用于相控阵雷达的自偏置六角铁氧体材料研究

Self-bias play a key role in miniaturizing microwave gyromagnetic devices i.e. circulator/isolator . So far, self-biased gyromagnetic devices cannot realize practical application in China and cannot utilized well in a relative low frequency range yet. In order to change this situation and meet this need, research on ions substitution of uniaxial type hexa-ferrites have started. The research mainly studied on three fields listed as follows: synthesizing single-phase uniaxial hexa-ferrites, variation of materials’ properties along with ions substitution, lower loss and crystalline grain textured along c-axis. Focusing on these areas: ions substituted into different lattice sites and the impact on microstructure and magnetic properties of ferrites, explore an approach to decline magneto-crystalline anisotropy field of material, realizing self-biased property of material and application at X-band or lower frequencies . Meanwhile, study on these fields, which contains influence of ions substitution on magnetic loss and dielectric loss of ferrites, process of grain orientation in magnetic field to texture along c-axis, design and fabricate of self-biased microwave devices, would start. Thus, synthesized hexa-ferrite could be applied on fabricate microwave devices, which is requested to be miniature, low loss and low frequency operative. Moreover, solving the problem of miniaturizing microwave gyromagnetic devices in new generation MMIC and system, promoting development of microwave system miniaturization.

自偏置是实现微波旋磁器件如环行器/隔离器等小型化的关键，针对目前国内自偏置旋磁器件尚未实用化、不能满足低频应用的问题，以更易于离子取代改性的单轴型六角铁氧体为研究对象，主要对单轴型六角铁氧体的单相制备技术、离子取代对材料性能的调控规律与微波损耗的降低、C轴取向织构化技术等方面展开研究。重点研究不同离子的取代与不同的取代类型对材料的结构与磁性尤其是磁晶各向异性的影响规律，寻求降低磁晶各向异性场的条件，使该材料不仅具备自偏置性能，而且能实现X波段或更低频段的应用。同时，研究离子取代对材料磁损耗与电损耗的影响机理，晶粒的磁场取向工艺对材料的C轴织构化的形成，自偏置微波旋磁器件的设计与制备进行研究，从而使材料满足自偏置微波旋磁器件的小型化、低损耗、低频化的发展要求。解决新一代微波单片集成电路与系统中微波旋磁器件的小型化问题，推动微波系统的小型化发展。

环行器/隔离器是相控阵雷达T/R组件的核心元件。为了满足新一代相控阵雷达T/R组件的小型、集成化发展，自偏置是实现环行器/隔离器小型平面化的关键，支撑这一技术发展的关键是自偏置微波旋磁铁氧体材料的突破。针对国内当前自偏置微波旋磁材料还没有实用化的现状，项目以高取向度、低损耗（低铁磁共振线宽）的主轴型（M型、W型）六角铁氧体材料为研究对象，推动该材料的实用化发展。项目研究了材料的单相制备技术及工艺过程对材料的结构与性能的影响；通过离子占位与材料性能的关系，研究了离子取代改性的机理，实现了对磁晶各向异性、微波损耗等参数的调控；研究了单畴粉体制备与C 轴取向的方法以提高材料取向度，实现对材料磁晶各向异性等效内场的调控。项目主要研究成果如下：针对不同的材料（M型、W型）与不同的离子取代，其成相预烧温度在1250℃——1370℃之间，控制球磨工艺可以得到单畴粒径且粒径分布均匀的粉体，湿法取向成型能有效提高材料的取向度，适合的烧结温度可有效降低材料的孔隙率；过渡离子组合取代或稀土与过渡离子组合取代可有效调控材料饱和磁化强度与磁晶各向异性；单畴粉体与磁场成型是提高有序磁织构、降低材料孔隙率并降低铁磁共振线宽与微波介电损耗的有效措施。制备出了磁滞回线矩形比约90%、饱和磁化强度≥3500Gs、铁磁共振线宽≤650 Oe的自偏置六角铁氧体旋磁材料，为自偏置旋磁铁氧体材料的实用化奠定了基础。探索研究了U型铁氧体的制备、结构与基本磁性与微波特性。基于制备的材料，设计研制了K波段自偏置环行器样品，实现了基本的器件功能，对存在的进行了讨论分析。