高旋磁性鐵氧體及其在Ka波段移相器中的應(yīng)用研究.pdf

1、LiZn和NiCuZn鐵氧體均為優(yōu)良的微波鐵氧體材料。其中，LiZn鐵氧體材料具有飽和磁化強(qiáng)度可調(diào)范圍寬、剩磁對應(yīng)力敏感性低、居里溫度高以及成本低廉等特點(diǎn)。相比于 LiZn鐵氧體，NiCuZn鐵氧體材料具有較低的磁晶各向異性常數(shù)及較高密度等優(yōu)點(diǎn)，故其具有較低的鐵磁共振線寬ΔH，但其居里溫度較低。兩種鐵氧體材料均被廣泛應(yīng)用于各種高頻微波/毫米波器件。對于 Ka波段鐵氧體移相器，為實現(xiàn)其低插入損耗、高溫度穩(wěn)定性和小型輕量化，要求應(yīng)用其中的鐵

2、氧體具有高飽和磁化強(qiáng)度、剩磁比和居里溫度及低矯頑力、鐵磁共振線寬和介電損耗角正切。綜上所述，本文在材料方面對應(yīng)用于Ka波段鐵氧體移相器的高旋磁性LiZn鐵氧體、NiCuZn鐵氧體及復(fù)合技術(shù)制備的LiZn/NiCuZn鐵氧體的靜磁性能、微波損耗及其影響機(jī)理展開研究工作；在器件方面，針對Ka波段鐵氧體移相器的優(yōu)化仿真設(shè)計與實現(xiàn)展開研究工作。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴在高旋磁性LiZn鐵氧體方面，針對于Zn取代、缺鐵和Bi2O3添加劑

3、對LiZn鐵氧體性能影響展開研究。結(jié)果表明：Zn取代可有效改善LiZn鐵氧體的旋磁性和軟磁性，但會引起居里溫度 Tc下降。通過亞鐵磁性奈爾分子場理論計算了LiZn鐵氧體的分子場系數(shù)ωaa、ωab=ωba、ωbb；分子場系數(shù)ωab的減小直接導(dǎo)致A-B位超交換作用的減弱，使得居里溫度Tc降低；通過XPS分析Fe2p譜得出在主配方中適量缺鐵能夠有效抑制Fe2+的產(chǎn)生，降低矯頑力Hc、磁晶各向異性常數(shù)K1和鐵磁共振線寬ΔH，但會引起居里溫度Tc

4、下降；通過“磚墻”理論模型結(jié)合電阻率ρ和介電常數(shù)ε′頻譜（f=0.01~1 MHz）計算了晶粒、晶界電阻率，主配方中缺鐵有利于提高晶粒、晶界電阻率；同時，根據(jù)趨近飽和定律和自旋波理論模型對鐵磁共振線寬ΔH進(jìn)行分離，得到影響ΔH變化的主導(dǎo)因素；Bi2O3添加劑對LiZn鐵氧體具有助熔與阻晶作用。適量Bi2O3可有效提高LiZn鐵氧體密度dm、飽和磁化強(qiáng)度Ms、剩磁Br，降低矯頑力Hc和氣孔率P，同時，適量Bi2O3可有效降低LiZn鐵氧體

5、的ΔH中的氣孔致寬部分，并可改善LiZn鐵氧體的微波介電性能。⑵采用氧化物陶瓷工藝制備了NiCuZn鐵氧體，研究了Zn取代、缺鐵、Bi2O3添加劑對NiCuZn鐵氧體的性能的影響。結(jié)果表明：Zn取代可有助于提高材料的飽和磁化強(qiáng)度Ms和剩磁Br，降低矯頑力Hc和居里溫度Tc。基于奈爾分子場理論，采用非線性擬合方法求解了不同Zn含量NiCuZn鐵氧體的分子場系數(shù)（ωaa，ωbb和ωab=ωba），得到與實測曲線吻合良好的分子磁矩隨溫度變化(

6、1.8~400 K)曲線圖，并修正了適合含有多種磁性離子（Ni2+、Fe3+、Cu2+等）的NiCuZn鐵氧體材料亞鐵磁性和順磁性居里溫度Tc計算公式。當(dāng)Zn含量增多時，分子場系數(shù)ωab的減小導(dǎo)致了居里溫度降低。同時，計算了NiCuZn鐵氧體高溫順磁性居里溫度T-；適量的缺鐵可提高NiCuZn鐵氧體的飽和磁化強(qiáng)度Ms、密度dm和電阻率ρ；適量缺鐵可有效降低NiCuZn鐵氧體的ΔH；當(dāng)缺鐵量x=0.08時，NiCuZn鐵氧體具有最小ΔH=

7、9.63 kA/m，介電常數(shù)具有最大值ε′=14.0，介電損耗角正切tanδε為1.74×10-4；適量Bi2O3添加劑可有效提高NiCuZn鐵氧體密度dm、飽和磁化強(qiáng)度Ms、剩磁Br，降低矯頑力Hc和氣孔率P，同時，適量Bi2O3添加劑可有效降低NiCuZn鐵氧體的ΔH，并可改善NiCuZn鐵氧體的微波介電性能。⑶采用氧化物陶瓷工藝復(fù)合技術(shù)制備了高旋磁性鐵氧體，研究了將LiZn與NiCuZn按不同質(zhì)量比復(fù)合對高旋磁性鐵氧體的性能的影響

8、。同時，為與將LiZn鐵氧體與NiCuZn鐵氧體按不同質(zhì)量比復(fù)合制備的鐵氧體進(jìn)行對比，采用氧化物陶瓷工藝制備了Ni2+、Cu2+取代LiZn鐵氧體中的Fe3+構(gòu)成的五元系鐵氧體，研究了不同Ni、Cu取代量對五元系鐵氧體的晶相、顯微結(jié)構(gòu)、靜磁性能、電阻率和鐵磁共振線寬的影響。結(jié)果表明：對于將LiZn鐵氧體與NiCuZn鐵氧體按不同質(zhì)量比復(fù)合制備的高旋磁性鐵氧體，隨著NiCuZn鐵氧體在復(fù)合中比例的增加，可有效提高高旋磁性鐵氧體的密度dm、

9、飽和磁化強(qiáng)度Ms和剩磁Br，降低矯頑力Hc、磁晶各向異性常數(shù) K1和鐵磁共振線寬ΔH，并可改善高旋磁性鐵氧體的微波介電性能，但居里溫度Tc逐漸降低；同時，通過對Ni元素和Fe元素的EDS能譜分析，隨著燒結(jié)溫度從800提高到1200℃，LiZn和NiCuZn鐵氧體由兩相逐漸融合為均勻質(zhì)；適量 Ni、Cu取代可有效提高五元系鐵氧體的密度 dm、飽和磁化強(qiáng)度Ms和剩磁Br，降低鐵磁共振線寬ΔH，但不利于矯頑力Hc的降低。⑷基于采用復(fù)合技術(shù)制備

10、的高旋磁性鐵氧體材料對背脊式波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的Ka波段鐵氧體移相器進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計與實現(xiàn)，結(jié)果表明：針對于中心孔寬度、磁心壁厚度、鐵氧體磁心中心孔填充介質(zhì)及鐵氧體磁心長度的仿真優(yōu)化有助于抑制電磁波的高次模，降低Ka波段鐵氧體移相器的回波損耗S11、插入損耗S21和駐波比VSWR，提高相移量；在室溫到80℃溫度范圍內(nèi)，通過對Ka波段鐵氧體移相器模型的仿真優(yōu)化設(shè)計達(dá)到了預(yù)期設(shè)計目標(biāo)；在80℃溫度下Ka波段（33.5~34.5 GHz）鐵氧體移相器實