取向六角铁氧体的制备以及自偏置旋磁器件研究

发布时间：2020-09-09 18:06

　　随着电子通信系统性能上的宽带高速、结构上的小型与集成化发展,对无源电子元器件的片式小型化、高频化提出了更高的要求。一方面要求无源电子元器件尤其是射频软磁器件例如电感元件实现GHz频率的应用并满足片式化和无源集成的要求;另一方面是用于T/R组件的微波旋磁器件如环行器/隔离器的小型化。实现这一目标的基础是具有高磁晶各向异性的六角铁氧体的低温烧结以及低微波损耗的单轴六角铁氧体材料的研究。六角晶系钡铁氧体具有高磁晶各向异性、高饱和磁化强度、可通过离子掺杂调控磁晶各向异性大小与类型(主轴型,平面型),是满足上述要求的关键材料。本论文研究工作围绕M型六角铁氧体的低温烧结、离子掺杂取代和单轴取向M型与W型六角铁氧体的制备展开。首先,为实现射频软磁器件的片式小型化、与LTCC工艺实现兼容,开展了M型钡铁氧体的低温烧结研究。选取具有高截止频率特性的Ba(CoTi)_(1.5)Fe_9O_(19)材料进行研究,添加BBSZ助烧剂降低材料烧结温度。当BBSZ添加量为4wt%时,材料的综合性能最优,此时材料的密度为4.62 g/cm~3,收缩率为13.8%接近LTCC工艺15%的要求,饱和磁化强度最大达到24.5 emu/g,矫顽力为188Oe,磁导率截止频率达到2.45GHz以上,Q值为所有样品中最大值在1.7GHz时达到3.75,此时磁导率为11.3。采用高能球磨工艺细化低温烧结Ba(CoTi)_(1.5)Fe_9O_(19)预烧粉料,磁性能相比常规球磨材料有显著改善,当BBSZ含量为2%的样品收缩率达到14.2%,饱和磁化强度达到53emu/g、矫顽力为113Oe,截止频率达到2.5GHz。通过对材料不同频率点的磁导率实部、虚部、Q值以及损耗值随掺杂量变化进行分析,发现材料在助烧剂含量为2wt%时具有最佳性能,2GHz时,材料磁导率实部为15.8,Q值为2.5。为实现微波旋磁器件尤其是隔离器、环行器小型化的关键是利用材料的磁晶各向异性等效磁场作为偏置磁场实现器件的自偏置,去除外加偏置磁体。因此,开展了主轴型六角钡铁氧体的制备工艺、取向度、离子取代改性的研究。首先采用氧化物法制备了Hf~(4+)离子掺杂M型钡铁氧体和Sc~(3+)离子取代M型钡铁氧体并对材料的物相、微观形貌以及基本磁性能等一系列性能进行研究。研究发现两种离子掺杂方式均能有效调控M型钡铁氧体的磁性能,但是Hf~(4+)离子掺杂会导致材料中出现杂相并提高材料的介电损耗。因此,采用Sc~(3+)离子取代M型钡铁氧体进行取向M型钡铁氧体制备研究。采用氧化物法以及磁场取向成型工艺制备了Sc~(3+)离子取代取向M型钡铁氧体材料。通过延长二次球磨时间、降低烧结温度以及加入添加剂H_3BO_3、Bi_2O_3,得到了具有较高矩型比和致密度的取向M型钡铁氧体BaSc_(0.2)Fe_(11.8)O_(19)材料,矩形比达到0.85,饱和磁化强度达到4400G、磁晶各向异性场超过11500Oe、矫顽力达到2800Oe。在取向M型钡铁氧体制备工艺基础上,制备了取向Zn_2W钡铁氧体BaZn_2Fe_(16)O_(27)。通过对比实验,发现1020℃烧结后的Zn_2W钡铁氧体具有最佳性能,易磁化方向磁滞回线的矩形比为0.8、铁磁共振线宽为996Oe、各向异性场强度为7532Oe、饱和磁化强度为3115G、矫顽力1011Oe,介电常数14。在制作材料的基础上,采用HFSS软件进行自偏置三角结微带环行器设计、优化与仿真。根据最终仿真结果,采用0.65mm厚度基片进行环行器实物制作与测试。测试结果表明,器件未在设计目标频率26.5GHz左右范围内实现环行功能。因此对导致器件失效的原因进行了详细分析,并对下一步工作提出了可行的改进方案。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM277;TN60
【部分图文】：

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第一章绪论发射机、接收机、天线三个模块不可替代的元器模组中占到很大比例，如图1-2为一个典型的X波是环行器，图示 T/R 模组中大部分元件已经实现器的尺寸依然难以突破。此外，如图 1-2 下半部加外磁场偏置磁化来实现环行功能。综上所述，统的小型轻量化，必须实现天线单元、T/R 模组关键是实现环行器、隔离器（隔/环器件）等微波偏置磁体，从而减小器件体积重量并提高可靠性

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框标注器件是环行器，图示 T/R 模组中大部分元件已经实现高度集成化，但是环行器的尺寸依然难以突破。此外，如图 1-2 下半部分侧视图所示行器需要添加外磁场偏置磁化来实现环行功能。综上所述，要实现相控微波通信系统的小型轻量化，必须实现天线单元、T/R 模组的小型轻量化这一目标的关键是实现环行器、隔离器（隔/环器件）等微波旋磁器件的以去除外加偏置磁体，从而减小器件体积重量并提高可靠性。图 1-1 T/R 模组连接示意图

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第一章绪论此其堆积结构呈现镜面对称趋势，因此图中 R*块 п而成。在 R 块之间的氧离子堆积、铁离子填充氧构称为 S 块，其组成为(Fe6O8)2+。因此 M 型钡铁…的形式堆垛而成，其中一个 M 型钡铁氧体晶胞含个 BaFe12O19。在 M 型钡铁氧体中，R 块与 S 块最氧离子堆积形成六面体空位，又称为三角形双棱锥晶格位。

【参考文献】