【摘要】：隨著現(xiàn)代空間雷達(dá)技術(shù)的飛速發(fā)展,尤其是毫米波技術(shù)的應(yīng)用與推廣,高頻化、小型化和低損耗成為未來微波器件的發(fā)展方向�；诩饩褪袷F氧體制備的微波環(huán)行器需要外加永磁體提供穩(wěn)恒磁場(chǎng),因此難以實(shí)現(xiàn)與整機(jī)系統(tǒng)的集成化和小型化。而M型鋇鐵氧體具有較高的各向異性,可將環(huán)行器的工作頻率推進(jìn)到毫米波頻段,更可為環(huán)行器提供自偏置場(chǎng),實(shí)現(xiàn)環(huán)行器的小型輕量化。因而,高性能M型鋇鐵氧體的研制對(duì)微波環(huán)行器小型化和高頻化的發(fā)展具有十分重要的意義。本論文緊緊圍繞自偏置環(huán)行器的應(yīng)用需求,采用固相燒結(jié)法制備M型鋇鐵氧體。在材料方面,基于第一性原理計(jì)算了M型鋇鐵氧體的離子占位和交換作用參數(shù),深入探究了M型鋇鐵氧體的離子取代、摻雜和工藝參數(shù)與性能間的作用關(guān)系;在器件方面,基于自主研制的低線寬、高剩磁比的M型鋇鐵氧體材料,設(shè)計(jì)并研制出自偏置微帶環(huán)行器。首先,采用固相燒結(jié)法分別制備La-、La-Co和La-Cu取代M型鋇鐵氧體,研究了各組分配方對(duì)M型鋇鐵氧體性能的影響。結(jié)果表明:(1)La-取代可提高M(jìn)型鋇鐵氧體的各向異性,但對(duì)晶粒的生長具有抑制作用,通過第一性原理計(jì)算該體系的交換作用參數(shù)得出,La-取代會(huì)減弱4f_1-4f_2、4f_1-12k、4f_2-12k、2f_1-2f_1、2f_2-2f_2和4k-8k晶位之間的交換作用,而2a-4f_1、2a-12k、2b-4f_1和2b-12k之間的交換作用則會(huì)增強(qiáng),當(dāng)交換關(guān)聯(lián)作用勢(shì)U_(eff)=6.7 eV時(shí),采用隨機(jī)相近似理論計(jì)算的居里溫度T_c與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為匹配;(2)通過Rietveld結(jié)構(gòu)精修并結(jié)合Raman和XPS分析得出強(qiáng)各向異性Co離子以+3價(jià)形式進(jìn)入M型鋇鐵氧體晶格,并擇優(yōu)占據(jù)2a、4f_1和12k晶位,因而適量的La-Co取代可同時(shí)提高M(jìn)型鋇鐵氧體的剩磁4πM_r和各向異性場(chǎng)H_a,但燒結(jié)樣品的密度d則會(huì)降低,通過Néel亞鐵磁性分子場(chǎng)理論計(jì)算得出La-Co取代會(huì)減弱2b-4f_2、12k-4f_1、2a-4f_1、12k-4f_2和2b-12k晶位之間的分子場(chǎng)作用,從而使居里溫度T_c下降;(3)采用第一性原理計(jì)算并結(jié)合Raman分析和Rietveld結(jié)構(gòu)精修證實(shí)了Cu~(2+)喜占2b和4f_2晶位,且占據(jù)比例約為1:2,同時(shí)適量的La-Cu取代可顯著提升M型鋇鐵氧體的飽和磁化強(qiáng)度4πM_s、剩磁4πM_r、各向異性場(chǎng)H_a和密度d,減小氣孔率p。其次,在明確以Ba_(0.8)La_(0.2)Fe_(11.8)Cu_(0.2)O_(19)為主配方的基礎(chǔ)上,研究了Bi_2O_3和Bi_2O_3+CuO組合摻雜M型鋇鐵氧體的顯微結(jié)構(gòu)和性能,并對(duì)Bi_2O_3+CuO組合摻雜的燒結(jié)機(jī)制進(jìn)行了探討。結(jié)果表明:(1)低熔點(diǎn)Bi_2O_3可在晶界間形成液相,促進(jìn)固相反應(yīng)的進(jìn)行,因而適量的Bi_2O_3可減小Ba_(0.8)La_(0.2)Fe_(11.8)Cu_(0.2)O_(19)鐵氧體的氣孔率p,提高燒結(jié)樣品的飽和磁化強(qiáng)度4πM_s、剩磁4πM_r和密度d;(2)在Bi_2O_3+CuO組合摻雜中,晶界處的Bi_2O_3和CuO在700°C時(shí)可形成Bi_2CuO_4,Bi_2CuO_4和Bi_2O_3混合相的熔點(diǎn)低于Bi_2O_3,因而適量的Bi_2O_3+CuO組合摻雜可促進(jìn)晶粒均勻性和致密化生長,進(jìn)一步提高燒結(jié)樣品的飽和磁化強(qiáng)度4πM_s、剩磁4πM_r和密度d。然后,研究了制備工藝(預(yù)燒溫度和二次球磨時(shí)間)對(duì)M型鋇鐵氧體性能的影響,并通過磁場(chǎng)成型制備出高性能M型鋇鐵氧體。結(jié)果表明:(1)預(yù)燒溫度會(huì)影響材料的燒結(jié)活性,適宜的預(yù)燒溫度可調(diào)控晶粒的生長速率,促進(jìn)晶粒致密化和均勻性生長,進(jìn)而提高燒結(jié)樣品的密度d、飽和磁化強(qiáng)度4πM_s和剩磁4πM_r;(2)適宜的二次球磨時(shí)間可改善M型鋇鐵氧體的顯微結(jié)構(gòu)和性能,但長時(shí)間二次球磨則會(huì)引入雜質(zhì),導(dǎo)致材料性能惡化;(3)采用Ba_(0.8)La_(0.2)Fe_(11.8)Cu_(0.2)O_(19)鐵氧體為主配方,Bi_2O_3+CuO組合為助燒劑,預(yù)燒溫度為1150°C,二次球磨時(shí)間為14 h,通過磁場(chǎng)成型工藝制備的M型鋇鐵氧體具有高度的c軸取向,材料的鐵磁共振線寬ΔH優(yōu)于目前關(guān)于M型鋇鐵氧體塊材的文獻(xiàn)報(bào)道。最后,基于自主研制的高性能M型鋇鐵氧體材料,通過HFSS仿真軟件對(duì)自偏置微帶環(huán)行器的結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并結(jié)合半導(dǎo)體光刻技術(shù)和磁控濺射工藝制作環(huán)行器實(shí)物。結(jié)果表明:(1)鐵氧體基板厚度h和中心圓盤半徑R影響鐵氧體與電磁波的耦合強(qiáng)度以及環(huán)行器的端口阻抗匹配程度,同時(shí)減小中心圓盤半徑R會(huì)降低“+”模和“-”模的諧振頻率,使環(huán)行器的中心頻率f_0移向低頻;(2)采用λ_g/4波長變換器作為大Y結(jié),其尺寸的變化主要影響環(huán)行器的回波損耗|S_(11)|和隔離度|S_(12)|,環(huán)行器的中心頻率f_0會(huì)隨著大Y結(jié)長度L_Y的增加或?qū)挾萕_Y的減小逐漸向低頻移動(dòng);(3)采用雙Y結(jié)可增大環(huán)行器的帶寬,與小Y結(jié)的長度L_y不同,寬度W_y對(duì)中心頻率f_0影響不大,同時(shí)減小小Y結(jié)的尺寸可降低插入損耗|S_(21)|,增大回波損耗|S_(11)|和隔離度|S_(12)|;(4)基于Ba_(0.8)La_(0.2)Fe_(11.8)Cu_(0.2)O_(19)鐵氧體制作的自偏置微帶環(huán)行器的體積較小,在29.5~29.9 GHz頻段內(nèi),回波損耗|S_(11)|和隔離度|S_(12)|實(shí)測(cè)值均大于15 dB,同時(shí)插入損耗|S_(21)|2.8 dB,具有良好的環(huán)行功能。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN621

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2762679