【摘 要】
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微波石榴石型Y3Fe5O12铁氧体（YIG）材料是现在5G通讯产业发展中应用于微波铁氧体器件（环行器、隔离器等）的重要基础材料。近年来,5G通讯用微波器件向小型化、轻量化、高频化和集成一体化等方向发展,为了满足5G通讯中环行器、隔离器的应用需求,对微波YIG铁氧体材料的性能也提出了更高的要求,即要满足高饱和磁化强度、窄铁磁共振线宽以及低介电损耗等优异的性能。本文采用离子掺杂调控的手段通过固相反应法
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微波石榴石型Y3Fe5O12铁氧体（YIG）材料是现在5G通讯产业发展中应用于微波铁氧体器件（环行器、隔离器等）的重要基础材料。近年来,5G通讯用微波器件向小型化、轻量化、高频化和集成一体化等方向发展,为了满足5G通讯中环行器、隔离器的应用需求,对微波YIG铁氧体材料的性能也提出了更高的要求,即要满足高饱和磁化强度、窄铁磁共振线宽以及低介电损耗等优异的性能。本文采用离子掺杂调控的手段通过固相反应法烧结制备了低损耗YIG铁氧体材料,并对其相关性能进行了测试与分析,研究不同离子掺杂对YIG材料性能的影响。首先,介绍了比较完整的YIG铁氧体理论与工艺体系,分析其晶体结构、磁性来源及离子取代规律,并对其制备工艺中的球磨时间、烧结温度、造粒等工艺参数进行研究优化,得出稳定性的配方和工艺。然后,通过实验研究In3+掺杂,Gd3+-In3+复合掺杂,Ca2+-In3+-Ge4+复合掺杂和Ca2+-Zr4+-Ge4+复合掺杂对YIG材料性能的影响。研究表明:In3+、Ca2+、Zr4+和Ge4+离子能够进入到YIG铁氧体的石榴石晶格中,影响材料的饱和磁化强度,同时还有助于降低材料的介电损耗与铁磁共振线宽。在In3+掺杂的研究中,In3+掺杂量x=0.45时的饱和磁化强度最大为1840.3 Gs,铁磁共振线宽最小为36.7 Oe。在Ca2+-In3+-Ge4+复合掺杂的研究中,In3+取代量为0.60,Ca2+-Ge4+取代量为0.40时所制备的YIG铁氧体材料有着极小的电磁损耗,其介电损耗为3.053?10-4,铁磁共振线宽仅为19.3 Oe。在Ca2+-Zr4+-Ge4+复合掺杂的研究中,Zr4+取代量为0.50,Ca2+-Ge4+取代量为0.40时,材料的电磁损耗也比较小,介电损耗为4.143?10-4,铁磁共振线宽为27.8 Oe。而在Gd3+-In3+复合掺杂的研究中,In3+取代量为0.60的前提下,Gd3+掺杂会导致材料中产生另相,同时使得介电损耗和铁磁共振线宽有所增加。所以,适量的In3+、Zr4+和Ge4+离子单个或者复合掺杂可以制备出低损耗YIG铁氧体材料,在微波铁氧体器件中有着很不错的应用前景。最后,基于本文实验中制备的低损耗Y2.6Ca0.4In0.6Ge0.4Fe4O12铁氧体材料的电磁性能参数,运用Ansoft HFSS软件对环行器进行建模、仿真并优化。仿真结果表明:在中心频率10 GHz处环行器的隔离度为-20.13 d B,反射损耗为-20.64 d B,插入损耗为-0.24 d B,相对带宽达到了30%以上,电压驻波比最大为1.19,满足环行器的设计要求,反映出此铁氧体材料在环行器的应用中性能优良。
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