1引言
随着当今世界国防尖端技术日新月异地飞速发展，雷达、卫星、导弹、通讯、广播、电视、仪表等对微波铁氧体器件的要求也日益提高。高功率铁氧体器件要求器件具有低的插入损耗和高的功率承受能力。这些特性除与器件本身的结构及匹配状况有关外，很大程度决定于铁氧体材料的性能及其合理应用，这是作好铁氧体器件的基础。所以，研制高性能的微波铁氧体材料以满足器件和整机需要，这是铁氧体材料工作当务之急。
微波领域应用的环流器、隔离器……等，与其性能有重大关系的材料磁能数主要有：4πMs——饱和磁化强度、ΔH——线宽、ε——介电常数、tgδε——介电损耗、ρ——电阻率、Te——居里温度、4πMs-T——饱和磁化强度温度曲线……等。这些参数在同一材料中很难同时达最佳状况，须在突出主要矛盾的前提下加以兼顾和折衷。
我们研制的铁氧体材料主要用于雷达高功率环流器（隔离器）。器件在整机中的作用是作为收发开关的组件以及隔离系统反射至发射机输出端口的微波功率，确保发射机正常工作。研制高功率微波铁氧体环流器材料的内容是：确定合适的成份、制定合理的工艺措施，制备出满足于这些微波铁氧体器件应用的优质材料。
2铁氧体材料成份
用于微波频段的铁氧体主要有尖晶石（Spine）和石榴石（Garnet）。石榴石具有特别窄的线宽，小的磁损耗和介电损耗、高的电阻率、且4πMs可调等优点，在低微波频段和高功率材料中，是制作环流器和隔离器的良好材料。
石榴石材料中的YCaVIG，因Ca2+进入十二面体（24c）取代Y3+，V5+进入四面体（24d）取代Fe3+，它和纯YIG相比，因其4πMs较低且可调，是优良的低4πMs材料和低4πMs的YA1IG相比，其居里点高且线宽窄 和低4πMs的YGdIG相比，其温度稳定性又较逊色。因此，我们放弃了YA1IG，而取用了YCaVIG和YGdIG的优点，制成YGdCaVInIG复合石榴石。这种材料不但保留了YCaVIG的优点，且在温度稳定性上大大改善，是一种温度稳定的低损耗高功率材料。其晶格结构式如下：

十二面体（24c） 0.5<x<0.6
八面体（16a） 0.25<y<0.5
四面体（24d） 1.5<z<1.8
(x、y、z参数范围仅限于我们实验数据)
3工艺制备
近20年来，铁氧体新工艺开发得很多，主要有：化学共沉法、复盐法、喷雾干燥及冷冻干燥法、金属有机盐浓缩、固化及热分介法[1]。由于设备限制，我们仍使用传统的氧化物干法工艺，也就是常规陶瓷工艺。该工艺稳定可靠，重复性好。其流程如下：
原料选用及处理→配料→一磨（24hr）→烘料→预压→预烧（1070℃-1130℃×5hr）→粉碎→二磨（36-48hr）→烘料→造粒→预压→成型→烘样坯→成烧（1345℃-1370℃×5hr）
4材料设计中的工艺措施
4.1饱和磁化强度(4πMs)的选择
微波铁氧体工作在直流磁场和微波交变磁场共同作用下，它具有旋磁效应，铁磁共振吸收现象和张量磁导率。材料配方中相应于使用频率的4πMs的选择，对器件体积大小、频带宽度、功率高低、损耗大小关系重大。
我们的材料用于低场器件，外加恒场小，若材料4πMs过大，则样品磁化不饱和，会使零场损耗增大（如图1示）；为了防止材料在微波讯号下因自然谐振而出现零场损耗上升的现象，我们选用比材料工作点稍低的4πMs材料，使零场损耗向更低恒稳场方向移动以至消失，以扩展材料的低损耗区（如图2示）[2]。
材料所承受的临界功率与产生非线性效应的临界场Hcrip成正比，而临界场Hcrip＝ΔH（ΔHK/4πMs）1/2[3]。故从提高Hcrip进而提高临界功率的角度出发，材料4πMs也不宜取得太大。
根据归一化磁矩经验公式P＝γ·4πMs/ω，对于低场器件，P值一般选在0.6~0.8间[4]，我们综合考虑带宽、功率、损耗等因素，使用频率在2~2.5GHz时，选用P=0.65，材料4πMs = 470-530Gs。
4.2降低铁氧体材料损耗的工艺措施
设计材料配方及制备工艺时，降低损耗的措施主要着眼于磁损耗和介电损耗。因为影响器件插入损耗的铜耗一般都小于0.1分贝可不考虑，而失匹配损耗则由器件设计和调试中改善器件的匹配状况予以消除。
a.磁损耗（tgδM）：低场器件的磁损耗常用铁磁谐振线宽来衡量。一般来说，降低ΔH对降低磁损耗是相当有效的。ΔH可用下式述之：
ΔH=ΔHint＋ΔHrel＋ΔHsur＋ΔHani＋ΔHpor [5]
ΔHint(本征线宽)由材料成份决定。石榴石晶格位全由金属离子占有（它不像尖晶石有空位），只要配方正份，晶粒均匀，固相反应完全，则ΔHint很小，可略而不计，ΔHrel（弛豫线宽）可选用高纯稀土氧化物（目前一般都用99.95%以上）来消除；ΔHsur可用样品表面精密研磨抛光来消除[6]，如图3所示。ΔHpor（孔隙线宽）可在工艺中用材料的均一性和高密度来消除磁隙和气隙，以减小ΔHpor。因此，我们主要立足于掺In3+来降低ΔHani。
In3+进入晶格取代八面体（16a）的Fe3+，则八面体磁性离子减少，材料各向异性K1自然降低[7]；In3+半径大（0.79A），它进入八面体，引起晶格场变化，使其它离子的各向异性常数K1也减小，如图4所示[8]。故有人说In3+相当于磁稀释作用，K1的降低即导至ΔH下降。由于YCaVIG成份中本身有Ca2+，掺入In3+后电荷自然可得补偿，因此获得近似理论密度的固溶体是不成问题的。
此外，工艺制备中各个环节都要尽可能采用增加密度的措施以消除ΔHpor。Seiden和Grunberg指出，“即使99%的微密铁氧体，气孔加宽ΔH的作用相比于各向异性也是大的”[9]。Horrison报导[10]，密度增加1%，则ΔH可降25奥，如图5示意。
b.介电损耗（tgδε）：介电损耗主要有传导和极化损耗。北京大学的同仁们早就在多晶材料极化理论中指出：“材料中出现空洞、混入高、低价离子，出现另相时，就产生较大的偶极子极化和介电极化，进而增大介电损耗tgδε。”[11]
据上理论，我们在制作材料时特别注重其在宏观和微观上的均匀性，设法避免高导电相，采取了下述两种措施：（1）尽可能采用高纯稀土原料（纯度≥99.95%），并进行原理处理、准确计算和称量、多次预压混合，以尽可能正份、均匀的成分，为晶格完整提供条件。（2）为避免高导电相出现，采用适当的缺铁配方。因石榴石晶格结构严谨，没有空位，故其成份需完全正份。缺铁太多会产生多钇钙钛石相，造成晶格缺陷，损耗急剧上长；多铁时，Fe2O3在高温区分介出高导电相的Fe2+，致使电阻率下降，介电损耗急剧增大（如图6所示）[12]。各种配方究竟缺铁多少，要根据配方中的Fe3+和其它金属离子的比例及不同的设备、工艺慎重而定。这一数据对降低tgδε非常关键。经多年模索，我们采用2-5%缺铁量，对该系列材料和我们的设备、工艺是适当的。当然，有条件时在烧结的高温区通氧和在氧气中低温退火也是一种减小tgδε的有效途径。
c.提高材料温度稳定性的措施
微波铁氧体器件用于-60℃~100℃的宽温区。由于材料在高功率条件下因本身消耗功率而发热，温度可达80℃~100℃，所以，在这样宽的温区内使用，要使环流器保持良好的性能，这就要求材料的4πMs要具有良好的温度稳定性。
Gd3+由于其原子结构本身的特殊性，其原子磁矩中无轨道角动量主要是自旋磁矩。当强度变化时，其Ms-T曲线出现补偿点TN(原子磁矩在此温度时，由于本身排列而使4πMs=0)，在补偿点TN和居里点TC（由于热骚动而使磁矩4πMs=0）间，有一4πMs缓慢变化的平坦区[10]（如图7示意）。利用这一特点，我们一方面可根据Gd3+和Y3+的不同量作出一系列不同4πMs的材料来满足不同应用的需要，另一方面可根据Gd3+含量的多少，还可调节平坦区的位置，使之出现在器件所需的工作温区，这样就大大改善了材料4πMs在该温区的温度稳定性。
Anderson等指出：若“Gd3+含量在0.9~1.5克原子/克分子内，则在-30℃~50℃范围内温度稳定性特好”。更有甚者，Harrison和Hadges指出：“如果晶格中十二面体位含60%左右Gd3+离子，则材料在以50℃为中心的-25℃~125℃的大温区内，其磁矩几乎与温度无关”[10]。这就是我们配方中所考虑的材料温度稳定性措施的借鉴。
但是，由于Gd3+有较强弛预特性，Gd3+离子过多，4πMs会下降，且ΔH增大，材料损耗上升。因此，对不同磁参数要求的材料，其Gd3+使用量要恰到好处，并要尽可能采取一些减小损耗的补救措施，即采取兼顾（折衷）方案确定配方。一般来说，当ΔH不是最突出的参数时，选Gd>1.5就可使温度系数α<2×10-3/℃；若要求小ΔH（即ΔH<10奥）材料，则Gd应<1.5，但此时温度系数有所增加[13]。
d.提高材料功率承受能力的措施
众所周知，微波铁氧体器件在高功率条件下工作时，如果铁氧体材料性能不满足要求，则器件温升过高，损耗直线上升，性能急剧下降，这种恶性循环的结果使器件无法工作。因此，材料的高功率性能极端重要。
高功率性能与承受峰值功率的非线性效应和平均功率承受能力有关。对于前者，克服的方向是设法提高材料产生非线性效应的临界场。产生一阶非线性效应的临介场Horip≌ω/γ·4πMs，二阶临介场Hcrip≌ΔH/2×(ΔHk/4πMs)1/2[4]。由上二式可见，提高Hcrip的方向是降低4πMs和增大自旋波线宽ΔHk。
材料制备中欲达上述目的所采取的措施是：(1)在不影响磁控机能的情况下，设计材料时适当降低4πMs，这与前述为减小零场损耗而降低4πMs的措施是一致的，且4πMs低些，材料单位体积的损耗功率下降，温升效应也会减小。(2)细化晶粒。在材料微结构上使晶粒边界造成不连续性，破坏已形成的自旋波，抑制自旋波不稳定增长所带走的微波能量，达到减少发热、温升，提高功率承受能力的效果。临介场Hcrip≌α（2π/d2）[14]，晶粒粒径d与Hcrip成反比，细化晶粒则Hcrip上升；而且ΔHk上升，则Hcrip上升，亦起到避免非线性效应出现的目的，（如图8所示）[12]。我们在工艺中二次球磨由常规24小时增至32~48小时，其目的就是用均一的细粉为生长均匀细晶粒提供条件，以增大ΔHk进而提高Hcrip和峰功。
材料平均功率承受能力与材料损耗及结构中散热措施有关，克服办法是：(1)降低材料损耗（如前述），使之通过相同微波功率时，低损耗材料消耗功率少而使温升自然减少，以辩证地处理峰值和平均功率的关系。(2)提高材料4πMs的温度稳定性，使之在高功率条件下即使材料有温升，但其4πMs数值较稳定（温度系数小），这也有利于提高平均功率。(3)YGdCaVInIG居里温度相对较高，我们所作的材料其Tc多在200℃以上，这对平均功率提高也大有好处。(4)加宽减薄样品，在波导（或内外导体）与样品间使用导热良好的金属胶胶结，这样既增加了样品和波导接触的散热面，又使导热散热良好，样品温升下降，平均功率提高。
5材料主要磁参数
我们对上述成份范围内的铁氧体材料分别在有关磁性材料检测中心等进行过若干不同配方的磁参数检测，其主要参数如下：
饱和磁化强度4πMs=470~750Gs
电阻率ρ≥1010
介电常数ε′=12.5~14
线宽ΔH=55~75Oe
密度D=5.2-5.6克/立方厘米
居里温度Tc≌200℃
介电损耗tgδε=(0.1-7.7)×10-4
6材料应用及前景
除用于雷达外，上述成份的不同配方用于多种环流（隔离）器，其性能均较优良。在-40℃~50℃的工作温度时，材料性能相当稳定，甚至温升至80℃时，性能变化也很小。
材料已用在频率1.85~3.4GHz。如果在前述成份基础上，再适当调整配方和工艺，并辅以相应的掺杂措施，低频段用至L波段，高频率端用至5GHz是不成问题的，可谓宽带材料。
用上述材料的环流器正向损耗α+≤0.3分贝，隔离度α- >20分贝，电压驻波比ρ>1.2。在功率容量上，水冷环流器峰值功率达2MW，平均功率达20KW；××9三端环流器达300-600KW，为6KW；××11带线环流器样品仅，可是其≌1.2KW，=64KW。波导三端环流器较前者使用功率更大。
根据材料磁参数指标及其应用情况，我们认为YGdCaVInIG系列微波铁氧体材料是一种优良的宽温、宽带、低损耗、高功率材料。在高功率铁氧体器件中使用，并获得满意的效果。因此，它是用于L波段至C波段低端频谱中的一种优良的微波铁氧体材料系列。

参考文献
[1]兰州大学物理系，杨正“制备铁氧体粉料的几种新工艺”磁性材料与器件   1977（2）。
[2] 张有纲   黄永杰   罗迪民  磁性材料  P161
[3] 成都电讯工程学院  铁氧体材料   1961   P161
[4] 周志刚  铁氧体磁性材料  P490-491
[5] Winkler.G.et“Variation ofthe Magnetic Material Parameters and Lattice Constants of Polycrystalline Gttrium-iron Garnet leg incorporation on nonmagnetic ions”Philips Res Repts 27.151-171.1972
[6]韩志全等“小线宽微波多晶铁氧体材料研究”  磁性材料与器件   1979(2)
[7] Van Hoor.H.J and Green.J.J.“Linewidth Reduction through Indium Substitution in calcium-Vanadium Garnets”J.A.P.1968(2).Val 39.No.2
[8] Simonet.W and Hermosin.A“Temperature Dependence of the first Magnetocrystalline anisotropy constant of polycrystalline ca-In-V and Ca-Zr-V YIG”J.A.P.49(3) March 1978
[9] 英.R.S.特贝书   磁性材料  P709
[10]Wilhelm.H.Van Aulocm.“Handlook of microwave ferrite materials”P92，P179
[11]电子部1020所  1980.8 “用于闭锁式数字移相器的多晶高功率YGd石榴石的研制”