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微波铁氧体材料的现状与发展


第 43 卷第 7 期 2011 年 7 月

无机盐工业 INORGANIC CHEMICALS INDUSTRY

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微波铁氧体材料的现状与发展
金宇龙
( 南京电子技术研究所, 江苏南京 210013)



要: 结合国内外微波铁氧体器件的发展趋势

, 综述了当今微波铁氧体材料领域的发展现状。对于石榴石

型材料, 低损耗、 高功率和低成本等材料配方体系已相应建立。而对于尖晶石类材料, 由于磁矩分布范围广, 剩磁 高等特点, 在毫米波以及移相器件中得到广泛应用。对产品性能和产能规模等作了相应的阐述。重点指出开发微 带用材料、 低互调材料及铁氧体材料工程化的必要性和紧迫性, 同时指出了研究思路和方法。 关键词: 微波铁氧体材料; 石榴石; 尖晶石 中图分类号: TM277 文献标识码: A 文章编号: 1006 - 4990( 2011) 07 - 0009 - 04

Status and progress on microwave ferrite materials Jin Yulong
( Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210013, China) Abstract: Status and progress on microwave ferrite materials by combining the developing trend of microwave ferrite new devices at home and abroad were summarized. In terms of garnet-based materials, formulas have been developed with low loss, high power, low cost materials. For spinel-based materials, were widely applied in millimeter wave devices and and they 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. Key words: microwave ferrite materials; garnets; spinel

铁氧体材料作为功能材料的一个分支, 经过近 两个世纪的发展基本趋于成熟, 建立了较为完备的 理论和工艺体系。由于铁氧体的旋磁特性使其在射 频和微波频段内得到广泛应用, 特别是近 50 a 随着 微波铁氧体器件如隔离器、 环行器、 移相器的大量应 用, 微波铁氧体材料的研究进入一个新的高潮。 近 年来, 军事对抗和民用通讯两大领域的飞速发展, 对 微波元器件特别是新型微波铁氧体器件的需求更为 旺盛。 高 功 率、 型 化、 损 耗、 频 段、 互 调 小 低 高 低 ( IMD) 器件对材料提出了更高的要求。

1. 1. 1

低损耗材料

微波铁氧体的损耗来源于磁损耗和电损耗, 磁 损耗往往在总损耗中占据主导地位。往往磁损耗又 是由共振线宽决定的。从△ H ∝ K1 / M s 关系来看, 饱和磁矩越大, 各向异性常数 K 1 接近于 0 的材料具 减小 K1 值 ( 如添加适量 有小的共振线宽。 传统上, 的 In
3+

、 4 + 、 4 + 、 4 + ) 可以减小材料的磁损耗, Zr Sn Ti

3+ 而采用缺铁配方或氧气烧结, 避免 Fe 还原即可避

免产 生 大 的 电 损 耗。 目 前 美 国 的 Trans - Tech 公 Pacific Ceramics 公司以及俄罗斯的 Domen 公司 司、 代表了国际的先进水平, 他们窄线宽材料一般能做
[1 - 3 ] , 到 1 592 A / m 以下 而居里温度仍然保持在一

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微波铁氧体的现状
常用的微波铁氧体材料主要包括石榴石型、 尖

晶石型和磁铅石型多晶和单晶材料。 1. 1 石榴石型铁氧体 复合钇铁石榴石材料 ( YIGs) 由于电磁损耗小、 理论密度高、 耐功率强等优点, 使其在厘米波至米波 段的微波铁氧体器件中有着重要应用。目前的研究 主要围绕低损耗、 高功率、 低成本等课题展开。

个合理水平。国内的水平在 2 388 A / m 左右。 对于微波铁氧体材料损耗机制的研究, 有学者 认为, 非共振区的磁损耗主要来源于晶粒表层自旋 波的激发
[4 ]

。 因此, 晶粒越小, 晶粒界面所占分数

越多, 从而损耗会越大。 总之, 低损耗一直是微波铁氧体材料工作者追 求的目标, 因为它对铁氧体器件的耐功率、 小型化、

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互调性能以及工作稳定性等方面都有重要的影响。 1. 1. 2 高功率材料 目前国内外高功率材料均以 YGd 体系为主, 即 Ho 以及 Ca 、 Ge 、 以大量的 Gd 和微量 Dy 、 4+ 3+ Sn 、 等离子进行联合取代开发出特种石榴石 In T △ 材料配方, △H eff 、 C 、 H k 和 M s 等指标达到优化 使 组合。韩志全 在晶粒表层自旋波新损耗机理的 引导下, 通过工艺研究, 摸索出了一整套的工艺参 数, 克服了晶界区域自旋波损耗的影响, 这一技术使 得定型材料与国外材料相比, △H k 相当时, H eff 在 △ 要低 30% ~ 50% , 并能稳定生产。 在笔者看来, 研究高功率材料的关键还是把握 好材料的温度系数, 特别是使用温度区域的温度特 很容易造成 性更值得关注。因为一旦工作点漂移, 大损耗, 使器件温升, 激发非线性效应。在温度稳定 [5 ] 性的研究方面, 日本学者的研究结论 值得借鉴。 他们认为室温( 如 20 ℃ ) 工作点的磁矩应为工作温 度区间内磁矩的最大值 T max , 此时材料温度特性最 好。以 Gd z Y3 -z -x Ca x Fe5 -x -y Ge x In y O12 为例, 经过实验
3+ Gd3 + 、 2 + 、 4 + 、 3 + 等离子 T max 的移动 Ca Ge In 研究 Y 、 特性得出 T max = 75x - 280y + 80z - 30, 因此要使 [4 ] 3+ 3+ 3+ 2+ 4+

段所使用的磁性材料均为尖晶石系铁氧体材料, 如 Mg 系、 系、 系等体系都获得了广泛的应用, Ni Li 它 们的主要优势在于磁矩范围广( 0. 05 ~ 0. 5 T) , 温度 稳定性好, 性能稳定, 容易批量生产, 很重要的是此 类材料成本低。由于 Mg 系和 Li 系材料均具有很好 矩形比、 较低的损耗, 而在铁氧体移相器和开关领域 占有重要地位。 从 Trans - Tech 的产品目录看, 他 们重点开发了 Mg 系材料, 形成了从高磁矩到低磁 矩的产品系列, 而从国内微波铁氧体生产厂家以及 Li 国外的文献资料看, 近十年来, 系铁氧体材料得
[8 - 9 ] , 到较为广泛而深入的研究 并得到大规模的应 用。目前使用的毫米波材料主要是 Ni 系和 Li 系两

类, 原因主要是它们经过改性后具备较高的磁矩, 最 高能至 0. 5 T。 另外尖晶石系铁氧体材料在微波频段作为吸波 这也是今后铁氧体材料发展的一个重要 材料使用, 方向, 主要应用了铁磁共振吸收原理。 铁氧体吸波 材料主要有烧结型吸波材料以及涂覆型吸波材料两 大类, 前者一般作为吸收负载和微波暗室的吸收砖 用。图 1 是日本 TDK 公司 IB015 型 NiZn 铁氧体砖 [10 ] 的吸收性能 。

T max 处 于 0 ~ 35 ℃ ,x、 z 必 须 满 足 30 ≤ 75 x - y、 280y +80z ≤ 65。 1. 1. 3 石榴石旋矩材料 石榴石旋矩材料作为移相器及其开关的选用材 具有耐功率强、 损耗小、 矫顽力小的优点。 目前 料, 国外对于此类材料的研究较为成熟且能规模化生 产, Trans - Tech 和 Pacific Ceramics 已将其系列 如 化, 国内由于工艺及加工问题尚不能大规模生产, 产 品的一致性有待改善。 主要存在的问题是应力导致磁化和相移改变, 从发布的资料看 Trans - Tech 的产品 ( G1002) 亦存 在这些问题 , 解决的方法一般是在材料体系中加 2+ 入 Mn 来减小磁致伸缩效应, 此外消除材料经磨加 工后的 残 余 应 力 也 显 得 较 为 重 要。J. T. Vaughn [6 ] [7 ] 等 以及 A. S. Hudson 等 系统研究了石榴石移相 器材料中如何较好地消除应力敏感性问题, 理论的 。 分别指出了 YGd 推导结果与实验结果相当吻合 体系和 YAl 体系中 Mn 的合适添加量, 这对于以后 开展相关工作有直接的指导意义。此外工程上经常 采用高温退火来消除材料磨加工后的残余应力。 1. 2 尖晶石系铁氧体材料 尖晶石系铁氧体材料是目前磁性工业中应用最 为广泛的材料, 在没有发现石榴石材料之前, 微波频 1. 3
图2 FDK 公司 PE 系列柔性吸波材料性能
2+ [6 ]

图1

TDK 公司 IB015 型 NiZn 铁氧体砖的吸收性能

对于涂覆型吸波材料, 主要是将铁氧体粉末掺 入聚合物中, 形成柔性吸波材料。 日本 FDK 公司将 PE45 起始磁导率为 10 和 12 的 MnZn 铁氧体 PE23、 分散到橡胶中, 制备的薄层柔性吸波材料性能如图 2 所示[11]。

磁铅石系铁氧体 这部分材料主要作为永磁材料、 特高频软磁材

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金宇龙: 微波铁氧体材料的现状与发展 2. 2 低互调器件用材料

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料、 毫米波旋磁材料以及吸波材料来使用, 目前针对 其作为吸波材料的研究较多。一般都是通过离子取 代的方法使共振吸收峰移到所需要的频带内, 并保 证一定的吸收带宽。 张永祥等
[12 ]

目前通讯用的环行器 / 隔离器均有两个工作频 率, 这样会带来所谓的互调效应( IMD) , 产生的互调 信号对主频产生严重的干扰, 致使所传播的声音和 图象失真。 随着 3G 时代的到来, 对传输质量的要 求越来越高, 因此解决互调问题或者把其控制在一 定水平是目前微波器件研究的重要方向。 互调是一个非常复杂的问题, 目前没有完全了 解其产生的机制。 从材料角度看, 有人认为与铁氧 , 它是外加磁场强度以及磁 场在铁氧体材料中分布均匀性的函数。对于薄圆片 体材料的饱和态有关 材料和三角形状材料, 再加上现在几乎所有的环行 器 / 隔离器属于单面磁化, 磁场分布很难达到良好的
[17 ] 均匀性。D. Cruickshank 提出在铁氧体周围加载 介质环可以改变铁氧体所占的体积分数, 从而使磁 [16 ]

利用 Co - Ti - Zn

联合取代的方法制备了 Ba( Co2 TiZn) x Fe12 -4x O19 材 其在 2 ~ 3 mm 的波段内最大吸收 60 dB, 吸收 料, 10 dB 的带宽为 4 GHz。 对于吸波材料今后的研究 方向一方面提高吸收比, 另外作为涂覆型吸波材料 应重点关注铁氧体分散至聚合物中, 吸波性能前后 的变化。

2

对微波铁氧体材料的几点展望
微波铁氧体材料发展的主要推动力来自于高性

能微波铁氧体器件在雷达及通讯领域内的大规模应 用, 结合微波铁氧体器件的发展趋势对材料的发展 提出几点展望。 2. 1 满足小型化器件发展需要 近年来超小型超带宽铁氧体器件得到广泛的应 用。特别是有源相控阵的发展对此类器件的需求越 来越大。目前国际市场一只 10 美元的环行器 / 隔离 器尺寸只有 5 mm 左右, 且产品的性能稳定, 可完全 批量化生产; 而国内正在开发此类嵌入式微带结构 小型化器件, 铁氧体材料所面临的是低损耗和材料 加工问题, 因为小型化器件对材料的尺寸精度要求 很高。值得注意的是当中国学者致力于小型化微带 器件的开发时, 国外科学家已开始专注于开发微带
[13 ] 薄膜 / 厚膜铁氧体器件, J. D. Adam 等 利用脉 如

场的均匀性分布较好, 这样产生较小的互调效应。 他还提出目前在材料方面解决互调问题的思路应该 是尽量使材料致密化, 减少第二相的产生, 共振线宽 能接近理论值, 这会在很大程度上减小材料导致的 互调效应。目前对互调机制的研究将继续下去, 从 根本上解决互调问题是材料和器件工作者共同的目 标。 2. 3 微波铁氧体材料的工程化问题 当前国外的大型微波铁氧体生产厂家均已做到 产品的系列化、 规模化, 而且性能控制的相当稳定。 而对于国内微波铁氧体行业来讲, 目前能基本实现 , 、 批量化 如何控制产品的稳定性 一致性、 可靠性, 实 现产品的规模化生产还有很多的工作要做。近年来 [18 ] 此问题得到了从业者的关注, 如李俊蓉等 发表了 关于微波 铁 氧 体 材 料 一 致 性 研 究 的 论 文; 李 海 华 [19 ] 等 研究了关于石榴石旋磁材料的可靠性等。

冲激光沉积 ( PLD) 在铁氧体基片上沉积了厚度为 100 μm 的薄膜, 器件损耗约为 0. 7 dB( 10 GHz) , 因 此开发铁氧体薄膜 / 厚膜必将成为今后的一个研究 方向。J. Dash 等
[14 ]

用射频溅射的方法制备了 LiZn

铁氧体薄膜, 研究了工艺过程的各种参数对薄膜性
[15 ] 能的影响。 而 M. H. Mahmoud 等 通过脉冲激光

3

结束语

沉积的方法制备了 Mn 铁氧体薄膜。目前在铁氧体 领域使用较广的是脉冲激光沉积技术。 对于小型化和集成化的另一途径便是开发铁氧 体低温共烧材料 ( LTCF) , 可以将电路预埋到材料 中, 进行一体化设计, 省去了复杂的电路工艺过程, 得到可批量化及性能稳定的产品。目前在低温共烧 领域存在的主要问题有收缩率的控制、 共烧匹配以 及材料导热问题。目前铁氧体低温共烧最有希望的 材料将是 Li 系铁氧体材料, 因其烧结温度低而得到 较为广泛的研究。

总的来说, 微波铁氧体材料已发展到一个较高 水平, 国内的生产及研发机构应学习和掌握国外先 进的研发和生产经验, 在产品的创新和规模上赶超 发达国家的水平。 抓住 3G 的发展机遇, 使微波铁 氧体材料的水平再上一个新台阶。
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收稿日期: 2011 - 01 - 13 作者简介: 金宇龙( 1979— ) , 硕士, 男, 工程师, 研究方向为微波介 质与铁氧体材料, 已发表核心期刊文章 6 篇。 联系方式: yljin@ lopu. com. cn

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( 上接第 4 页)
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