六角钡铁氧体在Ka波段环行器中的应用

摘 要：本文并采用标准陶瓷工艺制备了M型六角晶系铁氧体Ba（ZnTi）Fe10O19。基于所制备的钡铁氧体材料，设计并制备了一种Ka波段波导环行器，在中心频率35.2GHz处，插入损耗1.45dB，隔离度为36dB，表明此钡铁氧体有望在毫米波段铁氧体器件中获得应用。

关键词：六角铁氧体；铁氧体器件；环行器；毫米波

1 引言

近年来，有源相控阵（AESA）技术使雷达的功能和性能获得极大的扩展和提高，逐渐成为新型雷达的标准配置[1]。其中大量使用的收发（T/R）模块是相控阵雷达的关重件。随着低温共烧陶瓷（LTCC）技术的普及，T/R模块中的大部分的微波电路都可集成在多层陶瓷芯片中，使其呈现出小型化、集成化和平面化的发展趋势。但目前由于T/R模块中的环行器与隔离器无法使用LCTT技术加工，成为T/R模块实现小型化和平面化进程的主要障碍。自偏置环行器与隔离器是克服这种障碍途径[2]。自偏置环行器与隔离器对其中所使用的旋磁铁氧体材料提出了更高的要求，一般尖晶石型和石榴石型铁氧体已经不能满足需求。六角晶系结构的钡铁氧体（BaFe12O19）和锶铁氧体（SrFe12O19）由于其自身的高磁晶各向异性场可部分或全部取代器件外加的偏置磁场[3-5]，是构成自偏置环行器与隔离器合适的材料[6，7]。但由于六角铁氧体材料其自身损耗过大[8]，一般用于制作谐振式器件，采用六角铁氧体制备环行器和隔离器的研制报道不多。本文制备六角铁氧体Ba（ZnTi）Fe10O19应用于Ka波段波导环行器，研究了其微波传输性能。

2 实验

2.1 钡铁氧体制备

采用标准的陶瓷制备工艺，原料选择分析纯级别的金属氧化物和碳酸盐制备Ba（ZnTi）Fe10O19，并加入微量的MnCO3和Bi2O3来降低钡铁氧体的介电损耗。一次球磨时间为24小时，在1150-1250℃预烧2小时。二次球磨时间24小时，二磨后的浆料在预磁化条件下烘干，使铁氧体颗粒初步取向排列从而形成“准单畴体”。受条件所限，成形采用无磁场的普通干压成形方法。生坯在1200-1300℃烧结5小时，烧结气氛为空气。

烧结得到的钡铁氧的晶体结构采用荷兰Philips公司X Pert Pro MPD的XRD分析， 磁化强度采用美国Lake Shore公司7410振动样品磁强计测试，样品密度用排水法测量。

2.2 Ka波段环行器的设计与制备

Ka波段环行器采用波导结形式，其中心结的设计采用部分高度双铁氧体圆片和对称金属台阶匹配而成。根据仿真结果，制备出Ka波段波导环行器，并用矢量网络分析仪（Agilent 8722ES）对其微波特性进行测试。

3 结果及讨论

3.1 钡铁氧体的结构和磁性能

图1为制备的Ba（ZnTi）Fe10O19的XRD曲线，通过与标准PDF卡片（84-0757）比对，发现其为M型六角多晶铁氧体，晶粒取向大多沿易磁化轴c轴生长。表明粉体的预磁化处理对取向生长有很好效果。通过排水法的到的表观密度5.08g/cm3，较为致密。

图2为钡铁氧体样品的磁滞回线，样品的饱和磁化强度为3700G。制备样品的密度与饱和磁化强度与文献[6]中结果近似。

3.2 Ka波段环行器性能分析

图3为环行器中心结的结构图，采用部分高部分高度双铁氧体圆片和对称金属台阶匹配而成。

图4是HFSS仿真优化参数后环行器的仿真结果，其中铁氧体饱和磁化强度3700G，介电常数设置为15。从图中可以看出，环行器中心频率为35.9GHz，中心频率隔离度30dB，插入损耗小于1dB。

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根据仿真结果制作出波导环行器，由于钡铁氧体呈现出沿c轴生长的趋势，其自身的各向异性场部分取代了外加偏置磁场，较磁化饱和Ni尖晶石铁氧体所需磁钢体积大幅缩小。

图5是用矢网测得的环行器性能照片。从图上可以看出，中心频率35.2GHz处，插入损耗1.45dB，隔离度为36dB。环行器在34.5-35.8GHz频带内，隔离大于15dB，插入损耗小于1.5dB，部分频点插损小于1dB，实现了环行性能。与仿真结果相比，环行器插入损耗偏大，这是由于制备的钡铁氧体损耗还是偏大。后续工作应仍集中在降低钡铁氧体损耗中，可通过通氧烧结和湿法磁场成形等工艺来进一步改进。钡铁氧体自身的各向异性场部分取代了。

4 结论

根据制备的Ba（ZnTi）Fe10O19铁氧体，设计并制作出Ka波段波导环行器，中心频率35.2GHz处，插入损耗1.45dB，隔离度为36dB，实现了环行性能，但插入损耗偏大，后续通过工艺改进，降低钡铁氧体损耗，有望在毫米波段铁氧体器件中获得应用。

参考文献：

[1]张光义，赵玉洁.相控阵雷达技术[M].北京：电子工业出版社，2006.

[2]Harris V G， Chen Zhaohui， Chen Yajie， et al. J. Appl. Phys. ，2006， 99 （08） ： 08M9112125.

[3]WangJianwei， Yang Aria， Chen Yajie， et al. IEEEMicrowave and Wireless Components Letters.2011， 21（08） ：292-294.

[4]ONeil B. K.， Young J. L.，IEEE TransactionsonMicrowave Theoryand Techniques， 2009， 57（07）：1669-1674.

[5]孙延龙，张万里，吴瞳，彭斌.磁性材料与器件[Z].2012，43（03）：53-55.

[6]冯全源.磁性材料与器件，2001，32（03）：1-5.

[7]刘俊亮，郭翠静，张伟，曾燕伟[J].无机材料学报，2009，24（03）：599-601.

[8]Robinson T M. Mater. Res. Bull. 1990， 25： 1401.

作者简介：陈晓萌（1982-），男，安徽涡阳人，博士，工程师，研究方向：微波铁氧体材料与器件。endprint