基于M型六角铁氧体Ba(Z...9)的自偏置微带环行器设计_刘谦.pdf

收稿日期:2022-07-25通信作者:刘谦,讲师,博士,主要从事旋磁铁氧体与微波器件的研究。E-mail:lq 电子元件与材料Electronic Components and Materials第 42 卷Vol.42第 5 期No.55 月May2023 年2023基于 M 型六角铁氧体 Ba(ZnHf)0.08Fe11.92O19的自偏置微带环行器设计刘 谦,陈义林,李毓林(三峡大学 电气与新能源学院,湖北 宜昌 443002)摘 要:电子信息技术的发展对环行器提出了低损耗、高隔离度及小型化的要求,采用具有高剩磁比(Mr/Ms)和强各向异性场(Ha)的 BaM 自偏置铁氧体材料有利于提高环行器性能和减小器件尺寸。在阐述高度取向 M 型六角铁氧体 Ba(ZnHf)0.08Fe11.92O19制备工艺的基础上,表征了材料的相结构、微观形貌和磁性能。根据环行器设计理论,基于 0.25 mm 厚度的 BaM 铁氧体材料仿真设计了工作于 Ku 波段的双 Y 结和开槽多 Y 结环行器。仿真结果表明,两种环行器均在 12.44 GHz 处显示出良好的环行功能,电压驻波比均小于 1.22。在中心频率附近,双 Y 结环行器插入损耗为 0.61 dB,相应的隔离度为 26 dB,20 dB 带宽为 1.3 GHz;开槽多 Y 结环行器插入损耗为 0.505 dB,相应的隔离度为 36 dB,20 dB 带宽为 1.03 GHz。相比于双 Y 结环行器,开槽多 Y 结环行器在保证器件性能的前提下,能够有效改善插入损耗和隔离度等性能,并有利于减小环行器尺寸。关键词:高剩磁比;环行器;隔离度;BaM 铁氧体中图分类号:TN61文献标识码:ADOI:10.14106/ki.1001-2028.2023.1450引用格式:刘谦,陈义林,李毓林.基于 M 型六角铁氧体 Ba(ZnHf)0.08Fe11.92O19的自偏置微带环行器设计 J.电子元件与材料,2023,42(5):604-610.Reference format:LIU Qian,CHEN Yilin,LI Yulin.Design of self-biased microstrip circulator based on M-typehexagonal ferrite Ba(ZnHf)0.08Fe11.92O19J.Electronic Components and Materials,2023,42(5):604-610.Design of self-biased microstrip circulator based on M-typehexagonal ferrite Ba(ZnHf)0.08Fe11.92O19LIU Qian,CHEN Yilin,LI Yulin(College of Electrical Engineering and New Energy,China Three Gorges University,Yichang 443002,Hubei Province,China)Abstract:Advance of electronic information technologies demands low-loss and miniaturized circulators,which could beachieved by using self-biased ferrite BaM with high residual magnetic ratio(Mr/Ms)and strong anisotropic field(Ha).Thepreparation process was described for highly oriented M-type hexagonal ferrite Ba(ZnHf)0.08Fe11.92O19,which was thencharacterized for its phase structure,microstructure and magnetic properties.Using 0.25 mm BaM ferrite material,a double Yjunction and a slotted multi-Y junction circulator were simulated at Ku band using circularizer design theory.The simulationresults show that both circulators exhibit expected performance at 12.44 GHz,and their voltage standing wave ratio is lessthan 1.22.Around central frequency,the dual Y junction circulator has insertion loss of 0.61 dB,isolation of 26 dB,and 20dB bandwidth of 1.3 GHz,which are 0.505 dB,36 dB and 1.03 GHz for the slotted multi-Y junction circulator.Comparedwith the dual Y junction circulator,the slotted multi-Y junction circulator can effectively improve the insertion loss andisolation under the premise of ensuring the performance of the device,which help reduce the size of the circulator.Keywords:high remanence ratio;circulators;isolation;BaM ferrite刘谦,等:基于 M 型六角铁氧体 Ba(ZnHf)0.08Fe11.92O19的自偏置微带环行器设计 微带环行器是广泛应用于现代雷达和射频通信系统的一种三端口非互易器件,其优异的环行功能是提高射频通信系统性能的必要条件1。M 型六角铁氧体具有强单轴各向异性且结构相对简单,通常被认为是高微波频段(Ka、U 波段)自偏置环行器的合适材料2-3。基于高剩磁(Mr)和高磁晶各向异性场(Ha)的BaM 六角铁氧体制作环行器,将大大减小环行器的尺寸4。研制具有良好磁性能的 BaM 六角铁氧体材料,设计具有低损耗、高性能、小型化及平面化的环行器成为 了 目 前 国 内 外 自 偏 置 器 件 设 计 方 面 的 热 门课题4-5。目前国内外学者在自偏置环行器件设计方面进行了较多研究。Wang 等6基于 SrM 型六角铁氧体设计了工作在 Ku 波段的单 Y 结环行器,在中心频率 13.5GHz 处,插入损耗 S21为 1.52 dB,在隔离度大于 15dB 时仅有 220 MHz 带宽。吴燕辉等7利用 BaM 铁氧体材料制作了工作在 X 波段的双 Y 结环行器,最大隔离度 S12达到 25 dB,但仅有 500 MHz 工作带宽,且存在插入损耗大等问题。电子科技大学陈永星8以YIG 铁氧体基板为材料,设计了工作于 X 波段的双 Y结和鱼刺型微带环行器,仿真性能良好,鱼刺型的设计有利于实现器件小型化的需求。邬传健9利用 La-Cu 联合取代制作的 Ba0.8La0.2Fe11.8Cu0.2O19自偏置材料,仿真设计了应用于 Ka 波段的传统双 Y 结自偏置环行器件,实现了良好的环行功能,同时具备尺寸较小的特点,但存在工作带宽较窄的问题,并且与美国Metamagnetics 公司 Ka 波段的自偏置环行器产品性能仍有一定差距。李金朋10同样利用 La-Cu 联合取代自研的铁氧体基片,仿真设计了应用于 Ka 波段的全铁氧体基片准平面化环行器和复合基片准平面化环行器,但均存在隔离度小和器件尺寸较大的问题。罗全邦11基于利用 Cu2+取代的方式研制的 BaM 铁氧体材料,仿真设计了一种应用于 X 波段的单 Y 结多段阻抗匹配微带环行器,但插入损耗较大,15 dB 带宽仅为 0.2GHz。周永川等12利用 BaM 材料仿真设计了工作在Ka 波段的双 Y 结自偏置环行器,实现了良好的环行功能。综合上述文献分析,离子取代能有效调控 BaM 材料磁性能,在阻抗匹配方面多枝节匹配方式更有利于环行器件的小型化趋势。改善自偏置六角铁氧体材料的性能,设计高性能和小型化的环行器件,对提升电子系统的性能至关重要。为探究适用于较低微波频段(Ku 波段)的微波铁氧体器件,本文参考现有的离子取代方式5,13-14和环行器件设计方式8,15-16,采用 Zn2+-Hf4+联合取代 BaM铁氧体的方式,制备了具有高剩磁比(0.93)和高各向异性场(805000 A/m)的新型 BaM 铁氧体材料,并基于 0.25 mm 厚度的 BaM 设计了工作在毫米波 Ku 波段的自偏置微带双 Y 结、开槽多 Y 结环行器,研究了其微波器件特性。仿真结果表明,基于新型 BaM 材料设计的开槽多 Y 结自偏置环行器件满足 Ku 波段的使用需求,相较于传统双 Y 结结构,其具有高隔离度和小型化的优点。1 BaM 铁氧体制备及性能表征将 ZnO、HfO2、BaCO3和 Fe2O3等原材料、球磨球和去离子水按照一定的质量比(1 6 1)加入到球磨罐中,并利用行星式球磨机进行球磨处理。在经过预烧结和二次球磨之后,将得到的浆料进行滤水处理,之后将含水量在 20%30%(质量分数)的浆料倒入成型磨具中,在外加 795775 A/m 磁场强度及 30 MPa 压力下进行湿法磁场取向成型,将成型的铁氧体生坯置于高温炉中煅烧,制得取向的 Ba(ZnHf)0.08Fe11.92O19样品。图 1 所示为取向 Ba(ZnHf)0.08Fe11.92O19的 XRD 图谱,可以看出,其衍射峰和 BaM 相标准卡片(PDF#27-1029)的衍射峰符合情况良好,未观察到第二相,表明在固相反应时,Zn2+、Hf4+离子进入到 BaM 铁氧体的 Fe3+晶格位中,合成了单一的 M 型铁氧体。图 1 取向 Ba(ZnHf)0.08Fe11.92O19的 XRD 图谱Fig.1 XRD patterns of oriented Ba(ZnHf)0.08Fe11.92O19图 2(a)所示为取向 Ba(ZnHf)0.08Fe11.92O19的表面微观形貌图,表明 BaM 材料的晶粒形状并未发生明显的变化,呈现出六角片状晶型。图 2(b)所示为取向506电子元件与材料Ba(ZnHf)0.08Fe11.92O19的截面微观形貌图,铁氧体颗粒大部分沿着 c 轴堆积分布,取向效果较好。图 2(a)取向 Ba(ZnHf)0.08Fe11.92O19的表面微观形貌;(b)取向 Ba(ZnHf)0.08Fe11.92O19的截面微观形貌Fig.2(a)Surface micromorphology of orientedBa(ZnHf)0.08Fe11.92O19;(b)Cross-sectionalmicromorphology of oriented Ba(ZnHf)0.08Fe11.92O19图 3 给出了样品的磁滞回线,对比平行于样品平面和垂直于样品平面的磁滞回线,可以发现垂直于样品平面的磁滞回线具有高矩形度,样品在易磁化轴方向快速达到饱和状态,表明样品具有良好的 c 轴取向,这与 SEM 照片的分析吻合。其具体磁性能参数如下:饱和磁化强度(4Ms)为 279722 A/m,剩磁比(Mr/Ms)为 0.93,矫顽力(Hc)为 150719 A/m,参照文献9中依据趋近饱和定律计算磁晶各向异性常数 K1的方式,计算得到磁晶各向异