Патент на изобретение №2247436

(54) ФЕРРИТОВЫЙ МАТЕРИАЛ

(57) Реферат:

Изобретение относится к ферритовому материалу, предназначенному для использования в развязывающих СВЧ-устройствах миллиметрового диапазона длин волн, в частности в циркуляторах и вентилях. Заявлен ферритовый материал, содержащий компоненты в следующем соотношении (мол. доли): оксид лития 0,395-0,475; оксид титана 0,005-0,15; оксид цинка 0,20-0,21; оксид марганца 0,1-0,3; оксид ниобия 0,020-0,035; оксид железа 2,175-2,395. Техническим результатом изобретения является снижение магнитных и диэлектрических потерь в миллиметровом диапазоне длин волн при сохранении намагниченности насыщения. Для заявленного материала суммарный тангенс магнитных и диэлектрических потерь tg=6,0×10^-4 при I_s=360 кА/м. 1 табл.

Изобретение относится к ферритовому материалу, предназначенному для использования в развязывающих устройствах миллиметрового диапазона длин волн, в частности в циркуляторах и вентилях.

Для создания таких устройств необходимо использовать ферриты с высоким значением намагниченности насыщения (I_s), хорошей термостабильностью магнитных характеристик и малой величиной диссипативных параметров материала (магнитных и диэлектрических потерь СВЧ). Последние являются наиболее важными, поскольку определяют один из основных электрических параметров устройств – прямые потери на распространение СВЧ и зависят от однородности ферритового материала, его плотности и структуры.

Ферриты LiZn- и NiZn-параметрических рядов относятся к таким материалам, для которых при замещении Fe на Zn намагниченность насыщения изменяется от 290, 280 кА/м соответственно. Однако по сравнению с NiZn-, LiZn-ферриты являются более термостабильными в интервале -60 – 85°С, обладают более низкими значениями проводимости и ширины линии ферромагнитного резонанса (параметр магнитной диссипации).

Известен ферритовый материал на основе Ni-феррошпинели [1], содержащий в мол.%:

NiO – 0,40

Fe₂O₃ – 2,00

ZnO – 0,60

Nb₂O₅ – 0,00-0,04

Однако данный материал имеет невысокое значение намагниченности насыщения, кА/м, и не может использоваться в устройствах миллиметрового диапазона длин волн. В таком диапазоне он обладает высокими потерями на распространение СВЧ.

Известен ферритовый материал на основе Li-феррошпинели с намагниченностью насыщения I_s до 320 кА/м [2], содержащий в мас.%:

Li₂O – 3,5-4,0

MnO₂ – 3,5-4,5

ZnO – 0,3-2,0

Bi₂O₃ – 1,5-2,5

Fe₂O₃ – остальное

Легкоплавкая добавка, в составе которой Bi₂O₃ способствует формированию плотных керамических образцов с однородной мелкозернистой структурой и однородным по размеру зерном.

Однако такой материал имеет большие потери в миллиметровом диапазоне длин волн – суммарный тангенс магнитных и диэлектрических потерь (tg) составляет 3-5·10^-3. При спекании по границам зерен такого материала образуется BiFe-фаза BiFeO₃, которая обладает высоким значением tg в указанном частотном диапазоне и в целом повышает диссипативные параметры феррита.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является ферритовый материал [3] с намагниченностью насыщения 290-390 кА/м, соответствующий по составу химической формуле

где a+b+c+x=3 и a+nb+5x+3c=8,

и в частности ферриты с намагниченностью кА/м составов

Li_0,38Co_0,025Ni_0,075Zn_0,16Nb_0,01Fe_2,35O_4,00

Li_0,31Co_0,030Ni_0,075Zn_0,27Cu_0,03Nb_0,01Fe_2,28O_4,00

Оптимальная добавка ниобия (пятиокиси ниобия), в которой 0,01 из опробованных от 0,05 до 0,015 мол. дол. способствует снижению температуры спекания и получению плотного материала с мелким, однородным по размеру зерном.

Однако такой материал имеет достаточно высокие значения потерь в миллиметровом диапазоне дин волн – суммарный тангенс магнитных и диэлектрических потерь tg=tg+tg=(5-8)·10^-3, так как содержит кобальт, повышающий потери, и имеет неоднородную структуру.

Целью изобретения является снижение магнитных и диэлектрических потерь ферритового материала в миллиметровом диапазоне длин волн при сохранении высокого значения намагниченности насыщения.

Поставленная цель достигается тем, что известный материал, содержащий окислы лития, титана, цинка, марганца, железа и добавки ниобия, содержит добавки ниобия в количестве 0,020-0,035 мол. дол. при следующем соотношении окислов, мол. дол.:

Li₂O – 0,395-0,475

TiO₂ – 0,005-0,15

ZnO – 0,20-0,21

MnO₂ – 0,10-0,30

Fe₂O₃ – 2,175-2,395

Добавки окиси ниобия в ферритовый материал в количестве 0,020-0,035 позволяют снизить потери в материале, tg снижается с (5,0-8,0)·10^-3 до (6,0-7,0)·10^-4. Такое снижение tg связано с образованием ниобата лития LiNbO₃, который в процессе спекания распределяется по границам зерен. Ниобат лития является хорошим диэлектриком с сопротивлением =10^13-14 Ом/см и его образование в ферритовом материале обуславливает снижение tg, вклад диэлектрической составляющей (tg) которого более значителен, поскольку при смещении в высокочастотную область

tg0, а 1.

Добавка ниобия менее 0,020 мол. дол. и более 0,035 мол. дол. приводит к увеличению диссипативных параметров материала, что связано с нарушением однородности его структуры – увеличением размера зерна и возрастанием разнозернистости.

Пример 1. Ферритовый материал изготавливают по обычной керамической технологии, при этом смешивают исходные компоненты 0,450 мол. дол. LiO₂; 0,10 мол. дол. TiO₂; 0,205 мол. дол. ZnO; 0,20 мол. дол. MnO₂; 2,250 мол. дол. Fe₂O₃ и 0,030 мол. дол. Nb₂O₅, ферритизируют их при температуре 400°С – 1 час, 500°С – 2 часа и при 850°С – 5 часов, затем размалывают, вводят в шихту поливиниловый спирт, спрессовывают и окончательно спекают образцы при температуре 350°С – 2 часа и при 975-1025°С – 7 часов, при этом скорость нагрева и охлаждения составляла 100°С/час.

Примеры 2-5. Ферритовый материал изготавливают, как и в примере 1, но при других соотношениях ферритообразующих окислов, указанных в формуле изобретения и за ее пределами.

Исследованы диссипативные параметры (tg) и намагниченность насыщения (I_s) предлагаемых материалов. Протокол испытаний прилагается.

Использование предлагаемого состава ферритовых материалов позволит улучшить диссипативные параметры по сравнению с прототипом, tg снижается с 5-8·10^-3 до 6·10^-4 при сохранении высокого значения намагниченности насыщения 320-390 кА/м.

Ферритовый материал с малыми диссипативными параметрами (tg) позволит создавать развязывающие устройства миллиметрового диапазона длин волн с улучшенными электрическими характеристиками, обеспечивая прямые потери на уровне 1,0-0,8 дБ.

Примеры 6-7. Ферритовый материал изготавливают согласно составу прототипа.

Примеры сведены в таблицу.

Литература

1. Kim H.T., Im H.B. “Влияние добавок Bi₂O₃ и Nb₂O₅ на магнитные свойства NiZn- и литиевых ферритов”, – IEEE Trans, 1982, v. Mag. – 18, № 6, p.1541-1543, (3^d yoint Intermag – 3 M Conf.), Montr., 1982.

2. Авт. свид. №1073807, кл. H 01 F 1/10, оп. 15.02.84 г.

3. Патент ФРГ №2346403, кл. С 04 В 35-26, оп. 11.09.75 г.

Формула изобретения

Ферритовый материал, содержащий оксид лития, оксид титана, оксид цинка, оксид марганца, оксид ниобия и оксид железа, отличающийся тем, что, с целью снижения магнитных и диэлектрических потерь в миллиметровом диапазоне длин волн при сохранении намагниченности насыщения, он содержит компоненты в следующем соотношении, мол. доли:

оксид лития 0,395-0,475

оксид титана 0,005-0,15

оксид цинка 0,20-0,21

оксид марганца 0,1-0,3

оксид ниобия 0,020-0,035

оксид железа 2,175-2,395