Все эффекты, описанные в § 7.2, используются при создании ВУФ – как по отдельности, так и в различных сочетаниях (в зависимости от решаемой задачи).

В обобщенном виде любое ВУФ можно представить как часть фидера, имеющую несколько входов (портов). Вход – это поперечное сечение фидера, через которое в него вводится волна заданного типа. В фидере могут распространяться волны различных типов*, при этом их частота должна быть выше некоторой частоты, называемой критической частотой. Волна, имеющая минимальное значение критической частоты, называется волной основного типа.

Использование ЭМВ, имеющих различные характеристики (частоту, мощность, тип поляризации и др.), а также разнообразие требований, предъявляемых к конструкции фидера (масса, габариты, тип и др.), обусловливают необходимость разработки широкой номенклатуры фидеров, содержащих ферриты. В свою очередь стремление к минимизации потерь в ВУФ требует использования при их создании большого количества отличающихся по кристаллической структуре и составу ферритов, для которых вышеперечисленные физические эффекты проявляются при различных значениях Н0.

§ 7.3. Магнитные материалы, применяемые при создании вспомогательных устройств фидеров

В конструкциях ВУФ могут использоваться моно- и поликристаллические ферриты, имеющие кристаллическую структуру шпинели, граната и магнетоплюмбита (гексаферриты). Основные типы ферритов, применяемых в ВУФ, приведены в таблице.

* Типы волн различаются по наличию продольных составляющих магнитного и электрического полей ЭМВ:

–поперечные Т-волны, не содержащие продольных составляющих ЭМП;

–электрические Е-волны, не имеющие продольной составляющей магнитного поля (обозначаются как Етп, где т и п – число полуволн, укладывающихся в полом прямо-

угольном волноводе вдоль осей, параллельных его широкой и узкой стенкам, соответственно Ох и Оу; в полом круглом волноводе по радиусу и по полярному углу);

– магнитные Н-волны, не имеющие продольной составляющей электрического поля (индексы т и п обозначаются аналогично индексам Е-волн), и др.

250

Основные типы ферритов, применяемых при создании ВУФ, и их свойства

*Приведен на основании каталогов промышленно выпускаемых ферритов.

**Указано значение для зарезонансных приборов.

***Частотные диапазоны соответствуют диапазонам, указанным в технических справочниках.

251

Диапазоны рабочих частот ВУФ на основе различных материалов могут перекрываться. В этом случае выбор материала определяется не только частотой, но и другими свойствами, которые зависят от требований, предъявляемым к ВУФ.

Феррит-шпинели, используемые в фидерах, имеют общую формулу MeО·Fe2O3, к ним относятся литиевые ферриты (например, Li–Ti–Zn-), магниевые ферриты (Mg–Mn- и Mg–Al-), никелевые ферриты и пр.

Литиевые ферриты имеют высокую температуру Кюри tС (до 570 °С), что обеспечивает стабильность магнитных характеристик при колебаниях температуры окружающей среды. Например, αMS

этих ферритов составляет −0,22…−0,08 % ∙ К–1 в диапазоне температур от 213 К (−60 °С) до 358 К (+85 °С). Высокая прямоугольность петли гистерезиса (более 0,95) обусловливает применение замещенных литиевых ферритов в составе устройств с магнитной памятью. Такие ферриты обладают малыми диэлектрическими потерями по сравнению с другими ферритами-шпинелями, тангенс угла диэлектрических потерь* составляет (3…8)10–4.

Магний-марганцевые ферриты имеют малые значения диэлектрических потерь (tg δε = 2,5 · 10–4…20 · 10–4), но более высокие значения αMS (до −1,03 % ∙ К–1). Увеличение отклонения состава

феррита от стехиометрического увеличивает угол поворота плоскости поляризации при прохождении ЭМВ через феррит. Повышение температуры отжига магний-марганцевых ферритов с 1250 до 1350 °С позволяет уменьшить ширину линии ФМР с 80 до 40 кА/м.

Магний-алюминиевые ферриты характеризуются более высокими значениями tg δε (до 2,5 · 10–3) по сравнению с Mg–Mn-ферри- тами, в связи с этим в их состав дополнительно вводят оксид марганца. Температура Кюри магний-алюминиевых ферритов составляет 120…280 °С. Ширина линии ФМР Mg–Al-ферритов существенно меньше, чем Mg–Mn-ферритов (~10 кА/м).

* Здесь и далее значения тангенса угла диэлектрических потерь, ширины линии ФМР и действительной компоненты комплексной диэлектрической проницаемости приводятся для частоты измерения 9,4 ГГц.

252

Никелевые ферриты имеют высокие значения индукции насыщения (до 0,49 Тл) и температуры Кюри (до 500 °С). Они характеризуются низкими значениями температурного коэффициента намагниченности насыщения (от −0,07 до −0,30 % · К–1). Ширина линии ФМР никелевых ферритов составляет 9…56 кА/м.

Феррит-гранаты имеют общую химическую формулу 3Me2O3 · 5Fe2O3, где символ «Ме» обозначает трехвалентный ион одного из следующих элементов: Y, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Lu, Yb, Sm, Eu, Tb. Кристаллическая структура этих ферритов идентична структуре граната Ca2Al3(SiO4)3 (кубическая сингония).

Поликристаллические феррит-гранаты получают аналогично феррит-шпинелям, а монокристаллические выращивают по технологии, сходной с технологией полупроводников. Основным методом получения объемных монокристаллов иттриевых феррит-гранатов являются выращивание из раствора в расплаве (спонтанная кристаллизация), крупные монокристаллы могут быть получены методом Вернейля (пламенно-водородным). Для получения пленок в основном используется жидкофазная эпитаксия.

Феррит-гранаты можно разделить на группы по типу легирующей примеси: Y, Y–Ca, Y–Al, Y–Gd, Y–Gd–Al и др.

Иттриевые феррит-гранаты (железоиттриевые гранаты, ЖИГ) характеризуются малыми значениями напряженности поля анизотропии и узкими значениями ширины линии ФМР (промышленно выпускаемые поликристаллические ферриты имеют Н ~ 1 кА/м, для монокристаллических ферритов получены значения ~ 50 А/м). Эта группа материалов характеризуется наиболее высокими значениями температуры Кюри (280 °С). На основе ЖИГ создано несколько групп сверхвысокочастотных феррит-гранатов.

Монокристаллические иттрий-кальциевые гранаты по сравнению с ЖИГ имеют наиболее узкую линию ФМР (~20 А/м), наименьшие потери (tg δε 1,5 · 10–4) и наибольшее значение индукции насыщения (~0,2 Тл). Температура Кюри ферритов этой группы не превышает 235 °С, а значения αMs выше, чем у ЖИГ, и достигают −0,6 % · К–1.

253

Иттрий-алюминиевые гранаты отличаются широким диапазоном изменения индукции насыщения (0,0175…0,15 Тл) и температуры Кюри (90…250 °С) при неизменном значении ширины линии ФМР (2 или 3,2…3,6 кА/м). Ширина линии ФМР у иттрий-алю- миниевых гранатов увеличивается при уменьшении MS из-за уменьшения температуры Кюри. Благодаря малым значениями напряженности поля анизотропии и намагниченности насыщения частота ФМР соответствует дециметровому диапазону длин волн.

Иттрий-гадолиниевые гранаты характеризуются малыми значениями температурного коэффициента намагниченности насыщения (минимальное значение αMS составляет +0,05 % · К–1) и высокой темпера-

турой Кюри (до 280 °С). Легирование редкоземельными металлами позволяет применять материалы этой группы в фидерных устройствах высокого уровня мощности, но вызывает увеличение Н (до 13 кА/м).

Помимо алюминия и хрома отечественные марки феррит-гранатов также содержат добавки кальция, ванадия, гадолиния, циркония и др.

Гексаферриты (ферриты со структурой магнетоплюмбита) представляют собой соединения с гексагональной кристаллической структурой и имеют общую формулу МеО · 6Fe2O3, где в качестве оксида двухвалентного металла могут использоваться несколько оксидов. В случае двух металлов МеII обозначает двухвалентный ион, имеющий меньший ионный радиус*, чем у МеI (переходные элементы группы железа). Кристаллическая структура гексаферритов состоит из чередующихся слоев с плотной кубической и гексагональной упаковками ионов кислорода. Слои расположены перпендикулярно гексагональной оси. Наиболее простыми гексаферритами являются магнетоплюмбит PbFe12O19 и ферроксдюр BaFe12O19, в

которых отсутствует компонента МеIIO.

Технологии получения поликристаллических феррит-шпинелей и гексаферритов аналогичны, за исключением того, что при производстве последних осуществляется более тонкий помол исходного

* Ионный радиус – характерный размер шарообразных ионов, используемый при вычислении межатомных расстояний в ионных соединениях (в предположении, что размеры ионов не зависят от состава молекул, в которые они входят).

254