高旋磁性铁氧体及其在Ka波段移相器中的应用研究

发布时间：2018-04-08 08:15

本文选题：高旋磁性　切入点：Li　出处：《电子科技大学》2017年博士论文

【摘要】：LiZn和NiCuZn铁氧体均为优良的微波铁氧体材料。其中,LiZn铁氧体材料具有饱和磁化强度可调范围宽、剩磁对应力敏感性低、居里温度高以及成本低廉等特点。相比于LiZn铁氧体,NiCuZn铁氧体材料具有较低的磁晶各向异性常数及较高密度等优点,故其具有较低的铁磁共振线宽ΔH,但其居里温度较低。两种铁氧体材料均被广泛应用于各种高频微波/毫米波器件。对于Ka波段铁氧体移相器,为实现其低插入损耗、高温度稳定性和小型轻量化,要求应用其中的铁氧体具有高饱和磁化强度、剩磁比和居里温度及低矫顽力、铁磁共振线宽和介电损耗角正切。综上所述,本文在材料方面对应用于Ka波段铁氧体移相器的高旋磁性LiZn铁氧体、NiCuZn铁氧体及复合技术制备的LiZn/NiCuZn铁氧体的静磁性能、微波损耗及其影响机理展开研究工作;在器件方面,针对Ka波段铁氧体移相器的优化仿真设计与实现展开研究工作。首先,在高旋磁性LiZn铁氧体方面,针对于Zn取代、缺铁和Bi_2O_3添加剂对LiZn铁氧体性能影响展开研究。结果表明:(1)Zn取代可有效改善LiZn铁氧体的旋磁性和软磁性,但会引起居里温度Tc下降。通过亚铁磁性奈尔分子场理论计算了LiZn铁氧体的分子场系数ωaa、ωab=ωba、ωbb;分子场系数ωab的减小直接导致A-B位超交换作用的减弱,使得居里温度Tc降低;(2)通过XPS分析Fe2p谱得出在主配方中适量缺铁能够有效抑制Fe2+的产生,降低矫顽力Hc、磁晶各向异性常数K1和铁磁共振线宽ΔH,但会引起居里温度Tc下降;通过“砖墙”理论模型结合电阻率ρ和介电常数ε′频谱(f=0.01~1MHz)计算了晶粒、晶界电阻率,主配方中缺铁有利于提高晶粒、晶界电阻率;同时,根据趋近饱和定律和自旋波理论模型对铁磁共振线宽ΔH进行分离,得到影响ΔH变化的主导因素;(3)Bi_2O_3添加剂对LiZn铁氧体具有助熔与阻晶作用。适量Bi_2O_3可有效提高LiZn铁氧体密度dm、饱和磁化强度Ms、剩磁Br,降低矫顽力Hc和气孔率P,同时,适量Bi_2O_3可有效降低LiZn铁氧体的ΔH中的气孔致宽部分,并可改善LiZn铁氧体的微波介电性能。其次,采用氧化物陶瓷工艺制备了NiCuZn铁氧体,研究了Zn取代、缺铁、Bi_2O_3添加剂对NiCuZn铁氧体的性能的影响。研究结果表明:(1)Zn取代可有助于提高材料的饱和磁化强度Ms和剩磁Br,降低矫顽力Hc和居里温度Tc。基于奈尔分子场理论,采用非线性拟合方法求解了不同Zn含量NiCuZn铁氧体的分子场系数(ωaa,ωbb和ωab=ωba),得到与实测曲线吻合良好的分子磁矩随温度变化(1.8~400K)曲线图,并修正了适合含有多种磁性离子(Ni2+、Fe3+、Cu2+等)的NiCuZn铁氧体材料亚铁磁性和顺磁性居里温度Tc计算公式。当Zn含量增多时,分子场系数ωab的减小导致了居里温度降低。同时,计算了NiCuZn铁氧体高温顺磁性居里温度T-;(2)适量的缺铁可提高NiCuZn铁氧体的饱和磁化强度Ms、密度dm和电阻率ρ;适量缺铁可有效降低NiCuZn铁氧体的ΔH;当缺铁量x=0.08时,NiCuZn铁氧体具有最小ΔH=9.63kA/m,介电常数具有最大值ε′=14.0,介电损耗角正切tanδε为1.74×10-4;(3)适量Bi_2O_3添加剂可有效提高NiCuZn铁氧体密度dm、饱和磁化强度Ms、剩磁Br,降低矫顽力Hc和气孔率P,同时,适量Bi_2O_3添加剂可有效降低NiCuZn铁氧体的ΔH,并可改善NiCuZn铁氧体的微波介电性能。再次,采用氧化物陶瓷工艺复合技术制备了高旋磁性铁氧体,研究了将LiZn与NiCuZn按不同质量比复合对高旋磁性铁氧体的性能的影响。同时,为与将LiZn铁氧体与NiCuZn铁氧体按不同质量比复合制备的铁氧体进行对比,采用氧化物陶瓷工艺制备了Ni2+、Cu2+取代LiZn铁氧体中的Fe3+构成的五元系铁氧体,研究了不同Ni、Cu取代量对五元系铁氧体的晶相、显微结构、静磁性能、电阻率和铁磁共振线宽的影响。结果表明:(1)对于将LiZn铁氧体与NiCuZn铁氧体按不同质量比复合制备的高旋磁性铁氧体,随着NiCuZn铁氧体在复合中比例的增加,可有效提高高旋磁性铁氧体的密度dm、饱和磁化强度Ms和剩磁Br,降低矫顽力Hc、磁晶各向异性常数K1和铁磁共振线宽ΔH,并可改善高旋磁性铁氧体的微波介电性能,但居里温度Tc逐渐降低;同时,通过对Ni元素和Fe元素的EDS能谱分析,随着烧结温度从800提高到1200℃,LiZn和NiCuZn铁氧体由两相逐渐融合为均匀质;(2)适量Ni、Cu取代可有效提高五元系铁氧体的密度dm、饱和磁化强度Ms和剩磁Br,降低铁磁共振线宽ΔH,但不利于矫顽力Hc的降低。最后,基于采用复合技术制备的高旋磁性铁氧体材料对背脊式波导结构的Ka波段铁氧体移相器进行仿真优化设计与实现,结果表明:(1)针对于中心孔宽度、磁心壁厚度、铁氧体磁心中心孔填充介质及铁氧体磁心长度的仿真优化有助于抑制电磁波的高次模,降低Ka波段铁氧体移相器的回波损耗S11、插入损耗S21和驻波比VSWR,提高相移量;(2)在室温到80℃温度范围内,通过对Ka波段铁氧体移相器模型的仿真优化设计达到了预期设计目标;(3)在80℃温度下Ka波段(33.5~34.5GHz)铁氧体移相器实际测试回波损耗|S11|均大于20dB、插入损耗|S21|均小于0.77dB、驻波比VSWR小于1.1、相移量达到360°、相移精度小于2°。
[Abstract]:In this paper , the effects of low insertion loss , high temperature stability and low cost of LiZn ferrite have been studied . The results show that : ( 1 ) Zn substitution can effectively improve the magnetic anisotropy constant and high density of LiZn ferrite . The effects of Zn substitution , Fe - deficiency and Bi _ 2O _ 3 additives on the properties of NiCuZn ferrite have been studied . ( 1 ) With the increase of the proportion of the NiCuZn ferrite in the composite , the density dm , the saturation magnetization Ms and the residual magnetism Br of the high - rotation magnetic ferrite can be effectively improved . The simulation optimization design of the Ka - band ferrite phase shifter can improve the microwave dielectric property of the high - rotation magnetic ferrite , but the Curie temperature Tc decreases gradually .

【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM277

【参考文献】