六角鋇鐵氧體在Ka波段環行器中的應用

摘 要：本文并采用標準陶瓷工藝制備了M型六角晶系鐵氧體Ba（ZnTi）Fe10O19?；谒苽涞匿^鐵氧體材料，設計并制備了一種Ka波段波導環行器，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用。

關鍵詞：六角鐵氧體；鐵氧體器件；環行器；毫米波

1 引言

近年來，有源相控陣（AESA）技術使雷達的功能和性能獲得極大的擴展和提高，逐漸成為新型雷達的標準配置[1]。其中大量使用的收發（T/R）模塊是相控陣雷達的關重件。隨著低溫共燒陶瓷（LTCC）技術的普及，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，使其呈現出小型化、集成化和平面化的發展趨勢。但目前由于T/R模塊中的環行器與隔離器無法使用LCTT技術加工，成為T/R模塊實現小型化和平面化進程的主要障礙。自偏置環行器與隔離器是克服這種障礙途徑[2]。自偏置環行器與隔離器對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不能滿足需求。六角晶系結構的鋇鐵氧體（BaFe12O19）和鍶鐵氧體（SrFe12O19）由于其自身的高磁晶各向異性場可部分或全部取代器件外加的偏置磁場[3-5]，是構成自偏置環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損耗過大[8]，一般用于制作諧振式器件，采用六角鐵氧體制備環行器和隔離器的研制報道不多。本文制備六角鐵氧體Ba（ZnTi）Fe10O19應用于Ka波段波導環行器，研究了其微波傳輸性能。

2 實驗

2.1 鋇鐵氧體制備

采用標準的陶瓷制備工藝，原料選擇分析純級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來降低鋇鐵氧體的介電損耗。一次球磨時間為24小時，在1150-1250℃預燒2小時。二次球磨時間24小時，二磨后的漿料在預磁化條件下烘干，使鐵氧體顆粒初步取向排列從而形成“準單疇體”。受條件所限，成形采用無磁場的普通干壓成形方法。生坯在1200-1300℃燒結5小時，燒結氣氛為空氣。

燒結得到的鋇鐵氧的晶體結構采用荷蘭Philips公司X Pert Pro MPD的XRD分析， 磁化強度采用美國Lake Shore公司7410振動樣品磁強計測試，樣品密度用排水法測量。

2.2 Ka波段環行器的設計與制備

Ka波段環行器采用波導結形式，其中心結的設計采用部分高度雙鐵氧體圓片和對稱金屬臺階匹配而成。根據仿真結果，制備出Ka波段波導環行器，并用矢量網絡分析儀（Agilent 8722ES）對其微波特性進行測試。

3 結果及討論

3.1 鋇鐵氧體的結構和磁性能

圖1為制備的Ba（ZnTi）Fe10O19的XRD曲線，通過與標準PDF卡片（84-0757）比對，發現其為M型六角多晶鐵氧體，晶粒取向大多沿易磁化軸c軸生長。表明粉體的預磁化處理對取向生長有很好效果。通過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，樣品的飽和磁化強度為3700G。制備樣品的密度與飽和磁化強度與文獻[6]中結果近似。

3.2 Ka波段環行器性能分析

圖3為環行器中心結的結構圖，采用部分高部分高度雙鐵氧體圓片和對稱金屬臺階匹配而成。

圖4是HFSS仿真優化參數后環行器的仿真結果，其中鐵氧體飽和磁化強度3700G，介電常數設置為15。從圖中可以看出，環行器中心頻率為35.9GHz，中心頻率隔離度30dB，插入損耗小于1dB。

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根據仿真結果制作出波導環行器，由于鋇鐵氧體呈現出沿c軸生長的趨勢，其自身的各向異性場部分取代了外加偏置磁場，較磁化飽和Ni尖晶石鐵氧體所需磁鋼體積大幅縮小。

圖5是用矢網測得的環行器性能照片。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。環行器在34.5-35.8GHz頻帶內，隔離大于15dB，插入損耗小于1.5dB，部分頻點插損小于1dB，實現了環行性能。與仿真結果相比，環行器插入損耗偏大，這是由于制備的鋇鐵氧體損耗還是偏大。后續工作應仍集中在降低鋇鐵氧體損耗中，可通過通氧燒結和濕法磁場成形等工藝來進一步改進。鋇鐵氧體自身的各向異性場部分取代了。

4 結論

根據制備的Ba（ZnTi）Fe10O19鐵氧體，設計并制作出Ka波段波導環行器，中心頻率35.2GHz處，插入損耗1.45dB，隔離度為36dB，實現了環行性能，但插入損耗偏大，后續通過工藝改進，降低鋇鐵氧體損耗，有望在毫米波段鐵氧體器件中獲得應用。

參考文獻：

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

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