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Vergleichende Untersuchung hartmagnetischer nichtreziproker Komponenten in unterschiedlichen Aufbautechniken

In dieser Arbeit wurden unterschiedliche Integrationstechniken von hartmagnetischen Ferriten zur Herstellung von nichtreziproken self-biased Komponenten vorgestellt und miteinander verglichen. Ziel dabei war es zu zeigen, dass es mit Hilfe der unterschiedlichen Aufbautechniken Siebdruck, Bulk-Integration und Tape-Integration möglich ist, Komponenten für eine Anwendung im Bereich der Satellitenkommunikation im Ka- bis hin ins V-Band zu entwickeln. Die Vor- und Nachteile jeder Aufbautechnik wurden dadurch näher beleuchtet und miteinander verglichen. In Vorbereitung darauf wurde eine umfassende Charakterisierung der Ferrite vorgenommen, um die Funktionsweise der hartmagnetischen Ferrite erfassen zu können. Barium- und Strontiumhexaferrite dienten hier als Basis für die geplanten self-biased Komponenten. Im Zuge der Charakterisierung konnte gezeigt werden, dass durch eine gezielte Substitution der Fe-Ionen des Bariumhexaferrits durch verschiedene Fremdatome die FMRF des Materials verändert werden konnte. Durch die Substitution wird die Möglichkeit geschaffen, recht flexibel Komponenten für gezielte Frequenzbänder optimieren zu können. Dabei wurde auch die Probengeometrie berücksichtigt, da sie einen großen Einfluss auf die FMRF hat. Durch die Einführung einer effektiven Sättigungsmagnetisierung in der Größenordnung der remanenten Magnetisierung konnte das Polder-Modell die Eigenschaften der ungesättigten Hartferrite grob nachbilden, um nichtreziproke Komponenten entwerfen zu können. Um die Frequenzabhängigkeit der Materialparameter der Ferrite genauer zu bestimmen, wurden an einzelnen Frequenzpunkten diese mittels einem Vergleich zwischen Simulations- und Messergebnissen bestimmt und interpoliert. Auf Basis dieser Erkenntnisse wurden die Komponenten in den unterschiedlichen Aufbautechniken entworfen und gefertigt. Eine messtechnische Untersuchung jeder einzelnen Komponente gab Aufschluss über die Genauigkeit der verwendeten Modelle. Durch die Messergebnisse der Komponenten konnte gezeigt werden, dass es prinzipiell mit jeder der untersuchten Aufbautechniken Siebdruck, Bulk-Integration und Tape-Integration, möglich ist, nichtreziproke self-biased Komponenten herzustellen. Allerdings konnte durch einen ausführlichen Vergleich gezeigt werden, dass die Aufbautechniken charakteristische Vor- und Nachteile haben. Durch den Siebdruck können beispielsweise nur durch viel Aufwand höhere Ferritschichtdicken realisiert werden, die trotzdem wesentlich geringer ausfällt, als es in den beiden anderen Techniken möglich ist. Dadurch ist generell mit einer geringeren Nichtreziprozität bei dieser Aufbautechnik zu rechnen. Die Bulk-Integration zeichnet sich vor allem durch die flexible Formgebung der vorgesinterten Ferritpille aus, wodurch viele unterschiedliche Anwendungen ermöglicht werden. Die Tape-Integration hat den großen Vorteil, direkt in einen standardisierten LTCC-Herstellungsprozess integriert werden zu können, wodurch der Fertigungsaufwand gering ist. Des Weiteren konnte festgestellt werden, dass die gemessene Nichtreziprozität vor allem von dem eingesetzten Ferrit abhängig ist. Generell konnte durch den Einsatz von Strontiumhexaferriten aufgrund einer höheren remanenten Magnetisierung höhere Richtwirkungen in den Komponenten erzielt werden. Dies ist vor allem bei den bulk-integrierten Komponenten deutlich geworden.
Zusammenfassend hat die Arbeit gezeigt, dass die Technologie-Ansätze grundsätzlich geeignet sind, um nichtreziproke Komponenten auf Basis hartmagnetischer Ferrite herstellen zu können. Jedoch hängen die Leistungsparameter der Komponenten stark von den Eigenschaften der Ferrite ab. Besonders die Eigenschaften der mit Scandium substituierten Bariumhexaferrite müssen verbessert werden, um eine akzeptable Performanz der Komponenten erreichen zu können.