微波磁性材料的发展
Developmeut of Microwave Magnetic Materials

摘要：本文从工程应用角度评述了国内外微波磁性材料的发展，展望了其应用前景。
关键词：微波 磁性 铁氧体 发展 前景

Abstract：The development of Microwave Magnetic materials for native and foreign nationin application
of engineering were observed in the paper. The applied future have been predicted on the it.
Key words：Microwave Magnetic Ferrite Development Future

1. 前言
微波磁性器件主要是微波铁氧体器件，是现代通信、雷达、电子对抗、测量仪器等电子设备中不可缺少的重要组成部分，起着其他元器件不可替代的作用。它之所以如此重要其根本原因在于使用了在外加直流磁场和微波场共同作用下磁导率呈现张量特性（即旋磁性）的材料--旋磁材料（又称微波铁氧体材料）。在第二次世界大战中发现的微波铁氧体，是对雷达技术的一次革命。只要我们稍作考察就不难发现，一部先进雷达的天线馈线和收发各大微波系统里均有微波铁氧体器件处于关键部位上承担着不同的功能与作用。
在天线馈线系统中，利用铁氧体的旋磁性和磁（电）控制性，可有效地控制天线微波信号的相位、幅度和极化状态：控制相位能有效地操纵天线波瓣的快速扫描以获取有用的方位信息；改变其幅度大小能控制信号的正、反方向和衰减特性；控制雷达波的极化状态便能有效地探测目标姿态及其他物理特性。在收发系统里不少地方装有由微波铁氧体作成的隔离器、环行器、开关等器件，起着双工器、系统匹配、级间隔离、保护发射机等作用。
在构成微波、毫米波通信、电子对抗以及测量仪器等电子设备中，微波磁性元器件亦是十分重要的基础，在此不再赘述。

2．微波磁性材料的技术特征与发展简况
2．1技术特征
铁磁学告诉我们，旋磁材料的磁矩总是围绕外加磁场（或其本身的有效磁场）不停地作进动运动。如还在微波高频场的作用下会产生旋磁性，旋是电磁波在旋磁材料中传播时会发生波的极化面的旋转（法拉弟效应）、波的分裂（双折射）效应及强烈的吸收（铁磁共振）等现象，与此相关的电磁波频段就落在了末波、厘米波、毫米光波乃至波范围，从而可研制成众多的形形色色的微波、毫米波和磁光器件来。所以微波铁氧体材料是构成这些器件的基础，不同类型的器件对材料有不同的要求，较为重要和突出的特性是：
高旋磁性。材料的饱和磁化强度（Ms）高，旋磁作用就越大；但受到电磁损耗的制约，Ms只能在一定范围内选取。
低损耗性。这是由材料的电、磁损耗来决定的，因此要求材料具有高的电阻率、低的铁磁谐振线宽（ZH）。
高稳定性。材料对时间、温度、机械等外界因素变化，其性能参数不发生改变，为此要使用高居里点（Tc）的材料。
承受高功率能力强。对高功率器件要求材料具有承受高峰值功率和平均功率的能力，故要提高材料产生高功率效应的阈值（hc），旋是材料自旋波线卷（△Hk）大。
矩形磁滞回线。对工作于剩磁状态下的琐式相移器、开关等器件，矩形比（R=）要高，矫顽力（Hc）要小。
总之在具体应用中要对上述方面作综合考虑，以满足要求为原则，但其中最为要紧的是材料的损耗要低，图1是铁氧体损耗和磁场关系的示意图。
在工程上常用的微波铁氧体材料已有几个系列，其分类方法美国、俄罗斯等国各不相同，但通常分为单晶、多晶两大类别，其具体情况由图2给出。

图1 微波铁氧体的损耗和磁场的关系

图2 微波磁性材料的分类
从外形或工艺上分又有块体和薄膜材料之别。
2．2 发展简况
微波磁性材料主要是微波铁氧体材料，从它在二次大战中被发现开始就具有极强的应用性。大量的用于微波技术则是1952年后的事，至今已有50年的发展历程，其技术已相当成熟，材料形成了几大系列并广泛用于各类器件，在雷达、通信等领域里起着重要作用。
国外从事微波铁氧体技术的公司，据不完全统计，欧美就有70余家，俄罗斯6家，日本6家。最具代表性的公司，如美国的Trans Teck，法国的Thomson，日本的 TDK，俄罗斯的 Domain等。无论从技术、产品种类、性能还是产量产值与应用范围看，美、俄均居前列。
就我国的微波铁氧体技术而论，起步稍晚，但经过四十余年的研究开发也得到了蓬勃发展，不少器件产品已用于雷达、通信等整机系统中，为电子信息技术的发展作出了贡献。在国内的几家厂商中，西南应用磁学研究所在研发与产品性能方面均居于领先地位。
2．3 微波铁氧体材料的新进发展
如前所述，传统的微波铁氧体材料已相当成熟，但随着冷战结束进入和平时期，微波铁氧技术从军事转向了民用工业领域。近年来由于电子信息技术特别是通信工业的快速发展，军事整机系统轻小高性能高可靠性要求，各国正在寻求新材料、新工艺、新应用并力求有所突破，归纳起来有以下几个方面：
1） 适应小型化需要的微波磁性薄膜材料
为满足超小型超宽带器件、表面安装单片集成电路的需要，开发单晶薄膜外延，薄膜与半导体相结合的技术显得十分迫切。近年来在陶瓷基片上沉积铁氧体膜已制成极小尺寸的环行器/隔离器，可大量应用在相阵雷达前端收发T/R模块及民用电子产品中。例如3cm移相器所采用的材料是YIG/GGG/TIG单晶多层膜，其中YIG膜约厚100μm，GGG膜厚约500μm，YIG的铁磁谐振线宽△H≈0.5×
KAIm（10GHZ时）。 还有就是对封磁表面波（MSSW）器件用的[（YIG/介质）n/金属层]多层膜的进一步研究表明，这种多层膜的参量和周期数可有效控制MSSW的色散特性。
2） 高功率微波铁氧体材料
对于微波器件，一般需要高密度、高化学均匀性、低铁磁共振线宽和小低场损耗的材料。最后研究了减小3mol%Fe和添加小量Si和Mn的非正分多晶铁氧体多晶材料。它在1500℃氧气中烧结3小时，在含0.6wt% SiO 和0.15wt% 时，由于晶粒细化和消除了富丫相，使自旋波线宽（△HK）从×3.1KA/m提高到×12.6KA/m。
为进一步探索高性能大功率材料，我国也相继开展了大量研究工作并取得了重要成果。例如从损耗机理、配方工艺上进行综合调控，精心研究，提出了由晶界区域磁不均性引发的自旋波模共振激发损耗新概念，探索出了一整套独到的（从配方缺铁量、球磨条件到预烧气氛和条件）工艺参数调控技术，提高了固相反应的完全程度，确保成分正分，克服了与它们有关的晶界区域自旋波损耗对△H的贡献，与国外相比，在△HK相当时，△H值降低了30%到50%并能稳定生产。经鉴定认为其性能指标达到并部分指标（△H，△HK）优于以日本TDK、美国Trans-Tech，法国Thomsou等公司为代表的90年代初期同类产品先进水平。材料可应用于450MHz~10GHz范围的器件中，在L波段承受峰值功率1160KW平均功率1400W，在X波段承受峰值功率大于180KW，平均功率300W。
3） 六角晶系微波铁氧体材料
毫米波技术是当今通信和电子对抗的基本发展方向，毫米波器件则为其重要基础。六角晶系铁氧体材料具有温度稳定性好，高的内场等特点，特别适于毫米波铁氧体器件使用，特别是高于500GHz以上频率的器件可以不需要外加磁场。具有结晶磁各向异性内磁场HA的多晶六角晶系铁氧体的铁磁共振，表现为亚铁磁体技频平选择性地吸收电磁场能量。只要改变各向异性场HA的大小即能改变自然共振频率（在无外磁场条件下）。而HA主要与铁氧体的化学成分、结构及制造工艺有关。到目前已研究了不同成分具有多种功能的磁单轴六角晶系铁氧体，它们的HA值可保证在1至数百GHz频率范围使用。
在一般情况下，微波毫米波铁氧体器件都使用块体样品。如果用磁单轴六角晶系铁氧体粉末聚合物粘合剂组成一种混合物--复合旋磁材料，将在许多领域里获得应用，如图3所示。

图3 分类型磁单轴六角铁氧体基复合旋磁材料在微波技术中的一些应用
最近对W型六角晶系铁氧体（）作为微波吸收材料的复磁导率M和复介电常数S及吸收功率与频率（FGHz~12GHz）的关系进行了测量与研究。用化学共沈法制成粉料，在1280℃空气中烧结，再经球 和在1200℃退火处理。再将粉料与石蜡按4：1混合后加热，均匀涂在胶木板上制成待测试样。结果为：在吸收曲线上出现位置和峰高不同的三个吸收功率峰，最高峰为34dB以上。
随着移动通信，高清晰度电视和宽带电子对抗技术的发展，都要求磁导率的频谱能展扩到微波频段。最近就开展了多种高内场高电阻率和高磁导率软磁材料的诸多研究和应用。其中六角晶系Z型（），用Sr部分取代Ba，其共振频率已从1.4GHz提高到3.4GHZ。
4） 微波高分子磁性材料
现有的微波磁性材料，主要利用了它的旋磁性。然而作为重要一类的软磁材料，由于在很高频率下的涡流损耗、畴壁共振损耗和自然共振损耗等的存在而无法应用。因些考虑到高分子材料的绝缘特性即电阻率高的特点，探索高分子纳米磁性复合材料并在微波频率下应用具有重要意义。
微波高分子磁性材料是以二茂铁为原料合成的金属有机高分子磁体，在1.5~450K温度范围内磁性能稳定，在高频、微波下损耗低、重量轻，勿热压成型，其磁导率（μ′）和磁损耗（μ″）基本不随使用频率和温度而变化，因此适于制作微波元器件、微带天线与经改性后可制成软质微波吸收剂。例如将高分子磁性材料与适当添加剂经担载、接技、共混等化学和物理方法制成适于制作微带天线、电路与微波元器件的微波高分子磁性材料的基本电磁性能如下：
1） 频率范围：150MHz~16.5GHz
2） 磁参数：μ′=3~5，μ″=1×
3） 介电性能：εr=6~8（10GHz）
4） 介电损耗：Lgδ=1×（10GHz）
5） 工作温度：-80 ~ +150℃
并经温度冲击，振动试验后无异常现象出现。
3.微波磁性材料的应用与发展前景
微波磁性材料的主要应用领域是微波器件，为满足整机小型轻量化要求，器件的发展趋势是：
（1） 频率范围由厘米波段向高低两端扩展，国外已从30MHz至300GHz直到光波频段延伸；
（2） 向小型、轻量、平面化、薄膜化、集成、部件组件化、多功能方向发展，并与MMIC技术兼容；
（3） 在向宽频带、低损耗、宽工作温度、大功率、高可靠方向发展过程中各种特殊功能元器件不断开发出来；
（4） 为适应并满足现代电子信息技术综合化、全球化的发展和需要，微波铁氧体器件正在向民用方面转移。
微波铁氧体材料的发展与器件密切联系，高性能器件要以优质的材料作后盾，因此微波铁氧体材料的发展趋势是：
（1） 低磁矩、高磁矩、宽频带、大功率、宽温低温度系数、低损耗多晶材料；
（2） 用于高低频段的优质块单状晶体和单晶薄膜（特别是超膜厚）材料；
（3） 毫米波技术是发展通信和先进武器系统的重要手段和资源，大力发展毫米波铁氧体材料是确保高性能新型毫米波铁氧体器件的前提。一般认为在500GHz以内采用高内场六角晶系材料，在500GHz以上用反铁磁材料，但也有在500GHz以内用反铁磁材料的。为适应毫米波器件高频率，小尺寸的要求，研制高性能块状和薄膜单晶材料十分关键；
（4） 纳米晶微波铁氧体薄膜、铁氧体和强磁金属复合膜或多层膜、旋电旋磁的双旋性微波复合磁性材料也是值得关注的发展趋势。

4．结束语
微波铁氧体材料是一类重要的功能材料，在现代工程技术中起着巨大作用，其发展应有前景良好。