采用共振方法对磁介电盘复合介电常数的微波特性进行表征

《Materials Research Bulletin》：Microwave Characterization of Complex Permittivity of Magnetodielectric Disks with Resonant Methods

　　

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  SPDRs（系列磁耦合电阻器）能够实现对铁氧体的复介电常数进行复杂测量
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  对YIG和W型六铁氧体的薄5毫米光盘进行了特性分析
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  Courtney方法的磁饱和度误差取决于样品的几何形状
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  10 GHz的SPDR会产生更大的位移，因此测量不确定性更低

引言

具有弱和强磁场各向异性的铁磁材料在现代微波技术中起着至关重要的作用，特别是在5 GHz和新兴的6 GHz频率带的非互易器件中，如环形器、隔离器和移相器。六铁氧体（特别是M型BaFe??O??及其掺杂衍生物），由于其高单轴各向异性、相对较低的介电损耗以及在无需外部永久磁体的情况下自偏置运行的潜力而备受关注[1]。这些器件的任何成本效益设计方法及其性能都严重依赖于对复介电常数ε?和磁导率μ?的准确了解，以及铁磁共振（FMR）线宽的测量，这些参数决定了微波频率下的损耗。然而，对铁磁材料中ε?和μ?的可靠特性分析仍然具有挑战性[2],[3]。现有的方法可以分为宽带方法和共振方法。如果可以制造出带有内同轴导体孔的光盘，原则上可以使用同轴线传输/反射方法。然而，这些介电常数和磁导率测量的主要问题是介电和磁损耗测量分辨率有限（介电常数虚部的分辨率约为0.01），以及存在空气间隙，这会引入较大的系统误差[4]。在毫米波范围内，使用同轴方法变得不切实际。已经展示了宽带方法，如准光学方法[5],[6]，但由于所需的样品横向尺寸变得太大，这些方法几乎不适用于较低频率[7]。共振技术可以克服这一困难，并允许测量低损耗的磁介电材料。可以使用TM腔谐振器和TE介电谐振器串联来表征针状铁氧体样品[8],[9]，但制造这种比例的样品并不容易。另一方面，如果 có大型平坦样品，可以使用分柱式和单柱式介电谐振器（SPDRs和SiPDRs）来测定复介电常数以及平面内和平面外的初始磁导率[10],[11]。

特别是对于表现出强磁场各向异性的材料，其退磁样品在微波频率下的磁导率与1有很大不同[12]，因此，为了表征其中任何一种材料，都需要分离谐振系统中由这些材料引起的介电和磁贡献，这是一个非平凡的任务。

章节片段

理论

测量微波铁氧体复介电常数最准确的方法之一是Courtney方法[13]。它是Hakki-Coleman方法[14]的扩展，后者通常用于低损耗介质的测量。在这两种技术中，被测样品都形成了一个圆柱形的介电或磁介电谐振器，该谐振器在图1中示意性地展示了工作模式${\mathit{TE}}_{011}$' role="presentation">

实验

图3a示意性地显示了加载有铁氧体光盘的SPDR谐振器的频率和Q值与静态磁场的关系，表1列出了两种不同的光盘。其中一个光盘是由多晶钇铁石榴石制成的，其各向异性场较小，而另一个光盘是由W型压制的多晶六铁氧体制成的。

使用了两种SPDR，一种工作在约5 GHz，另一种工作在10 GHz。这些谐振器分别显示在图3b)和图3中。

讨论

测量结果显示，对于YIG样品，在5 GHz下，谐振模式在静态磁场适中时稳定，这与之前的研究结果一致[18]。从图4a)和5a)可以看出，随着磁场的增加，加载YIG样品的谐振器频率会增加，而加载六铁氧体样品的谐振器频率会降低。这是由于在第一种情况下，YIG的磁导率会增加。

结论

本研究考察了确定小型磁介电圆盘复介电常数的共振方法，特别关注具有不同各向异性场的铁磁材料。分析表明，在经典的Courtney型测量中，不完全的磁饱和度和矢量磁导率效应会在提取的介电常数中引入系统偏差，特别是对于具有强磁场各向异性的材料。

实验研究

CRediT作者贡献声明

Piotr Bogorodzki： 监督，资源提供。Bartlomiej Salski： 监督，资金获取。Jerzy Krupka： 文章撰写——审核与编辑，监督，软件开发，资源管理，方法论研究，概念化。Robert C. Pullar： 资源提供，调查研究。Adam Pacewicz： 文章撰写——审核与编辑，原始草稿撰写，可视化处理，验证，软件开发，资源管理，项目管理工作，方法论研究，调查研究，资金获取，正式数据分析，数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了OPUS 2024/53/B/ST7/01848科学项目的支持，该项目由国家科学中心资助。

Adam Pacewicz|Jerzy Krupka|Robert C. Pullar|Piotr Bogorodzki|Bartlomiej Salski