旋磁铁氧体材料的微波烧结及其在环行器中的应用研究

对微波烧结旋磁铁氧体材料进行了初步实验，检测和分析了烧成的材料和由其制成的环行器的主要技术参数，并与传统烧结进行了对比。结果表明微波烧结的旋磁铁氧体材料介电损耗较低，环行器满足设计要求，损耗减小。该烧结方法具有一定的优越性。

关键词   旋磁铁氧体；微波烧结；环行器

Study of Microwave sintering of spin ferrite materials and their application on circulator
LI Jun, LENG Guan-Wu, PENG Hu
(Changsha Longtech Co.,Ltd.,Changsha 410013,China)
Abstract: The microwave spin ferrites were sintered in microwave furnace. The sintered samples and the made circulators were characterized and analyzed. The results show that the microwave sintered material has a low dielectric loss rate, and the devices reach the requirements with low loss. The microwave sintering is superior to conventional methods.
Key words: Spin ferrite, microwave sintering, circulator

1．引言

微波加热是一种整体加热物质的加热方式，具有高效、节能、无污染等特点，现在越来越受到大家的重视。在研究了微波烧结各种软磁铁氧体的烧结工艺后[1,2]，我们又进行了微波烧结旋磁铁氧体的研究。
旋磁铁氧体是指适用于微波频段的旋磁媒质。旋磁铁氧体在微波技术中应用广泛，占有相当重要的地位。利用旋磁铁氧体的旋磁特性及其非线性效应等，已制成了多种旋磁铁氧体器件，如隔离器、移相器、环行器、快速开关、调制器、振荡器、倍频器、限幅器、放大器等[3]。广泛用于航空、航天、电子通信、微波加热、微波杀菌、微波医疗等领域。这些器件的性能除了与器件本身结构及其装配状况有关外，在很大程度上取决于旋磁铁氧体材料的配方设计及制作工艺，特别是烧结工艺。在纯氧气氛中烧结有利于改进旋磁铁氧体的性能，而微波高温烧结炉可以方便地实现各种气氛烧结工艺 [4]，本文主要研究高功率波导环行器用旋磁铁氧体材料的微波烧结。

2．实验方法及测试结果

2.1实验方法

实验所选材料为具有低微波损耗，又能承受较高功率并有较为理想温度系数的YIG石榴石铁氧体，其配方为{Y3}[Fe2-xInx](Fe3-yAly)O12，其中x=0.2~0.4，y=0.1~0.3，按确定的配方将原料进行精确称量和混合。

将混合的原料按普通旋磁铁氧体工艺进行处理，其流程为：

一次球磨 → 烘干 → 预烧 → 二次球磨 → 烘干 → 造粒 → 成型（分别压制成材料和器件测试样品）

将生坯分别在传统高温炉中进行空气气氛烧结和微波高温炉中进行通氧烧结，其烧成温度曲线见图1。

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MICROWAVE 
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                  图1 微波烧结与传统烧结温度曲线
因本材料为传统工艺较为成熟的产品，在对材料的断面形貌和表观密度进行简单对比后，重点对材料主要性能参数-介电损耗进行了测量比较。测量仪器为Agilent公司的4291B型阻抗分析仪(RF IMPEDANCE/MATERIAL ANALYZER)。

分别将传统和微波烧结的旋磁铁氧体圆片，磨成与“Y”结波导相匹配的尺寸，洗净，烘干。取两片分别粘接在“Y”结波导的上下中心位置，调整外加恒磁场和匹配片，在一定功率下，进行装调测量，使其所测参数达到最佳状态。测量仪器为AT3613标量网络分析仪。
2.2测试结果

样品介电损耗因子tgδe的扫频测试结果见图2，其相应点频值见表1。
图2：材料的介电损耗tgδe的扫频曲线：(a)传统烧结，(b)微波烧结

表1材料介电损耗tgδe测试点频记录
INE>INE>               ƒ/MHz

tgδe/10-4 100 500 1000 1500
微波烧结 0.71959 6.1180 12.647 18.645
传统烧结 0.73064 7.1461 15.648 24.815
相对降低/% 1.51 14.39 19.18 24.86

器件测试结果见表2（由于篇幅所限，仅显示出环行器的1-2和2-1端的测试数据，其余两端的测试数据，也能满足设计要求[5]）。

表2环行器参数测试记录

    驻波系数SWR S11 驻波系数SWR S22 正向插损
α+/dB S12 反向隔离
α-/dB S21
传统烧结
(PO2≈21kPa) 测试频率点 ƒ1 1.0858 1.0851 0.15900 38.644
ƒ 2 1.1144 1.1271 0.16700 44.962
ƒ 3 1.0986 1.0678 0.17100 32.856
ƒ 4 1.1542 1.1597 0.19800 27.232
ƒ 5 1.1382 1.1420 0.15300 31.679
微波烧结
(PO2≈94kPa) 测试频率点 ƒ 1 1.0568 1.0822 0.15500 31.245
ƒ 2 1.0649 1.1178 0.16100 27.892
ƒ 3 1.0881 1.0706 0.16700 27.226
ƒ 4 1.0832 1.1279 0.17800 25.010
ƒ 5 1.0732 1.1209 0.12700 25.443
设计要求 ≤1.2 ≤1.2 ≤0.3 ≥25