Ферритовые материалы-детали

1.1. Ферритовые материалы диапазона СВЧ. Статические магнитные и физико-механические характеристики и параметры

Развязывающие .невзаимные приборы СВЧ конструируются на основе специальных ферритовых материалов, разработанных для этого диапазона частот.

Лоликристалличсские ферриты, получаемые спеканием смеси окиси железа РегОз с окислами других металлов (Ni, Zn, Mn, Mg, Си, Li ih др.), принадлежат к фер-римагнетикам, у которых нескомпенсированные спины электронов соседних атомов посредством обменных сил ориентируются антипараллельно (явление антиферри-магнетизма). В кристаллической решетке в этом случае можно выделить несколько подрешеток, каждая из которых имеет свой магнитный момент. У ферримагнетиков магнитные моменты одних подрешеток преобладают над антипараллельными им магнитными моментами других. Нескомпенсированный момент определяет величину спонтанной иамапничештости ферритов.

По химическому составу ферриты СВЧ представляют собой твердые растворы окислов металлов и РегОз, которые кристаллизуются в решетки либо типа шпинели (МеО-РегОз, где Ме - ион двухвалентного металла, обычно это Ni, Mn, Си, Со, Mg, а также одновалентный Li), либо типа граната (ЗМе2 .Юз-5Ре20з, где Me - трехвалентный ион редкоземельного металла, обычно это Y, Gd, Eu).

Получение тех или иных заданных свойств обычно достигается созданием смешанных ферритов - никель-цинковых, магний-марганцевых и других феррошпннелей, иттрий-гадолнниевых феррогранатов и т. д. Для снижения спонтанной намагниченности насыщения ферриты разбавляют, например, окислами алюминия (ферроалю-иинаты) или хрома (феррохромиты).

Те. ИI

ой Фор Ус Из;

Мо СС

в СССР разработано и широко используется при создании различных СВЧ устройств значительное количество марок феррошпинелей и феррогранатов, из них около 50 марок вошли в отраслевой стандарт а СВЧ ферриты (ОСТ 11 707.004-76) [1]. При обозначении марок была принята следующая система [2}: стоящая в начале одно- или двухзначная цифра соответствует средней длине волны в сантиметрах того диапазона, для которого разработана данная марка; следующие за тем буквы СЧ означают, что речь идет о феррите СВЧ; наконец, последняя цифра определяет различие однотипных марок по свойствам.

Рассмотрим основные характеристики ферритов, наиболее важные для конструктора с точки зрения выбора марки материала и оценки его работоспособности в различных условиях. Феррит, как среда, в которой существует электромагнитное поле, характеризуется совокупностью электромагнитных (электрических и магнитных) параметров.

I. Магнитные параметры и характеристики подразделяются на статические, которые описывают поведение ферритов в постоянных или медленно меняющихся магнитных полях, и динамические, описывающие свойства ферритов при их взаимодействии с быстропеременными СВЧ магнитными полями. Ввиду сложности явлений, наблюдаемых при работе ферритов в -диапазоне СВЧ, описание этих явлений и рассмотрение динамических магнитных параметров и характеристик ферритов выполнено отдельно (см. § 1.2).

Кривая намагничивания ферритов связана с ориентацией по направлению приложенного магнитного поля магнитных моментов доменов, т. е. областей, намагниченных спонтанно до некоторой виличины, определяемой температурой феррита. При такой ориентации возникает намагниченность всего ферритового образца М. Максимальное значение этой величины, соответствующее ориентации по полю магнитных моментов всех доменов, называется намагниченностью насыщения Ms, а ей соответствует магнитная индукция насыщения материала Л5. Как известно.

(1.1)

где - напряженность внутреннего постоянного маг-нитното поля; хо=4я-10~ Гн/м - магнитная постоян-

1ая. Кривые намагничивания ферритов некоторых марок в виде зависимости BJBs=f{H) приведены на рис. 1.1. Эти зависимости измеряются на тороидальных, предварительно хорошо размагниченных образцах баллистическим методом. Следует иметь в виду, что внешнее магнитное поле в общем случае отличается от внутреннего поля Н\ Поэтому, при необходимости иметь аналогичные характеристики для произвольно намагниченных ферритовых вкладышей других форм, следует учитывать известную связь внутреннего Я и внешнего магнитных по-1ей с намагниченностью

H=H~NM, (1.2)

Н\иА/н

Рис. 1.1. Усредненные кривые намагничивания (при комнатной температуре) стандартизованных марок ферритов:

кривая / -30СЧ6, 40СЧ4, 80СЧ, 30 СЧ; кривая 2-ЗСЧ6. ЗСЧ9, ЗСЧ15. 1СЧ2. 10СЧ8; кривая 3 - 10СЧ6. ЗОСЧЗ. 40СЧ2. 60СЧ

где Nz - размагничивающий фактор (фактор формы)

в направлении подмагничивания, в данном случае оси г*) {4}.

При конструкторских расчетах ферритовых развязывающих приборов, работающих при малых внешних полях, недостаточных для намагничивания материала до насыщения, бывает необходимо определить внутреннее подмагничивающее поле вкладыша по известному значению требуемой намагниченности материала **). В этом случае кривую B=f{Hy выбранной марки фер-

*) Строго говоря, соотношение (1.2) справедливо лишь для помещенных в однородное внешнее магнитное поле ферритовых образцов, имеющих форму эллипсоида вращения. При произвольной форме образцов внутреннее магнитное поле, особенно в ненасыщенном состоянии, теряет однородность. Это явление обычно не учитывается при KOHCTpyKfopcKHx расчетах.

**) Такая задача возникает при конструировании магнитной системы Прибора.

Таблица 1.1

1СЧ2

1СЧЗ

1СЧ4

2СЧ4

ЗСЧ8

8СЧ1&

4СЧ9

4СЧ10

2СЧ1 3C4J ЗСЧ2 ЗСЧ7

ОсновиЫе электрокагньткые пагаметры нормализованных марок ферритов СВЧ

Никелевые ферриты

2,5X10-2*

-4.10-3

2,5X10-3*

8,0X10-

2,5X10-3*

-10-3 2.5X10-3

<10-

-Ч.10-3

8,2X10* 1,7X10 1,3X103 7,8X10 5,9X10-1 5,3X10 8,7X10*

20 7,8X10

135 89,5 135

0,152 0,126 0,05 0,150

0.104 0,098 0,014 0.103

Магниевые ферриты

0,32 0,48 0,8 0,24

24 13 Н 23

11,7= 8,2 6,5

12.3*

4,0X10- 6.5X10-3 1,5X10-2 бХЮ-

5,0X10* 1,9X10 4,1X10* 3,2Х10

270 400 400 400 500 450 370

450 530

370 370 310 330

(рооолжение таб.1

270 250 280 400 310 360 320

Магниевые ферроалюминаты

4,0X10- *

3,6X10- 1.6X10-*

2,0X10-

-10-2

3,0X10

1,5X10

2,0X10 1,7X10

Никелевые и магниевые феррохромиты