六角鋇鐵氧體在Ka波段環(huán)行器中的應(yīng)用

摘 要：本文并采用標(biāo)準(zhǔn)陶瓷工藝制備了M型六角晶系鐵氧體Ba（ZnTi）Fe10O19。基于所制備的鋇鐵氧體材料，設(shè)計(jì)并制備了一種Ka波段波導(dǎo)環(huán)行器，在中心頻率35.2GHz處，插入損耗1.45dB，隔離度為36dB，表明此鋇鐵氧體有望在毫米波段鐵氧體器件中獲得應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：六角鐵氧體；鐵氧體器件；環(huán)行器；毫米波

1 引言

近年來(lái)，有源相控陣（AESA）技術(shù)使雷達(dá)的功能和性能獲得極大的擴(kuò)展和提高，逐漸成為新型雷達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)配置[1]。其中大量使用的收發(fā)（T/R）模塊是相控陣?yán)走_(dá)的關(guān)重件。隨著低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)的普及，T/R模塊中的大部分的微波電路都可集成在多層陶瓷芯片中，使其呈現(xiàn)出小型化、集成化和平面化的發(fā)展趨勢(shì)。但目前由于T/R模塊中的環(huán)行器與隔離器無(wú)法使用LCTT技術(shù)加工，成為T(mén)/R模塊實(shí)現(xiàn)小型化和平面化進(jìn)程的主要障礙。自偏置環(huán)行器與隔離器是克服這種障礙途徑[2]。自偏置環(huán)行器與隔離器對(duì)其中所使用的旋磁鐵氧體材料提出了更高的要求，一般尖晶石型和石榴石型鐵氧體已經(jīng)不能滿(mǎn)足需求。六角晶系結(jié)構(gòu)的鋇鐵氧體（BaFe12O19）和鍶鐵氧體（SrFe12O19）由于其自身的高磁晶各向異性場(chǎng)可部分或全部取代器件外加的偏置磁場(chǎng)[3-5]，是構(gòu)成自偏置環(huán)行器與隔離器合適的材料[6，7]。但由于六角鐵氧體材料其自身?yè)p耗過(guò)大[8]，一般用于制作諧振式器件，采用六角鐵氧體制備環(huán)行器和隔離器的研制報(bào)道不多。本文制備六角鐵氧體Ba（ZnTi）Fe10O19應(yīng)用于Ka波段波導(dǎo)環(huán)行器，研究了其微波傳輸性能。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 鋇鐵氧體制備

采用標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷制備工藝，原料選擇分析純級(jí)別的金屬氧化物和碳酸鹽制備Ba（ZnTi）Fe10O19，并加入微量的MnCO3和Bi2O3來(lái)降低鋇鐵氧體的介電損耗。一次球磨時(shí)間為24小時(shí)，在1150-1250℃預(yù)燒2小時(shí)。二次球磨時(shí)間24小時(shí)，二磨后的漿料在預(yù)磁化條件下烘干，使鐵氧體顆粒初步取向排列從而形成“準(zhǔn)單疇體”。受條件所限，成形采用無(wú)磁場(chǎng)的普通干壓成形方法。生坯在1200-1300℃燒結(jié)5小時(shí)，燒結(jié)氣氛為空氣。

燒結(jié)得到的鋇鐵氧的晶體結(jié)構(gòu)采用荷蘭Philips公司X Pert Pro MPD的XRD分析， 磁化強(qiáng)度采用美國(guó)Lake Shore公司7410振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)測(cè)試，樣品密度用排水法測(cè)量。

2.2 Ka波段環(huán)行器的設(shè)計(jì)與制備

Ka波段環(huán)行器采用波導(dǎo)結(jié)形式，其中心結(jié)的設(shè)計(jì)采用部分高度雙鐵氧體圓片和對(duì)稱(chēng)金屬臺(tái)階匹配而成。根據(jù)仿真結(jié)果，制備出Ka波段波導(dǎo)環(huán)行器，并用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（Agilent 8722ES）對(duì)其微波特性進(jìn)行測(cè)試。

3 結(jié)果及討論

3.1 鋇鐵氧體的結(jié)構(gòu)和磁性能

圖1為制備的Ba（ZnTi）Fe10O19的XRD曲線，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片（84-0757）比對(duì)，發(fā)現(xiàn)其為M型六角多晶鐵氧體，晶粒取向大多沿易磁化軸c軸生長(zhǎng)。表明粉體的預(yù)磁化處理對(duì)取向生長(zhǎng)有很好效果。通過(guò)排水法的到的表觀密度5.08g/cm3，較為致密。

圖2為鋇鐵氧體樣品的磁滯回線，樣品的飽和磁化強(qiáng)度為3700G。制備樣品的密度與飽和磁化強(qiáng)度與文獻(xiàn)[6]中結(jié)果近似。

3.2 Ka波段環(huán)行器性能分析

圖3為環(huán)行器中心結(jié)的結(jié)構(gòu)圖，采用部分高部分高度雙鐵氧體圓片和對(duì)稱(chēng)金屬臺(tái)階匹配而成。

圖4是HFSS仿真優(yōu)化參數(shù)后環(huán)行器的仿真結(jié)果，其中鐵氧體飽和磁化強(qiáng)度3700G，介電常數(shù)設(shè)置為15。從圖中可以看出，環(huán)行器中心頻率為35.9GHz，中心頻率隔離度30dB，插入損耗小于1dB。

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根據(jù)仿真結(jié)果制作出波導(dǎo)環(huán)行器，由于鋇鐵氧體呈現(xiàn)出沿c軸生長(zhǎng)的趨勢(shì)，其自身的各向異性場(chǎng)部分取代了外加偏置磁場(chǎng)，較磁化飽和Ni尖晶石鐵氧體所需磁鋼體積大幅縮小。

圖5是用矢網(wǎng)測(cè)得的環(huán)行器性能照片。從圖上可以看出，中心頻率35.2GHz處，插入損耗1.45dB，隔離度為36dB。環(huán)行器在34.5-35.8GHz頻帶內(nèi)，隔離大于15dB，插入損耗小于1.5dB，部分頻點(diǎn)插損小于1dB，實(shí)現(xiàn)了環(huán)行性能。與仿真結(jié)果相比，環(huán)行器插入損耗偏大，這是由于制備的鋇鐵氧體損耗還是偏大。后續(xù)工作應(yīng)仍集中在降低鋇鐵氧體損耗中，可通過(guò)通氧燒結(jié)和濕法磁場(chǎng)成形等工藝來(lái)進(jìn)一步改進(jìn)。鋇鐵氧體自身的各向異性場(chǎng)部分取代了。

4 結(jié)論

根據(jù)制備的Ba（ZnTi）Fe10O19鐵氧體，設(shè)計(jì)并制作出Ka波段波導(dǎo)環(huán)行器，中心頻率35.2GHz處，插入損耗1.45dB，隔離度為36dB，實(shí)現(xiàn)了環(huán)行性能，但插入損耗偏大，后續(xù)通過(guò)工藝改進(jìn)，降低鋇鐵氧體損耗，有望在毫米波段鐵氧體器件中獲得應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介：陳曉萌（1982-），男，安徽渦陽(yáng)人，博士，工程師，研究方向：微波鐵氧體材料與器件。endprint