Глава 8. Ферриты для радиочастот (лекции 14,15)

8.1. Характеристика и назначение

Ферриты – это оксидные электронные полупроводники, синтезированные из оксидов металлов на основе Fe₂O₃, которые при наложении электрического поля обладают определенными электромагнитными параметрами. Общая формула ферритов (Me₂^kO²_k)_m/2(Fe₂O₃)_n, где Me – характеристические металлы, определяющие название феррита; k – валентность Me; m, n – целые числа. Известны ферриты, в которых кислород частично замещен элементами F, Cl, S, Se, Те и др.

Ферриты, используемые в магнитных элементах и компонентах радиочастотного диапазона (10³–10⁸ Гц), в основном имеют структуру типа шпинели, характеристические металлы в ней двухвалентные и химическая формула феррита имеет вид MeFe₂O₄. Известен природный магнитный материал – магнетит или феррит железа – Fe₃O₄, формула которого Fe₃O₄ = FeO  Fe₂O₃.

Шпинель – это керамический минерал – MgAl₂O₄. Решетка типа шпинели – это гранецентрированная кубическая решетка с плотной упаковкой кислородных ионов (анионов O^2–), между которыми возникают междоузлия (подрешетки) двух типов: В – октаэдрическая, в которой размещаются катионы Fe³⁺; A – тетраэдрическая, в ней размещаются Ме²⁺. Одна ячейка шпинели состоит из восьми формульных единиц MeFe₂O₄ и содержит 32 иона кислорода и 24 иона металла. Различают три вида шпинели: нормальную, обращенную и смешанную. Примером нормальной шпинели может быть ZnFe₂O₄. В обращенной шпинели ионы Ме²⁺ входят в положение В, a Fe³⁺ размещены между А и В, и формула имеет вид Fe⁺³[Me²⁺Fe³⁺]O₄^2–. Выражение в квадратных скобках относится к октаэдрической позиции, такую шпинель имеют ферриты, например NiFe₂O₄, CoFe₂O₄. Смешенная шпинель имеет распределение Ме²⁺ и Fe³⁺ по обеим подрешеткам, и формула ее в общем случае Me_xFe_1-x[Me_1-x Fe_1+x]O₄, где х – мера обращенности шпинели.

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. 87).

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.

Рис. 87. Схема формирования ферримагнетизма в шпинели

Создается магнитная коллинеарная структура, свойственная ферромагнетизму или неполностью скомпенсированному антиферромагнетизму. Ферриты – типичные представители этого вида магнетизма. Cуммарная намагниченность шпинели J_s представляет собой разность намагниченностей подрешеток А и В:

Js = JB – JA.

(90)

Валентное состояние ионов, их распределение по подрешеткам шпинели, степень проявления ферромагнетизма, а также дефекты кристаллической структуры определяют все физико-химические характеристики и электромагнитные параметры ферритов.

Основным препятствием для использования магнитных материалов в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) являются вихревые токи (Фуко), которые как бы уменьшают эффективное сечение магнитопроводов и вызывают потери электромагнитной энергии при перемагничивании. Ферриты имеют огромное электрическое сопротивление в отличие от металлических магнетиков, которые относятся к проводникам. Это резко уменьшает потери и позволяет использовать ферриты в ВЧ, СВЧ и даже в оптическом диапазоне частот.

Классическим металлическим магнито-мягким материалом является сплав пермаллой (Fе + Ni). Сравнение этого сплава с ферритом (рис. 88, непрерывная линия – , штриховая – tg), показывает явное преимущество, феррит в большом диапазоне частот имеет практически постоянную магнитную проницаемость, в ряде случаев более высокие характеристики и лучшую технологичность. 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 радиочастотном (РЧ) диапазоне, имеют округлую петлю гистерезиса (ОПГ) и соотношение В_r/В_m = 0,3–0,6 (рис. 89).

Рис. 88. Зависимость электромагнитных характеристик материалов от рабочей частоты: 1 – феррит;2– пермаллой	Рис. 89. Округлая петля гистерезиса

Высокое значение максимальной индукции В_m в сочетании с низкой остаточной В_r позволяет использовать эти материалы в импульсных трансформаторах. К ферритам с ОПГ относятся две группы: Мn–Zn и Ni–Zn. Промышленность выпускает около 60 марок таких ферритов с диапазоном магнитной проницаемости 5–15000, используемых в различных радиотехнических устройствах на частотах 1 кГ–1 ГГц. Для Мn–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  = _н (1 + _аН), где _н – начальная магнитная проницаемость; _а – коэффициент амплитудной нестабильности в области линейного участка зависимости  от Н; Н – напряженность магнитного поля.

В слабых полях  возрастает линейно с Н. Для различных материалов интервал этих полей разнообразен: от единиц А/м для  = 10 000 до тысяч А/м для  = 10. Индукция, возбуждаемая в ферритах в этих полях, составляет 0,05–0,10 Тл. Соотношение индукции В, намагниченности J и магнитной проницаемости  для ферритов с ОПГ показано на рис. 90.

В,J, 

Рис. 90. Кривая намагничивания

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.

Главное требование к ферритам с ОПГ – достижение максимальной  и минимальных потерь при наименьших напряженностях магнитных полей. Этим требованиям могут отвечать Мn–Zn и Ni–Zn-ферриты, имеющие одинаковую начальную . Однако первые обладают рядом преимуществ: у них меньше потери, лучше термостабильность, выше температура точки Кюри и др. В то же время Ni–Zn-ферриты обладают более высокой максимальной , 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 Мn–Zn, сильно структурно-чувствительные материалы. Доминирующую роль в формировании структуры и электромагнитных параметров играют ионы Fе и Мn, обладающие явлением полиморфизма, которое усложняет технологию производства материалов. Не решены полностью вопросы оснащения технологии специальным оборудованием и аппаратурой.

Мn–Zn-ферриты подразделяются на две группы. К первой относятся ферриты системы Fе₂O₃–МnО–ZnО, не содержащие других оксидов и специальных добавок. Они предназначены для работы в диапазоне частот до нескольких сот килогерц в тех случаях, когда не предъявляются повышенные требования к температурной стабильности _н и она не контролируется. Это ферриты 6000НМ, 4000НМ, 2500НМС, 2000НМ и др. В марке цифра указывает значение _н; 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 их состав дополнительно вводят присадки СоО, ТiO₂ 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, 1500НМ3, 1000НМ3, 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 РЧ ферритов принято несколько показателей: начальная магнитная _н; магнитные потери (измеряемые в полях 0,8 и 8 А/м) tg/_н, магнитная индукция В; относительный температурный коэффициент начальной магнитной проницаемости _н в интервале температур от –70 до +155°С; потери на гистерезисе; параметры петли гистерезиса; температура точки Кюри _к.