ФЕРРИТОВЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2022 года по МПК H01F1/34 

Изобретение относится к технике СВЧ, в частности к ферритовым материалам с кристаллической структурой граната, предназначенным для использования в невзаимных устройствах СВЧ: вентилях, циркуляторах, переключателях, фазовращателях высокого уровня мощности, работающих в сантиметровом диапазоне длин волн.

Создание таких устройств СВЧ на основе ферритовых материалов с кристаллической структурой граната требует от данных материалов наличия следующих значений электромагнитных характеристик:

- намагниченности насыщения (M_s), кА/м - (16÷140) кА/м;

- действительной составляющей относительной диэлектрической проницаемости - (13,0÷15,5);

- температуры Кюри (Т_с), °С - (100÷285)°С;

- тангенса угла диэлектрических потерь tgδ_ε, не более 2×10^-4;

- тангенса угла магнитных потерь t tgδ_μ, не более 5×10^-3 для устройств СВЧ высокого уровня мощности;

- ширины кривой ферримагнитного резонанса (ΔН), кА/м - не более 11,14 кА/м;

- ширины линии спиновых волн (ΔН_к), кА/м - не менее 0,8 кА/м.

Известен ферритовый материал, содержащий компоненты оксидов иттрия и железа при следующем их соотношении, вес. %:

оксид иттрия (Y₂O₃) 45,2÷45,9 оксид железа (Fe₂O₃) остальное

[Каталог ОАО «НИИ «Феррит-Домен» "Приборы, изделия, материалы" 2010 г.].

Данный ферритовый материал имеет значения:

- намагниченности насыщения (M_s), кА/м - 141,7±5%;

- ширины кривой ферримагнитного резонанса (ΔН₉), кА/м - ≤2,786 кА/м;

- действительной составляющей относительной диэлектрической проницаемости - 15,1±5%.

Значения указанных электромагнитных характеристик достаточно высоки.

Однако значения ширины линии спиновых волн (ΔН_к) этого ферритового материала не превышают 0,12 кА/м, что является недостаточным для увеличения пороговых значений СВЧ-полей (h_кр) в используемых изделиях СВЧ.

Известен ферритовый материал с большой величиной линии спиновых волн (ΔН_к), содержащий в качестве базового состава оксиды иттрия, гадолиния и железа.

В котором, с целью получения ферритового материала со значениями:

ширины линии спиновых волн (ΔН_к), не менее 1,592 кА/м на частоте 9,5 ГГц,

намагниченности насыщения 95,5 кА/м±5%,

ширины кривой ферримагнитного резонанса не более 11,14 кА/м,

действительной составляющей относительной диэлектрической проницаемости 15,0±5%,

тангенса угла диэлектрических потерь не более 2×10^-4 и

температуры Кюри не менее 270°С.

Ферритовый материал дополнительно содержит оксид самария при следующем соотношении компонентов, вес. %:

оксид иттрия (Y₂O₃) 27,2÷27,5 оксид гадолиния (Gd₂O₃) 22,4÷22,6 оксид самария (Sm₂O₃) 1,1÷1,2 оксид железа (Fe₂O₃) остальное

[Патент №2573601 RU. Ферритовый материал /Н.Б. Григорьева и др./ /Бюл. - 2016 г. - №2/].

Данный ферритовый материал имеет в целом достаточно высокие значения электромагнитных характеристик.

Однако данный ферритовый материал отличается низкими значениями намагниченности насыщения, что не позволяет применять его в устройствах СВЧ в диапазоне рабочих частот более 10 ГГц.

Известен ферритовый материал с большой величиной линии спиновых волн, содержащий в качестве базового состава оксиды иттрия и железа.

В котором с целью получения ферритового материала со значениями:

ширины линии спиновых волн не менее 0,8 кА/м на частоте 9,5 ГГц,

намагниченности насыщения 143,2 кА/м±5%,

ширины кривой ферримагнитного резонанса не более 3,184 кА/м,

действительной составляющей относительной диэлектрической проницаемости 15,0±5%,

тангенса угла диэлектрических потерь не более 2×10^-4 и

температуры Кюри не менее 200°С.

Ферритовый материал дополнительно содержит оксид самария при следующем соотношении компонентов, вес. %:

оксид иттрия (Y₂O₃) 45,0÷45,5 оксид самария (Sm₂O₃) 1,2÷1,3 оксид железа (Fe₂O₃) остальное.

[Патент №2588262 RU. Ферритовый материал /В.В. Федоров и др./ /Бюл. - 2016 г. - №18/] - прототип.

Данный ферритовый материал (прототип) по сравнению с предыдущим аналогом обеспечивает более высокие значения намагниченности насыщения (143,2 кА/м против 95,5 кА/м).

Однако данный ферритовый материал не обладает необходимыми значениями тангенса угла диэлектрических и магнитных потерь для использования их в устройствах СВЧ высокого уровня мощности X-диапазона (8÷12 ГГц) с обеспечением низких прямых потерь СВЧ.

Техническим результатом заявленного ферритового материала является:

снижение тангенса угла диэлектрических потерь (tgδ_ε) менее 1×10^-4,

обеспечение: тангенса угла магнитных потерь (tgδ_μ) менее 1,1⋅10^-3,

при сохранении значений:

ширины линии спиновых волн (ΔH_k) не менее 0,8 кА/м на частоте 9,5 ГГц,

намагниченности насыщения (M_s) 143,2 кА/м±5%,

действительной составляющей относительной диэлектрической проницаемости 15,0±5%,

обеспечение низких прямых потерь СВЧ.

Технический результат достигается заявленным ферритовым материалом со структурой граната на основе оксидов иттрия, самария и железа.

В котором

ферритовый материал содержит упомянутые компоненты при следующем их соотношении, вес. %:

оксид иттрия (Y₂O₃) 45,27÷45,49 оксид самария (Sm₂O₃) 0,63÷0,65 оксид железа (Fe₂O₃) остальное

Раскрытие сущности изобретения

Совокупность существенных признаков как ограничительной, так и отличительной частей формулы изобретения, заключающаяся в качественном и количественном составе компонентов заявленного ферритового материала, а именно.

Ограничительная часть формулы изобретения, касающаяся качественного состава компонентов ферритового материала - на основе оксидов иттрия, самария и железа, который аналогичен качественному составу компонентов ферритового материала прототипа.

Отличительная часть, касающаяся количественного состава указанных выше компонентов ферритового материала, который является иным - отличительным по сравнению с количественный составом компонентов ферритового материала прототипа.

При этом заявленный ферритовый материал содержит указанные компоненты следующего количественного состава, вес. %:

оксид иттрия (Y₂O₃) 45,27÷45,49 оксид самария (Sm₂O₃) 0,63÷0,65 оксид железа (Fe₂O₃) остальное

Это обеспечивает снижение:

тангенса угла диэлектрических потерь (tgδ_ε) менее 1×10^-4,

при обеспечении тангенса угла магнитных потерь (tgδ_μ) менее 1,1⋅10^-3.

При сохранении значений:

ширины линии спиновых волн (ΔH_k) не менее 0,8 кА/м на частоте 9,5 ГГц,

намагниченности насыщения (M_s) 143,2 кА/м±5%,

действительной составляющей относительной диэлектрической проницаемости 15,0±5%.

И тем самым совокупность признаков обеспечивает значения указанных электромагнитных характеристик заявленного ферритового материала и тем самым при использовании его в устройствах СВЧ высокого уровня мощности Х-диапазона обеспечивает низкие прямые потери СВЧ.

Итак, заявленный ферритовый материал в полной мере обеспечивает указанный технический результат, а именно снижение значения тангенса угла диэлектрических потерь (tgδ_ε) менее 1×10^-4 и обеспечение тангенса угла магнитных потерь (tgδ_μ) менее 1,1×10^-3,

при сохранении значений: ширины линии спиновых волн (ΔH_k), намагниченности насыщения (M_s), действительной составляющей относительной диэлектрической проницаемости

при обеспечении низких прямых потерь СВЧ.

Выполнение ферритового материала, количественного состава его компонентов, а именно:

как менее - оксида иттрия (Y₂O₃) - 45,27, оксида самария (Sm₂O₃) - 0,63; оксида железа (Fe₂O₃) - остальное;

так и более - оксида иттрия (Y₂O₃) - 45,49, оксида самария (Sm₂O₃) - 0,65, оксида железа (Fe₂O₃) - остальное нежелательно из-за нарушения достижения технического результата.

Примеры конкретного изготовления заявленного ферритового материала.

Пример 1.

Ферритовый материал изготавливают по стандартной керамической технологии.

Берут исходные компоненты ферритового материала следующего качественного и количественного состава:

оксид иттрия (Y₂O₃) 45,39 оксид самария (Sm₂O₃) 0,64 оксид железа (Fe₂O₃) остальное

Взвешивание осуществляют с помощью весов электронных (A&D GX-1000) с ценой деления не более 0,001 г.

Смешивают вышеупомянутые компоненты ферритового материала посредством шаровой мельницы МШ-1 в среде деионизованной воды (Марка Б ОСТ 11.029.003-80), в присутствии стальных шаров (марка ШХ-15), в течение 24 часов, с формированием суспензии.

Высушивают суспензию в сушильном шкафу (SNOL 420/300) до полного испарения влаги, с формированием шихты исходных компонентов.

Прессуют шихту, слегка увлажненную деионизованной водой, посредством гидравлического пресса (PST-63), с формированием брикетов заданной формы.

Прокаливают брикеты в электропечи камерной (ТК.54.1550.3Ф) при температуре 1150-1200°С, в течение 8 часов.

Размалывают брикеты в шаровой мельнице в среде деионизованной воды, в присутствии стальных шаров, в течение 24 часов, с формированием суспензии.

Высушивают суспензию в сушильном шкафу до полного испарения влаги, с формированием ферритизированной (прокаленной) шихты.

Приготавливают пресс-порошок посредством введения в шихту пластификатора - водного раствора поливинилового спирта.

Далее прессуют ферритовые заготовки из пресс-порошка в стальных пресс-формах заданного размера посредством гидравлического пресса при удельном давлении 1,5-2 т/см².

Далее заготовки сушат в сушильном шкафу (Memmert UF55plus) при заданной температуре в течение 8 часов.

Спекают ферритовые заготовки в электропечи камерной в воздушной атмосфере при заданной температуре и времени, с формированием конечного продукта - заявленного ферритового материала, заданного качественного и количественного состава.

Примеры 2-5. Изготавливают образцы заявленного ферритового материала аналогично примеру 1, но при других количественных составах компонентов ферритового материала: как в пределах заявленных в формуле изобретения (примеры 2-3), так и за ее пределами (примеры 4-5).

Пример 6 соответствует прототипу.

На изготовленных образцах были измерены следующие электромагнитные характеристики:

- тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ_ε), тангенс угла магнитных потерь (tgδ_μ), действительная составляющая относительной диэлектрической проницаемости (Методика измерений электромагнитных параметров СВЧ ферритов с малыми потерями на образцах в форме пластин в диапазоне частот от 9,8 до 10,1 ГГц (свидетельство об аттестации методики измерений №584-RA.RU.311243-2018));

- ширина линии спиновых волн (ΔH_k), кА/м (Измерение ширины линии спиновых волн (ΔH_k) основано на методе параллельной накачки, при которой измеряемый образец намагничивается постоянным магнитным полем, направленным параллельно СВЧ полю);

- намагниченность насыщения (M_s), кА/м (Метод измерения намагниченности насыщения ферритовых материалов и ее температурной зависимости (аттестат №0.012.991-022));

- прямые потери (α_пр), дБ (ОСТ 480.005.1-79 Приборы ферритовые СВЧ. Методы измерения прямых потерь на низком уровне мощности).

Данные сведены в таблицу.

Как видно из таблицы образцы ферритового материала, изготовленные согласно заявленной формулы изобретения, имеют:

тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ_ε) примерно 7×10^-5;

тангенс угла магнитных потерь (tgδ_μ) примерно 1×10^-3;

ширину линии спиновых волн (ΔH_k) примерно 0,8 кА/м на частоте 9,5 ГГц;

намагниченность насыщения (M_s) примерно 140 кА/м; действительную составляющую относительной диэлектрической проницаемости примерно 14,9;

прямые потери СВЧ (α_пр) - не более 0,4 дБ (устройство СВЧ - Микрополосковый вентиль-циркулятор (МПВЦ)).

Таким образом, заявленный ферритовый материал по сравнению с прототипом обеспечит снижение:

тангенса угла диэлектрических потерь (tgδ_ε) примерно в 2 раза, при обеспечении

тангенса угла магнитных потерь (tgδ_μ) не более 1,1×10^-3, при сохранении значений:

ширины линии спиновых волн (ΔH_k) не менее 0,8 кА/м на частоте 9,5 ГГц,

намагниченности насыщения (M_s) примерно 140 кА/м,

действительной составляющей относительной диэлектрической проницаемости примерно 14,9,

при обеспечении

прямых потерь (α_пр) - не более 0,4 дБ (устройство СВЧ - Микрополосковый вентиль-циркулятор (МПВЦ)).

Изобретение относится к области электротехники, а именно, к технике СВЧ, в частности, к ферритовым материалам с кристаллической структурой граната, предназначенным для использования в невзаимных устройствах СВЧ: вентилях, циркуляторах, переключателях, фазовращателях высокого уровня мощности, работающих в сантиметровом диапазоне длин волн. Снижение тангенса угла диэлектрических потерь (tgδ_ε) менее 1×10^-4, обеспечение: тангенса угла магнитных потерь (tgδ_μ) менее 1,1⋅10^-3, при сохранении значений: ширины линии спиновых волн (ΔH_k) не менее 0,8 кА/м на частоте 9,5 ГГц, намагниченности насыщения (M_s) 143,2 кАУм±5%, действительной составляющей относительной диэлектрической проницаемости 15,0±5%, а также обеспечение низких прямых потерь СВЧ, является техническим результатом изобретения, который достигается за счет того, что ферритовый материал со структурой граната на основе оксидов иттрия, самария и железа содержит, вес %: оксид иттрия (Y₂O₃) 45,27÷45,49, оксид самария (Sm₂O₃) 0,63÷0,65, оксид железа (Fe₂O₃) остальное. 1 табл.

Ферритовый материал со структурой граната на основе оксидов иттрия, самария и железа, отличающийся тем, что ферритовый материал содержит упомянутые компоненты при следующем соотношении, вес. %:

оксид иттрия (Y₂O₃) 45,27÷45,49 оксид самария (Sm₂O₃) 0,63÷0,65 оксид железа (Fe₂O₃) остальное