毫米波高功率NiZn鐵氧體材料研究

魯小剛 張永紅 杜戰(zhàn)峰 劉江博聞

(1.西安電子工程研究所 西安 710100;2.康碩江西智能制造有限公司 江西貴溪 335400)

0 引言

隨著雷達(dá)、通信電子技術(shù)向著高頻率、高功率方向發(fā)展,相應(yīng)地, 研制具有較高峰值功率容量的各種微波器件也日益成為許多科技工作者的追求目標(biāo)[1]。微波鐵氧體材料是各類(lèi)高功率鐵氧體器件研發(fā)的基礎(chǔ),其功率特性直接決定著高功率器件的功率性能,為此,國(guó)內(nèi)微波鐵氧體材料技術(shù)人員進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)探索,積累了豐富的設(shè)計(jì)制作經(jīng)驗(yàn)。從最初的鎂錳系列,到現(xiàn)在的石榴石、Ni系鐵氧體和Li系鐵氧體系列,高功率鐵氧體材料日趨完善[2],各系列高功率鐵氧體材料各有優(yōu)缺點(diǎn),器件需要選擇使用。

高功率鐵氧體材料的設(shè)計(jì)理論來(lái)自?xún)刹糠?一是在不產(chǎn)生零場(chǎng)損耗的情況下,歸一化磁化強(qiáng)度P值盡量低,即使用的飽和磁化強(qiáng)度4πMs盡量低;二是在磁損耗允許的情況下,材料具有盡量高的自旋波線寬ΔHk。基于以上兩點(diǎn)考慮,毫米波高功率環(huán)行器對(duì)鐵氧體材料的需求參數(shù)為:4πMs=4000±50Gs,自旋波線寬:ΔHk≥25Oe。依據(jù)參數(shù)要求,材料研究選擇飽和磁化強(qiáng)度高、自旋波線寬大的Ni系鐵氧體。Ni鐵氧體飽和磁化強(qiáng)度高(最高可到5200Gs),常用于高頻器件中;又因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)中存在Fe3+和Ni2+兩種磁性離子,在材料中形成短程磁不均勻性,使之具有較高的自旋波線寬,而常用于高功率器件中[3]。

1 毫米波高功率NiZn鐵氧體設(shè)計(jì)理論

1.1 飽和磁化強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論

旋磁鐵氧體材料的張量磁化率χ與4πMs成正比,因此4πMs越高,旋磁特性越強(qiáng),但過(guò)高的4πMs則會(huì)帶來(lái)零場(chǎng)損耗,因此材料的歸一化磁化強(qiáng)度P=γ4πMs/值選擇范圍一般為:0.4～0.7,對(duì)于高功率環(huán)行器、移相器等微波器件而言,材料選擇低P值對(duì)器件承受功率很重要,在此P值選0.4附近,而材料的4πMs則由P值計(jì)算出。

純Ni鐵氧體分子式為NiFe2O4,屬于尖晶石型鐵氧體,飽和磁化強(qiáng)度大約為3200Gs(255kA/m)。根據(jù)其晶體結(jié)構(gòu)及分子磁矩產(chǎn)生的機(jī)理可知,提高A、B兩個(gè)晶位的磁性離子數(shù)之差,增加分子磁矩,從而可獲得較高飽和磁化強(qiáng)度。具體計(jì)算則從分子場(chǎng)理論出發(fā),可通過(guò)下列方程計(jì)算出材料在溫度為T(mén)K時(shí)飽和磁化強(qiáng)度MT(國(guó)際單位制)。

MT=M0BJ(α)

(1)

(2)

(3)

(4)

其中:M0為0K時(shí)的飽和磁化強(qiáng)度(國(guó)際單位制);N為單位體積包含的磁性原子數(shù);J為總角量子數(shù);gJ為朗道因子;μB為波爾磁子;γ為旋磁比;К波爾茲曼常數(shù);λ為分子場(chǎng)系數(shù)。用圖解法求解式(1)、式(2),可得出需要的MT[4]。由于該求解誤差較大,在實(shí)際中往往以理論指導(dǎo),通過(guò)工程實(shí)驗(yàn)確定飽和磁化強(qiáng)度。

1.2 自旋波線寬ΔHk設(shè)計(jì)理論

鐵氧體材料在微波場(chǎng)h和恒磁場(chǎng)H的共同作用下,當(dāng)微波場(chǎng)h>hc(高功率臨界場(chǎng))時(shí),會(huì)產(chǎn)生由于自旋波不穩(wěn)定激發(fā)而引起的高功率非線性效應(yīng),非線性效應(yīng)可分為一級(jí)非線性效應(yīng)和二級(jí)非線性效應(yīng)。高功率環(huán)行器非線性效應(yīng)屬于一級(jí)分線性效應(yīng),即:主峰低側(cè)出現(xiàn)副峰。當(dāng)微波場(chǎng)與恒磁場(chǎng)垂直時(shí),一級(jí)非線性效應(yīng)下,高功率臨場(chǎng)hc與自旋波線寬之間關(guān)系為

(5)

其中:P為歸一化磁化強(qiáng)度。因此,自旋波線寬ΔHk是衡量微波鐵氧體材料的高功率性能的主要標(biāo)志。從自旋波進(jìn)動(dòng)方程可知,其大小與自旋波的弛豫時(shí)間τk成反比,具體關(guān)系式為

(6)

因此,減小自旋波弛豫時(shí)間,便可以提高自旋波線寬。減小自旋波弛豫時(shí)間的主要途徑有兩個(gè):一是摻雜少量快速弛豫離子[5]。快速弛豫離子的自旋—軌道耦合強(qiáng),可使自旋波能量耦合給晶格,從而減少自旋波弛豫時(shí)間;二是細(xì)化晶粒。從渡越理論可知,小尺寸晶粒存在更多的晶界,可有效抑制自旋波連續(xù)傳播,從而減小自旋波弛豫時(shí)間。在兩種技術(shù)途徑中,細(xì)化晶粒優(yōu)于快速弛豫離子摻雜,但對(duì)工藝要求非常高,且難以控制,因此多采用摻雜快速弛豫離子的方法[3]。

2 毫米波高功率NiZn鐵氧體材料實(shí)驗(yàn)與分析

鐵氧體材料的制備方法常用的有氧化物法、鹽類(lèi)熱解、化學(xué)共沉淀三種,隨著設(shè)備技術(shù)的更新,出現(xiàn)了鐵氧體低溫共燒(LTCF)[6]、3D打印[7]等工藝技術(shù),但其依然可歸為三類(lèi)制備中的一種。毫米波高功率NiZn鐵氧體材料制備工藝采用氧化物法中的干粉成型工藝,其優(yōu)點(diǎn)是方便高效。

微波鐵氧體材料研制包含配方設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化兩個(gè)方面內(nèi)容。為了提高研究效率,根據(jù)以往積累的經(jīng)驗(yàn),固化NiZn鐵氧體材料的制備工藝,重點(diǎn)進(jìn)行配方實(shí)驗(yàn),同時(shí)考慮到微波鐵氧體材料的燒結(jié)溫度和介電損耗,每種實(shí)驗(yàn)配方中加入一定量的Cu2+和Mn3+。將材料制作成(30±1)×(20±1)×(5±0.5)的環(huán)形樣品,使用軟磁直流測(cè)試裝置NATS-2010SD,在20℃溫度、1600A/m場(chǎng)下測(cè)試飽和磁化強(qiáng)度4πMs;將樣品制作成Φ0.85±0.05的小球測(cè)試自旋波線寬ΔHk。

2.1 飽和磁化強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)與分析

根據(jù)相關(guān)理論,對(duì)純Ni鐵氧體進(jìn)行Zn2+摻雜,以分子式Ni1-XZnXMe0.15Fe1.85O4為基礎(chǔ),Me為Cu2+、Mn3+等微量摻雜離子,實(shí)驗(yàn)中X分別取0.2、0.3、0.4、0.5,制備完成后測(cè)試材料樣品各參數(shù),結(jié)果見(jiàn)表1所示。

圖1 不同Zn2+含量配方4πMs、ΔHk變化規(guī)律

表1 不同Zn2+含量配方測(cè)試結(jié)果

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出:隨著Zn2+含量增加,飽和磁化強(qiáng)度先大后小,在0.4附近達(dá)到最大。因?yàn)樵贜iZn鐵氧體材料中存在A-B、A-A、B-B三種位置磁性離子間的交換作用,在非磁性Zn2+較少時(shí), A-B交換為主,磁矩增加;而當(dāng)非磁性Zn2+數(shù)過(guò)多時(shí),B-B交換作用貢獻(xiàn)變大,磁矩則逐漸減小。隨著Zn2+含量增加,自旋波線寬基本沒(méi)有變化。從機(jī)理上分析,非磁性Zn2+不屬于快速弛豫離子,其不能減小自旋波弛豫時(shí)間。考慮到設(shè)計(jì)要求材料的飽和磁化強(qiáng)度為:4000±50Gs,因此配方中Zn2+含量應(yīng)該在0.3/分子式附近,即:材料的基本配方為:Ni0.7Zn0.3Me0.15Fe1.85O4。

2.2 自旋波線寬實(shí)驗(yàn)與分析

NiZn鐵氧體材料屬于尖晶石型鐵氧體,其空間晶位為四面體和八面體,物理空間較小,許多半徑較大的快速弛豫離子不能使用,因此摻雜的離子數(shù)量少于石榴石材料,本次研究采用Co2+離子摻雜。

以分子式Ni0.7-xZn0.3CoxMe0.15Fe1.85O4為基礎(chǔ),Me為Cu2+、Mn3+等微量摻雜離子,配方中X摻雜分別0、0.005、0.015、0.025、0.030,制作完成后,測(cè)試各配方實(shí)驗(yàn)樣品,結(jié)果見(jiàn)表2所示。

圖2 不同Co2+含量配方4πMs、ΔHk變化規(guī)律

表2 不同Co2+含量配方測(cè)試結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果可以看出,隨Co2+含量的增加,自旋波線寬單調(diào)增大,而飽和磁化強(qiáng)度基本保持不變。快速弛豫離子摻雜,可有效提高鐵氧體材料的自旋波線寬,但同時(shí)會(huì)增加材料的鐵磁共振線寬,從而使材料的磁損耗增大,因此,在滿足技術(shù)指標(biāo)的前提下,應(yīng)盡量減少快速弛豫離子的摻雜量。另外,Co2+的磁矩為3μB,其替換的Ni2+磁矩為4μB,因此微量替代對(duì)材料的飽和磁化強(qiáng)度影響非常小。

3 結(jié)論

根據(jù)毫米波高功率器件對(duì)鐵氧體材料飽和磁化強(qiáng)度、自旋波線寬的參數(shù)要求,以NiZn鐵氧體材料為研究對(duì)象,通過(guò)Zn2+摻雜實(shí)驗(yàn),得出飽和磁化強(qiáng)度先大后小的變化規(guī)律,確定配方Zn2+含量為0.3/分子式;通過(guò)Co2+摻雜,獲得自旋波線寬的單調(diào)增加的變化趨勢(shì),確定配方Co2+含量為0.025/分子式。綜合分析,最終確定毫米波高功率NiZn材料的配方為:Ni0.675Zn0.3Co0.025Me0.15Fe1.85O4;通過(guò)工藝調(diào)整,所研制材料性能為:

1)飽和磁化強(qiáng)度: 4πMs=4008 Gs;

2)自旋波線寬:ΔHK=28.3 Oe;

3)電損耗角正切:tgδe=3.6×10-4;

4)共振線寬:ΔH=179 Oe。

材料研究達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。使用該材料制作的毫米波環(huán)行器,在頻率為34GHz下,損耗小于0.5dB、承受峰值功率大于25kW。

4 結(jié)束語(yǔ)

毫米波高功率NiZn鐵氧體材料的研制,得到鐵氧體組、器件組以及工藝部門(mén)同仁的全力支持,在此對(duì)他們表示衷心的感謝。