Ka波段自偏置环行器材料制备及应用技术研究

作     者：张涛 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：蒋晓娜

授予年度：2023年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：自偏置 环行器 磁铅石铁氧体 高各向异性 择优取向 

摘      要：环行器用铁氧体材料可分为尖晶石型、石榴石型和磁铅石型。传统环行器以尖晶石型和石榴石型材料为基板,需要外置永磁体来提供偏置磁场,因此不利于实现微波集成电路系统小型化。而磁铅石型六角铁氧体材料具有高各向异性、高矫顽力和高剩磁比,可为环行器基板提供自偏置场,并保持高剩磁,因此有利于减小环行器的外置磁钢,甚至完全无需磁钢,这对于实现环行器小型片式化具有重要意义。本论文基于Ka波段自偏置环行器的应用需求,对BaM铁氧体材料进行研究,并进行自偏置环行器研制。采用传统氧化物陶瓷工艺制备BaM铁氧体材料,探究三种添加剂对M型六角铁氧体性能的影响。结果表明:（1）HBO添加剂可促进液相烧结,但是过量掺杂会导致晶粒长大,矫顽力（H）下降,HBO掺杂量以0.2 wt%为宜;（2）VO添加剂可促进固相反应,增加烧结样品的密度。随着VO添加量的增加,材料的剩磁（4πM）和饱和磁化强度（4πM）均先增大后减小,剩磁比（M/M）基本不变,矫顽力则一直减小,VO掺杂量以0.15 wt%为宜;（3）Ca CO添加剂可以提高BaM铁氧体的密度,样品的剩磁和矫顽力均先增大后减小,掺杂量为0.6 wt%时,烧结样品的综合性能较佳。基于自主研制的六角型钡铁氧体材料,进行Ka波段自偏置环行器设计研究。首先,分别研究了环行器基板厚度对基板剩磁和剩磁比的影响,结果表明:当基板厚度由0.4 mm增加至0.8 mm时,剩磁上升了23%,样品的磁矩取向度也明显提升,这将有助于减小铁氧体基板磁损耗。其次,使用HFSS仿真软件建立了Ka波段复合铁氧体基板自偏置环行器的仿真模型并进行优化,获得了优化模型。结果表明:在26～27.6 GHz频率范围内,环行器插入损耗S均小于1 d B,最小插入损耗可达0.85 d B,隔离度S和回波损耗S均大于20 d B,隔离度最大值可达53 d B,带宽约1.6 GHz,器件的整体尺寸为7 mm×7 mm×0.4 mm,具有良好的环行特性。根据仿真结果,结合半导体工艺,研制微带环行器,并对实物进行测试分析。结果表明:隔离度大于15 d B的带宽为0.7 GHz,在23.18 GHz左右时,隔离度达到最大值,约35 d B。在隔离度大于15 d B的带宽范围内,插入损耗S≤3.7 d B,驻波比SWR≤1.464。