磁性功能材料及应用56等.ppt

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1、磁性功能材料及应用,电子薄膜与集成器件国家重点实验室微电子与固体电子学院,梁迪飞（211楼401），,磁性功能材料及应用,Part 1 绪论 Part 2 磁电子学材料及应用Part 3 软磁材料及应用 Part 4 永磁材料及应用Part 5 旋磁铁氧体材料及其应用Part 6 电磁波吸收材料的发展及其在EMC中的应用,第五章 旋磁铁氧体材料,旋磁铁氧体（又称微波铁氧体）是指适用于微波频段的旋磁媒质。旋磁铁氧体在微波技术有着广泛的应用，利用其旋磁特性及非线性效应等可制成多种铁氧体器件（如隔离器、相移器、环行器、调制器等线性器件；振荡器、倍频器、限幅器、放大器等非线性器件）,静态:H0,h()

2、=0,B=H,为实数;动态交变场(高频软磁):H=0,h()0,B=H,为 复数;交变场+恒磁场(旋磁:20056000MHz):H 0,h()0,为张量;,概述:什么是旋磁材料?,磁动力学方程,磁化强度在进动时遇到的阻尼作用是一个极为复杂的物理过程，微观机理不是十分清楚，宏观表达式目前主要有以下三种形式：,（1）兰道-利弗雪兹型,（2）布洛赫-布洛因伯根型,（3）吉尔伯特型,5-1 旋磁铁氧体材料的基本要求,一、饱和磁化强度Ms 4Ms(几百几千高斯)越大，旋磁作用越强。有利于缩小器件的体积。张量磁化率:x=m(i+ir)/(i+j r)2-2 xk=m/(i-j r)-2 i=Hi;=(弛

3、豫);m=4Ms;阻力矩促使进动迅速衰减,要达到进动,加大功率h由上式可知:x,xk都与4Ms有关,当 4Ms m x,xk 旋磁作用,高的旋磁特性，低的损耗，宽的频率范围，高的功率负荷以及良好的温度稳定性,2 4Ms高，将易于使铁氧体要微波讯号作用下出现低场损耗(自然共振)对于多晶材料,由于晶界及畴壁的退磁场作用,然共振角频率 自:H K 自(HK+4Ms)随4Ms自，工作=H接近自而产生低场损耗,对于低场器件，应用低4Ms,使自 工作;3 此外,4Ms大小还将影响恒磁场、应用功率(hc)、样品形状等。因此选择4Ms应全面考虑,二、铁磁共振线宽H,定义:当 一定,调节外加磁场,产生铁磁共振，

4、则代表损耗的磁导率虚部 达到最大max，这种现象称为铁磁共振。当=(1/2)max 所对应两个磁场分别为Ha和Hb，则定义 H=Ha-Hb 为铁磁共振吸收线宽。1H愈窄,谐振点吸收愈大,如谐振式隔离器的优值 R=(4/rH)2；远离谐振点，吸收往往愈小(与电损耗有关)即尾巴小，因此希望H小好;2 但如应用f0,Hi大,如3公分(f=c/=1010Hz)低场器件,H较宽,也无多大影响，因随f,谐振Hi,谐振峰远离低场区;3.一般H小，可降低磁损耗，但也与器件的其它性能有关；4.对于远 离共振区的器件，可用Heff,三、电阻率和介电损耗tg,在总损耗中除磁损耗外还包括材料的介电损耗(传导损耗和极化

5、损耗),均与Fe2+有关;一般：Fe2+tg 介电损耗：tg 1/;实际上可用直流电阻率或20MHz时测tg 来衡量旋磁铁氧体的介电损耗，也采用在微波频率 f 直接测 tg;四、居里温度 Tc 居里温度影响微波铁氧体的温度稳定性,在高功率或高温环境中应用时，必须考虑材料的居里温度。大多数单元石榴石的居里温度都在550560K左右。,五、自旋波线宽（自旋波损耗的参量）,定义：波数k的自旋波(波取向的波数),由于阻尼作用其振幅将衰减,当振幅衰减至1/e(起始振幅)所需时间-自旋波弛豫时间 K,HK=2/K 用HKL 表 k=0(均匀一致进动)的自旋波线宽,即材料的本征线宽(不由自旋波杂质引起),即

6、由S-L-l耦合作用引起的损耗;可作为材料 承受功率高低的标准之一六、基本磁化曲线及磁滞回线 对于在低场区应用的旋磁材料，可能由于磁化尚未饱和，材料的磁化强度将信赖于外加恒磁场，其变化关系即为静态基本磁化曲线。在此情况下，基本磁化曲线是旋磁材料的一个指标。,5-2 旋磁铁氧体材料的损耗,旋磁损耗分类：磁损耗（共振损耗，低场损耗），电损耗（介电损耗）损耗机理:,一、自旋波频谱,定义:由于热骚动或其他因素影响,磁有序体中某些对磁性有贡献子自旋，偏离原来的有序排列方向,这个局部偏离的自进动,由于交换作用及磁偶极矩作用,将向磁有序体的其他部分传播,这种自旋进动的传播就是自旋波;自旋波分类:行波:振幅相

7、同,相位不同;驻波:振幅不同,相位相同;平面自旋波mk=mkoej(kt-kr)一般:将波矢k较大(k小)-自旋波;波矢k较小(k大)-静磁模;,在等效场:Heff=He-NzMo+Hex+Hdip作用下：旋转椭球样品的本征自旋波频谱:k2=(i+ex2k2)(i+ex2k2+mSin2k)kHe、形状、Ms、传播方向k和波长。可见：1.自旋波频谱可粗略分为三个区:1交换区;|k|k2(10/l,l为样品线度）;2静磁区;|k|k1(10/l);3 k1 k k2 偶极区,2.外加场增加自旋波频谱曲线升高;3.对自旋波频谱曲线,最下面一条k=0当k0,k=0-Nzm，与 薄片加垂直于表面的恒磁

8、场时的铁磁共振频率相同,上面 一条 k=/2,当 k0，对应k=(0-Nz m)(0-Nz m+m)1/2 比球形 r球=rHe=0 更高,比棒状r棒=0+1/2 m要低;4.自旋波是色散波,即同一频率对应一系列不同方向和不同k值的 自旋波5 自旋波的群速Vg=dk/dK是波数K和的函数，以此原理可 制成自 旋波延迟线，并可磁控其延迟特性。,二、铁磁共振能量的驰豫过程,1.S-L-l(自旋-轨道-晶格)的耦合作用,自旋磁矩进动时,由 S-L耦合使晶格振动,将一致进动的能量送给晶格,转化为 热能,弛豫过程损耗能量快慢可用3表示,其决定于S-L-l 的耦合强弱,即L是否存在及其大小如何；H对应于内

9、 禀线宽Hkl-由本征特性S-L耦合引起称为kl弛豫。2.S-S耦合作用(自旋-自旋耦合非一致进动)将均匀进动(k=0)磁子的能量送给k0的自旋波,由自旋波谱知自旋 波是简并波,自旋波从均匀进动吸收能量(最终也经S-L-l耦合使l振动发热消耗掉)。,降低磁损耗的途径：,1.选择合适He,使一致进动和自旋波简并度很小,但微波 器件的工作条件限制了He和样品形状，通常简并不可 避 免;2.尽量减小散射中心,减小自旋波的产生;多晶:1在晶粒的边界和内部由于存在气孔和非磁杂质而形 的退磁场不均匀性;2.晶粒各向异性的分散性;3.少量弛豫离子;,三、影响单晶体铁氧体H的因素,单晶弛豫过程:1.S-S(二

10、磁子)弛豫：不均匀性引起散射:不均匀性愈多,自 旋波愈多;自旋波振幅愈大;T2 及H H 简并 2.电子转移(Fe2+Fe3+e):和弛豫杂质离子;弛豫通过 S-L 耦合将均匀进动能量耦合至晶格损耗掉,特点是H 有 温度峰;H 杂质 3.KL弛豫,决定了高纯样品的本征损耗，要求HK L 0；,对YIG单晶小球:H单晶=H简并+H杂质+HK L1.S-S弛豫:与自旋波(不均匀性)多少有关;1.磁性离子在晶格中排列的均匀程度 YIG:无阳离子空位:Y全占12面体;Fe3+占四,八面体;尖晶石:有阳离子空位，64个A位占8个,32个B位占16个;尖晶石的均匀性比YIG差H简并 2.工艺不当引起内部缺

11、陷,另相(与成分,工艺有关),如YIG:多Fe 出现Fe2O3或Fe3O4另相(工艺也可出现);3.表面抛光的粗糙度；目前微波使用单晶YIG小球,当表面抛光 好时,H=0.10.5Oe;109m 2.H具有温度峰的弛豫过程-H杂质;3.HKL-内禀线宽:S-L的本征特征,HKL与温度有关(S-L与T有关）;,四、影响多晶铁氧体的因素,H多晶=H单晶+H磁晶+H空隙影响因素:1.多晶由任意取向的小单晶组成,各小单晶内的有效内场 不同引起HK(H磁晶);2.多晶内存在气孔与另相,在气孔与另相的表面出现磁荷,引起不均匀性局部退磁场HP(H空隙);因此多晶的H多晶比H单晶大数倍及几十倍;,例:对YIG

12、(Y3Fe5O12)单晶小球,若无磁晶各向异性,即Hk0;若工作频率f0=3000MhHz 共振磁场H 0=H0 H0=f/(/2)=f/2.8=3000/2.8=1071(Oe)实际上YIG存在各向异性场Hk=(4/3)|k1/Ms|=57Oe 当 H0111时:H0+Hk=H0+(4/3)|k1/Ms|=0/H0=0/-(4/3)|k1/Ms|=1071-57=1014Oe 当 H0100时:H0=f0/2.8+2(k1/Ms)=1071+86=1157Oe,1.HK磁晶各向异性降低Hk 的具体办法:A.选 k1 小的材料如 Y3Fe5O12,MgFe2O4,MnFe2O4，Li0.5Fe

13、2.5O4及其复合铁氧体 MgMnAl B用非磁性离子取代磁性离子使 k;如Al3+代MgMn中的 Fe3+;Zn2+代NiFe2O4的Ni2+使得4Ms k1;C采用正负 k 补偿;如NiFe2O4中加CoFe2O4,可使k10,但一 般不用Fe2O3(+k1),因Fe2+引起 损耗增大;D加In3+,Zr4+,Sn4+,Ti4+到YIG中代Fe3+可使k10,H2.HP 气孔 另相磁荷各处内场不同H0不同.H;故降低HP的方法是:提高密度,减小另相气孔;（原材料、配方、工艺）,四、影响多晶铁氧体的因素,H多晶=H单晶+H磁晶+H空隙影响因素:1.多晶由任意取向的小单晶组成,各小单晶内的有效

14、内场 不同引起HK(H磁晶);2.多晶内存在气孔与另相,在气孔与另相的表面出现磁荷,引起不均匀性局部退磁场HP(H空隙);因此多晶的H多晶比H单晶大数倍及几十倍;,5-3 微波铁氧体材料简介,一、微波铁氧体的基本要求：高的旋磁比、低的损耗、宽频频、高的功率负荷及良好的温度稳定性；二、分类多晶与单晶；多晶主要有尖晶石、石榴石和磁铅石三种三、基础磁特性饱和磁化强度4s：200550010-4T居里温度Tc：100600在微波频段其介电常数约为：816,特点:4Ms高,Tc高,成本低,应用频率高,H由几十-几百Oe;为了提高电阻率常用缺铁配方、加入微量的MnCO3、并在氧气氛中烧结；这了降低烧结温度

15、、提高密度可以在材料中加入CuO和Bi2O3 主要有：Mg系 Ni系 Li系,5-3-1 尖晶石系旋磁材料,（一）、MgMn系 分子式：Mg2+xFe3+1-xMg2+1-xFe3+xO44Ms:3003000 10-4T，工程上主要有镁-锌、镁-锰、镁-锰-铝系等，各向异性常数较小，易烧结成高密度、窄线宽的样品；（二）、Ni系(NiZn):特点:高功率,环境稳定性好;加少量Mn,Co可以避免出现Fe2+；加Zn 4Ms；加Al 4Ms H;（三）、Li系 磁滞回线呈矩形，用于锁式相移器以及高功率器件;,5-3-2 石榴石型旋磁铁氧体材料:主要应用于低频段高功率器件,常组成以YIG为基础的多元

16、铁氧体;分为两类:（1）YIG:YAlIG,YGdIG,YGaIG;1.YIG(Y3Fe15O12):4Ms=1700Gs,H多晶=0.20.5Oe,因 L=0,k1小,H主要决定于气孔(除杂质外);2.YAlIG,YGaIG,其中Al,Ga 取代 Fe3+,4Ms;但取代后由 也,所以|k1/Ms|近似不变,H几乎不变;3.YGdIG:Gd3+(4f7)取代Y,主要目的下降4Ms(室温),且|M/T|小稳定性好;由于无轨道L,H较小;YGdIG 可出现c；,（2）钙钒系:YCaVIG,BiGaVIG;优点:1.与YAlIG相比,如4Ms相同,Tc，H高功率特性较好;2.掺入V可降低 T烧;3

17、.Ca,V代Y降低成本;1.YCaVIG:加In3+离子分布为:Y3-2xCa2-xFe2-yIny(Fe3-xVx)O12 当为Y1.4Ca1.6Fe3.7In0.5V0.8O12 时;其性能:4Ms=750Gs,H=8Oe,Tc=160oC,=109cm 2.BiCaVIG系 用Bi代替Y得到Bi3-2yCa2yFe2(Fe3-yVy)O12,只有当y0.96时才能得单相,4Ms最高只有700Gs,适用于低频段,高功率器件,因Bi可助熔,又在1100oC烧成,H小；3.加入In3+,Zr4+,Sn4+,Ti4+可降低H(取代Fe3+),5-3-3 六角晶系旋磁材料 作毫米波器件,内场高,所

18、需外加场小，器件体积小,本节描述了微波铁氧体，所利用的物理现象是材料受静磁场和微波场两者作用时出现的旋磁共振。这种效应的内在性质是非互易的，它是由磁导率的张量（非标量）性质造成的。这种非互易特性已广泛地用于各种器件中。饱和磁化强度Ms是一个基本量，它不仅是效率的一个因素，而且还因为在内场下存在自然共振（不加静磁场）。对于给定的应用，磁化强度是选择材料时首先要考虑的一个量。在任何共振效应中一样，线宽是头等重要的。线宽主要与自旋运动的阻尼效应有关，通过研究非共振线宽（Heff）或与自旋（Hk）有关的非线性效应，线宽问题可能解决。相反，在多晶中，共振时观察到的主模线宽H是由磁晶各向异性展宽的，或是由

19、与缺陷和气孔率有关的寄生效应展宽的。,6-1 石榴石铁氧体的晶体结构,慨述：石榴石:损耗低,可以方便调整Ms,H，HK;主要应用:微波及光波领域;1石榴石一般化学式:A3B2(C3)O12 为十二面体;为八面体;()四面体;A:二价金属离子;如:Ca2+,Fe2+,Mg2+,Mn2+;B:三价Fe3+或其它3d过渡族金属离子如Al3+Cr3+Mn3+C:一般为Si4+2天然石榴石:(FeMn)3Al2(SiO4)3 3磁性石榴石铁氧体由稀土R3+和Fe3+取代Mn2+,Si4+生成化 学式为R3Fe5O12(3R2O35Fe2O3)简称RIG(YIG)可用于微波,激光,磁光,磁泡。,第六章石榴

20、石铁氧体晶体结构及基本特性,单位晶胞,一、单位晶胞 1由金属离子16a(八面体)构成体心立方结构.点阵常数a=12.5 埃,基本上仍有O2-密堆而成（面心）;由于R3+太大,不能占 四面体(24d)和八面体(16a),占氧位又太小,而占12面体(24c)位,所以石榴石结构比尖晶石结构复杂一些。2除96个O2-外,具有三种金属离子位置。1.4个O2-包围的四面体位有24个(简称24d或d位)由Fe3+所占;2.由6个O2-包围的八面体有16个(简称16a或a位);由Fe3+所占 3.由8个O2-包围的12面体有24个(简称24c或c位);由R3+所占,3每个小立方构成体心立方结构，含占据八面体位

21、(16a)的 金属离子2个；4四面体(24d)与十二面体(24c)位的金属离子处于小立方的 6 个晶面的中心线的1/4(或3/4），故每个小立方包含3个 占据四面体和3个占据十二面体位的金属离子;5单位晶胞有8个小立方，因此单位晶胞的64个空位(82a+8 3d+8 3c)全被金属离子占据.金属离子分 布 式如下：R3Fe2（Fe3）O12,石榴石铁氧体结构特点：1金属离子间隙完全被金属离子占据，制造中要求配方 准确,烧结温度高；2相对于尖晶石结构，新增十二面体金属离子位置，增 加了离子取代途径，有利于改善材料性能;离子置换条件：金属离子总和=8 R2O3过量,出现RFe2O3 如不满足(钙钛

22、矿结构铁氧体）;化学价平衡=24 Fe2O3过量,出现Fe2O3或 Fe3O4另相,二、离子取代规律采用离子取代来改变石榴石铁氧体的某些磁特性，以满足各种应用上的需要。规律：总的说来，与尖晶石铁氧体一样，除应满足摩尔比外其占位倾向性也应由金属离子半径、化学键及晶场等因素决定。YIG中各种离子占位倾向性详见书中表,6-2 石榴石铁氧体的饱和磁化强度,一、分子磁矩的计算两近邻磁性离子Me-O-Me之间超交换作用决定于离子间距及夹角;Fe3+(a)-O2-Fe3+(d)夹角126.6o 2.0 0 1.8 8 Fe3+(d)-O2-R3+(c)夹角122.2o;1.88 2.43存在六种类型的超交换

23、作用：a-a，d-d，c-c，a-d，a-c，d-c。作用最强的为：a-d，其次为：d-c。a-d位置上的离子磁距反向排列，a-c位置上的离子磁距同向排列,在0K的各位置磁矩排列:24c 16a(24d)R3 Fe23+Fe33+O12 3mR B 25 B 35 B 分子磁矩 nB=|mc-(md-ma)|=|3mR-5|对YIG Y3+的 nB=0总 nB=5 B 方向与 24d 相同;对Gd3Fe5O12 Gd 的 nB=7 B 总nB=3 7-5=16 B方向与24c和16a相同;,二、石榴石磁化强度的温度特性,特性：大多数石榴石铁氧体(R3Fe5O12)的MsT曲线 均具有抵消点c,

24、即在f以下某一温度 T,合成净磁矩为0;原因:超交换作用存在于a-d 最强,c-d 较弱,随着 温度增加,热骚动作用更容易影响 c-d位,使 c 位的Mc不完全平行;c a d R3 Fe23+(Fe33+)O12 当T|md-ma|净Ms与Mc方向相同;T=c，|mc|=|md-ma|净Ms=0;Tc，|mc|md-ma|净Ms与d位同向;,三、YIG多元铁氧体的饱和磁化强度,离子分布式：则 nB=|mc-(md-ma)|式中，mc=xmR；ma=10-y（5-mMa）；md=15-z（5-mMd）；故改变c、a、d位中取代离子R、Ma、Md的种类及其数量x、y、z，就可以改变石榴石型铁氧体

25、的饱和磁距。,（一）置换YIG铁氧体中的Y离子对Ms的影响 用Gd置换Y离子：GdxY3-xFe5O12，当 x增加，达到一定值时,如 x=1.2,可出现c,且c随x增加移向高温;在工作温度内 MsT 曲线较平坦,以此可提高温度稳定性;以Ca,Bi等取代价贵的Y，可降低成本,并可人为地控制磁 性能以满足不同频段器件的要求;（二）置换YIG铁氧体中的Fe3+离子对Ms的影响In3+,Sc3+,Cr3+对八面体(16a)位置 Fe3+的取代，|md-ma|增加，而使0K时的饱和磁距增加，但超交换作用降低,居里温度下降;Al3+、Ga3+取代占四面体(d)位置（YIG中)Fe3+，Ms 与 f 均是

26、下降。,3 如取代具有抵消点材料(如YGdIG)的Fe3+Ms变化与取代离子(非磁性离子)占四面体或八面体有关；当取代四面体时：在低温：|mc|md-ma|，Ms值增加 当Tc；|mc|md-ma|，Ms 值下降 且随取代量增加，c移向高温。,6-3 磁晶向异性及磁致伸缩特性,多数石榴石铁氧体（R3Fe5O12）中稀土离子的 4f 电子被 5s2、5p6 电子屏蔽,晶场作用弱,轨道磁矩 L 未被淬灭,故 S-L耦合强,因而表现出大的磁晶各向异性及磁致伸缩，而且对温度具有强烈的信赖性。（在低温时急剧上升）因此RIG材料对原材料纯度要求高1.Y3Fe15O12（YIG）的 磁晶各向异性和磁致伸缩系

27、 数均 很 小。k1=-6.2102J/m3(20oC)s=-2.2210-6(20oC)Gd3Fe5O12(GdIG)的 k1也 较小,k1=-6.7 102J/m3（20oC);而且GdIG,YIG的 k1 高低温度变化不大;,2.Sm.Ho,Dy,Yb,Tb等的R3Fe15O12由于L 0,S-L耦合存在,表现出高k1,特别在低温具有很大的k1,这些离子称为快 弛豫离子；3.Co2+的L 0为正k1,在微波中为快弛豫离子,低功率器件 要避免；4.为了降低石榴石铁氧体的K1值，常采用加入适量的非 磁性离子In3+,Zr4+,Sn4+,Ti4+,Ge4+,V5+等取代 Fe3+；,习题:写出

28、YIG石榴石铁氧体的结构式并计算其饱和磁矩 的表达式思考题:1.石榴石铁氧体的结构特点是什么?有哪几种金属离 子的位置?分子式?结构式如何写,有无空位?配方正 确将产生什么结果?2.YIG有何特性?可用那些离子替代12,8,4面体离子,在 制造中要防止那些杂质混入?3.石榴石铁氧体的分子磁矩如何计算,为什么会引起误 差?4.大部分石榴石铁氧体的曲线为什么具有抵消点?它 有什么作用?,微波铁氧体器件是一种非互易器件，它在微波技术中具有重要意义及广泛应用。电阻率很高,比铁的电阻率大10121016倍,当微波频率的电磁波通过铁氧体时,导电损耗是很小的；铁氧体的相对介电常数为1020,更重要的是,它是

29、一种非线性各向异性磁性物质,它的磁导率随外加磁场而变,即具有非线性;在加上恒定磁场以后,它在各方向上对微波磁场的磁导率是不同的,就是说其具有各向异性的。由于这种各向异性,当电磁波从不同的方向通过磁化铁氧体时,便呈现一种非互易性。利用这种效应,便可以做成各种非互易微波铁氧体元件，最常用的有隔离器和环行器。,微波铁氧体器件,微波铁氧体器件 微波铁氧体器件是一种非互易器件，它在微波技术中具有重要意义及广泛应用。铁氧体是一种黑褐色的陶瓷,最初由于其中含有铁的氧化物而得名。实际上随着材料研究的进步,后来发展的某些铁氧体并不一定含有铁元素。目前常用的有镍-锌、镍-镁、锰-镁铁氧体和钇铁石榴石（YIG）等微

30、波铁氧体的电阻率很高,比铁的电阻率大10121016倍,当微波频率的电磁波通过铁氧体时,导电损耗是很小的。铁氧体的相对介电常数为1020,更重要的是,它是一种非线性各向异性磁性物质,它的磁导率随外加磁场而变,即具有非线性;在加上恒定磁场以后,它在各方向上对微波磁场的磁导率是不同的,就是说其具有各向异性的。由于这种各向异性,当电磁波从不同的方向通过磁化铁氧体时,便呈现一种非互易性。利用这种效应,便可以做成各种非互易微波铁氧体元件，最常用的有隔离器和环行器。,1.隔离器 隔离器也叫反向器,电磁波正向通过它时几乎无衰减,反向通过时衰减很大。常用的隔离器有谐振式和场移式两种。1)谐振式隔离器 由于铁氧

31、体具有各向异性,因此在恒定磁场Hi作用下,与Hi方向成左、右螺旋关系的左、右圆极化旋转磁场具有不同的导磁率（分别设为-和+）。设在含铁氧体材料的微波传输线上的某一点,沿+z方向传输左旋磁场,沿-z方向传输右旋磁场,两者传输相同距离,但对应的磁导率不同,故左右旋磁场相速不同,所产生相移也就不同,这就是铁氧体相移不可逆性。另一方面，铁氧体具有铁磁谐振效应和圆极化磁场的谐振吸收效应。,所谓铁氧体的铁磁谐振效应，是指当磁场的工作频率等于铁氧体的谐振角频率0时,铁氧体对微波能量的吸收达到最大值。而对圆极化磁场来说，左、右旋极化磁场具有不同的磁导率,从而两者也有不同的吸收特性。对反向传输的右旋极化磁场，磁

32、导率为+，它具有铁磁谐振效应，而对正向传输的左极化磁场，磁导率为-，它不存在铁磁谐振特性,这就是圆极化磁场的谐振效应。铁氧体谐振式隔离器正是利用了铁氧体的这一特性制成的。,图 1 谐振式隔离器的铁氧体位置,铁氧体谐振式隔离器就是在波导的某个恰当位置上放置铁氧体片而制成的,在这个位置上，往一个方向传输的是右旋磁场,另一方向上传输的是左旋磁场。图 1 所示的矩形波导在x=x1处放置了铁氧体,下面来确定铁氧体片放置的位置。对于矩形波导TE10模而言,其磁场只有x分量和z分量,它们的表达式为,可见两者存在/2的相差。在矩形波导宽边中心处,磁场只有Hx分量,即磁场矢量是线极化的,且幅度随时间周期性变化,

33、但其方向总是x方向;在其它位置上,若|Hx|Hz|,则合成磁场矢量是椭圆极化的,并以宽边中心为对称轴,波导两边为极化性质相反的两个磁场;当在某个位置x1上有|Hx|=|Hz|时,合成磁场是圆极化的,即,解得,进一步分析表明,对TE10模来说,在x=x1处沿+z方向传输的圆极化磁场不与恒定磁场方向成右手螺旋关系,即为左旋磁场,而沿-z方向传输的圆极化磁场则是右旋磁场。可见，应在波导x=x1处放置铁氧体片,并加上恒定磁场,使Hi与传输波的工作频率满足=0=Hi式中,0为铁氧体片的铁磁谐振频率；=2.8103/4Hzm/A,为电子旋磁比。这时,沿+z方向传输的波几乎无衰减通过,而沿-z方向传输的波因

34、满足圆极化谐振条件而被强烈吸收,从而构成了谐振式隔离器。,应该指出的是，若在波导的对称位置x=x2=a-x1处放置铁氧体,则沿+z方向传输的波因满足圆极化谐振条件而被强烈吸收,-z方向传输的波则几乎无衰减地通过。也就是单向传输的方向与前述情形正好相反。另外,由于波导部分填充铁氧体,主模TE10的场会有所变化,因此实际铁氧体的位置与计算的略有差异。2)场移式隔离器 场移式隔离器是根据铁氧体对两个方向传输的波型产生的场移作用不同而制成的。,它在铁氧体片侧面加上衰减片,由于两个方向传输所产生场的偏离不同,使沿正向（-z方向）传输波的电场偏向无衰减片的一侧,而沿反向（+z方向）传输波的电场偏向衰减片的

35、一侧,从而实现了正向衰减很小而反向衰减很大的隔离功能,如图 2所示。由于场移式隔离器具有体积小,重量轻,结构简单且有较宽的工作频带等特点,因此在小功率场合得到了较为广泛的应用。,图 2 场移式隔离器,3)隔离器的性能指标 隔离器是双端口网络,理想铁氧体隔离器的散射矩阵为 可见S矩阵不满足幺正性,即隔离器是个有耗元件,又由于隔离 器是一种非互易元件,故S不具有互易性。实际隔离器一般用以下性能参量来描述:（1）,式中,P01为正向传输输入功率；P1为正向传输输出功率,理想情况下|S21|=1,+=0;一般希望+越小越好。（2）反向衰减量-,式中,P02为反向传输输入功率；P2为反向传输输出功率；理

36、想情况下-。（3）隔离比R 将反向衰减量与正向衰减量之比定义为隔离器的隔离比,即,（4）输入驻波比 在各端口都匹配的情况下，我们将输入端口的驻波系数称为输入驻波比，记作,此时,2.铁氧体环行器 环行器是一种具有非互易特性的分支传输系统,常用的铁氧体环行器是Y形结环行器,如图 3（a）所示,它是由三个互成120的角对称分布的分支线构成。当外加磁场为零时,铁氧体没有被磁化,因此各个方向上的磁性是相同的。当信号从分支线“”输入时,就会在铁氧体结上激发如图 3（b）所示的磁场,由于分支“、”条件相同,信号是等分输出的。当外加合适的磁场时,铁氧体磁化,由于各向异性的作用,在铁氧体结上激发如图 3（c）所

37、示的电磁场,这比不加磁场时旋转了一个角度。,图 3 环行器及其场分布,当外加合适的磁场时,铁氧体磁化,由于各向异性的作用,在铁氧体结上激发如图 3（c）所示的电磁场,这比不加磁场时旋转了一个角度。当设计成=30时,分支“”处有信号输出,而分支“”处电场为零,没有信号输出。同样由分支“”输入时,分支“”有输出,而分支“”无输出;由分支“”输入时,分支“”有输出而分支“”无输出。可见，它构成了“”“”“”“”的单向环行流通,而反向是不通的,故称为环行器。Y形结环行器是对称非互易三端口网络,其散射矩阵为,一个理想的环行器必须具备以下的条件:输入端口完全匹配,无反射;输入端口到输出端口全通,无损耗;输

38、入端口与隔离器间无传输。于是环行器的散射参数应满足:,S11=S22=S33=0|S21|=|S32|=|S13|=1S31=S12=S23=0,写成矩阵形式:,式中,为附加相移。利用环行器可以单向器,只要在Y形结环行器的端口“”接上匹配吸收负载,端口“”作为输入,端口“”作为输出,如图 4（a）所示。这样，信号从端口“”输入时,端口“”有输出,当从端口的反射信号经环行器到达端口“”被吸收,这样“”“”是导通的,而“”“”是不通的,它实现了正向传输导通、反向传输隔离的单向器的功能。,图 4 环行器的应用,利用两个Y形结环行器还可以构成四端口的双Y结环行器,如图4（b）所示,单向环行规律是“”“

39、”“”“”。,波导环行器理论图5 三种常用波导环行器中心结,以上这三种类型波导环行器在铁氧体结中心，存在一对方向相反的旋转模，当旋转模简并时，其KR=1.84。这种波导结共振子采用介质共振子的理论，可求得这种介质共振模式为：式中,d为b,c图中铁氧体圆片的厚度，或者为a图中厚度的一半。对于波导Y结环行器，采用圆柱形铁氧体时，还有如下经验公式计算铁氧体直径：,环行器铁氧体材料参量归一化饱和磁化强度：归一化磁化场：氧体张量磁导率的对角和非对角分量：有效磁导率：,波导环行器实例1）宽带X 波段波导结环行器,图6 采用脊变换环行器的结构图,常规波导结式环行器中心结的四分之一阻抗匹配器常采用圆形和三角形

40、形式,但对宽带设计而言,Y 形匹配形式更具优势（结构如图6）。Y 形匹配形式由上下两个对称的 Y 形金属台阶脊梁组成,它的优点是:TE10基模的截止频率更低,相同工作波长情况下波导尺寸更小；T E10模截止频率比矩形波导更低,而 TE20模截止频率比矩形波导更高,使得单一模式工作频带很宽。为实现中心结与标准波导的宽带匹配,图6中的环行器还采用三级等宽切比雪夫阶梯阻抗变换器进行匹配。选取饱和磁矩约为 2100Gs 的锂铁氧体,上述设计制作的波导结式环行器性能为:在8.4 12.4 GHz的频带内,驻波系数20 dB。,2）采用偏心铁氧体的8mm E面T结波导环行器 图7给出的E面T型结铁氧体波导

41、环行器工作在8mm波段，采用的铁氧体圆盘的半径R=1.59mm高H=1.57mm。，铁氧体偏置为0.6mm。,图7 E面T结环行器俯视图,该环行器使用的波导结腔为8mm频段常用的T型结腔，端口1、2、3所用的均为8mm频段上的标准波导(7.1123.556mm)。铁氧体样品选用了镍锌铁氧体，其相对介电常数为13.5，饱和磁化强度为4950Gs，介质损耗角正切为0.0005，由放置在波导上方和下方的永磁铁来提供环行器所需的直流磁场。该环行器的性能如图8,a.插入损耗,b.隔离度,图8 环行器性能图,3)基片集成波导环行器 基片集成波导环行器结构如下图，铁氧体饱和磁化强度为3500高斯，相对介电常

42、数为14.5，半径为2.75mm，高度为1mm。介质基板相对介电常数为2.1，厚度为1.5mm 俯视图 侧视图,环行器性能,磁性功能材料及应用,电子薄膜与集成器件国家重点实验室微电子与固体电子学院,梁迪飞（211楼243），,磁性功能材料及应用,Part 1 绪论 Part 2 磁电子学材料及应用Part 3 软磁材料及应用 Part 4 永磁材料及应用Part 5 旋磁铁氧体材料及其应用Part 6 电磁波吸收材料的发展及其在EMC中的应用,模组,系统,元器件,物联网世界中的吸波材料,物联网世界中的吸波材料,什么是物联网？,物联网主要组成技术,什么是吸波材料？,吸波材料的由来,吸波材料在物联

43、网主要组成技术中的应用,吸波材料的其他应用,“Internet of Things（IOT），也称为Web of Things。物联网是指通过各种信息传感设备，如传感探测技术、射频识别（RFID）技术、全球定位系统、终端设备等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。”来源自 互联网,什么是物联网？,物联网世界中的吸波材料,什么是物联网？,物联网主要组成技术,什么是吸波材料？,吸波材料的由来,吸波材料在物联网

44、主要组成技术中的应用,吸波材料的其他应用,传感探测技术,现代传感探测技术中，已经实现可以将各类信号，如声、光、电、热、气体、辐射转化为电信号。,射频识别，即RFID（Radio Frequency IDentification）技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。,RFID技术,应用领域,GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称。GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务。,全球定位技术,

45、终端设备用于信道两端收发信号的通信设备。其中包括信息处理技术。,终端设备,终端设备将采集到的信号进行处理并返回到相应设备或人员。,物联网世界中的吸波材料,什么是物联网？,物联网主要组成技术,什么是吸波材料？,吸波材料的由来,吸波材料在物联网主要组成技术中的应用,吸波材料的其他应用,吸波材料,顾名思义，吸波材料是一种有吸收电磁波能力，并将电磁波能量转化为其他能量的一种材料。,尖劈型吸波材料,块状吸波材料,胶板吸波材料,蜂窝型吸波材料,泡沫型吸波材料,涂层吸波材料,物联网世界中的吸波材料,什么是物联网？,物联网主要组成技术,什么是吸波材料？,吸波材料的由来,吸波材料在物联网主要组成技术中的应用,吸

46、波材料的其他应用,吸波技术及吸波材料研究始于第二次世界大战期间。二战期间，雷达技术兴起，而与之相应的雷达隐身技术也随之而来。吸波技术及吸波材料起源于德国，发展在美国并扩展到英、法、俄罗斯及日本等发达国家。经过半个多世纪的发展，逐步从军用扩展到民用，成绩斐然。,吸波材料的由来,早在二战期间,德国就在潜艇上应用雷达吸波材料，以躲避盟军的雷达探测。在六七十年代，美国在SR-71高空高速侦察机上涂敷了雷达吸波材料。各国已经相继研发隐身战机，例如美国的F-117，俄罗斯的SU-47金雕，这些雷达隐身战机的相继问世标志着国外隐身技术已进入工程发展阶段。,苏-47 金雕,B-2 轰炸机的外表面95%涂覆有一

47、种具有不同厚度的韧性隐身涂层。此外，B-2 轰炸机大量采用了吸波复合材料，如机身表面的大部分由吸波的碳纤维蜂窝夹层结构制成。外翼的蒙皮及梁大多采用碳纤维-环氧复合吸波材料。,美国B-2隐形轰炸机,在入侵巴拿马、海湾战争以及入侵南联盟的战争中，美国的F-117 战斗攻击机执行了几千架次的空袭任务，却只损失了一架战机；而B-2 隐身轰炸机从美国本土长途奔袭到南联盟执行轰炸任务却未受丝毫威胁。,F-117,F-22,B-2,而现阶段，吸波材料也从神秘的军事隐身领域逐渐走向民用领域。,民用领域中的吸波材料,物联网世界中的吸波材料,什么是物联网？,物联网主要组成技术,什么是吸波材料？,吸波材料的由来,吸

48、波材料在物联网主要组成技术中的应用,吸波材料的其他应用,吸波材料在传感探测领域的应用,例如雷达探测领域，红外探测领域。,探地雷达用于探测地层形貌，及地层下所埋藏物体。探地雷达天线要求很高的行波特性。,探地雷达,在雷达罩四周通常会加入特定的吸波材料来保证天线的行波特性及好的指向性。,探地雷达剖面图,金属外壳,天线,吸波材料,D.Setiadi 等人研究出一种导电聚合物应用于自吸收的热电传感器，其原理是使用一种红外吸收剂将入射的红外辐射全部吸收，并把它转变成热能，通过热电传感器上温度的升高而检测到红外辐射，这样的红外吸收剂能吸收90%以上的位于24m 波长的红外线。这种热电感应器显示出比普通热电感

49、应器具有更高的灵敏度。,红外传感器,吸波材料在RFID领域的应用,移动支付，就是允许用户使用其移动终端（通常是手机）对所消费的商品或服务进行账务支付的一种服务方式。现阶段移动支付主要依托于RFID技术的分支-NFC（近场通讯）技术。,吸波材料应用于移动支付,移动支付在日本，韩国等国家已经广泛应用，在中国处起步阶段。移动支付卡在日常生活中已经有应用，例如公交刷卡。但是这种形式的应用集成度不高，希望能在个人移动设备中集成移动支付系统。但是电子设备中往往存在复杂的金属环境，使读写天线失效。,读写天线,手机等手持设备，基本为金属环境。,移动支付主要方案,金属物体靠近天线时内部形成涡流，内部涡流使原电磁

50、场在表面变形，磁力线在金属表面平行，使天线无法获得足够磁场信号，系统无法工作。,失效机理 涡流效应,天线,金属层,原始发射场,加入金属层后的发射场,要解决这样的问题，需要在读写天线与手机主板之间加入一层吸波材料，使读写天线能重新获得能量，正常工作。,应用吸波材料,物流领域,RFID另一个重要应用领域-物流领域,物流用RFID技术现在备受关注。使用RFID技术可以化简物流环节，提高物流效率。现在的RFID天线应用在物流领域的一问题是传统标签天线无法工作于类似集装箱这样的金属表面。,RFID技术在物流领域的应用,RFID标签在金属表面失效的原因有两方面，一个是电磁波在金属表面形成驻波，使金属表面电