高介电常数旋磁铁氧体材料的掺杂改性研究

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随着通信技术的迅猛发展,微波器件逐渐具有重要且广泛的应用,因而备受关注。作为其中重要的一类,环行器、隔离器、移相器等无源器件是利用旋磁铁氧体材料的张量磁导率特性,从而完成信号的环行、隔离等功能,成为了微波通信系统重要的组成部分。由于电磁波在铁氧体材料内部传播时,其波长反比于材料介电常数的平方根,因此这类器件的小型化是制约整机系统向小型化、集成化方向的重要因素。在众多的微波铁氧体材料中,钇铁石榴石(YIG)以其优异的磁电性能,特别是超低的损耗,备受人们的关注。但该材料的介电常数通常维持在15左右,因此若能保持材料优异磁电性能的同时,提升其介电常数,将会大大的降低无源器件的尺寸。与此同时,该类微波器件的制作通常是单个组装调试而成,其一致性受限,大大影响生产效率。低温共烧陶瓷技术(LTCC)的出现,为微波器件的小型化、平面集成化及批次制作提供了有效的解决途径。但由于YIG铁氧体材料一般在1450℃下烧结致密,因此无法实现与LTCC技术中的银电极的匹配共烧(961℃以下)。此外低温下烧结YIG铁氧体会导致其微观结构存在缺陷,孔隙增多,性能急剧恶化。因此解决YIG铁氧体在低温下烧结同时保持磁电性能较为优异的材料也是目前急需解决的问题。基于以上两个问题,为了提升YIG铁氧体的介电常数,并使其烧结温度大幅度降低,本文在采用大量Bi3+离子取代YIG的基础上,通过不同的掺杂取代,优化在低温下烧结的兼具高介电常数YIG旋磁铁氧体的磁电性能。最后通过对双Y结带线环行器的建模仿真以及实物的制作验证制备材料的性能以及实用价值。首先,采用Ca2+-Zr4+离子共取代Bi:YIG铁氧体,并探究其在低温烧结下的磁电性能。研究结果表明,在950℃烧结的样品均为石榴石相,适量的Zr4+离子取代有助于晶粒生长以及致密化,促进晶界的电荷累积,增加了界面极化,使得样品的介电常数在1MHz-0.5GHz频率范围内超过30,比常规石榴石铁氧体材料高出15。当Zr4+离子的取代量x=0.3时,样品具有较优异的磁性能:饱和磁化强度4πMs=1926.68Gs,矫顽力Hc=3.93Oe,铁磁共振线宽ΔH=446Oe。其次,在Ca2+-Zr4+离子共取代的基础上,研究了缺铁配方对YIG铁氧体的晶相结构、微观形貌、密度、介电性能、磁能性能、旋磁性能等方面的影响。研究表明:适量的缺铁有助于提升材料的相对密度,降低电磁损耗。当缺铁量x=0.2时,样品具有较优的性能:比和磁化强度Ms=27.78emu/g,矫顽力Hc=3.80Oe,饱和磁化强度4πMs=2039.51Gs,铁磁共振线宽ΔH=326Oe。为了进一步的降低损耗,在上述缺铁配方的基础上,利用Ca2+-Sn4+离子联合取代的方式,改善YIG铁氧体材料的性能。当取代量x=0.2时,样品烧结最致密的温度点为952℃,磁电性能也有了大幅提升:介电性能未发生明显的变化趋势,介电常数仍然保持高值;饱和磁化强度4πMs=1843.34Gs,矫顽力Hc=2.51Oe,铁磁共振线宽ΔH=190Oe。最后,根据本文所研究的低温烧结YIG铁氧体材料,在HFSS三维仿真软件中完成双Y结带线环行器模型的构建以及优化,使设计的环行器在8GHz-10GHz频段范围内满足:电压驻波比VSWR小于1.35,回波损耗和隔离度均大于20d B,传输损耗小于1d B。根据设计的双Y结带线环行器模型的尺寸参数制作出实物。根据测量得到环行器实物的参数,最终验证环行器设计的可行性,有望实现该类器件采用LTCC技术进行批量化制作。
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