工科性质的它，不但研制生产军用产品，也出民用产品。5G建设中需要应用的关键材料——微波介质陶瓷，就是中国电科十三所（以下简称“十三所”）耕耘已久的一块良田。

务实，是十三所低调的另一面展现。面对封锁，十三所周水杉研究员依旧大气从容：“我们应该踏实地把工作干好，不能用民族主义去应对。”

踏实搞科研，他确实是这么做的，一心扑在微波介质陶瓷和微波介质滤波器，及传感器、双工器、加热器等应用方面的研究，耕耘了三十多年，在科研生涯里结出累累硕果，输出 41件专利，其中28件是第一发明人。

这个微波介质陶瓷领域的老兵，见证了国内微波介质陶瓷在艰苦岁月中蹒跚前进的步伐。而今，几经沉浮的微波介质陶瓷在5G时代掀开的大幕中，又一次迎来了曙光。

01

几经浮沉的发展史

5G基站的建设如火如荼。

基站里面有一个关键部件—滤波器。每个基站有专属而明确的工作频段，这要求基站具备选择各种频率信号来进行收发的能力。滤波器的作用就是帮助基站完成这项工作，让需要的频率信号通过，阻拦其他频率信号。

5G信号频率高，波长短，衍射能力弱，因此基站开始缩小体积，密集地分布在各个地点。

基站要小型化，滤波器也相应要缩小，此时体积较大的金属腔体滤波器显然无法完成“瘦身”要求，微波介质陶瓷波导滤波器顺理成章地站在了风口。

微波介质陶瓷是款神奇的“可瘦身”材料，在周水杉研究员的眼里，站在5G风口的微波介质陶瓷，当年也是这么站在微波中继通信的风口的。

在没有光纤的年代，通信是靠微波来传递的。假如从北京发出信号到深圳，在这个跨度里面，需要每隔50公里设置一个站，这些基站里面需要用到谐振器，其关键材料就是微波介质陶瓷。一年10万支的微波陶瓷谐振器，对于当时的微波介质陶瓷而言是天量的数字。

早前的谐振器是靠殷钢来做的，它的体积是介质陶瓷谐振器的数十倍甚至上百倍，除了体积大，还不能调整谐振频率的温度系数，使用不便。可见，微波介质陶瓷的瘦身，为通信的固体化、集成化带来了可能。

使得微波介质陶瓷“可瘦身”的“魔力”是什么？

和谐振器一样，在上世纪70年代，国家的很多微波仪器设备也需要面临体积缩小的难题。面对国家的需求，十三所就承担起了微波介质陶瓷的研究工作。

周水杉为《大国之材》揭开了它“可瘦身”的奥秘。“如二氧化钛陶瓷，介电常数较大，它的原来尺寸除以介电常数开平方，就是它可缩小的一维线长度。”

1939年，国外一位科学家提出一个理论，电磁波入射到两个介电常数不同的界面，如果入射角合适，就能产生全反射，形成谐振。以此推测，陶瓷可以用作谐振器。

到了上世纪70年代，二氧化钛陶瓷有了技术上的突破，理论被迫不及待的需求变成商业化的产品。

此时的周水杉刚刚进入这一行，毕业于天津大学电子陶瓷专业的他，进入中国电科十三所。1983年，在导师的带领下展开了相关的研究，成为国内微波介质陶瓷及介质滤波器开创者之一。

和国外的情况一样，国内的微波介质陶瓷被研发出来，但由于当时市场经济并不发达，在民用方面的应用领域有限，因此其发展经历也是几经浮沉。

最早的导入应用就是中继通信。90年前后，卫星电视的出现又给微波介质陶瓷材料带来了新的机遇，微波介质振荡器在卫星电视高频头上得到大量的应用，行业得到了空前的发展。

但很快地，一方面，卫星电视高频头的震荡器、混频器、放大器等微波器件用半导体工艺直接合成在一起，也不再采用微波介质谐振器，微波介质谐振器需求大幅萎缩；另一方面，卫星电视逐渐被淘汰。这给整个行业都造成了重大打击，大量企业在此期间破 产、倒 闭、淘汰。

如今，微波介质陶瓷又迎来一个翻身的机会。进入到5G时代，华为提出基站滤波器采用微波介质陶瓷的方案。

“老兵”周水杉颇为感激地说：“是华为这些高科技企业的选择，让微波介质陶瓷又有了新的机遇。”

02

艰难的测试

作为现代通信的关键材料，微波介质陶瓷的研发被多个国家列入战略地位。

不少西方发达国家都将功能陶瓷作为关键技术，投入大量经费进行研究和开发，中国也不例外。“5G里边所用的介质波导滤波器、介质波导双工器，中国目前是领先的。”周水杉对《大国之材》说。

而在早期，微波介质陶瓷的研制，却像“两弹一星”等尖端科研项目一样历经困难重重。

科研人员面临的最大的问题就是微波介质陶瓷参数测试，只有测试出结果才知道实验产品的好坏，“没有测试方法，没有测试仪器，不会测、不能测。”周水杉回忆起当初的窘境，有些无奈，这在当年阻挡了很多想进行微波介质陶瓷研究的人。

他回忆道，当时测试一个TE01模的谐振器，没有测试仪器，只能用测电容的办法测损耗角正切，频率是1MHz，可测的精度非常差，“就好比拿一把米尺测1微米一样。”

没有夹具和仪器，周水杉只好用土办法自己搭建测试仪器。用扫频信号源作为频率源，同时把示波器、功分器、耦合器、衰减器、隔离器、环形器等搭建测试系统，高Q的频率计也处于缺乏状态，当初的周水杉经常楼上楼下来回跑，“找了个旋转机械式的，结果它自身的误差都有2兆。”

周水杉是学材料出身的，对微波的理解深度有限，只能自己钻研微波知识，然后找方法、找夹具、找仪器去尝试。回忆当时的场景，他觉得无奈又好笑。

除了测试仪器，还有辅助材料、计算都是缺乏状态。在计算机资源十分匮乏的年代，像“两弹一星”这样的尖端科技项目，繁琐复杂的计算靠的是计算尺。“两弹元勋”邓稼先在研究原子弹的过程中，一个关键数据算上一遍，要有上万个网点，而每个网点要解五、六个方程。

“我们当时搞这个材料的时候，测试方面的难度可能跟用计算尺计算导弹轨迹差不多。”

所幸的是，测试仪器在国家的帮助下得到了解决，微波介质陶瓷的研究进展也飞速突破。“中国人都是很聪明的，只要把短板补齐了，跟国外的差距就会越来越小，甚至会迎头赶上。”

03

用做工艺品的方式做产品

微波介质陶瓷产业的发展步伐愈发稳健。

相关数据显示，2011年国内微波介质陶瓷行业规模约12.92亿元，到2018年增长到了22.9亿元。

微波介质陶瓷的应用面也在不断被挖掘出来。基站介质陶瓷滤波器商业化之前，用量较大的是全球定位系统的贴片天线和共享单车定位天线。

随着5G的爆发，面对5G滤波器巨量的需求，国内传统的介质厂商以及4G时代的主流腔体滤波器厂商都进行了相关产业的布局，很多企业都在大资金投入建设陶瓷介质滤波器生产线，扩大产能储备。

为了分得一杯羹，不少企业布局其中。面对企业反应的直通率低的问题，周水杉研究员表示，“如果用做艺术品的心态去做产品，这些问题自然迎刃而解。”

随着电子产品朝着轻薄化方向发展，微波介质陶瓷以自身特性有了更多的用武之地，但加工工艺仍然有限，现在的陶瓷工艺都是通过成型、烧结、研磨、抛光等一些机械式的方式来调整其尺寸。“如果要在更高频率的频段上发挥作用，就要看能否用半导体工艺来对它进行精细加工。”

挖掘微波介质陶瓷的潜力，是行业人士一直在致力推动的方向，“如果更高的介电常数、更小的微波损耗、更低的生产成本的陶瓷材料能被找到，它就能走到更宽广的应用空间里。”

如今，微波介质陶瓷的发展瓶颈在于它的“魔咒”，在自然界中，介电常数越大的材料，微波的损耗也都同样的较大。因此，要打破介电常数变大后，性能变差的“魔咒”。

为了更多地挖掘它的“魔力”，这所低调的科研机构一直也在围绕着它在转，正如“老兵”周水杉所说，从绝缘体、半导体到超导体，他愿意在这里开展更深入的研究和推广工作。