ФЕРРИТОВЫЙ МАТЕРИАЛ
FERRITE MATERIAL

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:
s
- намагниченности насыщения (M), кА/м - (16÷140) кА/м;
- действительной составляющей относительной диэлектрической проницаемости  - (13,0÷15,5);
с
- температуры Кюри (Т), °С - (100÷285)°С;
ε
-4
- тангенса угла диэлектрических потерь tgδ, не более 2×10;
μ
-3
- тангенса угла магнитных потерь t tgδ, не более 5×10 для устройств СВЧ высокого уровня мощности;
- ширины кривой ферримагнитного резонанса (ΔН), кА/м - не более 11,14 кА/м;
к
- ширины линии спиновых волн (ΔН), кА/м - не менее 0,8 кА/м.
Известен ферритовый материал, содержащий компоненты оксидов иттрия и железа при следующем их соотношении, вес. %:
оксид иттрия (Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)
45,2÷45,9
оксид железа (Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)
остальное
[Каталог ОАО «НИИ «Феррит-Домен» "Приборы, изделия, материалы" 2010 г.].
Данный ферритовый материал имеет значения:
s
- намагниченности насыщения (M), кА/м - 141,7±5%;
9
- ширины кривой ферримагнитного резонанса (ΔН), кА/м - ≤2,786 кА/м;
- действительной составляющей относительной диэлектрической проницаемости  - 15,1±5%.
Значения указанных электромагнитных характеристик достаточно высоки.
к
кр
Однако значения ширины линии спиновых волн (ΔН) этого ферритового материала не превышают 0,12 кА/м, что является недостаточным для увеличения пороговых значений СВЧ-полей (h) в используемых изделиях СВЧ.
к
Известен ферритовый материал с большой величиной линии спиновых волн (ΔН), содержащий в качестве базового состава оксиды иттрия, гадолиния и железа.
В котором, с целью получения ферритового материала со значениями:
к
ширины линии спиновых волн (ΔН), 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%,
-4
тангенса угла диэлектрических потерь не более 2×10 и
температуры Кюри не менее 270°С.
Ферритовый материал дополнительно содержит оксид самария при следующем соотношении компонентов, вес. %:
оксид иттрия (Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)
27,2÷27,5
оксид гадолиния (Gd<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)
22,4÷22,6
оксид самария (Sm<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)
1,1÷1,2
оксид железа (Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)
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%,
-4
тангенса угла диэлектрических потерь не более 2×10 и
температуры Кюри не менее 200°С.
Ферритовый материал дополнительно содержит оксид самария при следующем соотношении компонентов, вес. %:
оксид иттрия (Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)
45,0÷45,5
оксид самария (Sm<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)
1,2÷1,3
оксид железа (Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)
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:
ε
-4
снижение тангенса угла диэлектрических потерь (tgδ) менее 1×10,
μ
-3
обеспечение: тангенса угла магнитных потерь (tgδ) менее 1,1⋅10,
при сохранении значений:
k
ширины линии спиновых волн (ΔH) не менее 0,8 кА/м на частоте 9,5 ГГц,
s
намагниченности насыщения (M) 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 (Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)
45,27÷45,49
оксид самария (Sm<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)
0,63÷0,65
оксид железа (Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)
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 (Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)
45,27÷45,49
оксид самария (Sm<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)
0,63÷0,65
оксид железа (Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)
остальное
Это обеспечивает снижение:
ε
-4
тангенса угла диэлектрических потерь (tgδ) менее 1×10,
μ
-3
при обеспечении тангенса угла магнитных потерь (tgδ) менее 1,1⋅10.
При сохранении значений:
k
ширины линии спиновых волн (ΔH) не менее 0,8 кА/м на частоте 9,5 ГГц,
s
намагниченности насыщения (M) 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.
ε
μ
-4
-3
Итак, заявленный ферритовый материал в полной мере обеспечивает указанный технический результат, а именно снижение значения тангенса угла диэлектрических потерь (tgδ) менее 1×10 и обеспечение тангенса угла магнитных потерь (tgδ) менее 1,1×10,
k
s
при сохранении значений: ширины линии спиновых волн (ΔH), намагниченности насыщения (M), действительной составляющей относительной диэлектрической проницаемости
при обеспечении низких прямых потерь СВЧ.
Выполнение ферритового материала, количественного состава его компонентов, а именно:
2
3
2
3
2
3
как менее - оксида иттрия (YO) - 45,27, оксида самария (SmO) - 0,63; оксида железа (FeO) - остальное;
2
3
2
3
2
3
так и более - оксида иттрия (YO) - 45,49, оксида самария (SmO) - 0,65, оксида железа (FeO) - 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 (Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)
45,39
оксид самария (Sm<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)
0,64
оксид железа (Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)
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.
2
Далее прессуют ферритовые заготовки из пресс-порошка в стальных пресс-формах заданного размера посредством гидравлического пресса при удельном давлении 1,5-2 т/см.
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:
ε
μ
- тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ), тангенс угла магнитных потерь (tgδ), 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));
k
k
- ширина линии спиновых волн (ΔH), кА/м (Измерение ширины линии спиновых волн (ΔH) основано на методе параллельной накачки, при которой измеряемый образец намагничивается постоянным магнитным полем, направленным параллельно СВЧ полю);
s
- намагниченность насыщения (M), кА/м (Метод измерения намагниченности насыщения ферритовых материалов и ее температурной зависимости (аттестат №0.012.991-022));
пр
- прямые потери (α), 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:
ε
-5
тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ) примерно 7×10;
μ
-3
тангенс угла магнитных потерь (tgδ) примерно 1×10;
k
ширину линии спиновых волн (ΔH) примерно 0,8 кА/м на частоте 9,5 ГГц;
s
намагниченность насыщения (M) примерно 140 кА/м; действительную составляющую относительной диэлектрической проницаемости  примерно 14,9;
пр
прямые потери СВЧ (α) - не более 0,4 дБ (устройство СВЧ - Микрополосковый вентиль-циркулятор (МПВЦ)).
Таким образом, заявленный ферритовый материал по сравнению с прототипом обеспечит снижение:
ε
тангенса угла диэлектрических потерь (tgδ) примерно в 2 раза, при обеспечении
μ
-3
тангенса угла магнитных потерь (tgδ) не более 1,1×10, при сохранении значений:
k
ширины линии спиновых волн (ΔH) не менее 0,8 кА/м на частоте 9,5 ГГц,
s
намагниченности насыщения (M) примерно 140 кА/м,
действительной составляющей относительной диэлектрической проницаемости  примерно 14,9,
при обеспечении
пр
прямых потерь (α) - не более 0,4 дБ (устройство СВЧ - Микрополосковый вентиль-циркулятор (МПВЦ)).