Ферритовые материалы и устройства

Ферриты представляют собой химические соединения, в общем случае имеющие формулу МFe2O4, где М - чаще всего двухвалентный ион металла, например, Cu, Zn, Mg, Ni, Fe, Co и Mn. В отличие от порошковых сердечников ферриты представляют собой монолитные материалы. Магнитомягкие ферриты кристаллизуются в кубической системе и имеют структуру шпинели - минерала состава MgAl2O4. Чаще всего применяются ферриты следующих типов:

– MnO*ZnO x 2Fe2O3 - марганцево-цинковый феррит;

– Nio*ZnO x 2Fe2O3 - никель-цинковый феррит;

– MgO*MnO*2Fe2O3 - магний-марганцевый феррит.

Ферриты имеют высокое удельное электрическое сопротивление порядка 10-109 Ом*см и благодаря этому низкие потери на вихревые токи. Индукция насыщения составляет приблизительно 20-25% от индукции насыщения железа.

Ферриты делятся на три подгруппы:

а) ферриты с гарантированными потерями и проницаемостью;

б) ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса;

в) ферриты со специальными свойствами.

Марганец-цинковые ферриты по сравнению с никель-цинковыми имеют меньшие потери. Оба эти вида ферритов относятся к первой подгруппе. Т.к. никель-цинковые ферриты имеют более высокое электрическое сопротивление, то их целесообразно применять в области частот от 500 кГц до 200 МГц и выше, т.е. для цепей высокочастотной техники. Магний-цинковые ферриты предназначены для применения в диапазоне от звуковых частот до нескольких МГц.

Ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса бывают никель-цинковыми или магний-марганцевыми. В технике УКВ также применяются магний-марганцевые ферриты, однако соотношение отдельных составных частей в тройной системе отличается от состава магний-марганцевых ферритов с прямоугольной петлей гистерезиса. Эти ферриты вместе с магнитострикционными материалами относятся к группе материалов со специальными свойствами.

Благодаря своим свойствам, ферриты имеют очень широкий диапазон применения. В настоящее время ферриты применяются в производстве реле,сетевых трансформаторов устройств связи, дросселей, электромеханических преобразователей и резонаторов и т.п. Однако наибольшее распространение ферриты получили в производстве сердечников для катушек (феррокатушек), запоминающих и переключающих цепей и т.п.

Ферритам уделяется большое внимание. Лаборатория фирмы Philips в 1936 году начала научные исследования. Полученные в прошлые 70 лет практический опыт и теоретические знания в области ферромагнетизма, дали возможность вести работу по исследованию ферритов и технологии их производства совершенно по-другому.

Свое происхождение ферриты ведут от магнитного железняка - естественного постоянного магнита, который был известен на протяжении всей культурной истории человечества. Магнитный железняк благодаря своей малой электропроводности, а следовательно, малым потерям в переменных магнитных полях и казался пригодным для применения, несмотря на это, в начале развития техники связи отыскивали новые виды магнитных материалов искусственного состава. Однако совсем не пригодны для технического применения его магнитные свойства в природном виде.

Идея применения магнитного железняка была отодвинута почти на 30 лет,, чтобы понять, почему это было сделано рассмотрим прежние взгляды и их использование при разработке новых видов магнитных материалов. Практически все природные явления, которые не могли объяснить в т.ч. и ферромагнетизм, объясняли раньше проявлением "флюидов". В начале XVII в. такое объяснение магнитных явлений давал В.Гильберт. Феррит - магнитодиэлектрический материал с кристаллической структурой, бладающий гиромагнитными свойствам обусловленными особым поведением электронов в атомах кристаллической решетки. Различают три разновидности кристаллических структур ферритов: структуру шинели с формулой Me¹¹O*Fe2O₃, где Me¹¹ - ион двухвалентного металла Ni, Mn, Сu, Со, Mg и др.) и структуру граната (3Y2Оз-Fе2Оз - железоиттриевый гранат) и гексагональную структуру. Ферриты могут быть поликристаллическими монокристаллическими. Производство поликристаллических ферритов осуществляют по технологии, характерной для керамики: смесь оксидов с пластификатором формуют в полуфабрикаты, которые затем обжигают при температуре 1000—1400°С. Ферритовые монокристаллы выращивают по технологии сходной с технологией изготовления полупроводниковых материалов. Наиболее часто применяются образцы ферритов в форме стержней круглой и прямоугольной формы, пластинок и дисков, а также отполированных сфер небольшого диаметра (около 1 мм) из монокристаллов.

В ферритовых устройствах СВЧ используются гиромагнитные свойства, проявляющиеся при одновременном воздействии на ферритовый образец постоянного и высокочастотного магнитных полей. При таком воздействии связь высокочастотных векторов напряженности магнитного поля Н_вч и магнитной индукции В_вч приобретает сложный характер, описываемый тензором магнитной проницаемости. Если ориентировать постоянное подмагничивающее поле вдоль оси z декартовой системы координат, эта связь принимает вид:

m -jk 0

В_вч = Н _вч, (m)= jk m 0

0 0 //0

Компоненты тензора m = m’ + m " и k = k' + k" являются комплексными величинами, и их и их зависимости от напряженности подмагничивающего поля (или от частоты гиромагнитного резонанса f0) имеют резонансный характер (рис.). Частота f0 носит название ларморовой частоты и определяется известным соотношением: f₀=gH0, где g=3,5*10-2 МГц/(А/м) – гиромагнитное отношение электрона, т.е. отношение его магнитного и электрического моментов. Остроту резонанса принято характеризовать шириной линии гиромагнитного резонанса.

Рис. 1. Зависимость параметров феррита от поля подмагничивания: а-компонентов тензора; б-проницаемостей //₊ и // для полей вращаю­щейся поляризации

Вследствие тензорного характера магнитной проницаемости безграничная ферритовая среда оказывает различное воздействие на электромагнитные волны правой и левой круговой поляризации, распространяющиеся вдоль направления подмагничивающего поля. Как известно из электродинамики, для каждой из этих волн феррит ведет себя как изотропная среда, магнитная проницаемость которой зависит от направления вращения вектора поляризации волны. Для правополяризованной волны (вектор Н_вч вращается по часовой стрелке для наблюдателя, смотрящего по полю Н₀) магнитная проницаемость m ₊= m '₊+ m”₊имеет резонансный характер и мнимая составляющая m “₊, учитывающая потери в феррите, максимальна при резонансе. Резонансный характер функции m +(Н0) обусловлен тем, что направление вращения возбуждающего магнитного поля совпадает с направлением прецессии магнитных моментов электронов. Для левополяризованной волны направления вращения магнитного поля и прецессии электронов противоположны, поэтому резонанс невозможен и магнитная проницаемость m _ изменяется в зависимости от подмагничивающего поля плавно.

Характерное поведение проницаемостей m ₊(H₀) и m _(H₀) показано на рис.1, б.

Устройства СВЧ с ферритами могут быть разделены на две группы. В первую группу выделяют невзаимные устройства - вентили, гираторы и циркуляторы, условные графические обозначения и идеальные матрицы рассеяния которых приведены в табл. 1.

Таблица 1.

Вентиль - четырехполюсник, пропускающий волну в одном направлении почти без отражения и без ослабления, но поглощающий волну, распространяющуюся в противоположном направлении. Вентили применяются для защиты генераторов СВЧ от изменений сопротивления нагрузки, для построения развязывающих цепей, в качестве элементов измерительных установок.

Гиратор - невзаимный фазосдвигатель (т. е. нерегулируемый фазовращатель), фазы коэффициентов передачи которого в прямом и обратном направлениях различаются на 180°. Гираторы применяются как базовые элементы в более сложных невзаимных устройствах.

Циркулятор - согласованный недиссипативный невзаимный многополюсник, в котором передача мощности происходит в одном направлении с входа 1 на вход 2, с входа 2 на вход 3 и т. д. Чаще других применяются 6-полюсные и 8-полюсные циркуляторы, например для одновременного использования общей антенны на передачу и на прием; они используются также в параметрических усилителях, схемах сложения мощностей генераторов и т. д.

Во вторую группу ферритовых устройств выделяют управляющие устройства - фазовращатели, выключатели, коммутаторы, перестраиваемые фильтры. Изменение характеристик таких устройств производится регулированием или переключением тока в управляющих обмотках. Существуют также ферритовые устройства с магнитной памятью, перестройка которых производится подачей одиночных импульсов тока в управляющие обмотки. Подавляющее боль­шинство ферритовых устройств предназначено для сантиметрового диапазона длин волн. Использование ферритов на миллиметровых волнах также возможно, однако связано с трудностями получения нужных параметров ферритовых материалов и сложностью создания сильных управляющих магнитных полей повышенной напряженности. Основными достоинствами ферритовых устройств являются возможность работы при высоких уровнях мощности и нечувствительность к кратковременным перегрузкам. Недостатки вызваны зависимостью характеристик ферритовых образцов от температуры и трудностями получения высокого быстродействия из-за инерционности управляющих магнитных систем.

Дата добавления: 2015-08-13