KR100809753B1 - Ferrite Disk for Circulator - Google Patents
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Abstract
본 발명은 비방사성 유전체도파관 셔큘레이터(circulator)에 있어서, 비가역 특성을 유도하는 페라이트디스크 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 페라이트디스크의 주성분은 철(Fe2O3)에 포함된 니켈-아연계(Ni+Zn), 망간-아연계(Mn+Zn) 및 구리-아연계(Cu+Zn)를 주성분으로 하는 스피넬(spinel type)형 페라이트이고, 10이하의 낮은 유전율을 얻기 위한 첫 번째 첨가성분은 게르마늄분말(Ge), 세륨뷴말(Ce) 및 실리콘분말(Si)을 첨가하고, 큰 포화자속밀도를 갖도록 하기 위한 두 번째 첨가성분인 크롬분말(Cr), 티타늄분말(Ti) 및 코발트분말(Co)을 각각 첨가한 1차 페라이트소결분말을 제조한다. 또한 일정한 직경을 가진 막대형 성형체를 제작하여 여기에 1차 페라이트소결분말을 삽입하여 압축성형한 후 산소 및 질소의 소결분위기에 의해 소결시킨 페라이트디스크용 소결체와 이것을 일정한 두께로 절단하고 그 표면을 연마하여 비방사성 유전체도파관 셔큘레이터용 페라이트디스크를 제조하는 것을 특징으로 한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a ferrite disk for inducing irreversible characteristics in a non-radioactive dielectric waveguide circulator and a method of manufacturing the same. More specifically, the main component of the ferrite disk is a spinel mainly composed of nickel-zinc (Ni + Zn), manganese-zinc (Mn + Zn), and copper-zinc (Cu + Zn) contained in iron (Fe2O3). (spinel type) ferrite, the first additive to obtain a low dielectric constant of 10 or less is to add germanium powder (Ge), cerium powder (Ce) and silicon powder (Si), and to have a large saturation magnetic flux density A second ferrite sintered powder is prepared by adding chromium powder (Cr), titanium powder (Ti), and cobalt powder (Co), respectively. In addition, a bar-shaped molded body having a constant diameter is manufactured, and the first ferrite sintered powder is inserted therein, followed by compression molding. To produce a ferrite disk for a non-radioactive dielectric waveguide shuffler.
페라이트디스크, 스피넬형, 비방사성 유전체도파관 셔큘레이터 Ferrite Disc, Spinel Type, Non-Radio Dielectric Waveguide Shutter
Description
도 1: 비방사성 유전체도파관의 셔큘레이터 구조 및 페라이트디스크Fig. 1: Scheme structure and ferrite disk of non-radioactive dielectric waveguide
도 2: 소결된 막대모양의 페라이트소결체 및 절단된 페라이트디스크Figure 2: Sintered rod-like ferrite sintered body and cut ferrite disc
도 3: 본 발명에 의한 페라이트디스크 표면의 미세구조3 is a microstructure of the surface of the ferrite disk according to the present invention
<세부명칭에 대한 상세한 설명><Detailed Description of Details>
1: 상부도체판, 2: 하부도체판, 3: 유전체도파관, 4: 페라이트디스크, 4a: 막대모양의 페라이트소결체, 5a: 페라이트입자, 5b: 연마된 페라이트입자, 6: 페라이트 입계간1: upper conductor plate, 2: lower conductor plate, 3: dielectric waveguide, 4: ferrite disc, 4a: rod-shaped ferrite sintered body, 5a: ferrite particle, 5b: polished ferrite particle, 6: ferrite grain boundary
일반적으로 비방사성유전체도파관 셔큘레이터(Non Radiative Dielectric Waveguide Circulator)에 사용되는 페라이트디스크(Ferrite Disk)는 높은 포화자속밀도를 가진 고밀도의 소결체로 제조되어야 하고, 마이크로파 대역보다 높은 주파수를 사용하는 밀리미터파 대역용 비방사성 유전체도파관에 이용되기 위해서는 유 전체도파관과 같은 낮은 유전율을 가져야 하며, 밀리미터파 대역용 셔큘레이터를 위한 페라이트디스크는 대량 생산이 가능한 제조공정을 가져야 한다.Generally, ferrite disks used in non-radial dielectric waveguide circulators should be made of high density sintered body with high saturation flux density, and use millimeter wave band using higher frequency than microwave band. To be used in non-radioactive dielectric waveguides, it must have the same low dielectric constant as dielectric waveguides, and ferrite discs for millimeter-wave band shufflers must have high volume manufacturing processes.
밀리미터파 대역용 비방사성 유전체도파관 셔큘레이터는 사용하는 주파수의 반파장이하의 간격을 두고 상하도체판 사이에 삽입되기 때문에 상하도체판 사이의 절연성을 보장하기 위해서 낮은 유전율을 가진 유전체도파관의 주 재료인 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE, ε=2.0~2.21)을 사용하여 임피던스를 낮추게 된다. 이는 사용주파수가 30GHz에서 300GHz에 이르는 상당히 높은 주파수이기 때문에 상하도체판 사이의 유전체도파관은 낮은 임피던스를 제공해야 하는 이유가 된다.The non-radioactive dielectric waveguide shuffler for the millimeter wave band is inserted between the upper and lower conductor plates at intervals of less than half the wavelength of the frequency used, so that it is the main material of the dielectric waveguide with low dielectric constant to ensure insulation between the upper and lower conductor plates. Polytetrafluoroethylene (PTFE, ε = 2.0 ~ 2.21) is used to lower the impedance. This is a reason why dielectric waveguides between upper and lower conductor plates must provide low impedance because the frequency of use is quite high, from 30 GHz to 300 GHz.
따라서 상기 비방사성 유전체도파관용 셔큘레이터 중심부에 위치하는 페라이트디스크도 낮은 유전율을 가져야 할 뿐만 아니라 비가역 특성을 위해 높은 포화자속밀도를 가진 고밀도 디스크로 제조되어야 한다. 이는 페라이트디스크의 높은 포화자속밀도는 비방사성 유전체도파관의 셔큘레이터의 비가역특성을 높혀주고, 낮은 유전율은 셔큘레이터의 임피던스를 줄여주므로 인가되는 RF신호의 신호이득효율(gain)을 향상시키기 때문이다. Therefore, the ferrite disk located at the center of the non-radiative dielectric waveguide shroud should not only have a low dielectric constant but also be made of a high density disk having a high saturation magnetic flux density for irreversible characteristics. This is because the high saturation magnetic flux density of the ferrite disk increases the irreversible characteristics of the shuffler of the non-radioactive dielectric waveguide, and the low dielectric constant reduces the impedance of the shuffler, thereby improving the signal gain efficiency of the applied RF signal.
일반적으로 페라이트자성체 있어서, 포화자속밀도를 높이기 위한 주 재료는 니켈-아연계(Ni+Zn), 망간-아연계(Mn+Zn) 및 구리-아연계(Cu+Zn) 등의 스피넬(spinel type)형 자성체를 많이 선호한다. 그러나 상기와 같은 스피넬형 페라이트디스크는 포화자속밀도는 높은 반면에 유전율이 13이상이므로 비방사성 유전체도파관 셔큘레이터에 활용하기에는 적합하지가 않다. In general, ferrite magnetic materials include spinel types such as nickel-zinc (Ni + Zn), manganese-zinc (Mn + Zn), and copper-zinc (Cu + Zn). ) I prefer a lot of magnetic materials. However, the spinel-type ferrite disk as described above has a high saturation magnetic flux density and a dielectric constant of 13 or more, and thus is not suitable for use in a non-radioactive dielectric waveguide shuffler.
또한 종래의 스피넬형 페라이트는 포화자속밀도를 높이기 위해 다양한 금속 성분을 첨가하는 방법을 취하지만 이 경우 히스테리시스손실(Hysteresis loss)과 와전류손실(Eddy current loss)이 높아지는 단점이 있다. 특히 와류손실이 높아지면 비방사성 유전체도파관을 통해 진행되는 전자기파의 흐름이 원활하지 못하고, 페라이트내에 RF신호가 갇히게 되어 RF전송신호이득효율(gain)이 나빠지는 단점이 있다.In addition, the conventional spinel type ferrite takes a method of adding various metal components to increase the saturation magnetic flux density, but in this case, the hysteresis loss and the eddy current loss are high. In particular, when the eddy current loss is increased, the electromagnetic wave flowing through the non-radioactive dielectric waveguide is not smooth, and the RF signal is trapped in the ferrite, resulting in poor RF transmission signal gain efficiency.
따라서 비방사성 유전체도파관용 셔큘레이터에 구성되는 페라이트디스크는 높은 포화자속밀도와 더불어 낮은 유전율을 가져야 하고, 와류손실도 적어야 하는 과제를 갖고 있기에 그 제조방법에 있어서 종래의 방법과는 진보된 방법이 필요하다.Therefore, the ferrite disk of the non-radioactive dielectric waveguide shuffler has a high saturation flux density, low dielectric constant, and low eddy current loss. Therefore, an advanced method is required in the manufacturing method. Do.
상기의 기술적 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 비방사성 유전체도파관 셔큘레이터용 페라이트디스크의 제조방법에 있어서, 페라이트디스크의 주성분은 철(Fe2O3)에 포함된 니켈-아연계(Ni+Zn), 망간-아연계(Mn+Zn) 및 구리-아연계(Cu+Zn)를 주성분으로 하고 10이하의 낮은 유전율을 얻기 위해 첨가성분은 게르마늄분말(Ge) 및 실리콘분말(Si)을 첨가한다.In order to solve the above technical problem, the present invention is a method of manufacturing a ferrite disk for a non-radioactive dielectric waveguide shuffler, the main component of the ferrite disk is nickel-zinc (Ni + Zn), manganese contained in iron (Fe 2 O 3) -In order to obtain a low dielectric constant of 10 or less based on zinc (Mn + Zn) and copper-zinc (Cu + Zn) components, germanium powder (Ge) and silicon powder (Si) are added.
바람직하게는 상기 게르마늄분말(Ge)은 페라이트디스크의 유전율을 크게 낮추고, 또 다른 첨가성분은 크롬분말(Cr), 티타늄분말(Ti) 및 코발트분말(Co)을 각각 첨가성분으로 하여 소결체의 미세조직이 균일한 결정으로 구성되게 하여 소결체의 포화자속밀도가 향상되도록 한다. 이때 페라이트소결분말의 소결공정에서 소결온도, 산소, 질소분위기의 압력을 조절함으로 페라이트의 산소포화농도가 유지되도 록 한다.Preferably, the germanium powder (Ge) significantly lowers the dielectric constant of the ferrite disk, and another additive component is chromium powder (Cr), titanium powder (Ti) and cobalt powder (Co) as an additive component, respectively, and the microstructure of the sintered compact. It is made up of these uniform crystals to improve the saturation magnetic flux density of the sintered body. At this time, in the sintering process of the ferrite sintered powder, the oxygen saturation concentration of the ferrite is maintained by adjusting the pressure of the sintering temperature, oxygen and nitrogen atmosphere.
또한 비방사성 유전체도파관의 셔큘레이터를 구성하는 페라이트디스크 모양으로 성형하기 위해 일정한 직경의 막대형 성형틀(rod-molder)을 가진 스테인리스금속 재질의 성형체를 제작한 후 그 속에 페라이트소결분말을 채워넣고 고압력의 유압프레스기(Auto Hydraulic)에 의해 성형을 하여 막대형태의 페라이트소결체를 제공한다. 또한 막대모양의 페라이트소결체는 디스크모양으로 일정 두께로 절단한 후 그 표면을 연마하여 페라이트디스크를 제조함을 목적으로 한다.In addition, in order to form into a ferrite disk shape constituting a non-radial dielectric waveguide, the ferrite sintered powder is filled into a molded body made of a stainless steel metal having a rod-molder of a constant diameter. It is molded by the Auto Hydraulic to provide a bar-shaped ferrite sintered body. In addition, the bar-shaped ferrite sintered body is cut to a certain thickness in the shape of a disk, and then the surface of the polishing to produce a ferrite disk.
본 발명은 비방사성 유전체도파관용 셔큘레이터(circulator)에 사용되는 자성체인 페라이트디스크(4)의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a
더욱 상세하게는 주재료 성분은 철(Fe2O3)에 포함된 고순도의 니켈-아연계(Ni+Zn), 망간-아연계(Mn+Zn) 및 구리-아연계(Cu+Zn)를 주성분으로 하고, 첫 번째 첨가성분I은 페라이트의 낮은 유전율을 갖도록 하는 게르마늄분말(Ge), 세륨분말(Ce) 및 실리콘분말(Si)재를 첨가하고, 두 번째 첨가성분 Ⅱ는 크롬분말(Cr), 티타늄분말(Ti) 및 코발트분말(Co) 등을 각각 미량 혼합한 페라이트자성분말을 원료로 하였다.More specifically, the main material components are high purity nickel-zinc (Ni + Zn), manganese-zinc (Mn + Zn) and copper-zinc (Cu + Zn) contained in iron (Fe 2 O 3 ). The first additive component I is a germanium powder (Ge), cerium powder (Ce) and silicon powder (Si) material to have a low dielectric constant of ferrite, and the second additive component II is chromium powder (Cr), Ferrite magnetic powder containing a small amount of titanium powder (Ti), cobalt powder (Co), or the like was used as a raw material.
이때 혼합된 페라이트자성분말은 볼밀(Ball Mill)로 습식분쇄하고 건조시킨 다음 650℃에서 6시간 동안 하소하였으며, 이때 하소분위기 가스로 산소가스를 주 인하여 하소과정 중에 일어날 수 있는 하소분말의 산소이탈을 방지하도록 하여 1차 소결된 페라이트소결분말을 제조하였고, 이는 페라이트소결분말을 성형하고 다시 고온에서 소결시킬 경우 현저히 일어나는 수축율도 줄이는 효과가 있다.At this time, the mixed ferrite powder was wet milled in a ball mill and dried, and then calcined at 650 ° C. for 6 hours. At this time, the calcination atmosphere gas was given oxygen gas to remove oxygen from the calcined powder that may occur during the calcining process. To prevent the first sintered ferrite sintered powder was prepared, which has the effect of reducing the shrinkage that occurs significantly when molding the ferrite sintered powder and sintered again at high temperature.
본 발명은 직경 φ가 2.7±0.2[mm] 또는 3.7±0.2[mm]인 스테인리스금속 재질의 막대형 성형체(rod-molder)를 제작하여 그 속에 1차 소결된 페라이트소결분말을 삽입한 후 막대형상(Rode Type)으로 고압력의 유압프레스기(Auto Hydraulic)에 압축 성형하고, 이를 1100℃에서 1300℃ 사이의 온도로 소결하여 2차 소결된 막대모양의 페라이트소결체(4a)를 제조한다. 특히 소결시 소결분위기 가스는 산소및 질소로 하였으며, 산소 대 질소비가 1:0, 1:1, 0:1로 실시하였다.According to the present invention, a rod-molder made of a stainless steel material having a diameter φ of 2.7 ± 0.2 [mm] or 3.7 ± 0.2 [mm] is manufactured, and a rod-shaped sintered ferrite sintered powder is inserted thereinto. (Rode Type) by compression molding in a high pressure hydraulic press (Auto Hydraulic), it is sintered at a temperature between 1100 ℃ to 1300 ℃ to prepare a secondary sintered rod-shaped ferrite sintered body (4a). In particular, the sintering atmosphere gas was oxygen and nitrogen, and the oxygen to nitrogen ratio was 1: 0, 1: 1, 0: 1.
또한 2차 소결된 페라이트소결체(4a)는 와이어절단기(Wire Saw)를 이용하여 두께 t가 0.28±0.02[mm] 또는 0.5±0.02[mm]사이의 크기로 절단한다. 절단된 페라이트디스크는 연마기(Lapping/Polishing Machine)를 이용하여 그 표면을 1시간 이상 연마하였다.In addition, the secondary sintered ferrite sintered
상기 제조된 페라이트디스크(4)는 포화자속밀도(Saturation Magnetisation)가 높고 퀴리온도(Curie Temperature)가 크고 낮은 유전율을 가진 스피넬(Spinels)형 페라이트디스크(4)를 얻을 수 있다. 본 발명에 있어서, 보다 상세한 실시예들은 표 1, 표 2 및 표 3에 나타내었다.The manufactured
실시예 1에 있어서, 표 1은 페라이트소결체(4a)의 주성분은 니켈-아연계(Ni+Zn)로 하고 각 첨가성분의 함량 및 특성을 나타낸 것이다.In Example 1, Table 1 shows the main component of the ferrite sintered
실시예 2에 있어서, 표 2는 페라이트소결체(4a)의 주성분은 망간-아연계(Mn+Zn)로 하고 각 첨가성분의 함량 및 특성을 나타낸 것이다.In Example 2, the main component of the ferrite sintered
실시예 3에 있어서, 표 3은 페라이트소결체(4a)의 주성분은 망간-아연계(Mn+Zn)로 하고 각 첨가성분의 함량 및 특성을 나타낸 것이다.In Example 3, the main component of the ferrite sintered
본 발명은 페라이트디스크(4)의 제조방법에 있어서, 다음과 같은 조건을 설명한다.In the method of manufacturing the
상기 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3에서의 주성분 및 첨가성분으로 구성된 페라이트소결체의 소결온도는 1150℃에서 1300℃ 사이이며, 특히 소결시 소결분위기 가스는 산소 및 질소로 하였고, 산소 대 질소비가 1:1의 가스농도로 실시한 경우가 포화자속밀도 특성 및 유전특성이 가장 양호함을 알 수 있었다.The sintering temperature of the ferrite sintered body composed of the main component and the additive component in Examples 1, 2 and 3 is between 1150 ° C and 1300 ° C, in particular, the sintering atmosphere gas is oxygen and nitrogen, and oxygen to nitrogen The saturation magnetic flux density and dielectric properties were the best when the ratio was 1: 1.
상기 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3에 있어서, 첨가성분 I의 세륨분말(Ce) 및 게르마늄분말(Ge)은 페라이트의 유전율을 낮추는 성분이지만, 5.0중량%이상 첨가될 경우 포화자속밀도가 크게 떨어지는 현상이 나타남을 알 수 있다. 따라서 첨가성분 I의 함량은 5.0중량%이하로 조절하는 것이 바람직하다.In Examples 1, 2, and 3, the cerium powder (Ce) and the germanium powder (Ge) of the additive component I lower the dielectric constant of ferrite, but when 5.0 wt% or more is added, the saturation magnetic flux density is high. It can be seen that the phenomenon is greatly falling. Therefore, the content of the additive component I is preferably adjusted to 5.0% by weight or less.
상기 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3에 있어서, 첨가성분 Ⅱ의 크롬분말(Cr), 티타늄분말(Ti) 및 코발트분말(Co)은 페라이트의 와전류손실을 줄일 수 있는 성분이지만 이종 이상의 첨가성분 분말이 5.0중량%이상이 될 경우 셔큘레이터의 사용주파수가 높아질 수록 RF신호 이득효율이 감소하는 현상이 나타나며, 이에 첨가성분 Ⅱ의 전체함량은 5.0중량%이하로 조절하는 것이 바람직하다.In Examples 1, 2 and 3, the chromium powder (Cr), titanium powder (Ti) and cobalt powder (Co) of the additive component II are components that can reduce the eddy current loss of ferrite, but more than two kinds of additives are added. When the component powder is 5.0 wt% or more, the RF signal gain efficiency decreases as the frequency of use of the shuffler increases. Accordingly, the total content of the additive ingredient II is preferably controlled to 5.0 wt% or less.
본 발명에 있어서, 도 1은 비방사성 유전체도파관의 셔큘레이터 구조 및 페라이트디스크(4)를 나타낸 것이고, 도 2는 소결된 막대모양의 페라이트소결체(4a) 및 절단된 페라이트디스크이고, 도 3은 본 발명에 의한 페라이트디스크 표면의 미세구조를 나타낸 것이다. 도 1의 비방사성 유전체도파관의 셔큘레이터에서 1은 상부도체판이고 2는 하부도체판, 3은 유전체도파관, 및 4는 페라이트디스크를 나타낸 것이다.In the present invention, Fig. 1 shows the circulator structure and
또한 도 2의 4a는 막대모양의 페라이트소결체이며, 절단된 페라이트디스크가 두께 t와 직경 φ를 가진 형태로 절단된다. 도 3의 5a는 페라이트입자를 보여주고 있고, 입자크기가 10㎛보다 훨씬 작고 균일함을 알 수 있다. 5b는 표면이 연마된 페라이트입자의 모양을 나타내고 있으며, 6은 페라이트입자(5a)와 입자(5a) 사이의 간격을 보여주는 그림이며, 입자간 간격이 매우 치밀함을 알 수 있다.In addition, 4a of FIG. 2 is a rod-like ferrite sintered body, and the cut ferrite disk is cut into a shape having a thickness t and a diameter φ. 5a of FIG. 3 shows ferrite particles, and it can be seen that the particle size is much smaller and uniform than 10 μm. 5b shows the shape of the ferrite particles polished surface, 6 is a figure showing the distance between the ferrite particles (5a) and particles (5a), it can be seen that the spacing between the particles is very dense.
본 발명의 상기 페라이트디스크는 높은 포화자속밀도에 의해 셔큘레이터의 비가역특성을 높혀주고, 낮은 유전율에 의해 셔큘레이터의 임피던스가 줄어들어 인가되는 RF신호의 신호전송 이득이 우수하다.The ferrite disk of the present invention increases the irreversible characteristics of the shuffler by high saturation magnetic flux density, and the impedance of the shuffler is reduced by the low dielectric constant, so that the signal transmission gain of the applied RF signal is excellent.
따라서 본 발명에 의해 제조된 페라이트디스크는 Q밴드(33~50GHz) 또는 V밴드(50~75 GHz)에서 사용되는 비방사성 유전체도파관 셔큘레이터용 자성체의 핵심부품으로 활용되어 비가역 특성이 우수한 밀리미터파 대역용 셔큘레이터로 제작되고, 대량생산이 가능한 제조방법을 제공한다.Therefore, the ferrite disk manufactured according to the present invention is used as a core component of the magnetic material for the non-radioactive dielectric waveguide shuffler used in the Q band (33 to 50 GHz) or the V band (50 to 75 GHz), and the millimeter wave band having excellent irreversible characteristics is excellent. Provided is a manufacturing method that is manufactured by using a reciprocator and capable of mass production.
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