eng
Выпуск #8/2015
А.Устинов, В.Кочемасов, Е.Хасьянова
Ферритовые материалы для устройств СВЧ-электроники. Основные критерии выбора
Ферритовые материалы для устройств СВЧ-электроники. Основные критерии выбора
Просмотры: 4998
Указываются основные свойства и особенности различных классов ферритов, помогающих подобрать нужный материал, который в максимальной степени отвечает требованиям, предъявляемым к разрабатываемому устройству.
Теги: ferrites ferrite spinel ferromagnetic resonance garnet ferrite hexaferrite intensity of magnetization microwave electronics гексаферрит намагниченность свч-электроника феррит-гранат ферриты ферромагнитный резонанс феррошпинель
Ф
ерриты представляют собой химические соединения оксидов железа с оксидами других металлов, которые в условиях ниже температуры Кюри обладают таким свойством, как спонтанная намагниченность. Ферромагнитное упорядочение в таких материалах обусловлено обменным взаимодействием спинов электронов. В отличие от ферромагнетиков ферриты не имеют свободных электронов, поэтому проявляют диэлектрические или полупроводниковые свойства. В зависимости от метода получения ферритовые материалы могут иметь поликристаллическую или монокристаллическую структуру. Для производства тех или иных приборов могут применяться объемные или пленочные образцы. В соответствии с типом кристаллической структуры ферриты делятся на три класса: гранаты, шпинели и гексаферриты. Каждый из них имеет свои преимущества, определяющие области их применения.
При выборе ферритового материала для разработки СВЧ-устройств важны как магнитные, так и диэлектрические его свойства. К магнитным параметрам относятся намагниченность насыщения, ее температурный коэффициент, температура Кюри, ширина линии ферромагнитного резонанса, порог развития нелинейных процессов. Диэлектрические свойства определяются диэлектрической проницаемостью и тангенсом угла диэлектрических потерь. Остановимся вначале на кратком описании этих параметров.
Основные параметры
ферритовых материалов
Намагниченность – это магнитный момент единицы объема вещества. Намагниченность насыщения (4πMS) экспериментально определяется как точка, в которой намагниченность ферритового образца перестает нарастать при увеличении внешнего магнитного поля [3]. В зависимости от материала ее значение находится в диапазоне 200–5000 Гс.
Магнитная кристаллографическая анизотропия – зависимость магнитных свойств ферромагнетика от направления его намагничивания относительно осей кристаллической решетки [4, 5]. Причиной ее возникновения является квантовое спин-орбитальное взаимодействие. Существуют три типа магнитной кристаллографической анизотропии: кубическая, "легкая ось" и "легкая плоскость". От типа магнитной кристаллографической анизотропии в значительной мере зависит эффективное поле анизотропии НА. Заметим, что в тонких ферритовых пленках может также существовать поверхностная анизотропия, которая модифицирует спектр спиновых волн. Так, при ограничении подвижности спинов на поверхностях пленки, иными словами, при "закреплении поверхностных спинов", в спектре спиновых волн наблюдаются так называемые "дипольные щели" [6]. Кроме того, собственные частоты мод спектра смещаются вверх по частоте. В зависимости от толщины пленки они могут достигать частот субтерагерцового диапазона.
Термическое изменение значения намагниченности характеризуется температурным коэффициентом намагниченности насыщения (αF). Этот параметр обычно приводится для диапазона температур –60...85°C. В зависимости от потенциальной области применения данный диапазон может быть уже. На температурную стабильность ферритов влияет температура Кюри (Tc), при которой происходит фазовый переход из ферромагнитного состояния в парамагнитное.
Ширина линии ферромагнитного резонанса (ФМР) 2ΔН физически характеризует диссипацию энергии магнитных колебаний в феррите. С практической точки зрения ΔН определяет полосу пропускания резонансных СВЧ-приборов и вносимые потери спин-волновых приборов. Ширина линии ФМР определяется как разность между двумя значениями напряженности магнитного поля, при которых мощность, поглощаемая ферритовым образцом, составляет половину от максимального поглощения [4, 5] (рис.1). В зависимости от типа феррита значение ΔН может значительно меняться. Необходимо отметить, что при экспериментальном определении величины ΔН на результаты измерений влияет класс обработки поверхности образца: чем качественнее выполнена полировка, тем уже линия ФМР.
Предельный уровень СВЧ-мощности, при котором начинается резкий рост потерь в ферритовом материале за счет развития нелинейных процессов, характеризует ширина линии спин-волновой релаксации (ΔНк). Пороговый уровень мощности прямо пропорционален квадрату ΔНк и обратно пропорционален значению 4πMS.
Рабочий частотный диапазон СВЧ-прибора может лежать как в области ферромагнитного резонанса, так и ниже или выше частоты ФМР. При заданной напряженности внешнего магнитного поля частота ФМР зависит от значений 4πMS и НА, а также от формы образца [4, 5]. Поэтому рабочая частота для того или иного материала будет находиться ниже или выше частоты ФМР. Заметим, что следует различать рабочий диапазон прибора по частоте и по магнитному полю. Так, рабочей точке по магнитному полю ниже ФМР соответствует рабочая точка по частоте выше ФМР и наоборот. Ферритовые СВЧ-приборы разделяются на резонансные, дорезонансные и зарезонансные в соответствии с магнитной рабочей точкой (см. рис.1).
Для того чтобы избежать высоких потерь в резонансном и дорезонансном режимах работы ферритовых СВЧ-приборов, намагниченность насыщения необходимо выбирать таким образом, чтобы ферритовый образец был намагничен до насыщения. Кроме того, для резонансных вентилей обычно выбирают ферриты с большими значениями намагниченности насыщения, чтобы минимизировать поле подмагничивания. Для дорезонансных устройств понижение значения 4πMS увеличивает их максимальную рабочую мощность. Однако это также сужает полосу согласования импеданса. Таким образом, полоса рабочих частот и динамический диапазон являются конкурирующими параметрами. Для зарезонансных устройств величина намагниченности насыщения не играет большой роли. По мере роста 4πMS увеличивается полоса пропускания устройств.
Ширина кривой ферромагнитного резонанса 2ΔН для нерезонансных ферритовых устройств должна быть как можно меньше. Ее увеличение ведет к росту вносимых потерь. Для резонансных устройств, например вентиля, величина 2ΔН должна быть сравнительно большой для того, чтобы обеспечить его работу в широкой полосе частот.
В спецификации материала указывают относительную диэлектрическую проницаемость (εr), а также значение тангенса угла диэлектрических потерь (tan δ). Последний параметр необходимо выбирать минимально возможным. Что касается диэлектрической проницаемости, то ферриты одного и того же типа имеют примерно одинаковые значения εr в диапазоне от 12 до 18.
Классы ферритовых материалов
В настоящее время массовое распространение получили материалы с поликристаллической структурой, производимые на основе керамической технологии [7]. По функциональному назначению они делятся на ферриты для приборов резонансного и нерезонансного типов. На первом этапе исходные ферритообразующие материалы, точный состав и пропорции которых, как правило, держатся производителями в секрете, смешивают в необходимом количестве с применением воды или денатурата. На данном этапе особенно важен выбор зернистости исходного материала. Например, для циркуляторов, работающих на частотах ниже ферромагнитного резонанса, уменьшение размеров зерна феррита повышает уровень пороговой мощности на порядок. Но по мере уменьшения размера зерна увеличивается стоимость производства. Типовое значение зернистости составляет 10–20 мкм.
Получившуюся массу прессуют в изделия нужной формы (рис.2) с последующим спеканием при температурах от 900 до 1500°C на воздухе или в специальной газовой атмосфере. Форма феррита также влияет на параметры устройства, в котором он будет использоваться (например, треугольная пластина снижает уровень вносимых потерь в сочлененном циркуляторе по сравнению с ферритовым диском). Размеры и форма образца также зависят от рабочей частоты, термостабильности, уровня мощности и других параметров [8].
Точность температуры спекания – критически важный параметр. Например, отклонение температуры всего на 10°C существенно меняет ширину линии ФМР иттриевых гранатов [9]. После обжига поверхность шлифуют и полируют. Требования к точности толщины феррита или его диаметра варьируются в зависимости от области применения. Как правило, точность для толщины составляет ±0,01 мм, а для диаметра диска – ±0,1 мм. При применении ферритов в устройствах миллиметрового диапазона волн эти значения могут быть еще меньше. Поскольку ферриты являются хрупкими материалами с низкой теплопроводностью, для обработки поверхности и корректировки формы феррита лучше всего использовать алмазные диски. Механическая обработка поверхности влияет на магнитные свойства материалов, следовательно, при использовании феррита в устройствах с жесткими требованиями к отклонениям параметров после шлифовки и полировки обязательно применение термического отжига. СВЧ-компоненты меньших размеров, требующие более высокой точности изготовления, можно получить, применяя ферритовые подложки и печатную технологию производства [10].
Исторически сложилось, что первыми в СВЧ-технике были применены феррошпинели – ферриты с кристаллической структурой шпинели [11] (табл.1). Общая химическая формула таких материалов MeFe2O4, где Mе – один из двухвалентных ионов переходных металлов Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, а также ионы Mg и Cd. В диапазоне 7–15 ГГц успешно применяются магниево-марганцевые (Mg-Mn), никелевые (Ni) и литиевые (Li) ферриты [12]. Mg-Mn-ферриты обладают значением температуры Кюри около 300°C, поэтому их не рекомендуется применять в устройствах, предназначенных для широкого диапазона рабочих температур. Для Ni-феррошпинелей характерны большие значения потерь, но температура Кюри составляет около 570°C. Этот класс ферритов используют для высокомощных устройств – фазовращателей, циркуляторов, вентилей, антенн. Для увеличения значения намагниченности насыщения в Ni-шпинели добавляют цинк, что позволяет применять эти материалы для устройств миллиметрового диапазона. Однако такие ферриты не обладают прямоугольной петлей гистерезиса (рис.3), в отличие от Mg-Mn-ферритов.
Для литиевых ферритов свойственны температура Кюри Тс около 645°C, низкие СВЧ-потери, прямоугольная петля гистерезиса. Для уменьшения намагниченности насыщения в нижней части СВЧ-диапазона в литиевые ферриты добавляют титан. Такие ферриты используются в керамических магнитах и устройствах, работающих в СВЧ- и миллиметровом диапазонах.
Хотя феррошпинели и были первыми магнитодиэлектриками, применяемыми в СВЧ-технике, разработчики многих устройств отдают предпочтение ферритам-гранатам – ферритам иттрия и лантаноидам (табл.2), что обусловлено их более низкими магнитными потерями. У гранатов сложная структура [11]. Общую химическую формулу можно записать в виде R3Fe5O12, где R – один из трехвалентных ионов редкоземельных элементов (Y, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Sm или Eu).
Температура Кюри Тс таких материалов составляет примерно 286°C. Они обладают большей температурной стабильностью по сравнению со шпинелями. Низкие потери, большое значение намагниченности насыщения и узкая линия ферромагнитного резонанса делает более предпочтительным применение данного класса ферритов в СВЧ-технике. Для улучшения некоторых характеристик иттриевых ферритов, в частности, для повышения его термостабильности и увеличения уровня пороговой мощности, в его структуру часто вводят ионы кобальта (Co), а также ионы редкоземельных металлов диспрозия (Dy), гадолиния (Gd) и др.
Гексаферриты – ферриты с гексагональной кристаллической структурой. Наиболее распространены гексаферриты с формулой (МО) (Fe2О3)6, где М – Ва, Sr или Pb [11] (табл.3). Гексаферриты используются в устройствах, работающих в миллиметровом диапазоне как с применением внешнего подмагничивания, так и без него. В последнем случае роль поля подмагничивания играет поле одноосной магнитокристаллографической анизотропии НА, величина которого может достигать 33 кЭ [20].
Наряду с применением поликристаллических материалов определенные успехи достигнуты и в использовании ферритовых монокристаллов. Благодаря узкой линии ФМР (составляющей доли или единицы эрстед), оптической прозрачности, высокой добротности и износостойкости, такие материалы применяют при создании как твердотельных СВЧ-приборов, так и устройств оптоэлектроники.
Монокристаллы ферритов выращивают на основе методов Бриджмена, Вернейля, Чохральского, высокотемпературного выращивания из растворов в расплаве и др. [11]. Для получения монокристаллических пленок используется метод жидкофазной эпитаксии.
Наиболее широкое применение в электронике СВЧ нашли монокристаллы ферритов железо-иттриевого граната (ЖИГ), у которых рекордно узкая ширина линии ферромагнитного резонанса 0,2–0,5 Э. На их основе производят СВЧ-фильтры на сферах ЖИГ [14, 21] и фильтры на магнитостатических волнах (МСВ) [14, 22], которые различаются как конструкцией, так и принципом работы. Действие фильтра на сфере ЖИГ основано на эффекте ферромагнитного резонанса. ЖИГ-резонаторы (табл.4) изготавливают в виде сфер диаметром 0,25–1,1 мм, закрепленных на керамическом стержне.
Принцип работы фильтров на МСВ заключается в возбуждении, распространении и приеме спиновой волны в монокристаллической пленке ЖИГ [6]. Пленки ЖИГ эпитаксиально выращиваются на подложках галлий-гадолиниевого граната (ГГГ) и имеют следующие типовые параметры: толщина 1–100 мкм и намагниченность насыщения 400–1900 Гс (в зависимости от количества и типа замещающей примеси) [23, 24]. На сравнительно низких частотах 1–4 ГГц целесообразно использовать пленки с пониженной намагниченностью, поскольку ею определяется граничная частота существования трехволновых параметрических процессов, ограничивающих динамический диапазон линейных спин-волновых приборов. Уменьшение намагниченности насыщения снижает эту граничную частоту.
Кроме СВЧ-фильтров, на основе монокристаллических пленок ЖИГ возможно изготовление электронно-перестраиваемых фазовращателей, линий задержки, генераторов и других СВЧ-компонентов [6, 25, 26]. Их главными достоинствами являются миниатюрность, планарность конструкции и возможность изготовления по интегральной технологии (рис.4).
ЛИТЕРАТУРА
1. Цzgьr Ь., Alivov Y., Morkoз H. Microwave ferrites, part 1: fundamental properties // Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2009. Т. 20. № 9. С. 789–834.
2. Harris V.G. Modern microwave ferrites. – IEEE Trans. Mag., 2012, vol. 48, pp. 1075–1104
3. Проектирование полосковых устройств СВЧ. – Ульяновск, 2001, 129 с.
4. Лакс Б., Баттон К. Сверхвысокочастотные ферриты и ферримагнетики. – М.: Мир, 1965, 676 с.
5. Гуревич А., Мелков Г. Магнитные колебания и волны. – М.: Физматлит, 1994, 464 с.
6. Калиникос Б., Устинов А., Баруздин С. Спин-волновые устройства и эхо-процессоры. Монография под ред. Ушакова В. – М.: Радиотехника, 2013, 216 с.
7. Baden Fuller A. Ferrites at Microwave Frequencies. – Peter Peregrinus Ltd., 1987.
8. Helszajn J., James D. Planar triangular resonators with Magnetic Walls. – IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1978, February, pp. 95–100.
9. Linkhart D. Microwave circulator design. – Artech House, 2014, 364 p.
10. Ferrimagnetic Substrates for Microwave Integrated Circuits. – www.trans-techinc.com.
11. Яковлев Ю., Генеделев С. Монокристаллы ферритов в радиоэлектронике. – М.: Советское радио, 1975, 360 с.
12. Cruickshank D. Microwave materials for wireless applications. – Artech House, 2011, 221 p.
13. http://www.domen.ru/catalog/mmm/files/materials%20vc.pdf.
14. http://www.magneton.ru/cat.php?id=134
15. http://www.rusgates.ru.
16. http://www.oaokb1.ru/dejatelnost/ferrit-proizvodstvo/katalog.
17. http://www.trans-techinc.com/products_detail.asp? ID=3&Name=Ferrites-&-Magnetic-Materials.
18. http://www.temex-ceramics.com/site.
19. http://www.magneticsgroup.com/m_garn.htm.
20. Ustinov A., Tatarenko A., Srinivasan G., Balbashov A. Al substituted Ba-hexaferrite single-crystal films for millimeter-wave devices. – J. Appl. Phys., 2009, 105, 023908.
21. Белов Л. Корпорация Micro Lambda Wireless. СВЧ-приборы с ЖИГ-перестройкой. – Электроника: НТБ. 2010. № 8. С. 60–66.
22. http://www.faza-don.ru/popina/popina/home.html
23. http://www.niimv.ru/products/opticheskie-i-lazernye-monokristally.html.
24. http://www.mtixtl.com/yig-ggg-1010.aspx
25. Вапнэ Г. СВЧ-устройства на магнитостатических волнах // Обзоры по электронной технике. 1984. Сер. 1. 78 c.
26. СВЧ-ферриты (малый тематический выпуск). – ТИИЭР, 1988. Т. 76. № 2. С. 29–116.
ерриты представляют собой химические соединения оксидов железа с оксидами других металлов, которые в условиях ниже температуры Кюри обладают таким свойством, как спонтанная намагниченность. Ферромагнитное упорядочение в таких материалах обусловлено обменным взаимодействием спинов электронов. В отличие от ферромагнетиков ферриты не имеют свободных электронов, поэтому проявляют диэлектрические или полупроводниковые свойства. В зависимости от метода получения ферритовые материалы могут иметь поликристаллическую или монокристаллическую структуру. Для производства тех или иных приборов могут применяться объемные или пленочные образцы. В соответствии с типом кристаллической структуры ферриты делятся на три класса: гранаты, шпинели и гексаферриты. Каждый из них имеет свои преимущества, определяющие области их применения.
При выборе ферритового материала для разработки СВЧ-устройств важны как магнитные, так и диэлектрические его свойства. К магнитным параметрам относятся намагниченность насыщения, ее температурный коэффициент, температура Кюри, ширина линии ферромагнитного резонанса, порог развития нелинейных процессов. Диэлектрические свойства определяются диэлектрической проницаемостью и тангенсом угла диэлектрических потерь. Остановимся вначале на кратком описании этих параметров.
Основные параметры
ферритовых материалов
Намагниченность – это магнитный момент единицы объема вещества. Намагниченность насыщения (4πMS) экспериментально определяется как точка, в которой намагниченность ферритового образца перестает нарастать при увеличении внешнего магнитного поля [3]. В зависимости от материала ее значение находится в диапазоне 200–5000 Гс.
Магнитная кристаллографическая анизотропия – зависимость магнитных свойств ферромагнетика от направления его намагничивания относительно осей кристаллической решетки [4, 5]. Причиной ее возникновения является квантовое спин-орбитальное взаимодействие. Существуют три типа магнитной кристаллографической анизотропии: кубическая, "легкая ось" и "легкая плоскость". От типа магнитной кристаллографической анизотропии в значительной мере зависит эффективное поле анизотропии НА. Заметим, что в тонких ферритовых пленках может также существовать поверхностная анизотропия, которая модифицирует спектр спиновых волн. Так, при ограничении подвижности спинов на поверхностях пленки, иными словами, при "закреплении поверхностных спинов", в спектре спиновых волн наблюдаются так называемые "дипольные щели" [6]. Кроме того, собственные частоты мод спектра смещаются вверх по частоте. В зависимости от толщины пленки они могут достигать частот субтерагерцового диапазона.
Термическое изменение значения намагниченности характеризуется температурным коэффициентом намагниченности насыщения (αF). Этот параметр обычно приводится для диапазона температур –60...85°C. В зависимости от потенциальной области применения данный диапазон может быть уже. На температурную стабильность ферритов влияет температура Кюри (Tc), при которой происходит фазовый переход из ферромагнитного состояния в парамагнитное.
Ширина линии ферромагнитного резонанса (ФМР) 2ΔН физически характеризует диссипацию энергии магнитных колебаний в феррите. С практической точки зрения ΔН определяет полосу пропускания резонансных СВЧ-приборов и вносимые потери спин-волновых приборов. Ширина линии ФМР определяется как разность между двумя значениями напряженности магнитного поля, при которых мощность, поглощаемая ферритовым образцом, составляет половину от максимального поглощения [4, 5] (рис.1). В зависимости от типа феррита значение ΔН может значительно меняться. Необходимо отметить, что при экспериментальном определении величины ΔН на результаты измерений влияет класс обработки поверхности образца: чем качественнее выполнена полировка, тем уже линия ФМР.
Предельный уровень СВЧ-мощности, при котором начинается резкий рост потерь в ферритовом материале за счет развития нелинейных процессов, характеризует ширина линии спин-волновой релаксации (ΔНк). Пороговый уровень мощности прямо пропорционален квадрату ΔНк и обратно пропорционален значению 4πMS.
Рабочий частотный диапазон СВЧ-прибора может лежать как в области ферромагнитного резонанса, так и ниже или выше частоты ФМР. При заданной напряженности внешнего магнитного поля частота ФМР зависит от значений 4πMS и НА, а также от формы образца [4, 5]. Поэтому рабочая частота для того или иного материала будет находиться ниже или выше частоты ФМР. Заметим, что следует различать рабочий диапазон прибора по частоте и по магнитному полю. Так, рабочей точке по магнитному полю ниже ФМР соответствует рабочая точка по частоте выше ФМР и наоборот. Ферритовые СВЧ-приборы разделяются на резонансные, дорезонансные и зарезонансные в соответствии с магнитной рабочей точкой (см. рис.1).
Для того чтобы избежать высоких потерь в резонансном и дорезонансном режимах работы ферритовых СВЧ-приборов, намагниченность насыщения необходимо выбирать таким образом, чтобы ферритовый образец был намагничен до насыщения. Кроме того, для резонансных вентилей обычно выбирают ферриты с большими значениями намагниченности насыщения, чтобы минимизировать поле подмагничивания. Для дорезонансных устройств понижение значения 4πMS увеличивает их максимальную рабочую мощность. Однако это также сужает полосу согласования импеданса. Таким образом, полоса рабочих частот и динамический диапазон являются конкурирующими параметрами. Для зарезонансных устройств величина намагниченности насыщения не играет большой роли. По мере роста 4πMS увеличивается полоса пропускания устройств.
Ширина кривой ферромагнитного резонанса 2ΔН для нерезонансных ферритовых устройств должна быть как можно меньше. Ее увеличение ведет к росту вносимых потерь. Для резонансных устройств, например вентиля, величина 2ΔН должна быть сравнительно большой для того, чтобы обеспечить его работу в широкой полосе частот.
В спецификации материала указывают относительную диэлектрическую проницаемость (εr), а также значение тангенса угла диэлектрических потерь (tan δ). Последний параметр необходимо выбирать минимально возможным. Что касается диэлектрической проницаемости, то ферриты одного и того же типа имеют примерно одинаковые значения εr в диапазоне от 12 до 18.
Классы ферритовых материалов
В настоящее время массовое распространение получили материалы с поликристаллической структурой, производимые на основе керамической технологии [7]. По функциональному назначению они делятся на ферриты для приборов резонансного и нерезонансного типов. На первом этапе исходные ферритообразующие материалы, точный состав и пропорции которых, как правило, держатся производителями в секрете, смешивают в необходимом количестве с применением воды или денатурата. На данном этапе особенно важен выбор зернистости исходного материала. Например, для циркуляторов, работающих на частотах ниже ферромагнитного резонанса, уменьшение размеров зерна феррита повышает уровень пороговой мощности на порядок. Но по мере уменьшения размера зерна увеличивается стоимость производства. Типовое значение зернистости составляет 10–20 мкм.
Получившуюся массу прессуют в изделия нужной формы (рис.2) с последующим спеканием при температурах от 900 до 1500°C на воздухе или в специальной газовой атмосфере. Форма феррита также влияет на параметры устройства, в котором он будет использоваться (например, треугольная пластина снижает уровень вносимых потерь в сочлененном циркуляторе по сравнению с ферритовым диском). Размеры и форма образца также зависят от рабочей частоты, термостабильности, уровня мощности и других параметров [8].
Точность температуры спекания – критически важный параметр. Например, отклонение температуры всего на 10°C существенно меняет ширину линии ФМР иттриевых гранатов [9]. После обжига поверхность шлифуют и полируют. Требования к точности толщины феррита или его диаметра варьируются в зависимости от области применения. Как правило, точность для толщины составляет ±0,01 мм, а для диаметра диска – ±0,1 мм. При применении ферритов в устройствах миллиметрового диапазона волн эти значения могут быть еще меньше. Поскольку ферриты являются хрупкими материалами с низкой теплопроводностью, для обработки поверхности и корректировки формы феррита лучше всего использовать алмазные диски. Механическая обработка поверхности влияет на магнитные свойства материалов, следовательно, при использовании феррита в устройствах с жесткими требованиями к отклонениям параметров после шлифовки и полировки обязательно применение термического отжига. СВЧ-компоненты меньших размеров, требующие более высокой точности изготовления, можно получить, применяя ферритовые подложки и печатную технологию производства [10].
Исторически сложилось, что первыми в СВЧ-технике были применены феррошпинели – ферриты с кристаллической структурой шпинели [11] (табл.1). Общая химическая формула таких материалов MeFe2O4, где Mе – один из двухвалентных ионов переходных металлов Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, а также ионы Mg и Cd. В диапазоне 7–15 ГГц успешно применяются магниево-марганцевые (Mg-Mn), никелевые (Ni) и литиевые (Li) ферриты [12]. Mg-Mn-ферриты обладают значением температуры Кюри около 300°C, поэтому их не рекомендуется применять в устройствах, предназначенных для широкого диапазона рабочих температур. Для Ni-феррошпинелей характерны большие значения потерь, но температура Кюри составляет около 570°C. Этот класс ферритов используют для высокомощных устройств – фазовращателей, циркуляторов, вентилей, антенн. Для увеличения значения намагниченности насыщения в Ni-шпинели добавляют цинк, что позволяет применять эти материалы для устройств миллиметрового диапазона. Однако такие ферриты не обладают прямоугольной петлей гистерезиса (рис.3), в отличие от Mg-Mn-ферритов.
Для литиевых ферритов свойственны температура Кюри Тс около 645°C, низкие СВЧ-потери, прямоугольная петля гистерезиса. Для уменьшения намагниченности насыщения в нижней части СВЧ-диапазона в литиевые ферриты добавляют титан. Такие ферриты используются в керамических магнитах и устройствах, работающих в СВЧ- и миллиметровом диапазонах.
Хотя феррошпинели и были первыми магнитодиэлектриками, применяемыми в СВЧ-технике, разработчики многих устройств отдают предпочтение ферритам-гранатам – ферритам иттрия и лантаноидам (табл.2), что обусловлено их более низкими магнитными потерями. У гранатов сложная структура [11]. Общую химическую формулу можно записать в виде R3Fe5O12, где R – один из трехвалентных ионов редкоземельных элементов (Y, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Sm или Eu).
Температура Кюри Тс таких материалов составляет примерно 286°C. Они обладают большей температурной стабильностью по сравнению со шпинелями. Низкие потери, большое значение намагниченности насыщения и узкая линия ферромагнитного резонанса делает более предпочтительным применение данного класса ферритов в СВЧ-технике. Для улучшения некоторых характеристик иттриевых ферритов, в частности, для повышения его термостабильности и увеличения уровня пороговой мощности, в его структуру часто вводят ионы кобальта (Co), а также ионы редкоземельных металлов диспрозия (Dy), гадолиния (Gd) и др.
Гексаферриты – ферриты с гексагональной кристаллической структурой. Наиболее распространены гексаферриты с формулой (МО) (Fe2О3)6, где М – Ва, Sr или Pb [11] (табл.3). Гексаферриты используются в устройствах, работающих в миллиметровом диапазоне как с применением внешнего подмагничивания, так и без него. В последнем случае роль поля подмагничивания играет поле одноосной магнитокристаллографической анизотропии НА, величина которого может достигать 33 кЭ [20].
Наряду с применением поликристаллических материалов определенные успехи достигнуты и в использовании ферритовых монокристаллов. Благодаря узкой линии ФМР (составляющей доли или единицы эрстед), оптической прозрачности, высокой добротности и износостойкости, такие материалы применяют при создании как твердотельных СВЧ-приборов, так и устройств оптоэлектроники.
Монокристаллы ферритов выращивают на основе методов Бриджмена, Вернейля, Чохральского, высокотемпературного выращивания из растворов в расплаве и др. [11]. Для получения монокристаллических пленок используется метод жидкофазной эпитаксии.
Наиболее широкое применение в электронике СВЧ нашли монокристаллы ферритов железо-иттриевого граната (ЖИГ), у которых рекордно узкая ширина линии ферромагнитного резонанса 0,2–0,5 Э. На их основе производят СВЧ-фильтры на сферах ЖИГ [14, 21] и фильтры на магнитостатических волнах (МСВ) [14, 22], которые различаются как конструкцией, так и принципом работы. Действие фильтра на сфере ЖИГ основано на эффекте ферромагнитного резонанса. ЖИГ-резонаторы (табл.4) изготавливают в виде сфер диаметром 0,25–1,1 мм, закрепленных на керамическом стержне.
Принцип работы фильтров на МСВ заключается в возбуждении, распространении и приеме спиновой волны в монокристаллической пленке ЖИГ [6]. Пленки ЖИГ эпитаксиально выращиваются на подложках галлий-гадолиниевого граната (ГГГ) и имеют следующие типовые параметры: толщина 1–100 мкм и намагниченность насыщения 400–1900 Гс (в зависимости от количества и типа замещающей примеси) [23, 24]. На сравнительно низких частотах 1–4 ГГц целесообразно использовать пленки с пониженной намагниченностью, поскольку ею определяется граничная частота существования трехволновых параметрических процессов, ограничивающих динамический диапазон линейных спин-волновых приборов. Уменьшение намагниченности насыщения снижает эту граничную частоту.
Кроме СВЧ-фильтров, на основе монокристаллических пленок ЖИГ возможно изготовление электронно-перестраиваемых фазовращателей, линий задержки, генераторов и других СВЧ-компонентов [6, 25, 26]. Их главными достоинствами являются миниатюрность, планарность конструкции и возможность изготовления по интегральной технологии (рис.4).
ЛИТЕРАТУРА
1. Цzgьr Ь., Alivov Y., Morkoз H. Microwave ferrites, part 1: fundamental properties // Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2009. Т. 20. № 9. С. 789–834.
2. Harris V.G. Modern microwave ferrites. – IEEE Trans. Mag., 2012, vol. 48, pp. 1075–1104
3. Проектирование полосковых устройств СВЧ. – Ульяновск, 2001, 129 с.
4. Лакс Б., Баттон К. Сверхвысокочастотные ферриты и ферримагнетики. – М.: Мир, 1965, 676 с.
5. Гуревич А., Мелков Г. Магнитные колебания и волны. – М.: Физматлит, 1994, 464 с.
6. Калиникос Б., Устинов А., Баруздин С. Спин-волновые устройства и эхо-процессоры. Монография под ред. Ушакова В. – М.: Радиотехника, 2013, 216 с.
7. Baden Fuller A. Ferrites at Microwave Frequencies. – Peter Peregrinus Ltd., 1987.
8. Helszajn J., James D. Planar triangular resonators with Magnetic Walls. – IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1978, February, pp. 95–100.
9. Linkhart D. Microwave circulator design. – Artech House, 2014, 364 p.
10. Ferrimagnetic Substrates for Microwave Integrated Circuits. – www.trans-techinc.com.
11. Яковлев Ю., Генеделев С. Монокристаллы ферритов в радиоэлектронике. – М.: Советское радио, 1975, 360 с.
12. Cruickshank D. Microwave materials for wireless applications. – Artech House, 2011, 221 p.
13. http://www.domen.ru/catalog/mmm/files/materials%20vc.pdf.
14. http://www.magneton.ru/cat.php?id=134
15. http://www.rusgates.ru.
16. http://www.oaokb1.ru/dejatelnost/ferrit-proizvodstvo/katalog.
17. http://www.trans-techinc.com/products_detail.asp? ID=3&Name=Ferrites-&-Magnetic-Materials.
18. http://www.temex-ceramics.com/site.
19. http://www.magneticsgroup.com/m_garn.htm.
20. Ustinov A., Tatarenko A., Srinivasan G., Balbashov A. Al substituted Ba-hexaferrite single-crystal films for millimeter-wave devices. – J. Appl. Phys., 2009, 105, 023908.
21. Белов Л. Корпорация Micro Lambda Wireless. СВЧ-приборы с ЖИГ-перестройкой. – Электроника: НТБ. 2010. № 8. С. 60–66.
22. http://www.faza-don.ru/popina/popina/home.html
23. http://www.niimv.ru/products/opticheskie-i-lazernye-monokristally.html.
24. http://www.mtixtl.com/yig-ggg-1010.aspx
25. Вапнэ Г. СВЧ-устройства на магнитостатических волнах // Обзоры по электронной технике. 1984. Сер. 1. 78 c.
26. СВЧ-ферриты (малый тематический выпуск). – ТИИЭР, 1988. Т. 76. № 2. С. 29–116.
Отзывы читателей
