低损耗LiZn旋磁铁氧体材料研制及其应用研究

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随着电子信息技术的发展,各类微波设备对铁氧体器件的性能和集成度要求越来越高。寻找电磁性能优异的铁氧体材料,并将其应用于低温共烧铁氧体(LTCF)技术可以很好的满足这些需求。LiZn铁氧体因其独特的优势(低铁磁共振线宽、低介电损耗、饱和磁化强度可调和良好的温度稳定性等)被广泛应用于铁氧体器件的基板材料。然而,早期电磁性能优异的LiZn铁氧体通常需要在高温(大于1000℃)下制备,无法应用于LTCF技术。在国内外学者共同努力下,LiZn铁氧体材料的低温烧结有了不错的进展,但是,保证材料高饱和磁化强度和良好温度稳定性的同时很难降低材料的铁磁共振线宽以及介电损耗。因此,本文探究了低温烧结条件下低损耗LiZnTiMn铁氧体材料制备途径和基于LTCF技术的铁氧体环行器设计。首先,基于对铁氧体材料晶体结构和离子占位的分析,探究了Zn2+、Ti4+、Mn3+含量变化对铁氧体材料电磁性能的影响。研究发现:(1)Zn-Ti联合取代能够促进LiZnTiMn铁氧体的烧结过程;并且可以减小材料的磁晶各向异性常数,进而降低了铁磁共振线宽,Zn-Ti取代量x=0.35处获得了低铁磁共振线宽(ΔH=97 Oe)材料。(2)Mn加入会增大A-B位磁矩之差,饱和磁化强度上升。但是,过量的Mn会降低材料的饱和磁化强度以及增大介电损耗。为了得到低介电损耗的铁氧体材料,探究了配方缺Fe对材料性能的影响,结果表明:少量缺Fe有效降低了材料的介电损耗,同时对饱和磁化强度和居里温度的影响不大。为了进一步降低材料的铁磁共振线宽而引入Nb2O5。Nb2O5作为添加剂有效降低了材料的磁晶各向异性常数,而且对居里温度和饱和磁化强度没太大影响。Nb2O5添加量为0.12 wt.%的LiZnTiMn铁氧体材料的铁磁共振线宽低至87 Oe。最后,根据环行器的工作原理,选用LiZnTiMn铁氧体作为基板材料。使用HFSS仿真软件进行环行器的结构设计并优化,在频率9.3 GHz处,回波损耗、隔离度≤-20 d B;插入损耗≥-1.5 dB。
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