微波鐵氧體材料的現狀與發展

金宇龍

(南京電子技術研究所，江蘇南京210013)

微波鐵氧體材料的現狀與發展

金宇龍

(南京電子技術研究所，江蘇南京210013)

結合國內外微波鐵氧體器件的發展趨勢，綜述了當今微波鐵氧體材料領域的發展現狀。對于石榴石型材料，低損耗、高功率和低成本等材料配方體系已相應建立。而對于尖晶石類材料，由于磁矩分布范圍廣，剩磁高等特點，在毫米波以及移相器件中得到廣泛應用。對產品性能和產能規模等作了相應的闡述。重點指出開發微帶用材料、低互調材料及鐵氧體材料工程化的必要性和緊迫性，同時指出了研究思路和方法。

微波鐵氧體材料;石榴石;尖晶石

鐵氧體材料作為功能材料的一個分支，經過近兩個世紀的發展基本趨于成熟，建立了較為完備的理論和工藝體系。由于鐵氧體的旋磁特性使其在射頻和微波頻段內得到廣泛應用，特別是近50 a隨著微波鐵氧體器件如隔離器、環行器、移相器的大量應用，微波鐵氧體材料的研究進入一個新的高潮。近年來，軍事對抗和民用通訊兩大領域的飛速發展，對微波元器件特別是新型微波鐵氧體器件的需求更為旺盛。高功率、小型化、低損耗、高頻段、低互調(IMD)器件對材料提出了更高的要求。

1 微波鐵氧體的現狀

常用的微波鐵氧體材料主要包括石榴石型、尖晶石型和磁鉛石型多晶和單晶材料。

1.1 石榴石型鐵氧體

復合釔鐵石榴石材料(YIGs)由于電磁損耗小、理論密度高、耐功率強等優點，使其在厘米波至米波段的微波鐵氧體器件中有著重要應用。目前的研究主要圍繞低損耗、高功率、低成本等課題展開。

1.1.1 低損耗材料

微波鐵氧體的損耗來源于磁損耗和電損耗，磁損耗往往在總損耗中占據主導地位。往往磁損耗又是由共振線寬決定的。從△H∝K1/Ms關系來看，飽和磁矩越大，各向異性常數K1接近于0的材料具有小的共振線寬。傳統上，減小K1值(如添加適量的In3+、Zr4+、Sn4+、Ti4+)可以減小材料的磁損耗，而采用缺鐵配方或氧氣燒結，避免Fe3+還原即可避免產生大的電損耗。目前美國的Trans-Tech公司、Pacific Ceramics公司以及俄羅斯的Domen公司代表了國際的先進水平，他們窄線寬材料一般能做到1 592 A/m以下［1-3］，而居里溫度仍然保持在一個合理水平。國內的水平在2 388 A/m左右。

對于微波鐵氧體材料損耗機制的研究，有學者認為，非共振區的磁損耗主要來源于晶粒表層自旋波的激發［4］。因此，晶粒越小，晶粒界面所占分數越多，從而損耗會越大。

總之，低損耗一直是微波鐵氧體材料工作者追求的目標，因為它對鐵氧體器件的耐功率、小型化、互調性能以及工作穩定性等方面都有重要的影響。

1.1.2 高功率材料

目前國內外高功率材料均以YGd體系為主，即以大量的Gd3+和微量Dy3+、Ho3+以及Ca2+、Ge4+、Sn4+、In3+等離子進行聯合取代開發出特種石榴石材料配方，使△Heff、TC、△Hk和Ms等指標達到優化組合。韓志全［4］在晶粒表層自旋波新損耗機理的引導下，通過工藝研究，摸索出了一整套的工藝參數，克服了晶界區域自旋波損耗的影響，這一技術使得定型材料與國外材料相比，在△Hk相當時，△Heff要低30%～50%，并能穩定生產。

在筆者看來，研究高功率材料的關鍵還是把握好材料的溫度系數，特別是使用溫度區域的溫度特性更值得關注。因為一旦工作點漂移，很容易造成大損耗，使器件溫升，激發非線性效應。在溫度穩定性的研究方面，日本學者的研究結論［5］值得借鑒。他們認為室溫(如20℃)工作點的磁矩應為工作溫度區間內磁矩的最大值Tmax，此時材料溫度特性最好。以GdzY3-z－xCaxFe5－x－yGexInyO12為例，經過實驗研究Y3+、Gd3+、Ca2+、Ge4+、In3+等離子Tmax的移動特性得出Tmax=75x－280y+80z-30，因此要使Tmax處于0～35℃，x、y、z必須滿足30≤75 x－280y+80z≤65。

1.1.3 石榴石旋矩材料

石榴石旋矩材料作為移相器及其開關的選用材料，具有耐功率強、損耗小、矯頑力小的優點。目前國外對于此類材料的研究較為成熟且能規模化生產，如Trans-Tech和Pacific Ceramics已將其系列化，國內由于工藝及加工問題尚不能大規模生產，產品的一致性有待改善。

主要存在的問題是應力導致磁化和相移改變，從發布的資料看Trans-Tech的產品(G1002)亦存在這些問題［6］，解決的方法一般是在材料體系中加入Mn2+來減小磁致伸縮效應，此外消除材料經磨加工后的殘余應力也顯得較為重要。J.T.Vaughn等［6］以及A.S.Hudson等［7］系統研究了石榴石移相器材料中如何較好地消除應力敏感性問題，理論的推導結果與實驗結果相當吻合。分別指出了YGd體系和YAl體系中Mn2+的合適添加量，這對于以后開展相關工作有直接的指導意義。此外工程上經常采用高溫退火來消除材料磨加工后的殘余應力。

1.2 尖晶石系鐵氧體材料

尖晶石系鐵氧體材料是目前磁性工業中應用最為廣泛的材料，在沒有發現石榴石材料之前，微波頻段所使用的磁性材料均為尖晶石系鐵氧體材料，如Mg系、Ni系、Li系等體系都獲得了廣泛的應用，它們的主要優勢在于磁矩范圍廣(0.05～0.5 T)，溫度穩定性好，性能穩定，容易批量生產，很重要的是此類材料成本低。由于Mg系和Li系材料均具有很好矩形比、較低的損耗，而在鐵氧體移相器和開關領域占有重要地位。從Trans-Tech的產品目錄看，他們重點開發了Mg系材料，形成了從高磁矩到低磁矩的產品系列，而從國內微波鐵氧體生產廠家以及國外的文獻資料看，近十年來，Li系鐵氧體材料得到較為廣泛而深入的研究［8-9］，并得到大規模的應用。目前使用的毫米波材料主要是Ni系和Li系兩類，原因主要是它們經過改性后具備較高的磁矩，最高能至0.5 T。

另外尖晶石系鐵氧體材料在微波頻段作為吸波材料使用，這也是今后鐵氧體材料發展的一個重要方向，主要應用了鐵磁共振吸收原理。鐵氧體吸波材料主要有燒結型吸波材料以及涂覆型吸波材料兩大類，前者一般作為吸收負載和微波暗室的吸收磚用。圖1是日本TDK公司IB015型NiZn鐵氧體磚的吸收性能［10］。

圖1 TDK公司IB015型NiZn鐵氧體磚的吸收性能

對于涂覆型吸波材料，主要是將鐵氧體粉末摻入聚合物中，形成柔性吸波材料。日本FDK公司將起始磁導率為10和12的MnZn鐵氧體PE23、PE45分散到橡膠中，制備的薄層柔性吸波材料性能如圖2所示［11］。

圖2 FDK公司PE系列柔性吸波材料性能

1.3 磁鉛石系鐵氧體

這部分材料主要作為永磁材料、特高頻軟磁材料、毫米波旋磁材料以及吸波材料來使用，目前針對其作為吸波材料的研究較多。一般都是通過離子取代的方法使共振吸收峰移到所需要的頻帶內，并保證一定的吸收帶寬。張永祥等［12］利用Co-Ti-Zn聯合取代的方法制備了Ba(Co2TiZn)xFe12-4xO19材料，其在2～3 mm的波段內最大吸收60 dB，吸收10 dB的帶寬為4 GHz。對于吸波材料今后的研究方向一方面提高吸收比，另外作為涂覆型吸波材料應重點關注鐵氧體分散至聚合物中，吸波性能前后的變化。

2 對微波鐵氧體材料的幾點展望

微波鐵氧體材料發展的主要推動力來自于高性能微波鐵氧體器件在雷達及通訊領域內的大規模應用，結合微波鐵氧體器件的發展趨勢對材料的發展提出幾點展望。

2.1 滿足小型化器件發展需要

近年來超小型超帶寬鐵氧體器件得到廣泛的應用。特別是有源相控陣的發展對此類器件的需求越來越大。目前國際市場一只10美元的環行器/隔離器尺寸只有5 mm左右，且產品的性能穩定，可完全批量化生產;而國內正在開發此類嵌入式微帶結構小型化器件，鐵氧體材料所面臨的是低損耗和材料加工問題，因為小型化器件對材料的尺寸精度要求很高。值得注意的是當中國學者致力于小型化微帶器件的開發時，國外科學家已開始專注于開發微帶薄膜/厚膜鐵氧體器件，如J.D.Adam等［13］利用脈沖激光沉積(PLD)在鐵氧體基片上沉積了厚度為100 μm的薄膜，器件損耗約為0.7 dB(10 GHz)，因此開發鐵氧體薄膜/厚膜必將成為今后的一個研究方向。J.Dash等［14］用射頻濺射的方法制備了LiZn鐵氧體薄膜，研究了工藝過程的各種參數對薄膜性能的影響。而M.H.Mahmoud等［15］通過脈沖激光沉積的方法制備了Mn鐵氧體薄膜。目前在鐵氧體領域使用較廣的是脈沖激光沉積技術。

對于小型化和集成化的另一途徑便是開發鐵氧體低溫共燒材料(LTCF)，可以將電路預埋到材料中，進行一體化設計，省去了復雜的電路工藝過程，得到可批量化及性能穩定的產品。目前在低溫共燒領域存在的主要問題有收縮率的控制、共燒匹配以及材料導熱問題。目前鐵氧體低溫共燒最有希望的材料將是Li系鐵氧體材料，因其燒結溫度低而得到較為廣泛的研究。

2.2 低互調器件用材料

目前通訊用的環行器/隔離器均有兩個工作頻率，這樣會帶來所謂的互調效應(IMD)，產生的互調信號對主頻產生嚴重的干擾，致使所傳播的聲音和圖象失真。隨著3G時代的到來，對傳輸質量的要求越來越高，因此解決互調問題或者把其控制在一定水平是目前微波器件研究的重要方向。

互調是一個非常復雜的問題，目前沒有完全了解其產生的機制。從材料角度看，有人認為與鐵氧體材料的飽和態有關［16］，它是外加磁場強度以及磁場在鐵氧體材料中分布均勻性的函數。對于薄圓片材料和三角形狀材料，再加上現在幾乎所有的環行器/隔離器屬于單面磁化，磁場分布很難達到良好的均勻性。D.Cruickshank［17］提出在鐵氧體周圍加載介質環可以改變鐵氧體所占的體積分數，從而使磁場的均勻性分布較好，這樣產生較小的互調效應。他還提出目前在材料方面解決互調問題的思路應該是盡量使材料致密化，減少第二相的產生，共振線寬能接近理論值，這會在很大程度上減小材料導致的互調效應。目前對互調機制的研究將繼續下去，從根本上解決互調問題是材料和器件工作者共同的目標。

2.3 微波鐵氧體材料的工程化問題

當前國外的大型微波鐵氧體生產廠家均已做到產品的系列化、規模化，而且性能控制的相當穩定。而對于國內微波鐵氧體行業來講，目前能基本實現批量化，如何控制產品的穩定性、一致性、可靠性，實現產品的規模化生產還有很多的工作要做。近年來此問題得到了從業者的關注，如李俊蓉等［18］發表了關于微波鐵氧體材料一致性研究的論文;李海華等［19］研究了關于石榴石旋磁材料的可靠性等。

3 結束語

總的來說，微波鐵氧體材料已發展到一個較高水平，國內的生產及研發機構應學習和掌握國外先進的研發和生產經驗，在產品的創新和規模上趕超發達國家的水平。抓住3G的發展機遇，使微波鐵氧體材料的水平再上一個新臺階。

［1］Trans-Tech公司.Trans-Tech產品目錄［EB/OL］.(2009-02-23)［2010-10-07］.http://www.trans-techinc.com/.

［2］Pacific Ceramics公司.Pacific Ceramics產品目錄［EB/OL］. (2008-05-22)［2010-10-07］.http://pceramics.com/.

［3］Domen公司.Domen產品目錄［EB/OL］.(2009-02-05)［2010-10-07］.http://www.domen.ru/.

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［10］TDK公司.TDK公司產品目錄［EB/OL］.(2009-04-03)［2010-10-07］.http://www.tdk.co.jp/.

［11］FDK公司.FDK公司產品目錄［EB/OL］.(2009-11-23)［2010-10-07］.http://www.fdk.co.jp/.

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［19］李海華，馮則坤，何華輝.石榴石旋磁材料的可靠性研究［J］.電子產品可靠性與環境試驗，2000(1):16-18.

Status and progress on microwave ferrite materials

Jin Yulong

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology，Nanjing 210013，China)

Status and progress on microwave ferrite materials by combining the developing trend of microwave ferrite devices at home and abroad were summarized.In terms of garnet-based materials，new formulas have been developed with low loss，high power，and low cost materials.For spinel-based materials，they were widely applied in millimeter wave devices and phase shift devices due to the broad magnetization and high remanence.Also，product performance and production capability were clarified.It was emphasized on the importance and necessarity for the development of new microstrip materials and low intermodulation materials as well as industrialization of ferrites.Meanwhile，research ideas and methods were indicated.

microwave ferrite materials;garnets;spinel

TM277

A

1006-4990(2011)07-0009-04

2011-01-13

金宇龍(1979— )，男，碩士，工程師，研究方向為微波介質與鐵氧體材料，已發表核心期刊文章6篇。

聯系方式: yljin@lopu.com.cn