Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Элементы и устройства магнитоэлектроники. Лабораторный практикум
.pdf
2
(1 )
,4(1 )
2
1
μ
2
2
,
S
f
γ
222
,
222
,
η
НКγ
+α
′′ ′
μ=μ
вр 0вр
ан
(1)2
0вр
2
ω= ⋅μ −=π
где
r
вр
22
αωω
⋅+
2
1
αω ω
1
+α ω ω
ω
+α
22 2
22 2
r
вр
⋅+−
rr
вр вр
2
ω
r
вр
.
(3.11)
Частота ω
, при которой μ′
f
ω
ω= =ω
fr
1
= 0, определяется как
вр
+α
0вр
−α
2
1
вр
−α
1
здесь только параметр α должен быть определен из электродинамического эксперимента, прочие же материальные параметры могут
быть измерены магнитостатическими методами.
Определять значение α из экспериментального спектра феррита в
зависимости от вида спектра можно, например, по формуле
4
M
α=
3
μ
π
′′
вр max
. (3.12)
Частотная зависимость «парциальной» комплексной проницаемо-
сти процессов смещения выражается формулами
2
f
1
−
2
′
μ−
1
см
′
μ−
1
0см
=
ff
−+⋅
(1 )
ff
′′
μ
см
′′
1
μ−
0см
=
ff
(1 )
−+⋅
ff
f
r
222
rr
см см
f
r
222
rr
см см
см
2
1
f
⋅
см
2
1
+α
2
1
(3.13)
η
+α
(3.14)
η
+α
где безразмерный релаксационный параметр
41
2
;
0
;
d
.
2(1)
γ
μ
η= =
В
md
гр
2
M
αγ
S
(3.15)
2
+α
1
f
r
см
гр
частота резонанса доменных границ
2
M
γ
f
=
r
см
(1)(1)
μ− +α
0см
S
δ
2
(3.16)
частота максимума поглощения при РДГ
2
fM
fC
0см
==
п
Md
α
γδ
α
S
00см
S
(3.17)
−
Таким образом, в области РДГ частотная зависимость проницае-
мости определяется не только через магнитные параметры M
Н
но
S,
ан,
и через структурные параметры (d, α).
Приведенные сведения позволяют указать на некоторые недостат-
ки полуфеноменологической теории магнитных спектров:
–
достоверность определения параметра потерь α недостаточна;
расчет полного спектра невозможен без определения некоторых
–
характерных параметров экспериментального спектра;
–
расчетные формулы достаточно громоздки и содержат значи-
тельное количество вводимых независимых переменных.
Тем не менее численный метод дает нам возможность материаловедческого анализа компонент высокочастотной проницаемости в
ферритах, т.е. установления связей между основными магнитными и
структурными свойствами и поведением μ′ и μ″ в частотном интервале электромагнитных полей.
Возможность расчетного анализа формул (3.10) – (3.17) с помощью ЭВМ позволяет синтезировать магнитный спектр феррита, у
которого известны магнитостатические параметры и основные параметры микроструктуры.
Метод стоячей волны
Метод
измерения комплексных магнитной и диэлектрической
проницаемостей феррита с применением измерительной линии и короткозамкнутого волновода широко применяется в практике исследований ферритов и диэлектриков.
42
Суть метода стоячей волны такова: генератор создает в короткозамк-
max
min
.
μ
S
d
μ
2
rr d
нутой передающей линии без образца систему стоячих волн. Положение
минимумов электрического поля этой системы X
, X2 …, Xi можно опре-
1
делить с высокой точностью с помощью измерительной линии (см.,
например, лабораторную работу 1). При малых потерях энергии в
линии амплитуда сигнала в любом минимуме X
A
КСВН
=
Первый минимум электрического поля (и максимум
стремится к нулю, а
i
A
магнитного поля) возникает в точке короткого замыкания, т.е. в торце измерительной секции.
Помещая у торца ферритовую шайбу толщиной d, которая заполняет полностью поперечное сечение коаксиального волновода, мы
изменяем кажущееся положение торца измерительной линии. Поскольку электрическая длина l
длины d в направлении распространения сигнала
образца больше его геометрической
э
ld=
э
, то эф-
фективная длина измерительной секции как бы увеличивается (если,
конечно, μ > 1). Зонд измерительной линии зафиксирует смещение S
узлов электрического поля в положения X
+ S, X2 + S и т.д.
1
Кроме того, вследствие потерь энергии магнитного поля в феррите, возникает поток энергии, направленной от генератора к образцу.
При этом кроме стоячей волны возникает бегущая волна, и амплитуда сигнала в узле Х
не будет равна нулю. Следовательно КСВН в ли-
i
нии с образцом-шайбой уменьшается.
При измерении определяются две величины: изменение КСВН и
смещение минимума поля S. Наиболее простой приближенный результат получен Радо для коаксиальной линии:
где r0 и r – соответственно коэффициенты стоячей волны в линии без
линии и короткозамкнутой секции)
образца и с образцом.
Очевидно, что при r
′
=+
11
′′
()
μ= −
> 50 (т.е. при малых собственных потерях в
0
, (3.18)
1
λ
, (3.19)
π
0
43
dr
λ
μ
S
d
2
d
11rRr
′′
μ≈
. (3.20)
π
2
Формулы Радо справедливы только в случае, если толщина образ-
ца много меньше длины электромагнитной волны в феррите
dλ<<
. (3.21)
ε
Таким образом, чем выше частота измерений, тем тоньше должен
быть образец. Если условие (3.21) не выполняется, следует использовать более строгие расчетные формулы. Удобство метода в том, что
при измерении μ тонкий образец находится в минимуме электрического поля и его диэлектрическая проницаемость не существенно
влияет на условия измерения.
Метод стоячей волны позволяет измерить и компоненты диэлектрической проницаемости феррита (или диэлектрика). Для этого следует поместить образец в пучность электрического поля стоячей
волны, т.е. передвинуть его на расстояние, равное λ/4 от точки короткого замыкания(поскольку двигать образец не очень удобно, его
сначала фиксируют у торца-замыкателя, а затем отодвигают подвижный торец на расстояние λ/4). При этом образец оказывается в узле
магнитного поля и величина μ
*
не влияет на измерения. Аналогично
формулам (3.18) и (3.19) и при тех же допущениях
′
ε= +
′′
ε≈
; (3.22)
1
λ
. (3.23)
π
Метод стоячей волны позволяет одновременно измерить и коэффициент отражения от ферритовой шайбы R (см. лабораторную работу 1):
−
=
. (3.24)
+
44
3.3. Описание установки
Установка
служит для измерения λ и КСВН, следовательно, по-
добна рассмотренной в лабораторной работе 1.
Блок-схема установки приведена на рис. 3.2. Установка состоит из
генератора 1, развязывающего устройства 2 (вентиль или аттенюатор), собственно измерительной линии 3 и короткозамкнутой измерительной секции 4 с исследуемым образцом 5. Индикаторным прибором 6 в линии может быть микроамперметр-гальванометр типа М-95
или измерительный усилитель типа У2-6, У2-8 и т.п., селективные
микровольтметры. Для прецизионных измерений требуются индикаторные приборы с чувствительностью ∼ – 0,1 мкВ.
Рис. 3.2. Блок-схема измерительной установки
Перекрытие частотного диапазона 150…11000 МГц, в силу конструктивных особенностей приборов, требует четырех типов измерительных линий и четырех-пяти типов измерительных генераторов.
Для точного определения положения узла стоячей волны используется метод «вилки», смысл которого пояснен на рис. 1.5 лабораторной работы 1.
Измерительная секция представляет собой отрезок коаксиала с
короткозамыкающим поршнем.
Образцы – ферритовые шайбы с диаметрами, точно соответствующими внутренним размерам коаксиальной линии, т.е. ∅ 16 × ∅ 6,95 или
∅ 16 × ∅ 4,5.
Высота d ферритовых образцов изменяется в пределах
от 1,5 до 4 мм в зависимости от задач измерения и выбранного частотного диапазона. Образцы изготовляются путем шлифовки спеченных шайб алмазным инструментом, сколы и неровности на об-
45
разцах не допускаются. Перечень приборов, используемых в лабораторной работе, приведен в табл. 3.1.
Таблица 3.1
Используемые приборы
№
п/п
1 Измерительная линия ЛИ-3 150…1000 МГц
2 То же ЛИ-4 500…3000 МГц
3 « ИКЛ 3000…11000 МГц
4 Генератор сигналов Г4-5 150…1000 МГц
5 То же Г3-10 1000…3000 МГц
6 « Г3-21 3000…4500 МГц
7 « Г3-23 4500…7500 МГц
8 « Г3-14А 7500…11000 МГц
9 Усилитель резонансный У2-6 В узкополосном режиме на
10 Гальванометр М-95 1…10 мкА
Наименование прибора Тип Примечание
частоте 1000 Гц
3.4. Порядок проведения работы и указания
по охране труда
Ознакомьтесь
с общими указаниями по охране труда и руковод-
ствуйтесь ими при выполнении работы.
Получить у преподавателя комплект образцов, таблицу магнит-
1.
ных параметров этих образцов, заданный частотный диапазон измерений.
Измерить геометрические размеры образцов микрометром, за-
2.
нести результаты в отчет.
Подготовить к работе установку для измерений магнитных
3.
спектров, включить и прогреть в течение 0,5 ч высокочастотный генератор, установить на линию измерительную секцию без образца.
На нижней границе заданного частотного интервала настроить
4.
генератор и измерительную линию; пользуясь методом «вилки», оп-
46
ределить положения трех узлов стоячей волны Х
, Х20, Х30 и опреде-
10
лить затем длину волны в линии.
ВНИМАНИЕ! Частота измерения по шкале настройки генераторов Г3-21, Г3-22, ГЗ-23 определяется приближенно. Поэтому для
расчетов μ′, μ″ по формулам (3.18), (3.19) следует использовать экспериментально определяемое значение λ, а не расчетное.
5.
При последующих измерениях выходную мощность генераторов поддерживать минимальной, используя максимальную чувствительность индикаторных приборов.
Определить КСВН линии с короткозамкнутой секцией без об-
6.
разца.
Установить на съемном штыре измерительной секции образец
7.
феррита (плотно к торцу). Осторожно ввести штырь в секцию, измерить КСВН (по возможности в первом, считая от образца, узле и пучности стоячей волны).
Измерить положение узла Х
8.
(первого от образца) в линии с
1ф
ферритом.
Вычислить S = Х
9.
Результаты измерений оформить в виде табл. 3.2.
10.
– Х1ф, смещение узла стоячей волны.
10
Результаты наблюдений
Таблица 3.2
Образец Частота
Без образца С образцом, d =
Х
A
0
max/Аmin
КСВН
Х
1
A
/
max
КСВН
11. Вынуть ферритовый образец из секции, перестроить генератор
на новую частоту и повторить операции п. 4, затем п. 6 – 11. В заданном частотном интервале шаг по частоте 150…300 МГц.
По окончании цикла измерений предъявить таблицу результа-
12.
тов преподавателю и, только по его указанию, выключить измерительную установку.
Задание
1. Пользуясь стандартными программами, рассчитать магнитный
спектр феррита Ni
1–xZnxFe2O4
по известным магнитным и структур-
ным параметрам.
47
2. Экспериментально измерить участок магнитного спектра этого
феррита (по указанию преподавателя – область РДГ или ЕФМР) и
сопоставить эксперимент с расчетным спектром.
Усложненное задание: измерить тот же участок магнитного
3.
спектра во внешнем магнитном поле, приложенном к образцу, и объяснить различие результатов.
3.5. Обработка результатов
1. Рассчитать в таблице результатов λ = –Х1 – Х3 или λ /2 = Х1 – Х2,
КСВН (без образца и с образцом), и затем по формулам (3. 18), (3.19)
μ′
и μ″.
Построить график исследованной части магнитного спектра.
2.
3.
Провести расчет спектров парциальных проницаемостей μ
*
для заданных значений параметров феррита и их вариаций по
μ
вр
*
и
см
стандартной программе.
4.
Построить по результатам расчетов графики
′
μ
= ϕ1 (f), μ
см
′
= ϕ3 (f), μ
μ
вр
а также итоговый график μ
Рассмотреть изменение парциальных проницаемостей в харак-
5.
терных точках спектра f
″
= ϕ2 (f),
см
″
= ϕ4 (f),
вр
′
= ϕ1 (f), μ
; fr и их зависимость от материальных пара-
f
″
= ϕ2 (f).
метров феррита.
6.
Сформулировать выводы работы о влиянии статических параметров на вид магнитного спектра феррита на основе экспериментальных данных и численного анализа.
7.
Оценить систематическую и случайную погрешности измере-
ния λ и КСВН, полную погрешность измерения μ′, μ″.
3.6. Отчет о работе
должен содержать:
Отчет
цель работы;
–
краткое теоретическое введение;
–
схему установки;
–
графики расчетных и экспериментальных магнитных спектров;
–
выводы.
–
48
Литература
1. Левин Б.Е., Третьяков Ю.Д., Летюк Л.М. Физико-химические
основы получения, свойства и применение ферритов. М.: Металлургия, 1979. С. 377–381.
Гуревич А.Г. Магнитный резонанс в ферритах и антиферромаг-
2.
нетиках. М.: Наука, 1973. С.136–144.
Контрольные вопросы
допуска к работе
Для
Почему компоненты магнитной проницаемости ферритов зави-
1.
сят от частоты?
Какие статические параметры феррита влияют на вид магнит-
2.
ных спектров?
В чем сущность метода измерения параметров материала в ко-
3.
роткозамкнутом волноводе?
Каковы источники погрешностей при измерении?
4.
Как измерить диэлектрическую комплексную проницаемость
5.
феррита?
Каковы требования к образцам для измерения магнитных спек-
6.
тров?
Для защиты работы
Каковы природа резонанса доменных границ и возможности
1.
управления частотным интервалом потерь?
Что такое релаксационный и резонансный характер магнитного
2.
спектра?
Какова полоса частот естественного ферромагнитного резонан-
3.
са?
Как изменится вид магнитного спектра при повышении темпе-
4.
ратуры, при наложении внешнего магнитного поля?
Как определить частотный интервал применимости ферритово-
5.
го материала по виду магнитного спектра?
В чем особенность магнитных спектров гексаферритов?
6.
Что такое размерный резонанс?
7.
49
Лабораторная работа 4
3
0
0
μ
ИЗУЧЕНИЕ КОМПОНЕНТ ТЕНЗОРА МАГНИТНОЙ
И КОМПЛЕКСНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
ПРОНИЦАЕМОСТИ ФЕРРИТОВ
(2 часа)
4.1. Цель работы
Получить
навыки измерения комплексной диэлектрической и
магнитной проницаемости ферритов на СВЧ, установить пределы
значений диэлектрической и магнитной проницаемости основных
типов СВЧ ферритов: шпинелей и гранатов.
4.2. Теоретическое введение
высоких и сверхвысоких частотах определяющими свойствами
На
ферритов являются комплексные магнитная и диэлектрическая проницаемости μ
*
= μ′ + iμ″, ε* = ε′ + iε″.
Как μ′ и μ″, так и ε′ и ε″ зависят от частоты электромагнитного
поля ω. Соответствующие зависимости, исследованные в достаточно
широком частотном интервале, называются магнитными
1
или ди-
электрическими спектрами.
На частотах выше 7…9 ГГц μ′, μ″, ε′, ε″ у СВЧ ферритов обычно
мало зависят от частоты, но точное определение их становится особенно важным, так как, с одной стороны, эти параметры необходимы
для инженерных расчетов СВЧ приборов, с другой стороны, эти же
параметры дают важную материаловедческую информацию для технологов.
В подмагниченном феррите на СВЧ магнитная проницаемость
имеет вид тензора II ранга с тремя отличными от нуля комплексными
компонентами
iμ−μ
12
μ=μ μ
21
,
00
–––––––––
1
Теория магнитных спектров более подробно рассмотрена в лабораторной рабо-
те 3.
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]