丝网印刷钡铁氧体厚膜及其在集成环行器中的应用研究

论文摘要

M型钡铁氧体材料由于具有高的磁晶各向异性场和较大的饱和磁化强度,从而可广泛应用于自偏置毫米波铁氧体环行器。随着微波电路集成化发展,迫切需求与基片集成的铁氧体薄膜/厚膜环行器,因此,将铁氧体以薄膜/厚膜形式与基片集成而制备的铁氧体环行器研究受到了人们的广泛关注。本文采用丝网印刷的方法制备钡铁氧体厚膜,研究了不同工艺条件对钡铁氧体厚膜性能的影响。实验结果表明,球磨时间对BaM厚膜表面形貌影响不大,随着球磨时间的增长,样品的剩磁比、矫顽力变化都不明显。采用轧制方法对厚膜浆料分散有利于提高厚膜性能。随着轧制时间的增加,样品表面的气孔大小和数目呈下降的趋势。样品的剩磁比从0.6逐渐升为0.75。厚膜浆料中有机载体成分和比例对厚膜样品影响较大。采用单一溶剂的钡铁氧体厚膜,随着有机载体含量的降低,厚膜表面气孔减少,厚膜样品的剩磁比逐渐从0.6上升为0.7,而矫顽力则从3.27kOe缓慢降为3.19kOe。采用松油醇和柠檬酸三丁酯构成的混合溶剂可以有效改善钡铁氧体浆料的挥发特性,进而降低钡铁氧体厚膜的气孔率,提高样品的饱和磁化强度和剩磁比,其Ms达到1600Gs,而剩磁比可到0.66。排胶时间对于使用混合溶剂的钡铁氧体厚膜的表面形貌影响较小,并且样品的磁性能也几乎没有变化。烧结温度显著影响厚膜样品性能。随着烧结温度的升高,样品表面的气孔逐渐减少,晶粒逐渐长大,1150℃时样品的主晶相为BaM,到1200℃时,Fe2O3变为主相,而BaM变为次相,到1250℃及以上时,BaM已完全分解。样品的饱和磁化强度从大约1700Gs降为400Gs左右,矫顽力从1150℃和1200℃时的3.4kOe和3.34kOe降为1250℃和1300℃时的0.3kOe和0.25kOe。通过工艺优化,所制备的钡铁氧体厚膜性能达到:剩磁比为0.75,矫顽力为2800Oe。针对在200微米厚基片上制备的100微米厚钡铁氧体厚膜,通过理论计算和HFSS软件仿真优化得出集成环行器模型的结构参数为:中心导体的半径为1mm,第一节匹配微带的长度为0.95mm,宽度为0.1mm,第二节匹配微带的长度为0.1mm,宽度为1.6mm,第三节匹配微带的长度为1mm,宽度为0.19mm。仿真结果表明,所设计的环行器在频率为25GHz附近具有明显的环行性能,其插入损耗约2dB,隔离约为20dB。采用微细加工方法制作了铁氧体厚膜自偏置环行器。在没有外加磁场下,采用矢量网络分析仪测试了环行器的微波传输特性,结果表明,所制备的环行器在25.6GHz附近具有环行性能,器件的插损约为14.9dB,隔离约为22.4dB,两者的差别约为7.5dB。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 丝网印刷制备钡铁氧体厚膜的国内外现状
• 1.3 铁氧体厚膜环行器的研究情况
• 1.4 论文主要研究内容
• 第二章 材料与器件理论基础
• 2.1 铁氧体材料的结构与特性
• 2.1.1 钡铁氧体的分子结构
• 2.1.2 钡铁氧体材料的磁导率张量
• 2.1.3 铁磁共振线宽
• 2.2 微带结环行器的工作原理
• 第三章 钡铁氧体厚膜的制备及性能表征
• 3.1 实验制备过程
• 3.1.1 有机载体及浆料的配制
• 3.1.2 丝网印刷过程
• 3.1.3 磁场取向及烘干处理
• 3.1.4 排胶和烧结
• 3.2 微结构和磁性能表征方法
• 3.3 工艺条件对钡铁氧体厚膜性能的影响
• 3.3.1 球磨时间的影响
• 3.3.2 轧制时间的影响
• 3.3.3 有机载体含量对BaM 厚膜的影响
• 3.3.4 有机载体成分对钡铁氧体厚膜的影响
• 3.3.5 排胶时间对钡铁氧体厚膜的影响
• 3.3.6 烧结温度的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 自偏置钡铁氧体微带结环行器的仿真、制作与测试
• 4.1 微带线与阻抗匹配技术简介
• 4.2 BaM 厚膜集成环行器的设计与仿真
• 4.3 BaM 厚膜集成环行器的制作及性能测试
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果