ЧАСТЬ ВТОРАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА
РЭМ
Г л а в а 6. ФЕРРИТЫ ДЛЯ РАДИОЧАСТОТ
6.1. ХАРАКТЕРИСТИКА И НАЗНАЧЕНИЕ
Ферриты — это оксидные электронные полупроводники, синтезированные из
оксидов металлов на основе Fe203, которые при наложении электрического
поля обладают определенными электромагнитными параметрами [1, 4, 12].
Общая формула ферритов (Me^0|)m/2(Fe203)n, где Me — характеристические
металлы, определяющие название феррита; k — валентность Me; пип — целые
числа. Известны ферриты, в которых кислород частично замещен элементами
F, Cl, S, Se, Те и др.
Распределение катионов и анионов в решетке типа
шпинели таково, что каждый анион кислорода окружен четырьмя катионами
металлов, притом два из них из подрешетки А и два — из В (рис. 6.1).
Между катионами разных подрешеток существует косвенное обменное
взаимодействие с помощью возбужденного состояния немагнитных анионов
кислорода. Это взаимодействие отрицательное, результат которого —
антипараллельная ориентация магнитных моментов доменов катионов,
находящихся в окта-и тетрапозициях. Создается магнитная кол-линеарная
структура, свойственная ферромагнетизму или неполностью
скомпенсированному антиферромагнетизму. Ферриты — типичные представители
этого вида магнетизма.
ность. Он способен намагничиваться до насыщения в
сравнительно слабых полях. Эти обстоятельства ставят ферриты вне
конкуренции с металлическими магнитными материалами, которые все больше
вытесняются из РЭА.
Ферриты, используемые в РЧ диапазоне, имеют округлую петлю гистерезиса (ОПГ)
и соотношение Br/Bm = 0,3—0,6 (рис. 6.3). Высокое значение максимальной
индукции Вт в сочетании с низкой остаточной Вг позволяет использовать
эти материалы в импульсных трансформаторах. К ферритам с ОПГ относятся
две группы: Мп—Zn и Ni—Zn. Промышленность выпускает около 60 марок таких
ферритов с диапазоном магнитной проницаемости 15000—5, используемых в
различных радиотехнических устройствах на частотах 1 кГц—1 ГГц. Для Мп—Zn-ферритов
область частот 3—5 МГц является граничной (марка 700НМ). Для больших
частот необходимы Ni—Zn-ферриты. Магнито-мягкие РЧ-ферриты нашли в РЭА
применение при работе в слабых полях, для которых справедлив
эмпирический закон Рэлея ц = цн(1 + +анН), где |д,н — начальная
магнитная проницаемость; ан — коэффициент амплитудной нестабильности в
области линейного участка зависимости х от Н.
В слабых полях ц возрастает линейно с Н. Для различных материалов
интервал этих полей разнообразен: от единиц А/м для ц=10 000 до тысяч
А/м для (х= 10. Индукция, возбуждаемая в ферритах в этих полях,
составляет 0,05—0,1 Тл. Соотношение индукции В, намагниченности / и
магнитной проницаемости ц для ферритов с ОПГ показано на рис. 6.4.
Ферриты с ОПГ по сравнению с металлическими магнитными материалами в РЭА
обладают рядом преимуществ:
высокое удельное электрическое сопротивление снижает вихревые токи в
магнитопроводах до ничтожно малых значений;
кривая намагничивания и форма петли гистерезиса у металлических
ферромагнетиков претерпевают значительные изменения при переходе от
постоянных к ВЧ полям; у ферритов в некотором интервале частот они
сохраняются;
индукция, возбуждаемая синусоидальным полем, практически тоже
синусоидальна и потери на гистерезис незначительны.
Кюри и др. В то же время Ni—Zn-ферриты обладают
более высокой максимальной ц, для чего требуются меньшие значения полей;
при частотах более 1 МГц они предпочтительнее.
Ферриты для РЧ выпускаются промышленностью в больших количествах. Они
известны с начала века, применяются в РЭА с 40-х гг., но современное
состояние теории ферримагнетизма и практика пока таковы, что не
позволяют стабильно получать материалы с заданными характеристиками. Это
объясняется тем, что данные ферриты, особенно Mn—Zn, сильно
структурно-чувст-вительные материалы. Доминирующую роль в формировании
структуры и электромагнитных параметров играют ионы Fe и Мп, обладающие
явлением полиморфизма, которое усложняет технологию производства
материалов. Не решены полностью вопросы оснащения технологии специальным
оборудованием и аппаратурой.
Ферриты Mn—Zn подразделяются на две группы [7, 8, 13]. К первой
относятся ферриты системы Fe203—MnO—ZnO, не содержащие других оксидов и
специальных добавок. Они предназначены для работы в диапазоне частот до
нескольких сот килогерц в тех случаях, когда не предъявляется повышенных
требований к температурной стабильности ц„ и она не контролируется. Это
ферриты 6000НМ, 4000НМ, 2500НМС, 2000НМ и др. В марке цифра указывает
значение цн; буквы означают: Н — низкая частота, М — феррит марганцевый,
С — для сильных полей с добавкой NiO. Во вторую группу объединены
ферриты, которые имеют ту же химическую природу, но в состав
дополнительно вводят присадки СоО, ТЮ2 и др. Такие ферриты имеют лучшую
и контролируемую температурную стабильность и предназначены для
использования в слабых и средних полях в диапазоне частот до 3 МГц
(2000НМ1, 1500НМ2, 1500НМЗ, 1000НМЗ, 1100НМИ и др.). Цифра в конце марки
указывает порядковый номер разновидности по электромагнитным параметрам:
с увеличением номера термостабильность возрастает; буква И—для
импульсных полей.
Из ферритов изготавливаются изделия очень разнообразных форм: К
(кольцо), Б (броневой), Ч (чашка), П-, Ш-, О-, Н-, Е-, F-образных форм,
пластины, стержни, магнитные головки, раструбы отклоняющих систем и
другие с типоразмерами около 1000 наименований. В случае Б, Ш, Г, Е
сердечники магнитопроводов состоят из двух деталей, иногда имеют зазор,
повышающий термостабильность изделий.
Для получения максимальных значений магнитной проницаемости используют
сердечники с замкнутой магнитной цепью. Ферритовые устройства (исключая
ферритовые постоянные магниты) обычно состоят из ферритовых элементов и
какой-либо проводниковой системы, канализирующей распространение
электромагнитной энергии, например обмотки.
Для оценки электромагнитных параметров ферритов принято несколько
показателей: начальная магнитная .
магнитные потери (измеряемые в полях 0,8 и о /м; g цн.
магнитная индукция В; относительный температурный
коэффициент начальной магнитной проницаемости а^н в интервале температур
от—70 (203) до +155°С (428 К); потери на гистерезисе 6а/ц2; параметры
петли гистерезиса; температура точки Кюри 0.