出 41件專利，其中28件是第一發(fā)明人。

這個(gè)微波介質(zhì)陶瓷領(lǐng)域的老兵，見(jiàn)證了國(guó)內(nèi)微波介質(zhì)陶瓷在艱苦歲月中蹣跚前進(jìn)的步伐。而今，幾經(jīng)沉浮的微波介質(zhì)陶瓷在5G時(shí)代掀開的大幕中，又一次迎來(lái)了曙光。

01

幾經(jīng)浮沉的發(fā)展史

5G基站的建設(shè)如火如荼。

基站里面有一個(gè)關(guān)鍵部件—濾波器。每個(gè)基站有專屬而明確的工作頻段，這要求基站具備選擇各種頻率信號(hào)來(lái)進(jìn)行收發(fā)的能力。濾波器的作用就是幫助基站完成這項(xiàng)工作，讓需要的頻率信號(hào)通過(guò)，阻攔其他頻率信號(hào)。

5G信號(hào)頻率高，波長(zhǎng)短，衍射能力弱，因此基站開始縮小體積，密集地分布在各個(gè)地點(diǎn)。

基站要小型化，濾波器也相應(yīng)要縮小，此時(shí)體積較大的金屬腔體濾波器顯然無(wú)法完成“瘦身”要求，微波介質(zhì)陶瓷波導(dǎo)濾波器順理成章地站在了風(fēng)口。

微波介質(zhì)陶瓷是款神奇的“可瘦身”材料，在周水杉研究員的眼里，站在5G風(fēng)口的微波介質(zhì)陶瓷，當(dāng)年也是這么站在微波中繼通信的風(fēng)口的。

在沒(méi)有光纖的年代，通信是靠微波來(lái)傳遞的。假如從北京發(fā)出信號(hào)到深圳，在這個(gè)跨度里面，需要每隔50公里設(shè)置一個(gè)站，這些基站里面需要用到諧振器，其關(guān)鍵材料就是微波介質(zhì)陶瓷。一年10萬(wàn)支的微波陶瓷諧振器，對(duì)于當(dāng)時(shí)的微波介質(zhì)陶瓷而言是天量的數(shù)字。

早前的諧振器是靠殷鋼來(lái)做的，它的體積是介質(zhì)陶瓷諧振器的數(shù)十倍甚至上百倍，除了體積大，還不能調(diào)整諧振頻率的溫度系數(shù)，使用不便。可見(jiàn)，微波介質(zhì)陶瓷的瘦身，為通信的固體化、集成化帶來(lái)了可能。

使得微波介質(zhì)陶瓷“可瘦身”的“魔力”是什么？

和諧振器一樣，在上世紀(jì)70年代，國(guó)家的很多微波儀器設(shè)備也需要面臨體積縮小的難題。面對(duì)國(guó)家的需求，十三所就承擔(dān)起了微波介質(zhì)陶瓷的研究工作。

周水杉為《大國(guó)之材》揭開了它“可瘦身”的奧秘。“如二氧化鈦陶瓷，介電常數(shù)較大，它的原來(lái)尺寸除以介電常數(shù)開平方，就是它可縮小的一維線長(zhǎng)度。”

1939年，國(guó)外一位科學(xué)家提出一個(gè)理論，電磁波入射到兩個(gè)介電常數(shù)不同的界面，如果入射角合適，就能產(chǎn)生全反射，形成諧振。以此推測(cè)，陶瓷可以用作諧振器。

到了上世紀(jì)70年代，二氧化鈦陶瓷有了技術(shù)上的突破，理論被迫不及待的需求變成商業(yè)化的產(chǎn)品。

此時(shí)的周水杉剛剛進(jìn)入這一行，畢業(yè)于天津大學(xué)電子陶瓷專業(yè)的他，進(jìn)入中國(guó)電科十三所。1983年，在導(dǎo)師的帶領(lǐng)下展開了相關(guān)的研究，成為國(guó)內(nèi)微波介質(zhì)陶瓷及介質(zhì)濾波器開創(chuàng)者之一。

和國(guó)外的情況一樣，國(guó)內(nèi)的微波介質(zhì)陶瓷被研發(fā)出來(lái)，但由于當(dāng)時(shí)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)并不發(fā)達(dá)，在民用方面的應(yīng)用領(lǐng)域有限，因此其發(fā)展經(jīng)歷也是幾經(jīng)浮沉。

最早的導(dǎo)入應(yīng)用就是中繼通信。90年前后，衛(wèi)星電視的出現(xiàn)又給微波介質(zhì)陶瓷材料帶來(lái)了新的機(jī)遇，微波介質(zhì)振蕩器在衛(wèi)星電視高頻頭上得到大量的應(yīng)用，行業(yè)得到了空前的發(fā)展。

但很快地，一方面，衛(wèi)星電視高頻頭的震蕩器、混頻器、放大器等微波器件用半導(dǎo)體工藝直接合成在一起，也不再采用微波介質(zhì)諧振器，微波介質(zhì)諧振器需求大幅萎縮；另一方面，衛(wèi)星電視逐漸被淘汰。這給整個(gè)行業(yè)都造成了重大打擊，大量企業(yè)在此期間破 產(chǎn)、倒 閉、淘汰。

如今，微波介質(zhì)陶瓷又迎來(lái)一個(gè)翻身的機(jī)會(huì)。進(jìn)入到5G時(shí)代，華為提出基站濾波器采用微波介質(zhì)陶瓷的方案。

“老兵”周水杉頗為感激地說(shuō)：“是華為這些高科技企業(yè)的選擇，讓微波介質(zhì)陶瓷又有了新的機(jī)遇。”

02

艱難的測(cè)試

作為現(xiàn)代通信的關(guān)鍵材料，微波介質(zhì)陶瓷的研發(fā)被多個(gè)國(guó)家列入戰(zhàn)略地位。

不少西方發(fā)達(dá)國(guó)家都將功能陶瓷作為關(guān)鍵技術(shù)，投入大量經(jīng)費(fèi)進(jìn)行研究和開發(fā)，中國(guó)也不例外。“5G里邊所用的介質(zhì)波導(dǎo)濾波器、介質(zhì)波導(dǎo)雙工器，中國(guó)目前是領(lǐng)先的。”周水杉對(duì)《大國(guó)之材》說(shuō)。

而在早期，微波介質(zhì)陶瓷的研制，卻像“兩彈一星”等尖端科研項(xiàng)目一樣歷經(jīng)困難重重。

科研人員面臨的最大的問(wèn)題就是微波介質(zhì)陶瓷參數(shù)測(cè)試，只有測(cè)試出結(jié)果才知道實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品的好壞，“沒(méi)有測(cè)試方法，沒(méi)有測(cè)試儀器，不會(huì)測(cè)、不能測(cè)。”周水杉回憶起當(dāng)初的窘境，有些無(wú)奈，這在當(dāng)年阻擋了很多想進(jìn)行微波介質(zhì)陶瓷研究的人。

他回憶道，當(dāng)時(shí)測(cè)試一個(gè)TE01模的諧振器，沒(méi)有測(cè)試儀器，只能用測(cè)電容的辦法測(cè)損耗角正切，頻率是1MHz，可測(cè)的精度非常差，“就好比拿一把米尺測(cè)1微米一樣。”

沒(méi)有夾具和儀器，周水杉只好用土辦法自己搭建測(cè)試儀器。用掃頻信號(hào)源作為頻率源，同時(shí)把示波器、功分器、耦合器、衰減器、隔離器、環(huán)形器等搭建測(cè)試系統(tǒng)，高Q的頻率計(jì)也處于缺乏狀態(tài)，當(dāng)初的周水杉經(jīng)常樓上樓下來(lái)回跑，“找了個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械式的，結(jié)果它自身的誤差都有2兆。”

周水杉是學(xué)材料出身的，對(duì)微波的理解深度有限，只能自己鉆研微波知識(shí)，然后找方法、找?jiàn)A具、找儀器去嘗試。回憶當(dāng)時(shí)的場(chǎng)景，他覺(jué)得無(wú)奈又好笑。

除了測(cè)試儀器，還有輔助材料、計(jì)算都是缺乏狀態(tài)。在計(jì)算機(jī)資源十分匱乏的年代，像“兩彈一星”這樣的尖端科技項(xiàng)目，繁瑣復(fù)雜的計(jì)算靠的是計(jì)算尺。“兩彈元?jiǎng)?rdquo;鄧稼先在研究原子彈的過(guò)程中，一個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)算上一遍，要有上萬(wàn)個(gè)網(wǎng)點(diǎn)，而每個(gè)網(wǎng)點(diǎn)要解五、六個(gè)方程。

“我們當(dāng)時(shí)搞這個(gè)材料的時(shí)候，測(cè)試方面的難度可能跟用計(jì)算尺計(jì)算導(dǎo)彈軌跡差不多。”

所幸的是，測(cè)試儀器在國(guó)家的幫助下得到了解決，微波介質(zhì)陶瓷的研究進(jìn)展也飛速突破。“中國(guó)人都是很聰明的，只要把短板補(bǔ)齊了，跟國(guó)外的差距就會(huì)越來(lái)越小，甚至?xí)^趕上。”

03

用做工藝品的方式做產(chǎn)品

微波介質(zhì)陶瓷產(chǎn)業(yè)的發(fā)展步伐愈發(fā)穩(wěn)健。

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2011年國(guó)內(nèi)微波介質(zhì)陶瓷行業(yè)規(guī)模約12.92億元，到2018年增長(zhǎng)到了22.9億元。

微波介質(zhì)陶瓷的應(yīng)用面也在不斷被挖掘出來(lái)。基站介質(zhì)陶瓷濾波器商業(yè)化之前，用量較大的是全球定位系統(tǒng)的貼片天線和共享單車定位天線。

隨著5G的爆發(fā)，面對(duì)5G濾波器巨量的需求，國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的介質(zhì)廠商以及4G時(shí)代的主流腔體濾波器廠商都進(jìn)行了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的布局，很多企業(yè)都在大資金投入建設(shè)陶瓷介質(zhì)濾波器生產(chǎn)線，擴(kuò)大產(chǎn)能儲(chǔ)備。

為了分得一杯羹，不少企業(yè)布局其中。面對(duì)企業(yè)反應(yīng)的直通率低的問(wèn)題，周水杉研究員表示，“如果用做藝術(shù)品的心態(tài)去做產(chǎn)品，這些問(wèn)題自然迎刃而解。”

隨著電子產(chǎn)品朝著輕薄化方向發(fā)展，微波介質(zhì)陶瓷以自身特性有了更多的用武之地，但加工工藝仍然有限，現(xiàn)在的陶瓷工藝都是通過(guò)成型、燒結(jié)、研磨、拋光等一些機(jī)械式的方式來(lái)調(diào)整其尺寸。“如果要在更高頻率的頻段上發(fā)揮作用，就要看能否用半導(dǎo)體工藝來(lái)對(duì)它進(jìn)行精細(xì)加工。”

挖掘微波介質(zhì)陶瓷的潛力，是行業(yè)人士一直在致力推動(dòng)的方向，“如果更高的介電常數(shù)、更小的微波損耗、更低的生產(chǎn)成本的陶瓷材料能被找到，它就能走到更寬廣的應(yīng)用空間里。”

如今，微波介質(zhì)陶瓷的發(fā)展瓶頸在于它的“魔咒”，在自然界中，介電常數(shù)越大的材料，微波的損耗也都同樣的較大。因此，要打破介電常數(shù)變大后，性能變差的“魔咒”。

為了更多地挖掘它的“魔力”，這所低調(diào)的科研機(jī)構(gòu)一直也在圍繞著它在轉(zhuǎn)，正如“老兵”周水杉所說(shuō)，從絕緣體、半導(dǎo)體到超導(dǎo)體，他愿意在這里開展更深入的研究和推廣工作。