【摘 要】
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钇铁石榴石铁氧体（yttrium iron garnet ferrite,YIG）作为重要的微波磁性材料之一,以其独特且优异的性能而受到广泛关注,已被用于各类微波器件中。随着当前微波通信技术的高速发展,在各先进系统中都要求微波器件向着小型化、集成化的方向努力,其电路尺寸需越来越小,因此,对于YIG铁氧体材料的众多性能参数如磁导率、介电常数、饱和磁化强度、铁磁共振线宽等都提出了更为严格的要求。这其中
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钇铁石榴石铁氧体（yttrium iron garnet ferrite,YIG）作为重要的微波磁性材料之一,以其独特且优异的性能而受到广泛关注,已被用于各类微波器件中。随着当前微波通信技术的高速发展,在各先进系统中都要求微波器件向着小型化、集成化的方向努力,其电路尺寸需越来越小,因此,对于YIG铁氧体材料的众多性能参数如磁导率、介电常数、饱和磁化强度、铁磁共振线宽等都提出了更为严格的要求。这其中,介电常数是表征材料介电性质或极化性质的重要物理参数,是设计微波铁氧体器件的重要性能指标之一,提高材料的介电常数对于缩小器件的体积起着至关重要的作用。本文的主要研究内容是在纯钇铁石榴石铁氧体材料优良性能的基础上,通过传统氧化物法制备高介电常数YIG材料,讨论实现高介电常数YIG材料的途径及其应用。首先分析了石榴石铁氧体的基础理论,如微观结构、磁性来源和离子掺杂规律等,以便后续通过离子掺杂对钇铁石榴石铁氧体材料进行改性等工作的展开。接下来,基于介电常数理论,引入高极化离子Bi3+部分取代Y3+,,通过固相反应法,制备了YIG铁氧体样品,通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、振动样品磁强计（VSM）以及电磁性能测试等对样品的微观结构与电磁性能进行表征和分析,研究Bi3+的取代对YIG微观形貌、动静态磁性能以及介电性能的影响。结果表明,Bi3+能够有效地提升材料的介电常数,制备的铁氧体材料介电常数最大可达25左右,但会不可避免地增加材料的磁损耗。在确定最佳Bi3+含量后,研究Z4+、V5+取代对YIG的影响。研究发现,适量的Z4+可以降低由于Bi3+的引入而导致的较大的铁磁共振线宽,但仍高于纯YIG的线宽值;V5+在不影响材料各性能的情况下,可以显著降低材料的烧结温度。其次,基于所制备的YIG材料,详细分析了其磁导率谱,提出了改进的磁导率谱拟合方式,与传统方法相比,提高了拟合精度,且新的拟合结果与Snoek极限更为吻合,有助于研究和分析磁性材料的磁化机制。最后,基于环行器的工作原理与相关电磁场基础理论,将实验所制备的的高介电常数钇铁石榴石铁氧体材料应用到环行器的设计中,经过仿真与优化,在中心频率处所设计的环行器其回波损耗、隔离度、插入损耗、电压驻波比等指标均满足要求,且器件尺寸明显减小,在不影响性能的前提下初步实现了器件的小型化设计。
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