相控阵雷达中的多晶微波铁氧体材料及器件

Polycrystalline Microwave Ferrite Materials and Devices
Used in Phased Array Radar

　　Abstract:

1 引言
　　1960年代以来，相控阵雷达获得了很大的发展，最初主要用于外空目标的监测及卫星和洲际弹道导弹的观察。随着相控阵技术的成熟，生产成本的逐步下降，各种新的先进的战术雷达也逐渐采用相控阵天线，成为相控阵雷达。目前，空间监视与导弹预警雷达、战区弹道导弹防御雷达、战术防空雷达、舰载多功能雷达、多目标精密跟踪雷达、机载预警、火控、战场监视、战场侦察雷达等几乎都采用了相控阵体制的雷达。相控阵雷达分有源和无源两种，一部雷达的天线单元数少则几十上百、多则成千上万。在有源相控阵上每个天线单元中都有一个发射/接收（T/R）组件，而铁氧体环行器/隔离器是该组件中的重要器件之一，无源相控阵的天线单元中铁氧体移相器更是唱主角的器件，这些铁氧体器件在相控阵雷达中起着独特的作用，同时对其核心部分棗铁氧体材料也有着特殊的要求，本文主要阐述其中用量最大的两种器件棗环行器/隔离器、移相器及其对铁氧体材料的基本要求、研制和批量生产中的几个关键问题。

2 环行器/隔离器及材料
　　1960年代初铁氧体非互易结的发现并据此研制出铁氧体结环行器，至今它仍然是用量最大、变化最多，同时也是不断面临新要求的微波铁氧体器件之一。就其在相控阵雷达中应用的发展方向而言，器件尺寸结构上要不断小型化、平面化、薄膜化；性能上除了要求小插损、高隔离、宽频带、一定的功率容量外，还要求具有较高的幅度、相位一致性、较宽的工作温度范围和良好的磁屏蔽等特性；另外还要满足成本低、批量生产能力强等商业要求。目前，T/R组件中使用最多的仍然是微带和带线式的器件，在基板上多是采用"嵌入式"的联接方法。采用全铁氧体基片的微带式结构可以减小器件的厚度，但要进一步降低器件的插损、提高可靠性和改善微带输入输出端的可焊性。随着带线器件的进步，在满足电性能的前提下，机械尺寸也基本上能与微带器件相媲美。
　　T/R组件中的隔离器/环行器在符合微波器件一般电性能要求后，如何满足相控阵单元对器件特有的幅度、相位一致性的要求，是我们面临的新问题。
　　在器件的批量生产中，为了保证一致性，首先必须保证机械结构加工的精度和一致性，主要包括：环行器的腔体、起均匀磁场作用的金属片、温度补偿用的"磁温度补偿合金"片、微波铁氧体片、永磁片等，它们的加工精度、一致性等都会对器件的性能及一致性带来较大的影响。其次要把握好永磁片磁场的均匀性、一致性；更重要的是微波铁氧体材料本身的一致性。怎样批量生产出性能优良、参数一致的微波材料及磁片呢？这是一个如何批量生产优质微波铁氧体材料的典型课题，我们应注意以下几方面的工作。
2.1 原材料的处理
　　最优的配方是获得优质材料的基础，而掌握原材料的精确含量又是得到最优配方的保证，根据具体原材料的种类和特性分别进行灼烧或烘干处理。
2.2 严格的工艺过程控制
　　多晶微波铁氧体材料的性能指标中最重要、最敏感同时也是最不易控制的是损耗指标，它从铁氧体材料问世以来的近五十年间一直困扰着材料工作者，人们总是在不断地探讨损耗的机理，建立各种模型来解释，进而想方设法从配方和工艺两方面来降低它。目前公认并写进教科书的引起磁损耗的因素主要有磁晶各向异性、应力各向异性、表面粗糙度、气孔等因素，前三项总能较容易地从材料的配方和加工上得到解决，似乎在合适的材料配方确定后只要想办法从工艺上提高材料的密度就应能获得损耗小的材料。但是事实上有些材料虽优化了配方、材料密度也较高，但磁损耗仍然较大。后来又理解为"另相也是气孔"，对这些现象加以解释，可总感到有些牵强。我们比较赞成电子九所韩志全等人^[1]提出的固相反应不完全带来的化学和磁不均匀性是磁损耗的重要来源的思路，这与我们多年来在材料工艺上采用的降低损耗、提高性能一致性的一系列方法相吻合。为了改善固相反应，使之均匀、一致，我们在制定和执行《微波铁氧体材料典型工艺》的基础上根据具体情况在制备工艺上采用了"分步烧结"、"三次球磨二次预烧"、"高氧压退火"等方法^[2]，收到了良好的效果。
2.3 高氧压下的退火处理
　　高氧压下的退火处理不但可以有效地降低铁氧体片机械加工过程中带来的应力、去除铁氧体片表面的各种附着物，还可以降低材料中二价铁离子的含量，从而降低材料的电损耗。在材料的烧结过程中较高的温度会获得较大的晶粒使磁损耗降低，但同时易产生二价铁离子。采用高氧压下的退火处理工艺，可以将这两个问题分开考虑、同时兼顾，在批生产中尤其有效。

3 铁氧体移相器
　　铁氧体移相器是无源相控阵天线单元中的关键器件，经过几十年的研究已较为完善，尤其是随着计算机技术的发展更加速了其发展和应用，近十年来国外关键生产设备的引进，逐步解决了铁氧体材料批生产中的一致性等问题，使得铁氧体移相器的批量生产成为现实。
　　事实上，在磁化了的铁氧体内，自旋电子的磁偶极矩围绕着外加直流磁场（或材料内部的各向异性场）进动，进动频率与直流磁场的大小成正比。铁氧体的磁导率取张量形式，张量元素是材料磁化态的函数。当外加磁化场的大小、方向变化时，铁氧体的磁导率发生变化，由此就改变了电磁波的传播常数。所以，铁氧体移相器的工作原理实质上是微波与磁化了的铁氧体内自旋电子间的相互作用，使微波的传播特性发生变化产生相移。评价或使用一种移相器主要有以下几个要素，满足了这几个要素也就基本上完成了相控阵天线所提出的要求，注意并做好这几方面的工作也就基本研制出了性能合格的铁氧体移相器。
3.1 工作频率
　　通常考虑到驱动功率太大等因素，移相器用的铁氧体材料一般不工作在高场区，这样由于微波铁氧体材料所能达到的最低磁化强度的限制，通常L波段以下不采用铁氧体移相器。虽然随着半导体技术的发展，有源相控阵将来可能会在高频段得到更广泛的应用，但目前一般来说S波段以上铁氧体移相器较半导体器件插损小、功率容量高，而且工艺成熟、价格低。所以目前S波段以上铁氧体移相器使用较多。
3.2 电磁波的极化
　　根据雷达的具体工作要求，移相器输入、输出可以呈线极化、圆极化或多极化状态。在器件设计上，可采用铁氧体移相与铁氧体变极化效应的组合来完成各种功能要求。
3.3 互易与非互易
　　一个理想的互易移相器，对信号在器件的两个方向传播产生相同的插入相位和差相移，而非互易移相器只有在反转磁化方向后，才能达到这种效果。最常用的有线极化非互易移相器，线极化、圆极化互易移相器。
3.4 波束转换时间
　　从雷达天线来看，波束转换时间是从一种扫描角度转换到另一种扫描角度所需的时间，实际上就是移相器从一种相位态转换到另一种相位态所需的时间，工程上就一种特定的移相器而言往往将其最大的相移跨度所需的最长时间定义为器件的转换时间，一般为几微秒到几百微秒。非互易移相器由于磁化方式决定了该种器件转换时间最短（一般为十几微秒），但是这种器件信号发射后需反向磁化才能接收回波信号，这样就形成了雷达一定的近程盲区。同样由于磁化方式的原因，旋转场移相器的转换时间较长，一般达几百微秒。器件的磁路结构设计、驱动器的设计、波导的设计以及磁性材料的选择等都会影响器件的转换时间，工程上也正是从这几方面进行优化以满足不同场合的要求。
3.5 驱动器及驱动功率
　　驱动器是移相器与天线波控系统联结的桥梁，是实现相控阵扫描的关键。最初用分段式的铁氧体采用分立元件的电路将其磁化到饱和产生一定角度的相移，组合成所谓的"数字式"移相器。现在驱动器已根据不同要求集成为较小的单元模块，常采用"通量激励"的方法对器件进行相位控制， 通过控制电流的脉宽或幅度，原则上可以将相移量分割成任意的度数，如果需要还可以较方便地补偿由于温度、应力等变化带来的相移量的变化。
　　如前所述，相控阵天线阵面上有成千上万个单元，每个驱动器功率的大小不论对雷达结构、电源系统还是对阵面热环境都有直接的影响。所以从驱动器的设计、驱动器工作状态的设定，以及移相器本身的设计加工上都有许多工作要做。例如对圆极化互易移相器，为了降低驱动器的功率、缩短转换时间，一般是在铁氧体的表面涂覆一层金属膜来形成波导，在不使微波能量外泄的前提下，要尽可能采用较薄的厚度（常采用趋肤深度的3~5倍），使用复合膜等方法增大膜的电阻率来降低"单匝效应"形成的涡流损耗，甚至是在数微米厚的膜层上开槽，形成容性槽等处理方法，更进一步地降低驱动器的功耗。
3.6 相位精度
　　雷达阵面中单元的数量、单元间距以及扫描角增量等要求，决定了移相器所需的相位态数，即移相器最小的相移度数，从目前工程上来看这主要取决于驱动器输出电流的划分精度，一般的移相器为4_~8位。
3.7 相位误差
　　相位误差是指移相器由于频率、相位态、功率以及温度变化等引起的，单个移相器的实际相移与理论相移或实际所需要相移间及单个移相器与平均相移间的偏差，一般用均方根值表示。前一种相位误差一般从器件的理论设计与试验测量之间确定偏差后，重新设计并采用各种补偿方法来解决；后者则要从生产工艺的各个环节入手，严格监控检测，保证移相器生产的一致性。例如圆极化互易移相器的批生产中就要考虑微波铁氧体材料、外磁路材料、各种介质材料电磁性能及尺寸的一致性，外涂层波导膜的厚度、成分的一致性，驱动器输出电流的一致性，机械结构尺寸、装配过程中的一致性等，这诸多因素中每一项都可能是移相器相位误差的来源。分析产生各种不一致的原因，并采取相应的措施，加强装配前的检测是批生产中减小器件相位误差的重要手段。
3.8 机械尺寸与重量
　　相控阵天线中单元间的间距一般控制在工作波长的一半左右，以免在较大角度扫描时出现栅瓣，尤其是驱动器还要放在移相器的本体上并要保留一定的温度调节通道，这样设计时就更要尽可能缩小移相器的横截面积，压缩器件的横截面积是每个移相器研制工程中的重要课题之一。
3.9 功率容量
　　一般而言，尽管在发射功率较高的情况下分配到各个移相器上的功率还是能承受的。但在某些场合也还会对铁氧体移相器提出高功率的要求，这与一般的铁氧体器件一样仍须从微波铁氧体材料及器件的设计两方面入手，主要采用抑制材料的非线性激发、降低材料和器件的微波损耗、改善散热条件等方法来解决，同时要注意由于功耗引起的温升对移相器相位一致性的影响。
3.10 插损
　　插损的大小直接影响着相控阵雷达的作用距离和接收时的灵敏度以及天线阵面上的温升。降低移相器的插入损耗是器件研制过程中最重要的问题之一。根据器件的工作频率、带宽、功率容量等要求，进行优化设计固然是最主要的方面，但良好性能的微波铁氧体材料是降低器件损耗的基础。
　　锁式移相器所用的微波铁氧体材料是各种铁氧体材料中最复杂的一种，它既要利用微波频率下铁氧体材料磁导率的张量特性棗旋磁性；又要求材料具有较高的剩磁比棗矩磁性；还要求其具有较低的矫顽力棗软磁性。微波铁氧体材料良好旋磁性的获得和采用的方法基本上类似隔离器/环行器用材料，而较高的剩磁比及低的矫顽力是移相器材料的独特要求。一般而言高密度、均匀、细化的晶粒，易获得高的剩磁比，但晶粒太小棗接近单畴颗粒尺寸时材料的矫顽力又太大，会引起开关能量增大等问题。而控制材料的晶粒尺寸是工艺制备过程中较为棘手的问题，这需要从原料活性、球磨效率、预烧温度、成型密度、烧结温度及保温时间等方面通过实验来优化和控制。这也是移相器材料研制和批生产中的关键所在，在确定好最佳工艺后重要的是严格执行操作规程并强化监控、检测，保证球磨后颗粒的尺寸及分布的一致性，成型密度的一致性，预烧、烧结时每炉材料的均匀性、各炉间的一致性等。

4 结束语
　　相控阵雷达是微波铁氧体材料及器件应用较为广泛的领域，无论是环行器/隔离器还是移相器，除了微波器件一般常规的性能要求外，更强调的是器件间的一致性。而这个一致性是以陶瓷工艺为基础的铁氧体材料研制过程中不太容易处理的问题，也是以人工单件调试为主要手段的铁氧体器件生产方法中要认真研究的问题。本文仅仅提纲挈领地进行了一些介绍，希望对相控阵雷达微波铁氧体材料及器件的研制和生产有所帮助。

参考文献

[1] 韩志全. [J]. 磁性材料及器件, 1988,19（1）：16-20.
[2] 蒋微波, 等. [J]. 磁性材料及器件, 1995,26（3）：41-42.