CN103715487B - 新型c波段小型化微波隔离器及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铁磁/铁电复合材料，包括铁氧体YAlIG-16A和改性铁酸铋BLFTO，改性铁酸铋BLFTO分子式为(Bi_0.87La_0.13)(Fe_0.92Ti_0.08)O₃，其中YAlIG-16A和改性铁酸铋BLFTO的体积比为1:0.8-1.2。本发明还提供了上述铁磁/铁电复合材料的制备方法，以及利用该铁磁/铁电复合材料制得的C波段小型化微波隔离器。本发明可用于航空航天、微波通讯及雷达接收机系统中的应用。本发明突破了微波隔离器件小型化的瓶颈，新型铁磁/铁电复合材料具有较高的介电常数，可以从根本上解决微波隔离器件的小型化问题，是微波隔离器件小型化的关键技术。

Description

新型C波段小型化微波隔离器及应用

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体为一种基于新型铁磁/铁电复合材料的C波段小型化微波隔离器及其在航空航天、微波通讯及雷达接收机系统中的应用。

背景技术

微波铁氧体在直流磁场和微波射频场共同作用下呈现出旋磁效应而制成的微波环行器或隔离器，在雷达系统的级间隔离和天线共用中发挥重要作用，成为雷达系统的关键器件。随着3G、4G无线通讯技术、航空航天技术和卫星通讯技术以及军事雷达技术的快速发展，系统也朝着集成化、小型化方向发展；同时微波通讯系统及雷达接收机系统也朝着多波束集成型方向发展，作为接收机前端系统的关键器件，微波隔离器的小型化可大大减小接收机系统的体积，有利于进一步促进系统的小型化和集成化，对空间卫星通讯系统的小型化有着重要的贡献。由于铁氧体微波隔离器内部结阻抗比较小，需要外加单级或多级阻抗匹配线来实现带宽内阻抗匹配。目前，对于铁氧体微波隔离器的小型化研究，主要是对隔离器件内部电路的优化，如采用双Y结或多Y结结构来引入更多的小Y结加抗段来实现内部电路与外部电路阻抗匹配，实现内部结电路与外界直接耦合，从而有效减小器件的尺寸。然而，这些铁氧体微波隔离器小型化技术主要是对内部电路的变形上去优化，小型化程度也不高，不能从根本上解决微波隔离器的小型化瓶颈，无法满足雷达接收机系统对微波隔离器小型化要求。

国内外对于微波隔离器小型化技术的研究仍处在内部结电路结构优化上，即从内部结电路本身来实现与外界电路的阻抗匹配，而使用内部结外加单级或多级阻抗匹配线来实现阻抗匹配，这并没有解决决定微波隔离器大小的关键技术。微波环行器或隔离器主要基于铁氧体材料在直流偏置磁场和微波磁场的共同作用下的非互易性来实现的，而微波铁氧体材料的介电常数εr一般介于12-15之间，由于微波器件电尺寸的大小和微波介质材料的介电常数εr反相关，其较小的介电常数严重限制了隔离器小型化设计，现有的铁氧体材料无法对微波隔离器件进行进一步的小型化，无法满足微波隔离器小型化的发展需要。

发明内容

本发明针对现有技术不足，提供了一种基于新型铁磁/铁电复合材料的具有高隔离度，可以满足雷达接收机系统小型化、集成化需求的新型C波段小型化微波隔离器。本发明具体方案如下:

一种铁磁/铁电复合材料，包括铁氧体YAlIG-16A和改性铁酸铋BLFTO，，所述改性铁酸铋BLFTO分子式为(Bi_0.87La_0.13)(Fe_0.92Ti_0.08)O₃,其中YAlIG-16A和改性铁酸铋BLFTO的体积比为1:0.8-1.2，优选YAlIG-16A和改性铁酸铋BLFTO的体积比为1:1。

由于普通的铁酸铋材料的介电性能不能满足本发明的需要,因此在铁酸铋的基础上进行了掺杂，改善铁酸铋材料的介电性能，降低材料的介电损耗。本发明所述的改性铁酸铋的具体化学式为(Bi_0.87La_0.13)(Fe_0.92Ti_0.08)O₃,采用固相烧结法制备而成，具体如下:

将原料Bi₂O₃、Fe₂O₃、La₂O₃及TiO₂按照摩尔比，即为0.87:0.92:0.13:0.16配比。进行计算、称重，粉碎混合处理2小时，干燥1天后压片，预烧680℃保温5小时，再次粉碎混合处理，压片烧结，烧结温度880℃，保温时间2小时，表面抛光处理。

本发明还提供了上述铁磁/铁电复合材料的制备方法，将铁氧体YAlIG-16A和改性铁酸铋BLFTO粉末按体积比为1:0.8-1.2的比例混合均匀，优选体积比为1:1，在920℃温度下进行固相烧结，烧结时间为3小时，升温速度为3℃/min，降温速度为自然降温到室温，优选在920℃温度下进行固相烧结，烧结时间为3小时，升温速度为3℃/min，降温速度为自然降温到室温。

本发明所述的铁磁/铁电复合材料可应用于制备微波隔离器，优选C波段小型化微波隔离器。

本发明还提供了一种C波段小型化微波隔离器，包括微波介质复合材料，所述微波介质复合材料采用上述的铁磁/铁电复合材料制成。

上述隔离器可以为Y结型环行器，优选所述Y结型环行器的中心带线导体圆直径为4.5-5.5mm，所述微波介质直径为8-9.9mm，厚度为1.16mm，更优选所述Y结型环行器的中心带线导体圆直径为5mm，所述微波介质直径为9mm，厚度为1.16mm。为了能更好的实现环行器良好的阻抗匹配特性，本发明优选在Y结型环行器三个端口处填充了垫片，更优选RogersRT/duroid6010LM垫片,其相对介电常数为εr=10.2，可以减小端口的带状线的尺寸，使得环行器内部结电路和耦合端口的良好匹配，从而增大环行器的工作带宽。

本发明还提供了上述隔离器在航空航天、微波通讯及雷达接收机系统中的应用。

微波铁氧体用于微波隔离器中作为微波介质材料，其重要参数是饱和磁化强度4πM_s和相对介电常数ε_r，决定着微波隔离器设计的工作频段和内部结电路尺寸大小。申请人将新型铁磁/铁电复合材料(YAlIG-BLFTO)替换原来的铁氧体材料，由于新型铁磁/铁电复合材料具有较大的介电常数ε_r，所以可以从根本上来实现微波隔离器件的小型化。新型复合材料由铁磁材料和铁电材料复合而成，即采用铁氧体YAlIG-16A（YAlIG）和改性铁酸铋BLFTO体积比1:1比例烧制而成，铁氧体材料具有较高的饱和磁化强度，而改性铁酸铋材料在GHz频段具有较高的介电常数，两者复合可以同时继承铁氧体材料的磁特性和改性铁酸铋材料的电特性，从而实现复合材料(YAlIG-BLFTO)具有高饱和磁化强度和高介电常数的特性。因为微波器件的尺寸和微波介质材料的介电常数是直接相关的，所以具有较高介电常数的复合材料可以很大程度上减小微波隔离器的尺寸，从而实现本质上的小型化。改性铁酸铋材料、铁氧体YAlIG材料和复合材料的饱和磁化强度4πMs值由超导量子干涉仪精确测量，而介电常数ε_r由安捷伦阻抗分析仪进行测量得到。

本发明所用原材料和复合材料参数如表1所示。

表1常温300K下参数

材料	相对介电常数GHz4πMs/Gauss
		改性铁酸铋BLFTO	1000.7
铁氧体YAlIG	14.21610
		复合材料YAlIG-BLFTO（1:1v/v）	38760
复合材料YAlIG-BLFTO(1:0.8v/v)	34880
		复合材料YAlIG-BLFTO(1:1.2v/v)	42720

这种复合材料在常温下具有介电常数ε_r=34-42，饱和磁化强度4πM_s=720-880Gauss，可见其介电常数相比铁氧体YAlIG-16A(YAlIG)材料大的多，约为其2.4-3倍值。介电常数大小对隔离器件的小型化有着直接的关系，满足关系，当微波介质材料的介电常数由14.2增大到38的时候，隔离器件内部核心结尺寸以及中心微波介质材料圆盘尺寸减小约40%,可大大降低隔离器件的外观尺寸。根据C.E.Fay和R.L.Comstock带线结型环行器设计理论（C.E.FayandR.L.Comstock,“Operationoftheferritejunctioncirculator,”IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.,vol.MIT-13,pp.15–27,Jan.1965.），基于常温下复合材料的电磁参数，就可以完成隔离器的设计，结构如图1所示。

有益效果:

本发明通过开发新型铁磁/铁电复合材料突破了微波隔离器件小型化的瓶颈，新型铁磁/铁电复合材料具有较高的介电常数常数，可以从根本上解决微波隔离器件的小型化问题，是微波隔离器件小型化的关键技术。

本项发明弥补了国内外从微波材料本身对微波隔离器小型化研制的空白，为射电天文等低噪声雷达接收机前端系统提供了一个关键器件，常温下其相对工作带宽为20%，隔离度高，可以满足卫星通讯等雷达接收机系统对小型化微波隔离器的需求，具体指标如下:

频率范围4.5GHz～5.5GHz；

正向输入损耗-2.5～-3.0dB；

反向隔离度-15dB～-29dB；

电压驻波比1.4。

附图说明

图1本发明所述C波段小型化微波隔离器结构示意图（其中1-Y结型带状线，2-微波介质，3-基座，4-垫片，5-隔离器端口）。

图2本发明所述C波段小型化微波隔离器实际隔离效果测试图。

具体实施方式

实施例1新型铁磁/铁电复合材料的制备

按照表2的条件将铁氧体YAlIG-16A和改性铁酸铋BLFTO粉末混合均匀，进行固相烧结。其中,YAlIG-16A铁氧体购买于绵阳西磁科技有限公司,改性铁酸铋(Bi_0.87La_0.13)(Fe_0.92Ti_0.08)O₃,采用固相烧结法制备而成，具体如下:

将原料Bi₂O₃、Fe₂O₃、La₂O₃及TiO₂按照摩尔比，即为0.87:0.92:0.13:0.16配比。进行计算、称重，粉碎混合处理2小时，干燥1天后压片，预烧680℃保温5小时，再次粉碎混合处理，压片烧结，烧结温度880℃，保温时间2小时，表面抛光处理。

表2烧结条件

	材料1	材料2	材料3
				YAlIG-BLFTO（v/v）	1:0.8	1:1	1:1.2
烧结温度	920℃	920℃	920℃
				烧结时间	3小时	3小时	3小时3 -->
升温速度	3℃/min	3℃/min	3℃/min
				降温速度	自然降温	自然降温	自然降温

改性铁酸铋材料、铁氧体YAlIG材料和复合材料的饱和磁化强度4πM_s值由超导量子干涉仪精确测量，而介电常数ε_r由安捷伦阻抗分析仪进行测量得到。结果如表3所示。

表3

	材料1	材料2	材料3
				相对介电常数GHz	34	38	42
4πMs/Gauss	880	760	720

实施例2C波段小型化微波隔离器的制备

选取实施例1中复合材料，根据C.E.Fay和R.L.Comstock环行器设计理论，基于表1和表3所示的常温300K下新型复合材料YAlIG-BLFTO和铁氧体YAlIG-16A的电磁参数分别设计频率范围为4.5GHz～5.5GHz的常温带状线Y结型环行器，尺寸如表4所示：

表4Y结型环行器尺寸

	材料1	材料2	材料3	YAlIG-16A
					Y结型带状线中心导体圆直径	4.5mm	5mm	5.5mm	8.2mm
微波介质直径	8mm	9mm	9.9mm	14.7mm

上述复合材料制得的常温带状线Y结型环行器结构示意图如图1所述，包括Y结型带状线1，微波介质2，基座3，垫片4，隔离器端口4。其中，端口5可接有50欧姆负载形成小型化微波隔离器，微波介质2采用实施例1所述的新型复合材料YAlIG-BLFTO，垫片4采用RogersRT/duroid6010LM。

如表4所示，选择材料1-3制得的Y结型环行器的Y结型带状线中心导体圆直径为4.5-5.5mm，微波介质直径为8-9.9mm，而选用介电常数ε_r＝14.2的铁氧体YAlIG-16A材料，同一频段，Y结型带状线1中心导体圆直径为8.2mm，微波介质直径为14.7mm，可见新型复合材料YAlIG-BLFTO可以有效减小微波隔离器内部Y结的尺寸，尺寸减小程度约为40％。以复合材料2为例，在常温300K温度下，测量隔离器的隔离效果，结果见图2，结果显示常温下，工作频率4.5GHz～5.5GHz，本发明所述隔离器隔离度高，相对工作带宽为20％，可以满足卫星通讯等雷达接收机系统对小型化微波隔离器的需求，具体指标如下:

频率范围4.5GHz～5.5GHz；

正向输入损耗-2.5～-3.0dB；

反向隔离度-15dB～-29dB；

电压驻波比1.4。

Claims (10)

1.一种铁磁/铁电复合材料，其特征在于包括铁氧体YAlIG-16A和改性铁酸铋BLFTO，所述改性铁酸铋BLFTO分子式为(Bi_0.87La_0.13)(Fe_0.92Ti_0.08)O₃，其中YAlIG-16A和改性铁酸铋BLFTO的体积比为1:0.8-1.2。

2.如权利要求1所述的铁磁/铁电复合材料，其特征在于所述YAlIG-16A和改性铁酸铋BLFTO的体积比为1:1。

3.一种如权利要求1所述的铁磁/铁电复合材料的制备方法，其特征在于将铁氧体YAlIG-16A和改性铁酸铋BLFTO粉末按体积比为1:0.8-1.2的比例混合均匀，在920℃温度下进行固相烧结，烧结时间为3小时，升温速度为3℃/min，降温速度为自然降温到室温。

4.如权利要求3所述的铁磁/铁电复合材料的制备方法，其特征在于将铁氧体YAlIG-16A和改性铁酸铋BLFTO粉末按体积比为1:1的比例混合均匀，在920℃温度下进行固相烧结，烧结时间为3小时，升温速度为3℃/min，降温速度为自然降温到室温。

5.一种如权利要求1或2所述的铁磁/铁电复合材料的应用，其特征在于用于制备C波段小型化微波隔离器。

6.一种C波段小型化微波隔离器，包括微波介质，其特征在于所述微波介质采用如权利要求1或2所述的铁磁/铁电复合材料制成。

7.如权利要求6所述的隔离器，其特征在于所述隔离器为Y结型环行器。

8.如权利要求7所述的隔离器，其特征在于所述Y结型环行器的中心带线导体圆直径为4.5-5.5mm，所述微波介质直径为8-9.9mm，厚度为1.16mm。

9.如权利要求8所述的隔离器，其特征在于所述Y结型环行器的中心带线导体圆直径为5mm，所述微波介质直径为9mm，厚度为1.16mm。

10.一种如权利要求6-9任一项所述的隔离器的应用，其特征在于用于航空航天、微波通讯及雷达接收机系统。