超高频天线用Z型六角铁氧体的电磁特性研究

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随着移动通讯设备朝着高频化、小型化的方向发展,天线小型化及其所需要的材料引起了广泛的关注,Z型六角铁氧体因具有较高的起始磁导率和自然共振频率等特点而成为超高频天线应用中的重要软磁材料。本文以用于超高频段天线的Z型六角铁氧体为研究对象,主要研究了Bi2O3掺杂,Sr2+和Cu2+取代对Z型铁氧体密度、物相结构、微观形貌及电磁特性的影响,旨在通过降低烧结温度控制材料晶粒的生长,从而获得超高频低损耗且磁导率和介电常数匹配的Z型六角铁氧体,并将其作为基底进行天线设计和电磁仿真。主要实验结果和结论如下:  (1)Bi2O3掺杂量低于2wt%时,材料主要为Z相。当烧结温度为1020℃时,材料的体密度接近理论密度的95%,可以认为烧结致密。Bi2O3掺杂能够降低Z型六角铁氧体的烧结温度,减小样品平均晶粒尺寸(<2μm),样品的电磁损耗与高温烧结Z型六角铁氧体相比大幅降低。当Bi2O3掺杂量为1.0wt%时,样品在800MHz,μ′=7.5,ε′=13.52,tanδμ=0.099,tanδε=0.027。  (2)在掺杂1.0wt%的Bi2O3基础之上,研究了Sr2+和Cu2+取代对Z型铁氧体电磁特性的影响。Sr2+取代Ba2+能增加Z型六角铁氧体的饱和磁化强度和磁晶各向异性,使材料的磁导率实部增加且虚部降低,因此材料的超高频磁损耗显著降低。材料磁导率随Cu2+取代量的增加先增大后减小,而介电常数则是先减小后增大,当Cu2+取代量为0.5时,样品的磁导率和介电常数在600-800MHz范围内接近相等(μ′/ε′=0.95±0.5),且在800MHz时,μ′=9.2,ε′=9.4,tanδμ=0.091,tanδε=0.005。  (3)以上述Bi2O3掺杂量1.0wt%、Cu2+取代量x=0.5时的材料为基底设计中心频率为800MHz的微带贴片天线,经过HFSS仿真发现,以磁介质为基底的天线相比电介质基底天线,贴片尺寸大幅缩减,带宽也显著增加。由此可知以Z型铁氧体(Ba3Co1.5Cu0.5Fe24O41+1.0wt%Bi2O3)为基底可以有效降低超高频天线尺寸,增加天线带宽。
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