（材料物理与化学专业论文）环行器用bafe12o19厚膜制备及应用研究.pdf

摘要 摘要 自偏置的钡铁氧体微带结环行器具有体积小，重量轻等优点，在微波通信器 件领域具有广阔的应用前景，要实现微带结环行器与微波电路集成就需用薄膜或 厚膜形式的铁氧体代替块体的铁氧体。本文采用丝网印刷的方法制备微波钡铁氧 体厚膜，研究了工艺条件如烧结温度、烧结时间、烧结压力以及取向磁场对钡铁 氧体厚膜微结构和磁性能的影响。在此基础上，采用h f s s 仿真软件设计了钡铁氧 体厚膜环行器，并采用光刻工艺制各出了微带钡铁氧体厚膜结环行器原型器件。 实验结果表明，随着烧结温度的升高，厚膜中会出现少量的f e ：o 。相，厚膜的 剩磁比随着温度的增加而降低，而矫顽力则随着温度的升高先逐渐增加再降低， 在烧结温度为1 1 1 0 时，其剩磁比为0 5 8 ，矫顽力为5 3 1 3 0 e 。剩磁比随着烧结时 间的增加而逐渐增加，矫顽力随着烧结时间的增加先减小再增加。加压烧结可以 显著的改善厚膜的致密度和晶粒的均匀性。在烧结压力为6m p a ，温度为1 1 1 0 c ， 时间为1 0 h ，没有外加取向磁场时，得到的剩磁比和矫顽力，分别为o 6 6 和5 3 9 4 0 e 。 取向磁场能够显著改善厚膜的剩磁比，随着取向磁场的增大，厚膜中晶粒具有明 显的c 轴择优取向，且剩磁比和矫顽力均随着取向磁场的增大而增加，当取向磁 场为9 0 0 0 0 e ，温度为1 1 1 0 ，烧结时间为1 0 h ，烧结压力为2 m p a 时，其最大剩磁 比和矫顽力分别为0 7 8 和5 1 2 9 0 e 。 采用h f s s 仿真软件设计并仿真，得到环行器优化的结构参数为：导带圆盘的 半径为0 9 7 m m ，导带线的长度为2 3 m m ，宽度为o 6 m m 。测试结果表明所制作的 环行器原型器件在测试频率为2 7 g h z 左右时，其插入损耗s 2 l 大约为8 5 d b ，而其 隔离度s 1 2 大约为1 2 5 d b ，两者相差大约4 d b ，初步显示出了环行效果。 关键词：钡铁氧体厚膜，结环行器，丝网印刷，h f s s a b s t r a c t a b s t r a c t s e l f - b i a s e db a r i u mf e r r i t e sm i c r o s t r i pj u n c t i o nc i r c u l a t o r , w h i c hp o s s e s s e ss m a l l s i z e ，l i g h tw e i g h t ，e ta lc h a r a c t e r s ，c a l lb ee x t e n s i v e l ya p p l i e d i nm i c r o 。w a v e c o m m u n i c a t i o nd e v i c e s h o w e v e r , i no r d e rt oi n t e g r a t ec i r c u l a t o r sw i t hm i c r o w a v e c o m p o n e n t sa n dc i r c u i t s ，t h ef e r r i t e sn l i n f i l m so rt h i c k f i l m sm u s tb eu s e dt or e p l a c e t h eb u l kf e r r i t e s b a r i u mf e r r i t et h i c kf i l m sw e r ep r e p a r e db ys c r e e np r i n t i n gi nt h i s t h e s i s t h ee f f e c t so fs i n t e r i n gt e m p e r a t u r e ，s i n t e r i n gt i m e ，s i n t e r i n gp r e s s u r ea n dt h e m a g n i t u d eo fo r i e n t a t i o nm a g n e t i cf i e l do nt h ep r o p e r t i e so ft h eb a r i u mf e r r i t et h i c k f i l m sw e r es t u d i e d b a s e do nt h eb a r i u mf e r r i t et 1 1 i c kf i l m s ，ap r o t o t y p ed e v i c eo f m i c r o s t r i pj u n c t i o nc i r c u l a t o rw a sd e s i g n e db yh f s ss o f t w a r e , a n df a b r i c a t e db y l i t h o g r a p h yp r o c e s s i n g t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ，as m a l la m o u n to ff e 2 0 3p h a s ep r e s e n t e di nt h e t h i c kf i l m sw i t hi n c r e a s eo ft h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r e ，a n dt h e r c r n a n e n c er a t i o sd e c r e a s e w i t ht h ei n c r e a s eo ft h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r e w h i l e ，t h ec o e r c i v i t yi n c r e a s e sa tf i r s t a n dt h e nd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r e t h er e m a n e n c er a t i o a n dc o e r c i v i t ya r e0 5 8a n d5 313o e ，r e s p e c t i v e l y ，w h e nt h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r ei s 1110 w i t ht h ei n c r e a s eo ft h es i n t e r i n gt i m e ，t h er e m a n e n e er a t i o so ft h es a m p l e s i n c r e a s eg r a d u a l l y ，w h i l et h ec o e r c i v i t i e sd e c r e a s ef i r s t l ya n dt h e ni n c r e a s e p r e s s u r e s i n t e r i n gc a ni m p r o v et h ed e n s i t ya n dt h eu n i f o r m i t yo ft h eg r a i ns i z es i g n i f i c a n t l yo f t h et h i c kf i l m s w h e nt h es i n t e r i n gp r e s s u r ei s6m p a , t h eo p t i m i z e ds i n t e r i n g t e m p e r a t u r ei s11 10 ，a n dt h es i n t e r i n gt i m ei s10h o u r s ，t h er e m a n e n c er a t i oa n d c o e r c i v i t yo ft h es a m p l ec a nr e a c ht oo 6 6a n d5 3 9 4o e ，r e s p e c t i v e l y t h er c m a n e n e e r a t i oo ft h et 1 1 i c kf i l m sc a nb ei m p r o v e ds i g n i f i c a n t l yb yt h eo r i e n t a t i o no ft h em a g n e t i c f i e l d t h eg r a i n si nt h et h i e kf i l m ss h o wo b v i o u sc - a x i so r i e n t a t i o n , a n dt h er 9 1 e t a n e n c e r a t i oa n dc o e r c i v i t yi n c r e a s ew h e nt h eo r i e n t a t i o no ft h em a g n e t i cf i e l di l l c r e a s e s t h e b i g g e s tr e m a n e n c e r a t i oa n dc o e r c i v i t ya t9 0 0 0o eo r i e n t a t i o no ft h em a g n e t i cf i e l da r e o 7 8a n d512 9o e ，r e s p e c t i v e l y t h eo p t i m i z e dp a r a m e t e r sa r e ：t h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r e o f1110 ，t h es i n t e r i n gt i m eo f10h o u r s ，t h eo r i e n t a t i o no ft h em a g n e t i cf i e l do f9 0 0 0 o ea n dt h es i n t e r i n gp r e s s u r eo f2m p a i i a b s t r a c t t h eo p t i m i z e ds t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ft h ec i r c u l a t o rs i m u l a t e db vh f s sa r ea s f o l l o w i n g ，t h er a d i u so fc o n d u c t i o nb a n dd i s ko ft h ec i r c u l a t o ro fo 9 7m i l l ，t h el e n g t ho f t h ec o n d u c t i o ns t r i po f 2 3m m ，a n dt h ew i d t ho ft h ec o n d u c t i o ns t r i po f0 6n l n l t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ei n s e r t i o nl o s s $ 21 a n dt h ei s o l a t i o ns12o ft h e p r e p a r e db a r i u mf e r r i t e st h i c k n e s sf i l mp r o t o t y p ed e v i c ec i r c u l a t o ra t2 7g h za r e8 5d b ， l2 5d b ，r e s p e c t i v e l y t h em a x i m u md i f f e r e n c eb e t w e e nt h es12a n dt h e $ 21i s4 d b ， w h i c hs h o wt h a tt h ef a b r i c a t e dc i r c u l a t o re x h i b i t so b v i o i l sc i r c u l a t i o nf u n c t i o n k e y w o r d s ：b a r i u mf e r r i t et h i c kf i l m s ，j u n c t i o nc i r c u l a t o r ，s c r e e np r i n t i n g ，h f s s i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 签名： 刍五主 日期：da 。7i f - 年月，日 签名： 9 互日期：da 。7年月，j 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 坫 签名： 0 92 0 0 0 3 0 0 0 1 0 0 0 低大 ： p l d l p e s p r f m s o 72 7 1 0高大 0 23 0095300500 低小 0 75 0 3 高小 1 2 3 铁氧体环行器的研究进展 综观微波环行器的发展历程，其研究的重点主要是探索新的生产工艺和新型 的器件结构，此外，为了军事的需求，研究超带宽和毫米波器件也是一个方向， 然而在毫米波段，微波铁氧体器件的研究和开发难度较大，一方面需要高饱和磁 化强度的铁氧体材料，但是常用的微波铁氧体材料的饱和磁化强度( 4 m s ) 很少有 超过5 0 0 0 g s ，另外工作在毫米波段的器件具有较高的介质损耗及磁损耗，如何降 低损耗也是开发毫米波铁氧体器件的难点之一，而且工作在毫米波频段的结环行 5 电子科技大学硕士学位论文 器需要很大的外偏置磁场，这在技术上不容易做到，为解决这一问题，人们一方 面寻找新的材料，采用六角晶系铁氧体，利用其自身很大的磁晶各向异性场来减 小对外磁场的需求。另一方面，人们开始设计对外偏置磁场需求相对较小的纵场 器件。m a z u r 和m r o z o w s k i 掣2 3 】运用耦合模理论来解释纵向磁化铁氧体耦合线中 奇偶模的耦合作用以及两条耦合线上能量的传输及分配情况，并用模式匹配法得 到了f c l 部分的散射矩阵。i k u o a w a i 和t a t s u oi t o h 【2 4 】用耦合模理论分析了纵向 磁化非互易结构，提出一种分布参数环行器模型，数值计算证明了制作工作频率 在2 0 0 g h z 的环行器的可能性。随后l e d a v i s 等【z 5 】发现纵向磁化铁氧体耦合线 ( f c l ) 可能应用于非互易器件，提出了一种新颖的鳍线结构四端口环行器模型。 在铁氧体集成环行器方面，s t e p h e nw m c k n i g h t 等【2 6 j 采用转移技术在硅基片 上制备出了厚度为9 5 p i n 的y i g 厚膜环行器，在9 g h z 的频率下测得其隔离为 2 0 d b ，最小插损为1 2 d b ，该组研究人员还利用将微波永磁铁氧体减薄的方式来制 备自偏置的微波环行器，其铁氧体的厚度为1 3 0 p m ，测试结果表明插损5 0 d b ，隔 离为1 6 d b ，但是带宽较窄。s e t s u oy a m a m o t o 等【2 在y i g 基片上利用共面波导的 结构设计出了薄膜环行器，研究了共面波导之间的间距随频率之间的变化关系， 当频率为6 9 8 g h z 时，其插损为1 0 6 d b ，隔离为3 2 9 d b ，a s d e h l i n g e r 等【2 驯采 用磁控溅射法在氧化铝基片上沉积了1 0 p _ m 的钡铁氧体厚膜，并采用共面波导的形 式，制备出了自偏置的微波环行器，当测试频率为4 0 g h z 时，显示出了初步的环 行性能。 国内，研究主要集中在y i g 单晶环行器的制备及设计方面，未见有关薄膜或 厚膜钡铁氧体环行器的相关报道。何瑞生等【2 9 】对高功率环行器的温度特性进行的 研究表明：环行器的温度特性与偏置磁场存在内在的联系，同时给出了温度特性 的方法。季飞等【3 0 】采用时域有限差分法分别对铁氧体样品的微带环行器和带线环 行器进行了三维分析，计算了环行特性参数，并与文献结果相符，证明了时域有 限差分法分析环行器的可行性。潘永吉等【3 l 】采用具有双y 谐振器的宽频带环行器 设计理论，设计出了具有双y 电路的微带环行器，其工作频率为7 g h z ，插损为 0 6 d b ，隔离为2 0 d b 。 因此，国外对集成环行器材料和器件的研究处于刚刚起步的状态，而国内更 是没人开展过相关的研究，本论文正是在这样的背景下开展工作，研究基于环行 器用的钡铁氧体厚膜材料，通过采用丝网印刷制备钡铁氧体厚膜，控制工艺参数 可获得高性能的钡铁氧体厚膜，为自偏置的微波环行器提供材料基础，在此基础 上，通过环行器设计，初步制备钡铁氧体厚膜环行器。 6 第一章前言 1 3 选题依据和研究内容 1 3 1 选题依据 现代电子信息系统要求微波器件能够和电路集成，以便制造出高度便携的装 备，这就要求微波器件向着平面化和集成化的方向发展，而目前的环行器为块体 的分离器件，为了与微波电路集成，关键是以薄膜或厚膜形式的铁氧体代替块体 的铁氧体，并且要实现环行器的自偏置，这一研究方向已经成为微波环行器的研 究热点，其中，美国海军实验室率先采用钡铁氧体制备自偏置的微波环行器【3 2 1 。 但是，当铁氧体薄膜或厚膜应用于微波器件时需要满足一定的条件。如通过微波 仿真后发现，要使结环行器在1 g h z 以上的频率具有环行功能，则需要铁氧体膜的 厚度在5 0 微米以上【3 3 1 ，这就说明厚膜比薄膜更具有优势。而膜厚要达到5 0 微米 以上，一般的薄膜工艺很难达到此厚度，主要是由于铁氧体薄膜的生长速度低。 同时，很多工艺所生长的氧化物薄膜在到达一定厚度时会出现开裂甚至脱落等现 象，很难制备出高性能的铁氧体薄膜。众所周知，厚膜工艺中常常采用丝网印刷 方法，该方法具有成本低，效率高和操作方便等特点。虽然钡铁氧体薄膜的研究 报道较多，但是采用丝网印刷制备钡铁氧体厚膜的报道却很少。为此，本论文采 用丝网印刷工艺制备微波钡铁氧体厚膜，研究制备工艺参数对钡铁氧体厚膜性能 的影响规律，为自偏置的微波环行器提供材料基础，在此基础上，通过环行器设 计，初步制备钡铁氧体厚膜环行器。 1 3 2 研究内容 本论文采用丝网印刷工艺制备b a f e l 2 0 1 9 厚膜，研究制备工艺参数对钡铁氧体 厚膜微结构、磁性能和微波性能的影响规律，主要研究内容如下： ( 1 ) 采用典型的陶瓷工艺制各钡铁氧体粉体。 ( 2 ) 采用丝网印刷方法制备b a f e l 2 0 1 9 铁氧体厚膜，主要通过控制预处理过 程( 烘烤温度、时间、磁场) 和烧结过程( 升温速率、烧结温度、保温时间) ，研 究这些工艺参数对钡铁氧体厚膜的微结构、磁性能的影响规律。 ( 3 ) 通过环行器的设计参数制作微波环行器，并对该环行器的性能进行测试。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章铁氧体材料及环行器的理论基础 微波铁氧体( 也叫旋磁铁氧体) 是铁氧体的一种，属非金属性的磁性材料， 它兼有磁性、电性与光效应，其特点是具有很高的电阻率，类似于半导体，上限 甚至接近绝缘体，正因为如此，微波频段的电磁波能在这类磁性媒质中顺利地传 播。据此人们从理论和实践上不断详细地研究微波在此种媒质中的各种传播特性， 并且发现了微波铁氧体的非互易传播效应，双折射效应，以及铁磁共振等现象， 并利用这些特性制成了一系列非互易微波铁氧体器件。经过三四十年的研究和发 展，人们又不断地探索出许多新的物理现象，进而设计并制造了一大批具有各种 不同功能的从米波直至毫米波波段的互易和非互易微波铁氧体器件，至今几乎已 覆盖了整个微波频段。目前利用微波铁氧体的旋磁特性、线性和非线性效应等制 成的微波铁氧体器件有：隔离器、移相器、环行器、调制器等线性器件，振荡器、 倍频器、限幅器、放大器等非线性器件。 2 1 铁氧体材料的微波特性 2 1 1 单个电子的进动方程及其解 根据磁学的相关知识可知，材料的磁性来源于磁偶极矩( m ) 的存在，而磁偶 极矩来源于电子的自旋，自旋势必会产生一个角动量，它可用普朗克常数表示成 3 4 1 ： h s = ： ( 2 1 ) 2 、 该动量的方向与自旋磁偶极矩的方向相反，如图2 1 所示，自旋磁矩与自旋 角动量之比为一常数，称为旋磁比： 7 ：兰= 旦：1 7 5 9 1 0 1 1 c k g ( 2 2 ) j ，吃 即可以得出磁矩和角动量之间的矢量关系为： 朋- - - y s ( 2 3 ) 第= 二章铁氧体材科环行器的理论基础 其中负号是两个矢量的方向相反 自旋电 凹2 一l 自旋电子的臼旋偶极矩和角动量矢量 当偏置磁场瓦= 三h 。存在时，一个转矩将作用在磁偶极矩t ： i = ；瓦= 风；x 可= 一岛，_ 瓦( 2 - 4 ) 因为转矩等于角动量随时问的变化率所以有： 生：一!塑：i：“二x瓦de vd t ” 或者：百d m 一戊廊瓦 ( 2 5 ) 上述运动方辊描述了电子在静磁场h o 巾的运动情况。因矢量鬲一h o 总是垂直 于由m 和h o 所构成的平面，因此并不政变m 的大小，但却会改变m 的方向，使 电子在自旋运动的同时还以外磁场方向为轴产生旋转运动，这种双重的旋转运动 称为进动。电子进动的方向与外加静磁场方向之问遵循右手螺旋关系，即以右手 大拇指为外磁场h 0 , h - p 则四指代表电子进动的方向旧。将( 2 - 5 ) 式写成在直角 世标下的分量表达式为： 等一俐， ( 2 6 ) 华：“m 风 ( 2 7 ) 百2 “，z “。 盟：0( 2 - 8 ) 电子科技大学硕士学位论文 应用式( 2 - 6 ) 和( 2 7 ) 得到m x 和m y 的两个方程： 了d 2 m x + 国2 。m ，：0 ( 2 9 ) 可+ 国。2 0 2 。9 可d 2 m y + 国2 。= 。 ( 2 - 1 。) 其中 国o = # o r h o ( 2 1 1 ) 称之为拉莫进动频率，( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) 的一个解为： m ，= a c o s c o o t ( 2 - 1 2 ) m y = a s i n c o o t ( 2 - 1 3 ) 由( 2 8 ) 式表明m ：是一个常量，所以有如下关系： 阿= ( 差) 2 - 所。+ 坦鲋m 2 ( 2 - 1 4 ) 这样，鬲和一h o ( z 轴) 之间的进动角0 由下式给出： s i n 仕瞥2 同a ( 2 - 1 5 ) m 在x y 平面上的投影由式( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 给出，它表明m 在该平面上的 轨迹是一个圆形路径。该路径在时间t 的位置由= f 给出，所以旋转的角速率 是d = ，它在没有任何阻尼力时，实际进动的角频率由磁偶极子的初始位置 决定，同时偶极子在该角度上相对于一h o 做无限期的进动，然而，实际上阻尼力的 存在将使偶极子从它的初始角盘旋下落，现设定在单位体积内由n 个非平衡的电 子自旋，则总的磁化强度为： 万= 鬲 ( 2 1 6 ) 此时，运动方程为： 百d m = - p o g m 耳 ( 2 1 7 ) 其中万是外加场，砑表示磁化强度。 2 1 2 旋磁特性和张量磁导率 由于铁磁性介质内部的自由电子很少，则其具有很高的电阻率，但其内部却 有大量的电子在做自旋运动，即具有宏观看起来是均匀散布着的磁性原子，这种 1 0 第二章铁氧体材料及环行器的理论基础 介质称为旋磁介质。铁氧体就是典型的旋磁介质。在铁氧体中具有大量自旋电子 所构成的原子磁矩即原子中电子磁矩的总矢量和，它们在磁畴区域内借助于自旋 电子间的相互作用，彼此平行地排列起来而形成自发磁化。这种自发磁化在足够 大的夕l - ；b l l 恒定磁场作用下，铁氧体内各磁畴的磁矩一方面绕外加磁场进动，一方 面逐渐向外加磁场靠拢，直到完全在外加磁场的方向上为止，这一过程称为旋磁 介质被磁化的过程。被磁化后的铁氧体内全部自旋电子就平行地排列起来产生“一 致进动”，此时若再外加一个合适的微波电磁场，则就会产生一系列的独特效应， 如旋磁特性、法拉第效应、铁磁共振等【3 6 1 。设万是外加的交流场，则总的磁场强 度是： q = h o z + h ( 2 1 8 ) 其中h o 为外加恒定磁场，我们假设1 日i h o ，这样的场在铁氧体中产生的总磁 化强度给出为： m ，= m ，z + m ( 2 1 9 ) 其中，m 。是饱和磁化强度，一m 是由万造成的附加磁化强度，把( 2 1 9 ) 式代 入( 2 1 8 ) 和( 2 1 7 ) 式中，可给出以下的分量运动方程： 望一鳓心y ( 风+ 勘楣y ( 必+ 膨：) h y ( 2 - 2 0a ) d m y ： + h z ) - l a , 。7 ( 丝+ m ：) 以dt 2 s , o r m a u o + h z ) 。7 ( 丝+ z ) 以( 2 - 2 0 b ) 警= 一l o y m x m yw q ( 2 2 0 c ) 其中，办= o ，由于网风，所以有i 面l l 万i i 万i 风和l 砑l | 万i 鸠i 万i ， 因而可略去m h 乘积。则( 2 2 0 ) 可化为： 警= 一鸩+ q ( 2 - 2 1 a ) 堕= 致d2 t = ( o o m x - 致( 2 - 2 1 b ) d m z ：0( 2 2 1 c ) d t 其中= y h o 和= 心心，对式( 2 - 2 1 a ) 和( 2 2 1 b ) 求解得到膨，和膨， 电子科技大学硕士学位论文 的微分万程： 等耐坂= 堡d t + t o o t o h ( 2 - 2 2 a ) 等耐妒一鲁+ t o o t o h y ( 2 - 2 2 b ) 若交变场面有p 皿的时间谐变关系，则( 2 2 2 ) 式的交流稳态解可得出以下相 量方程： ( 2 一缈2 ) 丝= 叱致+ 歹缈q ( 2 - 2 3 a ) ( 2 一缈2 ) m j ，= - j t o t o h x + j o o e ) m h y ( 2 - 2 3 b ) 它表明一m 和一h 是线性的关系，则： iz 。z 90 、 万= 万= l 易0l 万 ( 2 2 4 ) l0 0 0 j 其中，【z 的矩阵元给出如下： 如= 锄= 孑0 ) 0 ( 虿- ) m ( 2 - 2 5 a ) 批：一以：婴 ( 2 2 5 b ) 如一2 毒j 眩。 为把否和万联系起来，因为否= 鳓( 砑+ 万) = 【】万，其中张量磁导率【】给出 为： f ，j k0 、i 【】- 鳓( 【u 卜【z 】) = l - j k oi ( 三偏置)( 2 - 2 5 c ) l00 觞j 其中， = 熊( 1 + 厶) 2 鳓( 1 + 如) 2 鸬( 1 + i ) 扣一j t u o z 砂砒2 鳓希 具有这种形式的磁导率张量的材料具有旋磁性，该特性使得铁氧体在不同的 外加场作用下能呈现出各种不同的不可逆现象，由此可构成各种各样的微波非互 易器件。现在看铁氧体在恒定磁场h n 加圆极化交变场共同作用下的表现，设右旋 1 2 第二章铁氧体材料及环彳= j 器的理论基础 一- _ _ _ _ _ l - 一 圆极化场为： = 日+ ( ；一多)(一-26)h 22 6 = 日+ ( 工一，y ) 【 将其代入到( 2 2 3 ) 式中，就可得到磁化强度的分量为： m + ：j 竺l 日+ ( 2 2 7 a ) “ 一缈 m ，+ ：盟日+ ( 2 2 7 b ) 7 一国 所以，由万+ 得出的磁化强度矢量为： 万+ 啦囊矽，+ 多2 毒趴三一_ 乃 ( 2 2 8 ) 这表明磁化强度也是右旋圆极化场，因而与驱动场日。同步地以角速度国旋转。因 为m 。和h 。是相同方向上的矢量，可以写出： b + = z o ( m + 日) = + h ( 2 2 9 ) 其中，旷是右旋圆极化波的有效磁导率，它由下式给出： + = 刖+ 去) ( 2 - 3 0 ) 纸一国 砑+ 与z 轴之间的夹角钆由下式给出： t 曰m s = 盖：最 沼3 ， 一h + 与z 轴之间的夹角铭由下式给出： t a n = 等( 2 - 3 2 ) 对于满足缈 易，如图2 - 2 ( a ) 中所示，在这种情况下，磁偶极子在同一方向上做进动，有如不存在百+ 的情况下 做自由进动。同理，在左极化场百一= 日一( ；+ - 多) 作用下，其有效磁导率为： 一= 舭+ 南) ( 2 - 3 3 ) 万一与z 轴之间的夹角钆为： 1 3 屯于科技人学硕+ 学侍论文 这看起来比式( 2 3 2 ) 给出的以要小，在这样的情况下，磁偶极子所做进动 的方向与它的自 j 进动方向相反如图2 - 2 ( b ) 所示。 对比( 2 - 3 0 ) 和( 2 - 3 3 ) 式可以发现，当微波频率出等于魄时，右旋波的有效 磁导率趋于无穷大，而左旋波的有效磁导率变化很小，这种现象叫做铁磁共振p ”。 铁磁共振现象是具有张量导磁率的铁氧体介质的又一重要特性，利用此特性我们 可让铁氧体材料对通过它的左、右旋圆极化波分别产生不同的能量吸收效应。从 而构成单向器件，如隔离器等。 ( a ) r h c p( b ) l h c p 日22 磁偶极千随极化场做强迫进动 213 法拉第旋磁效应 由于张量磁导率在微波时具有各向异性，故把铁氧体的磁化分成纵向磁化和 横向磁化两种情况来分析，所谓纵向磁化就是指磁化场的方向和电磁波的传播方 向平行，所谓横向磁化就是指磁化场的方向在和电磁波传播方向垂直的平面内。 对于纵向磁化将导致法拉第旋转效应，而横向磁化将导致互易和非互易双折射效 应【”】。若磁化场方向平行于传播方向方向又假定传播的是平面横电磁波，故可 令a ，缸= 0 ，0 却= 0 以及a 西= 向。在横电磁被的情况下可以将m a x w e l l 方程 式展开成分量形式： d e = j a j , u o ( , u 以一j k h ) ( 2 - 3 5 a ) 器箍埘 第二章铁氧体材料及环行器的理论基础 孕：一j c o 1 0 ( 比h y + 旭) (2-35b)dz o = 一j m g o p h x ( 2 3 5 c ) 孕：j t 0 6 c o e ， ( 2 - 3 5 d ) a z 警咖甄墨( 2 - 3 5 e ) 0 = _ ，缈峨疋 ( 2 3 5 f ) 这组方程本身就意味着场量之间相互耦合，由( 2 - 3 5 e ) 和( 2 - 3 5 f ) 可知， 皿= 臣= 0 ，因此在纵向磁化下电磁波的传播模式为t e m 波，其中电场和磁场与 传播方向相互垂直，根据( 2 3 0 ) 和( 2 3 3 ) 式可以得到： 日，= 凰 ( 2 3 6 ) 在此情况下，传播方向上没有磁场分量，因此是个横波。纵向磁化情况下电 磁波不仅是一个横波，而且还要分裂成为右、左旋两个圆极化波。( 2 3 6 ) 式中正 号对应于右旋波，即顺着风方向看过去波的极化旋转方向是顺时针的( 它与磁矩 的进动方向相同) ，负号则对应与左旋波，即顺着h o 方向看过去波的极化旋转方向 是逆时针的( 它与磁矩进动方向相反) 。右、左圆极化波常常也称为正、负圆极化 波【3 9 1 。 2 1 4 双折射效应 在垂直于波的传播方向上，张量磁导率由( 2 3 0 ) 式和( 2 3 3 ) 式给出，对于 沿z 轴方向传播的平面波，麦克斯韦方程组中两个旋度方程化为以下分量方程： jp e v = 一j t o t o h ， ( 2 3 7 a ) - j f l e , = - j o g ( g h y + 肚吼) ( 2 3 7 b ) 0 = 一j 卜j l ( h ，+ p h 3 ( 2 3 7 c ) j f l h y = j s e x ( 2 - 3 7 d ) - j f l h x = j c o g e y ( 2 - 3 7 e ) 0 = ，国占e ( 2 - 3 7 f ) o 此时e 卸和v , d = o ，因为a 融= a 0 3 , = 0 。式( 2 3 7 d ) 和( 2 - 3 7 e ) 给出在 电子科技大学硕士学位论文 横向场分量之间的导纳关系： 卜每= 鲁= 芳 协3 8 ， e xe vp 、。u 。 把式( 2 3 8 ) 用到式( 2 3 7 a ) 和( 2 3 7 b ) 中可以消去日。和h ，同时把( 2 c ) y 3 7 用到( 2 3 7 b ) 中消去卫，得出以下结果： 分e = 矗q e ， ( 罗2 一彩2 肛) 量= 一彩2 s 是2 e 式( 2 3 9 ) 的一个解产生于乓= 0 时： ( 2 3 9 a ) ( 2 3 9 b ) 属= 国瓦f ( 2 4 0 ) 则完整的场为： 瓦= 讽p 硼。 ( 2 4 1 a ) 凰= 一战匕e 一腓 ( 2 4 1 b ) 因为式( 2 - 3 8 ) 说明当晟2 0 时有h y = 0 ，同时式( 2 3 7 c ) 说明当h y = 0 时有日：= o 。 此时导纳是： k 2 署- 云 协4 2 ， 这种波称为寻常波，因为它未受到铁氧体磁化的影响。这发生于与偏置场相 垂直的磁场分量为零的情况。不管波是在+ z 方向还是在z 方向传播，都有相同的 传播常数，而与h o 无关。 式( 2 3 9 ) 的另一个解产生于e = 0 时： 屈= 缈厉 ( 2 4 3 ) 其中，以是有效磁导率，它是由下式给出： “2 一尼2 以2 二。一 弘 这种波称为非寻常波，它受到铁氧体磁化的影响。注意， 效磁导率会是负值。电场是： 瓦= 讽p 以z 1 6 ( 2 4 4 ) 在某个国值下，有 ( 2 - 4 5 ) 第二章铁氧体材料及环行器的理论基础 因有b = o ，所以( 2 - 3 7 e ) i 晚n 有以= o 。日，可由( 2 - 3 7 d ) 求得，吼可由( 2 - 3 7 e ) 求得，从而给出总磁场为： 瓦= 岛艺( 多+ 三丛) p 一胆2 ( 2 4 6 ) 其中 5 署- 云 这些场构成一个线性极化波，但要注意磁场在传播方向有一个分量。除了存 在日以外，这个非寻常波的电场和磁场是与寻常波对应的场相垂直的。这样，在 y 方向极化的波有传播常数风，而在x 方向极化的波有传播常数孱。这种传播常 数与极化方向有关的效应成为双折射效应。 2 2 铁氧体环行器的工作原理 2 2 1 带线环行器的工作原理 环行器是一种具有若干分支的元件，理想环行器应具有这样的特性：从某一 支输入能量，只能依次传到另一分支，而不能传到其它的分支，其输入输出能量 是按照某种顺序“环行旋转”的。目前在中、小功率微波系统中常常采用的是三 端口环行器，称为y 结环行器，基本结构就是三分支线汇合处放置外加恒定磁场 的铁氧体材料，三分支线作为传输线用的，根据分支线的类型的不同，可以分为 带状线型，微带线型和波导型，它们的工作原理也与法拉第效应有关。带线环行 器的典型结构是由一个金属圆盘和具有三条互成1 2 0 。对称的导带线构成，它与两 个接地面之间各配置一个铁氧体圆柱，并加以适当的偏置磁场而制成。它的结构 简图如图2 3 所示。在实际的微带环行器中，存在着空气和介质的交界面。 l h o j 接地面 铁氧体 微带线 铁氧体 接地面 图2 - 3 带线环行器的示意图 1 7 电子科技大学硕士学位论文 环行器除了微带结环行器外，还有嵌入式微带铁氧体环行器、全铁氧体基片 微带环行器。 嵌入式微带铁氧体环行器是在适当厚度的陶瓷基片上制作三条互成12 0 。对 称的微带线，在其结合处于基片上开一个适当直径的孔，然后把端面已金属化的 相应直径的铁氧体圆柱嵌入该孔中。铁氧体圆柱的偏置磁场一般由位于该圆柱底 端( 或顶端) 的小型永磁提供。微带线与铁氧体圆柱的金属层之间，采用跨接金 属线的方法保证良好的电气接触。作为一个单独的器件，该环行器还需按一般的 微带电路进行组装。图2 - 4 是一般的嵌入式微带环行器的结构示意图。 微带线 图2 - 4 嵌入式微带环行器结构示意图 氧体基片 图2 - 5 全铁氧体基片微带环行器结构图 全铁氧体基片的微带环行器是在适当厚度的铁氧体基片上，用一般的薄膜光 刻技术或掩膜沉积方法，制作三条互成1 2 0 。对称的微带线，在其结合处变成一个 适当直径的金属薄圆盘，在基片的另一边，即对应于圆盘的接地面上配置一个小 型的永久磁铁( 这个磁铁也可配置在微带金属圆盘的顶部) ，以提供环行器工作所 必需的偏置磁场。作为一个单独的器件，该环行器也需要按一般的微带电路进行 第二章铁氧体材料及环行器的理论基础 组装，并配置适当的微带同轴连接器。全铁氧体基片微带环行器的基本结构如图 2 5 所示。 2 2 2 微带结环行器的工作原理 微带结环行器工作的显著特点是它的中心圆盘的谐振效应，圆盘结构在最低 频率上的谐振具有图2 - 6 所示删的偶极子模式，其电场矢量垂直于圆盘平面，而 射频磁场与圆盘平面平行。 ( a ) h i n t = 0 ( b ) 环行时的h i n t ( a ) 内场为零时介质圆盘的偶极子模( b ) 磁化时的偶极子模 图2 - 6 环行器的工作原理 图2 - 6 ( a ) 为非磁化状态下由端口1 激励起的驻波场图，当端口2 和3 开路 时，其端电压将与输入电压反相1 8 0 。，而大小则为输入电压的一半。这个驻波场 图可以设想为由两个同样结构的同频率的反向旋转场图所合成。每一个场图的射 频磁场在圆盘中心是圆极化的，当半径增加时成为椭圆极化，在圆盘柱面上为线 极化。为了得到环行作用，需在圆盘轴线方向上施加适当的偏置磁场( h o ) 。在偏 置磁场作用下，上述两个反向旋转的场图的旋转频率不再相等，也就是说两个“简 并 的场图发生了“分裂 。旋转方向与铁氧体的电子自旋的进动方向相同的那个 模，称为正( + ) 模，与电子自旋的进动方向相反的那个模，称为( ) 模，如果我 们在两个分裂模的谐振频率之间的中间频率上激励图2 6 ( b ) 的系统，则由于正 模有较高的谐振角频率纹，它将呈现出电感分量，而负模有较低的谐振角频率c o ， 故它将呈现出电容性分量。 如果按这样的方法选取工作频率，使得一个模的电感性分量与另一个模的电 容性分量相等，则在工作角频率上的总阻抗将为实数。为了得到环行作用，两 个模的分裂程度必须这样控制，使得每个模的阻抗的相角在工作频率上均是3 0 。， 结果便使得合成的驻波场图从模未分裂时的位置旋转3 0 。，如图2 - 6 ( b ) 所示， 场图的旋转方向与正模的旋转方向一致。由于场图旋转了3 0 。，使得端口3 上的 1 9 电子科技大学硕士学位论文 电场为零，故在这个端口上没有电压存在，成为隔离器。因此，对于进入端口l 的射频功率，这个器件便如同传输谐振腔那样把功率送到端口2 去，如端口2 结 匹配负载，则功率便不进入端口3 由于结构的对称性，使得从端口2 送入的功率 只能进入端口3 ，而不进入端口1 ，类似地，送入端口3 的功率将传输到端口l ， 而不进入端口2 。因此，这个器件便成为理想的环行器。 由此可知，环行器的输入等效电路具有图2 7 所示形式。左图为分裂模式表示 的等效电路，右图是简化的等效电路。分裂模式的存在是结环行器的工作基础， 并已为理论分析和实际测量所证实。以上是偏置磁场低于铁磁谐振场的情况。如 果偏置磁场高于磁场谐振场，则环行器的环行方向要倒转过来，亦即由上述的1 2 3 1 环行方向改变为l 3 2 1 的环行方向。这是因为在低于谐振 工作时，负模具有较低的频率( 如上所述) ，而当高于谐振工作时，负模转化为较 高频率，因此在工作频率上两个模的电抗反号，于是环行方向倒转。高于谐振工 作时要求较小的圆盘直径和较高的饱和磁化材料，但是也要求更大的偏置磁场， 因而磁铁更大。低于谐振工作时要求最小的偏置磁场和较低的饱和磁化材料。现 在大多数微波环行器都采用低于谐振的工作方式，只是在微波频率的低端波段以 下，才使用高于谐振的工作方式。 1 卜11 1 r o ij - - r _ - 。 一。 - ，一。 u u ( a ) 以分裂模表示的等效电路( b ) 简化的等效电路 图2 7 结环行器的输入等效电路 ：2 0 第三章钡铁氧体厚膜的制备及性能研究 第三章钡铁氧体厚膜的制备及性能研究 3 1 丝网印刷方法简介 丝网印刷方法是制备厚膜的一种常用手段，该方法具有效率高、成本低和操 作方便等优点。丝网印刷的示意图如图3 1 所示【4 l 】：该方法一般