eng
Выпуск #1/2000
М. Харинская.
Микроволновые ферритовые материалы. Ну, как без них СВЧ-приборам обойтись!
Микроволновые ферритовые материалы. Ну, как без них СВЧ-приборам обойтись!
Просмотры: 3640
Создание СВЧ-систем с быстроуправляемыми параметрами и систем с характеристиками, значения которых отличаются в разных направлениях распространения микроволнового электромагнитного поля (невзаимных систем), невозможно без ферромагнитных диэлектриков – ферритов. С момента появления ферритов в конце 40-х годов не прекращается совершенствование их параметров и синтез новых материалов, отвечающих требованиям СВЧ-устройств, в которых они используются.
Сегодня в мире более 15 фирм производят микроволновые ферриты, две из которых российские – НИИ “Домен” и ОАО “Завод Магнетон” [1–7]. Выпускаемые ферриты синтезированы на основе соединений со структурой граната (материалы на основе иттрий-железного граната Y3Fe3O12), шпинели (материалы на основе никелевой NiFe2O4, литиевой Li0,5Fe2,5O4 или магниевой MgFe2O4 шпинели) или соединений с гексагональной кристаллической структурой (гексаферриты). Важнейший параметр ферритовых материалов со структурами шпинели и граната, определяющий частотный диапазон их применения, – намагниченность насыщения (4pМs). Максимальная теоретически предсказанная величина намагниченности литиевой шпинели с частичным замещением ионов лития ионами натрия или одновалентными ионами меди равна 6500 Гс при температуре Кюри 4270С [8]. Предельные на сегодняшний день сочетания величины намагниченности микроволновых ферритов и их температуры Кюри приведены в табл.1.
Для ферритов с гексагональной структурой за основной параметр принимается поле магнитной кристаллографической анизотропии, поскольку именно его величина определяет область применения гексаферритов – приборы резонансного типа мм-диапазона.
Другой важный параметр ферритов – магнитные потери на СВЧ, основной характеристикой которых является ширина линии ферромагнитного резонанса (ФМР) DН, измеряемая на уровне -3 дБ. Некоторые фирмы, например Trans-Tech, для характеристики магнитных потерь в феррите используют в качестве дополнительного параметра DН, измеряемую на уровне -15 дБ. Величина ее в четыре-шесть раз больше DН, измеренной на уровне -3 дБ. МЭК рекомендует в качестве дополнительного параметра измерять эффективную ширину линии DНэфф, которая характеризует нерезонансные потери и зависит от внешнего постоянного магнитного поля, частоты и характеристик материалов. Однако, исходя из частотного диапазона применения феррита, как правило, достаточно знать величину DН. Уменьшение ее путем совершенствования технологии и синтеза новых составов оставалось и остается сегодня одной из главных задач производителей ферритов. Среди современных серийно выпускаемых ферритов самая узкая линия DН (5 Э) у ферритов-гранатов ОАО “Завод Магнетон” (рис.).
При использовании ферритов в мощных СВЧ-приборах необходимо учитывать связанные с процессами возбуждения спиновых волн магнитные потери при высоком уровне мощности. Эти потери характеризуются шириной линии спиновых волн DНк. Чем больше величина DНк, тем устойчивее феррит к воздействию СВЧ-мощности. Наиболее распространенный метод повышения DНк – введение в состав феррита быстрорелаксирующих ионов редкоземельных элементов, таких как диспрозий (Tekelec и Xtalonix), самарий (ОАО “Завод Магнетон”), гольмий (Tekelec и Johanson), а также ионов кобальта – как правило, для увеличения DНк ферритов-шпинелей (шпинели с кобальтом выпускают практически все фирмы). Но ионы кобальта могут вводиться и в ферриты-гранаты (Tekelec и Johanson). Распространен также метод синтеза ферритов с мелкокристаллической структурой путем одноосного горячего прессования. При размере зерен не более 1,5–2 мкм DНк увеличивается в три-пять раз по сравнению с величиной DНк для крупнозернистых феритов (синтезированных спеканием). Мелкозернистые ферритовые материалы производят НИИ “Домен” и фирма Johanson.
Для ферритов, предназначенных для СВЧ-устройств, важнейшие параметры – относительная диэлектрическая проницаемость (e‘) и тангенс угла диэлектрических потерь (tgde). Вклад диэлектрических потерь в общие потери феррита тем заметнее, чем меньше его магнитные потери. Поэтому для ферритов-гранатов, особенно с узкой шириной линии ФМР, величина tgde должна быть не более 2.10-4. Малые величины tgde имеют ферриты со строго стехиометрическим составом, не содержащим разновалентные ионы одного и того же элемента (чаще всего железа). Но на диэлектрические потери влияют и температура, и газовая среда при обжиге изделий из феррита.
Для ферритов, используемых в приборах нерезонансного типа, а также в управляемых устройствах, работающих в состоянии остаточной намагниченности (дискретные фазовращатели ФАР), важное значение имеют такие параметры петли гистерезиса, как остаточная индукция (Br), коэрцитивная сила (Нс), коэффициенты прямоугольности (Кпр), квадратности (Ккв) и поле трогания (НТ). Например, по величине Кпр можно судить об эффективности применения феррита в СВЧ-приборе. Поскольку величина управляемого фазового сдвига пропорциональна остаточной намагниченности, желательно, чтобы Кпр был больше 0,9. Кроме того, величина коэффициента Кпр уменьшается с увеличением магнитострикции, поэтому последний параметр должен быть минимален. Коэффициент квадратности петли гистерезиса, определяемый как отношение поля трогания к коэрцитивной силе, характеризует устойчивость состояния остаточной намагниченности к воздействию магнитных помех. На форму петли гистерезиса существенно влияют внутренние размагничивающие поля, вызванные пористостью (при величине более 5%) и немагнитными включениями материала (при величине Нс менее 1,0 Э). Малую коэрцитивную силу имеют материалы с низкими кристаллографической анизотропией и пористостью, а также с крупной равномернозеренной структурой.
Последнее из важнейших свойств ферритов – термостабильность таких параметров, как намагниченность насыщения, коэрцитивная сила, максимальная и остаточная индукция. Этот параметр характеризуется относительным температурным коэффициентом aп. Требования к параметрам, с учетом которых следует выбирать ферритовые материалы для того или иного СВЧ-прибора, приведены в табл.2.
Какие же материалы наиболее полно отвечают расмотренным требованиям? Среди ферритов на основе магниевой шпинели (магниевых, магний-алюминиевых, магний-цинковых) наиболее распространены магний-алюминиевые. Величина намагниченности выпускаемых сегодня марок составляет 750–3000 Гс. Эти ферриты имеют прямоугольную петлю гистерезиса, малые магнитострикцию, коэрцитивную силу, магнитные (DНэфф = 6-9 Э [2]) и диэлектрические (tgde Ј 3.10-4) потери. Благодаря такому сочетанию параметров эти ферриты пригодны для приборов, работающих в нерезонансных магнитных полях. Основной недостаток ферритов на основе магниевой шпинели – низкая термостабильность параметров. Ферриты с самой большой величиной намагниченности (2750 и 3000 Гс) и прямоугольной петлей гистерезиса – марки С-145 и С-148 – сейчас выпускает фирма Countis Industries. Из отечественных материалов этой серии наиболее широко применяется материал марки 6СН1 (намагниченность насыщения 1450 Гс, Тс = 1400C, DН=150 Э,
Нс = 1,0 Э, tgde = 4.10-4) ОАО “Завод Магнетон” [5].
Для резонансных приборов см- и мм-диапазонов и для мощных устройств перспективны ферриты на основе никелевой шпинели. Основное достоинство этих материалов – широкий спектр значений намагниченности (460–5300 Гс) при высокой термостабильности этого параметра. Как правило, порог нестабильности спиновых волн рекламируемых никель-алюминиевых ферритов высокий: величина DНк от 10 до 40–45 Э. Очевидно, высокие значения DНк обусловлены введением в состав феррита ионов двухвалентного кобальта, что подтверждается их относительно узкими резонансными линиями. Так, для феррита фирмы Johanson марки XNFC-1350 DН = 250 Э, а DНк> 20 Э, для материалов фирмы Tekelec марок N24, N41, N26 и N42 DН = 250–370 Э и DНк = 34–35 Э. Ферриты с высокой плотностью и добавками кобальта могут применяться в приборах, работающих ниже и выше резонансного поглощения, так как форма их резонансной кривой близка к симметричной.
Среди рекламируемых марок никелевых ферритов выделяются своими большими диэлектрическими потерями (1,0–2,5.10-3) материалы фирмы Trans-Tech. К тому же они имеют значительно более широкие резонансные кривые (DН = 700-800 Э), чем ферриты других фирм с той же величиной намагниченности. По-видимому, это можно объяснить меньшей плотностью материалов фирмы Trans-Tech, о чем свидетельствует относительно низкая величина диэлектрической проницаемости (9–10 вместо характерных для никелевых ферритов значений 12-13).
Недостаток ферритов на основе никелевой шпинели – большие значения магнитострикции, кристаллографической анизотропии и нерезонансных потерь. По данным фирмы Tekelec, для никель-алюминиевых ферритов минимальная величина DНэфф равна15 Э, максимальная – 130 Э.
В номенклатуре изделий ОАО “Завод Магнетон” широко представлены и высокоплотные (10 марок, пористость не более 0,5%) ферриты на основе никелевой шпинели для подложек интегральных вентилей и циркуляторов см- и мм-диапазонов длин волн. Потери этих ферритов, изготавливаемых методом горячего прессования, меньше, чем у материала, получаемого по обычной технологии. Кроме того, чистота их поверхности соответствует классу 14.
Для дискретных быстродействующих фазовращателей самые перспективные материалы – ферриты на основе литиевой шпинели. Как и никелевые ферриты, эти материалы отличаются широким спектром значений намагниченности – 600–5000 Гс. У них и самые высокие значения температуры Кюри – 6400С (феррит марки ТТ71–3750 фирмы Trans-Tech). Для этих ферритов также характерны высокие значения коэффициента прямоугольности петли гистерезиса (благодаря малой магнитострикции), термостабильности в рабочем интервале температур (-60 ё +850С), а также малые значения коэрцитивной силы (не более 2,4 Э, у ферритов фирмы Trans-Tech 0,5–0,7 Э ) и малые по сравнению с ферритами на основе никелевой шпинели магнитные потери (DНэфф = 4 Э).
Применение ферритов в быстродействующих фазовращателях выдвигает высокие требования не только к их электромагнитным параметрам, но и к микроструктуре материала, которая должна быть однородной в объеме одного изделия и одинаковой в партии. Для выполнения этого требования ОАО “Завод Магнетон” при формировании ферритов использует метод гидростатического прессования. Изготовленные таким образом ферриты марок 3СН18, 3СН19 и 6СН1 широко применяются в отечественных РЛС.
Основной недостаток ферритов на основе литиевой шпинели – низкий порог нестабильности спиновых волн (DНк = 1,5–3,9 Э). Лишь у четырех марок ферритов фирмы Tekelec, разработанных специально для мощных приборов, этот параметр выше: 6 Э (А370), 8 (А230), 10 (А500) и 40 Э (А231) при значении DНэфф = 7–9 Э. Эти потери значительно меньше, чем у никелевых ферритов с аналогичными значениями DНк.
В СВЧ-приборах с малыми потерями различного назначения, в том числе и в интегральных, работающих в м-, дм- и см-диапазонах, широкое применение находят ферриты на основе иттриевого феррограната. Основа для практически всех выпускаемых сегодня СВЧ-гранатов – иттрий-железный гранат. Путем замещения ионов железа на ионы алюминия получен ряд иттрий-алюминиевых гранатов (Y3Fe5-xAlxO12) с величиной намагниченности от 175 (при х@1,4) до 1780 Гс (при х=0). Достоинство этих гранатов – малые магнитные и диэлектрические потери, недостаток – ухудшение термостабильности намагниченности по мере уменьшения величины последней, а также низкий порог возбуждения спиновых волн (DНк = 1,5-2 Э).
Крупнейший поставщик иттриевых и иттрий-алюминиевых гранатов – ОАО “Завод Магнетон”, выпускающий 26 марок таких ферритов, из них 15 марок с шириной линии ФМР менее 35–45 Э. Остальные изделия – аналогичны им по составу, но с меньшей пористостью и, следовательно, с более узкой линией ФМР (20–25 Э). Второе место занимает Tekelec (17 марок) и третье – Johanson (15 марок), выпускающие аналогичные по составу материалы с различными значениями DН.
Высокая термостабильность намагниченности в широком диапазоне температур при невысоких значениях намагниченности (400–800 Гс) характерна для иттрий-гадолиниевых (Y-Gd), иттрий-гадолиний-алюминиевых (Y-Gd-Al) и иттрий-гадолиний-алюминий-индиевых (Y-Gd-Al-In) ферритов-гранатов. Это свойство обусловлено наличием в ферритах этого состава точки компенсации, т.е. температуры, при которой значения намагниченности подрешеток равны по величине и суммарная намагниченность, определяемая как разность значений намагниченности подрешеток, равна нулю. Подбирая концентрацию ионов гадолиния, замещающих ионы иттрия, и ионов алюминия, замещающих ионы железа, можно добиться незначительного (в пределах 10–20%) изменения величины намагниченности в рабочем диапазоне температур от -60 до +850С.
При введении в состав Y-Gd- или Y-Gd-Al-ферритов небольших добавок марганца, приводящих к снижению магнитострикции, можно получить термостабильные ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса. Такие ферриты группы Y-Gd-Al для дискретных фазовращателей ФАР выпускают ОАО “Завод Магнетон” и НИИ “Домен”. Ферриты такого состава благодаря наличию быстрорелаксирующих трехвалентных ионов гадолиния имеют и высокий порог нестабильности спиновых волн. Высокие термостабильность и порог возбуждения спиновых волн делают Y-Gd- и Y-Gd-Al-ферриты незаменимыми для применения в мощных СВЧ-приборах. Повысить значение DНк можно путем введения в эти ферриты ионов редкоземельных элементов или ионов двухвалентного кобальта. Крупнейший производитель ферритов этого типа с добавками редкоземельных элементов – фирма Xtalonix Products (10 марок с добавками гольмия и 7 с добавками диспрозия) [6].
Основные недостатки Y-Gd- и Y-Gd-Al-ферритов – широкие линии ферромагнитного резонанса, большие нерезонансные потери, возрастающие по мере увеличения содержания гадолиния или других редкоземельных элементов в составе феррита.
Эти недостатки были в значительной степени устранены в результате замещения в Y-Gd-Al-гранатах части ионов железа ионами трехвалентного индия. Это привело к уменьшению константы магнитокристаллической анизотропии и увеличению намагниченности насыщения и соответственно к уменьшению вклада составляющей уширения линии за счет анизотропии и снижения DН. Подбирая соответствующим образом концентрации трехвалентных ионов гадолиния, алюминия и индия, можно получить Y-Gd-Al-In-гранаты с высокой термостабильностью намагниченности, относительно большим значением DНк и малой величиной DН. Такие ферриты выпускают НИИ “Домен” и ОАО “Завод Магнетон”. Для ферритов ОАО значения DН и DНк равны 35–55 Э и 10–14 Э соответственно.
Для изготовления микрополосковых СВЧ-приборов с чрезвычайно малыми потерями в широком диапазоне частот и температур, в том числе и криогенных, необходимы ферриты с узкой линией ФМР (DН не более 12 Э). Такую узкую линию можно получить за счет сведения к минимуму вкладов всех DН-составляющих в уширение линии ФМР. Величина намагниченности современных марок ферритов с узкой DН составляет 520–1950 Гс. Эти гранаты получают путем замещения в Y3Fe5O12 трехвалентных ионов иттрия и железа ионами немагнитных металлов с целью уменьшения поля анизотропии. Наиболее распространенные ферриты-гранаты этого типа, входящие в каталоги ведущих фирм, – Y3-2xCa2xFe5-x-yVxInyO12; Y3-xCaxFe5-x-yGexInyO12; Y3-xCaxFe5-x-yZrxAlyO12; Y3-2x-yCa2x+yFe5-x-y-zVxZryAlzO12.
Недостаток ферритов с узкой линией ФМР – снижение температуры Кюри по мере уменьшения намагниченности материала и, как следствие, ухудшение термостабильности намагниченности. Наиболее удачное сочетание параметров характерно для систем Y3-2xCa2xFe5-x-yVxInyO12 и Y3-2x-yCa2x+yFe5-x-y-zVxZryAlzO12.
Самая узкая линия ФМР, равная 5–6 Э, – у гранатов, выпускаемых ОАО “Завод Магнетон” (табл.3). Изготавливаются они по специально разработанной технологии на уникальном оборудовании горячего изостатического прессования фирмы ASEA (Швеция). Пористость ферритов не превышает 0,1%. Уменьшение вкладов других составляющих в уширение линии ФМР достигнуто за счет комбинирования замещений трехвалентных ионов иттрия и железа диамагнитными ионами, применения оксида иттрия с содержанием редкоземельных элементов не более 0,01% и обработки поверхности ферритов до чистоты класса 14. У ферритов фирм Trans-Tech, Tekelec, Johanson и НИИ “Домен” DН меньше или равно 10 Э.
Сегодня лидер на мировом рынке ферритов – фирма Trans-Tech (США). Среди российских производителей СВЧ-ферритов только ОАО “Завод Магнетон” имеет крупносерийное производство, обеспечивающее выпуск более 1 млн. изделий в год. Разработанные в ОАО ферриты со сверхузкими линиями ФМР и высокоплотные ферриты на основе никелевой шпинели – уникальны по сочетанию электромагнитных и микроструктурных параметров. Ферритовая продукция ОАО может конкурировать с изделиями таких ведущих зарубежных компаний, как Trans-Tech и Tekelec.m
Литература
1. Каталог фирмы Trans-Tech.
2. Каталог фирмы Tekelec.
3. Каталог фирмы Countis Industies.
4. Каталог НИИ “Домен”, 1999.
5. Каталог ОАО “Завод Магнетон”, 1999.
6. Каталог фирмы Xtalonix Products, 1999.
7. Каталог фирмы Johanson, 1999.
8.G. Dionne. – J. Appl. Phys., 1987 vol.61, N15, p.3865.
Для ферритов с гексагональной структурой за основной параметр принимается поле магнитной кристаллографической анизотропии, поскольку именно его величина определяет область применения гексаферритов – приборы резонансного типа мм-диапазона.
Другой важный параметр ферритов – магнитные потери на СВЧ, основной характеристикой которых является ширина линии ферромагнитного резонанса (ФМР) DН, измеряемая на уровне -3 дБ. Некоторые фирмы, например Trans-Tech, для характеристики магнитных потерь в феррите используют в качестве дополнительного параметра DН, измеряемую на уровне -15 дБ. Величина ее в четыре-шесть раз больше DН, измеренной на уровне -3 дБ. МЭК рекомендует в качестве дополнительного параметра измерять эффективную ширину линии DНэфф, которая характеризует нерезонансные потери и зависит от внешнего постоянного магнитного поля, частоты и характеристик материалов. Однако, исходя из частотного диапазона применения феррита, как правило, достаточно знать величину DН. Уменьшение ее путем совершенствования технологии и синтеза новых составов оставалось и остается сегодня одной из главных задач производителей ферритов. Среди современных серийно выпускаемых ферритов самая узкая линия DН (5 Э) у ферритов-гранатов ОАО “Завод Магнетон” (рис.).
При использовании ферритов в мощных СВЧ-приборах необходимо учитывать связанные с процессами возбуждения спиновых волн магнитные потери при высоком уровне мощности. Эти потери характеризуются шириной линии спиновых волн DНк. Чем больше величина DНк, тем устойчивее феррит к воздействию СВЧ-мощности. Наиболее распространенный метод повышения DНк – введение в состав феррита быстрорелаксирующих ионов редкоземельных элементов, таких как диспрозий (Tekelec и Xtalonix), самарий (ОАО “Завод Магнетон”), гольмий (Tekelec и Johanson), а также ионов кобальта – как правило, для увеличения DНк ферритов-шпинелей (шпинели с кобальтом выпускают практически все фирмы). Но ионы кобальта могут вводиться и в ферриты-гранаты (Tekelec и Johanson). Распространен также метод синтеза ферритов с мелкокристаллической структурой путем одноосного горячего прессования. При размере зерен не более 1,5–2 мкм DНк увеличивается в три-пять раз по сравнению с величиной DНк для крупнозернистых феритов (синтезированных спеканием). Мелкозернистые ферритовые материалы производят НИИ “Домен” и фирма Johanson.
Для ферритов, предназначенных для СВЧ-устройств, важнейшие параметры – относительная диэлектрическая проницаемость (e‘) и тангенс угла диэлектрических потерь (tgde). Вклад диэлектрических потерь в общие потери феррита тем заметнее, чем меньше его магнитные потери. Поэтому для ферритов-гранатов, особенно с узкой шириной линии ФМР, величина tgde должна быть не более 2.10-4. Малые величины tgde имеют ферриты со строго стехиометрическим составом, не содержащим разновалентные ионы одного и того же элемента (чаще всего железа). Но на диэлектрические потери влияют и температура, и газовая среда при обжиге изделий из феррита.
Для ферритов, используемых в приборах нерезонансного типа, а также в управляемых устройствах, работающих в состоянии остаточной намагниченности (дискретные фазовращатели ФАР), важное значение имеют такие параметры петли гистерезиса, как остаточная индукция (Br), коэрцитивная сила (Нс), коэффициенты прямоугольности (Кпр), квадратности (Ккв) и поле трогания (НТ). Например, по величине Кпр можно судить об эффективности применения феррита в СВЧ-приборе. Поскольку величина управляемого фазового сдвига пропорциональна остаточной намагниченности, желательно, чтобы Кпр был больше 0,9. Кроме того, величина коэффициента Кпр уменьшается с увеличением магнитострикции, поэтому последний параметр должен быть минимален. Коэффициент квадратности петли гистерезиса, определяемый как отношение поля трогания к коэрцитивной силе, характеризует устойчивость состояния остаточной намагниченности к воздействию магнитных помех. На форму петли гистерезиса существенно влияют внутренние размагничивающие поля, вызванные пористостью (при величине более 5%) и немагнитными включениями материала (при величине Нс менее 1,0 Э). Малую коэрцитивную силу имеют материалы с низкими кристаллографической анизотропией и пористостью, а также с крупной равномернозеренной структурой.
Последнее из важнейших свойств ферритов – термостабильность таких параметров, как намагниченность насыщения, коэрцитивная сила, максимальная и остаточная индукция. Этот параметр характеризуется относительным температурным коэффициентом aп. Требования к параметрам, с учетом которых следует выбирать ферритовые материалы для того или иного СВЧ-прибора, приведены в табл.2.
Какие же материалы наиболее полно отвечают расмотренным требованиям? Среди ферритов на основе магниевой шпинели (магниевых, магний-алюминиевых, магний-цинковых) наиболее распространены магний-алюминиевые. Величина намагниченности выпускаемых сегодня марок составляет 750–3000 Гс. Эти ферриты имеют прямоугольную петлю гистерезиса, малые магнитострикцию, коэрцитивную силу, магнитные (DНэфф = 6-9 Э [2]) и диэлектрические (tgde Ј 3.10-4) потери. Благодаря такому сочетанию параметров эти ферриты пригодны для приборов, работающих в нерезонансных магнитных полях. Основной недостаток ферритов на основе магниевой шпинели – низкая термостабильность параметров. Ферриты с самой большой величиной намагниченности (2750 и 3000 Гс) и прямоугольной петлей гистерезиса – марки С-145 и С-148 – сейчас выпускает фирма Countis Industries. Из отечественных материалов этой серии наиболее широко применяется материал марки 6СН1 (намагниченность насыщения 1450 Гс, Тс = 1400C, DН=150 Э,
Нс = 1,0 Э, tgde = 4.10-4) ОАО “Завод Магнетон” [5].
Для резонансных приборов см- и мм-диапазонов и для мощных устройств перспективны ферриты на основе никелевой шпинели. Основное достоинство этих материалов – широкий спектр значений намагниченности (460–5300 Гс) при высокой термостабильности этого параметра. Как правило, порог нестабильности спиновых волн рекламируемых никель-алюминиевых ферритов высокий: величина DНк от 10 до 40–45 Э. Очевидно, высокие значения DНк обусловлены введением в состав феррита ионов двухвалентного кобальта, что подтверждается их относительно узкими резонансными линиями. Так, для феррита фирмы Johanson марки XNFC-1350 DН = 250 Э, а DНк> 20 Э, для материалов фирмы Tekelec марок N24, N41, N26 и N42 DН = 250–370 Э и DНк = 34–35 Э. Ферриты с высокой плотностью и добавками кобальта могут применяться в приборах, работающих ниже и выше резонансного поглощения, так как форма их резонансной кривой близка к симметричной.
Среди рекламируемых марок никелевых ферритов выделяются своими большими диэлектрическими потерями (1,0–2,5.10-3) материалы фирмы Trans-Tech. К тому же они имеют значительно более широкие резонансные кривые (DН = 700-800 Э), чем ферриты других фирм с той же величиной намагниченности. По-видимому, это можно объяснить меньшей плотностью материалов фирмы Trans-Tech, о чем свидетельствует относительно низкая величина диэлектрической проницаемости (9–10 вместо характерных для никелевых ферритов значений 12-13).
Недостаток ферритов на основе никелевой шпинели – большие значения магнитострикции, кристаллографической анизотропии и нерезонансных потерь. По данным фирмы Tekelec, для никель-алюминиевых ферритов минимальная величина DНэфф равна15 Э, максимальная – 130 Э.
В номенклатуре изделий ОАО “Завод Магнетон” широко представлены и высокоплотные (10 марок, пористость не более 0,5%) ферриты на основе никелевой шпинели для подложек интегральных вентилей и циркуляторов см- и мм-диапазонов длин волн. Потери этих ферритов, изготавливаемых методом горячего прессования, меньше, чем у материала, получаемого по обычной технологии. Кроме того, чистота их поверхности соответствует классу 14.
Для дискретных быстродействующих фазовращателей самые перспективные материалы – ферриты на основе литиевой шпинели. Как и никелевые ферриты, эти материалы отличаются широким спектром значений намагниченности – 600–5000 Гс. У них и самые высокие значения температуры Кюри – 6400С (феррит марки ТТ71–3750 фирмы Trans-Tech). Для этих ферритов также характерны высокие значения коэффициента прямоугольности петли гистерезиса (благодаря малой магнитострикции), термостабильности в рабочем интервале температур (-60 ё +850С), а также малые значения коэрцитивной силы (не более 2,4 Э, у ферритов фирмы Trans-Tech 0,5–0,7 Э ) и малые по сравнению с ферритами на основе никелевой шпинели магнитные потери (DНэфф = 4 Э).
Применение ферритов в быстродействующих фазовращателях выдвигает высокие требования не только к их электромагнитным параметрам, но и к микроструктуре материала, которая должна быть однородной в объеме одного изделия и одинаковой в партии. Для выполнения этого требования ОАО “Завод Магнетон” при формировании ферритов использует метод гидростатического прессования. Изготовленные таким образом ферриты марок 3СН18, 3СН19 и 6СН1 широко применяются в отечественных РЛС.
Основной недостаток ферритов на основе литиевой шпинели – низкий порог нестабильности спиновых волн (DНк = 1,5–3,9 Э). Лишь у четырех марок ферритов фирмы Tekelec, разработанных специально для мощных приборов, этот параметр выше: 6 Э (А370), 8 (А230), 10 (А500) и 40 Э (А231) при значении DНэфф = 7–9 Э. Эти потери значительно меньше, чем у никелевых ферритов с аналогичными значениями DНк.
В СВЧ-приборах с малыми потерями различного назначения, в том числе и в интегральных, работающих в м-, дм- и см-диапазонах, широкое применение находят ферриты на основе иттриевого феррограната. Основа для практически всех выпускаемых сегодня СВЧ-гранатов – иттрий-железный гранат. Путем замещения ионов железа на ионы алюминия получен ряд иттрий-алюминиевых гранатов (Y3Fe5-xAlxO12) с величиной намагниченности от 175 (при х@1,4) до 1780 Гс (при х=0). Достоинство этих гранатов – малые магнитные и диэлектрические потери, недостаток – ухудшение термостабильности намагниченности по мере уменьшения величины последней, а также низкий порог возбуждения спиновых волн (DНк = 1,5-2 Э).
Крупнейший поставщик иттриевых и иттрий-алюминиевых гранатов – ОАО “Завод Магнетон”, выпускающий 26 марок таких ферритов, из них 15 марок с шириной линии ФМР менее 35–45 Э. Остальные изделия – аналогичны им по составу, но с меньшей пористостью и, следовательно, с более узкой линией ФМР (20–25 Э). Второе место занимает Tekelec (17 марок) и третье – Johanson (15 марок), выпускающие аналогичные по составу материалы с различными значениями DН.
Высокая термостабильность намагниченности в широком диапазоне температур при невысоких значениях намагниченности (400–800 Гс) характерна для иттрий-гадолиниевых (Y-Gd), иттрий-гадолиний-алюминиевых (Y-Gd-Al) и иттрий-гадолиний-алюминий-индиевых (Y-Gd-Al-In) ферритов-гранатов. Это свойство обусловлено наличием в ферритах этого состава точки компенсации, т.е. температуры, при которой значения намагниченности подрешеток равны по величине и суммарная намагниченность, определяемая как разность значений намагниченности подрешеток, равна нулю. Подбирая концентрацию ионов гадолиния, замещающих ионы иттрия, и ионов алюминия, замещающих ионы железа, можно добиться незначительного (в пределах 10–20%) изменения величины намагниченности в рабочем диапазоне температур от -60 до +850С.
При введении в состав Y-Gd- или Y-Gd-Al-ферритов небольших добавок марганца, приводящих к снижению магнитострикции, можно получить термостабильные ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса. Такие ферриты группы Y-Gd-Al для дискретных фазовращателей ФАР выпускают ОАО “Завод Магнетон” и НИИ “Домен”. Ферриты такого состава благодаря наличию быстрорелаксирующих трехвалентных ионов гадолиния имеют и высокий порог нестабильности спиновых волн. Высокие термостабильность и порог возбуждения спиновых волн делают Y-Gd- и Y-Gd-Al-ферриты незаменимыми для применения в мощных СВЧ-приборах. Повысить значение DНк можно путем введения в эти ферриты ионов редкоземельных элементов или ионов двухвалентного кобальта. Крупнейший производитель ферритов этого типа с добавками редкоземельных элементов – фирма Xtalonix Products (10 марок с добавками гольмия и 7 с добавками диспрозия) [6].
Основные недостатки Y-Gd- и Y-Gd-Al-ферритов – широкие линии ферромагнитного резонанса, большие нерезонансные потери, возрастающие по мере увеличения содержания гадолиния или других редкоземельных элементов в составе феррита.
Эти недостатки были в значительной степени устранены в результате замещения в Y-Gd-Al-гранатах части ионов железа ионами трехвалентного индия. Это привело к уменьшению константы магнитокристаллической анизотропии и увеличению намагниченности насыщения и соответственно к уменьшению вклада составляющей уширения линии за счет анизотропии и снижения DН. Подбирая соответствующим образом концентрации трехвалентных ионов гадолиния, алюминия и индия, можно получить Y-Gd-Al-In-гранаты с высокой термостабильностью намагниченности, относительно большим значением DНк и малой величиной DН. Такие ферриты выпускают НИИ “Домен” и ОАО “Завод Магнетон”. Для ферритов ОАО значения DН и DНк равны 35–55 Э и 10–14 Э соответственно.
Для изготовления микрополосковых СВЧ-приборов с чрезвычайно малыми потерями в широком диапазоне частот и температур, в том числе и криогенных, необходимы ферриты с узкой линией ФМР (DН не более 12 Э). Такую узкую линию можно получить за счет сведения к минимуму вкладов всех DН-составляющих в уширение линии ФМР. Величина намагниченности современных марок ферритов с узкой DН составляет 520–1950 Гс. Эти гранаты получают путем замещения в Y3Fe5O12 трехвалентных ионов иттрия и железа ионами немагнитных металлов с целью уменьшения поля анизотропии. Наиболее распространенные ферриты-гранаты этого типа, входящие в каталоги ведущих фирм, – Y3-2xCa2xFe5-x-yVxInyO12; Y3-xCaxFe5-x-yGexInyO12; Y3-xCaxFe5-x-yZrxAlyO12; Y3-2x-yCa2x+yFe5-x-y-zVxZryAlzO12.
Недостаток ферритов с узкой линией ФМР – снижение температуры Кюри по мере уменьшения намагниченности материала и, как следствие, ухудшение термостабильности намагниченности. Наиболее удачное сочетание параметров характерно для систем Y3-2xCa2xFe5-x-yVxInyO12 и Y3-2x-yCa2x+yFe5-x-y-zVxZryAlzO12.
Самая узкая линия ФМР, равная 5–6 Э, – у гранатов, выпускаемых ОАО “Завод Магнетон” (табл.3). Изготавливаются они по специально разработанной технологии на уникальном оборудовании горячего изостатического прессования фирмы ASEA (Швеция). Пористость ферритов не превышает 0,1%. Уменьшение вкладов других составляющих в уширение линии ФМР достигнуто за счет комбинирования замещений трехвалентных ионов иттрия и железа диамагнитными ионами, применения оксида иттрия с содержанием редкоземельных элементов не более 0,01% и обработки поверхности ферритов до чистоты класса 14. У ферритов фирм Trans-Tech, Tekelec, Johanson и НИИ “Домен” DН меньше или равно 10 Э.
Сегодня лидер на мировом рынке ферритов – фирма Trans-Tech (США). Среди российских производителей СВЧ-ферритов только ОАО “Завод Магнетон” имеет крупносерийное производство, обеспечивающее выпуск более 1 млн. изделий в год. Разработанные в ОАО ферриты со сверхузкими линиями ФМР и высокоплотные ферриты на основе никелевой шпинели – уникальны по сочетанию электромагнитных и микроструктурных параметров. Ферритовая продукция ОАО может конкурировать с изделиями таких ведущих зарубежных компаний, как Trans-Tech и Tekelec.m
Литература
1. Каталог фирмы Trans-Tech.
2. Каталог фирмы Tekelec.
3. Каталог фирмы Countis Industies.
4. Каталог НИИ “Домен”, 1999.
5. Каталог ОАО “Завод Магнетон”, 1999.
6. Каталог фирмы Xtalonix Products, 1999.
7. Каталог фирмы Johanson, 1999.
8.G. Dionne. – J. Appl. Phys., 1987 vol.61, N15, p.3865.
Отзывы читателей
