詹群

(中國傳媒大學(xué)，北京 100024)

1 引言

鐵氧體材料作為電子工業(yè)基礎(chǔ)材料，由于具有獨(dú)特電磁性能，無論在模擬時代還是數(shù)字化時代都找到了自己的立足之地;隨著應(yīng)用領(lǐng)域數(shù)字化技術(shù)蓬勃興起，新材料開發(fā)，新興領(lǐng)域的拓展和新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用，使鐵氧體材料(特別是軟磁鐵氧體材料)找到了更廣闊的應(yīng)用前景，當(dāng)今鐵氧體材料正以它的獨(dú)有特性推動著電子工業(yè)和國防建設(shè)持續(xù)不斷的向前發(fā)展。

2 鐵氧體材料的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

鐵氧體材料是以Fe2O3為主成分的亞鐵磁性氧化物，采用陶瓷工藝方法生產(chǎn)，通過固相反應(yīng)形成的晶體結(jié)構(gòu)有尖晶石型(MFe2O4)、磁鉛石型(MFe12O19)、石榴石型(R3Fe5O12)(M指離子半徑與Fe2+相近的二價金屬離子，R為稀土元素)等?？煞譃镸n －Zn、Ni－Zn、Mn － Mg、Ni－ Cu － Zn 、CO2Z、YIG系;按用途不同又可分為軟磁、硬磁、旋磁、矩磁和壓磁等數(shù)類;不同的鐵氧體材料有不同特性，可滿足電子領(lǐng)域不同的應(yīng)用需要，如矩磁應(yīng)用存儲，壓磁用于超聲波、聲納，硬磁應(yīng)用于電機(jī)、楊聲器，旋磁用于微波器件，而軟磁是應(yīng)用最廣的材料，有代表的為Mn－Zn(錳鋅)、Ni－Zn(鎳鋅)軟磁鐵氧體材料，它在較低頻段有起始磁導(dǎo)率μ高、電阻率ρ高、品質(zhì)因素Q高、矯頑力Hc低，大功率使用時有穩(wěn)定或負(fù)溫度系數(shù)αμ;可作為電感，應(yīng)用在諧振、濾波電路;作為能量轉(zhuǎn)換、匹配、隔離，應(yīng)用于大功率高頻電子變壓器中等。在高頻段利用損耗與磁導(dǎo)率頻譜效應(yīng)特性，做成屏蔽、濾波、吸收元件，應(yīng)用于信號回路等。在更高的頻段，利用鐵氧體材料的疇壁位移共振和自然共振吸收特性，應(yīng)用于到現(xiàn)代醫(yī)學(xué)，生物工程，隱身(吸波)材料等領(lǐng)域。另外鐵氧體材料易成形加工，可制成各種形狀磁性器件，以滿足不同應(yīng)用需要。

3 鐵氧體材料在抗電磁干擾(EMI)中應(yīng)用

隨著多媒體技術(shù)、數(shù)字網(wǎng)絡(luò)、移動通信、計算機(jī)、程控交換機(jī)的發(fā)展，辦公數(shù)字化日益普及，應(yīng)用數(shù)字電路和開關(guān)電源的電子產(chǎn)品向高頻、高速、高組裝密度發(fā)展，電子線路也越來越復(fù)雜，以前在電子線路設(shè)計中很少出現(xiàn)的電磁干擾和電磁兼容性問題，現(xiàn)在已成了主要問題而凸現(xiàn)出來，為保證電子系統(tǒng)高效、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，電磁兼容(EMC)和抗電磁干擾(EMI)已成為設(shè)計者重要工作，并逐步形成產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，也為鐵氧體材料的應(yīng)用和發(fā)展帶來的新機(jī)遇。

由Mn－Zn、Ni－Zn或復(fù)合 Ni－Cu －Zn等鐵氧體材料做成環(huán)形、管形、片形或磁珠元件，專門用于抑制信號線、電源線上的噪聲和尖峰干擾，具有吸收靜電脈沖能力，使電子設(shè)備達(dá)到電磁兼容的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。工作時在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于一個繞線或穿心的磁芯線圈，利用磁芯的阻抗(等效電路為一個電感和一個電阻串聯(lián))與頻率特性，在電路中抑制和吸收高頻傳導(dǎo)干擾信號，從而達(dá)到抗EMI的作用。其原理為:當(dāng)將磁芯插入線圈中(假設(shè)忽略線圈的損耗)，則該線圈的復(fù)數(shù)阻抗可表示為:

式中:角頻率 ω =2πf;磁導(dǎo)率 μ = μ'－jμ″;其中:μ'磁芯磁導(dǎo)率實(shí)部，表征磁性材料所儲藏的能量大小即構(gòu)成電感。μ″磁芯磁導(dǎo)率虛部，表征磁性材料所消耗的能量即損耗。

若:ωL0μ″=R(等效于電阻)

ωL0μ'=X(等效于電抗)

則:Z=R+jX

式中:阻抗|Z|與頻率 f與成正比;由下圖 μ'、μ″與頻率變化曲線圖可看出μ'、μ″與頻率變化呈非線性關(guān)系。如圖1所示:

在截止頻率以下，μ'＞μ″，阻抗主要由 μ'貢獻(xiàn)，

圖1 軟磁鐵氧體R10K磁芯的復(fù)磁導(dǎo)率(μ'、μ″)與頻率變化曲線

而當(dāng)工作頻率超過材料的截止頻率以后，μ'開始下降到一定程度以后變化逐漸緩慢，此時阻抗主要由μ″貢獻(xiàn)。并且由于阻抗與角頻率ω成正比，μ'下降對阻抗的降低效果小于f上升對阻抗的升高效果，因此隨f的提高，阻抗仍在不斷升高，直到由于分布參數(shù)影響，構(gòu)成了低阻抗通道，引起材料μ″下降，阻抗才會達(dá)到峰值后開始緩慢下降。如圖2所示:

圖2 不同鐵氧體材料的阻抗與頻率變化曲線

顯然對于低頻有用的信號，磁芯線圈雖然μ'高，但μ″低，僅相當(dāng)于一個有低阻抗、低損耗、高μQ特性的電感器，此時阻抗很小，有用信號很容易通過(典型的低通濾波器);但隨著頻率升高，μ'降低，導(dǎo)致磁芯線圈電感量減小，也是感抗成分減小，但這時μ″卻快速增加，電阻成分增加，總的阻抗增加，高頻電磁干擾信號被鐵氧體以電阻形式吸收，并以熱能的形式耗散掉，避免了干擾信號的反射，此時鐵氧體磁芯僅是一個隨頻率變化的功率消耗元件;在電子電路中磁芯雖然顯示為電感，實(shí)際上應(yīng)用卻是一個正比于頻率變化的電阻(在應(yīng)用頻段)。由此看出當(dāng)導(dǎo)線穿過鐵氧體磁芯時，所構(gòu)成的感抗在形式上是隨著頻率的升高而增加，但是在不同頻率時其應(yīng)用機(jī)理是完全不同的，這正是鐵氧體材料所持有的特征之一。所以適當(dāng)?shù)倪x取鐵氧體材料的應(yīng)用頻率和磁導(dǎo)率值，使其工作在需要的范圍顯得尤為重要。

依據(jù)以上原理利用鐵氧體材料特有的特性，在抗電磁干擾(EMI)及電磁兼容(EMC)領(lǐng)域，有用于通訊設(shè)備的片式超小型疊層型電感器、集成有電容器的薄膜片式電感器等。在開關(guān)電源應(yīng)用中為了避免開關(guān)噪聲污染電源網(wǎng)絡(luò)，在電源輸入端使用鐵氧體濾波器，因開關(guān)噪聲是共模信號，所以采用電流補(bǔ)償原理，為避免磁芯飽和，在磁芯上繞制兩組匝數(shù)相等的反接串聯(lián)線圈，使負(fù)載電流產(chǎn)生的磁場相互抵消，從而使共模信號被電感的阻抗所阻斷。這類濾波器被廣泛應(yīng)用于使用高頻開關(guān)電源的計算機(jī)、程控交換機(jī)、電源整流器等領(lǐng)域。

以不同鐵氧體材料如Mn－Zn、Ni－Zn、Mn－Mg、Cu－Zn系等制成各種抗EMI、電磁兼容(EMC)器件可應(yīng)用在不同的場合:Mn－Zn鐵氧體材料電阻率較低，但有高的磁導(dǎo)率，大量用于電流不大的EMI濾波的共模、差模線圈或低頻段的抗EMI領(lǐng)域。Ni－Zn、Cu－Zn鐵氧體材料電阻抗高，衰減域?qū)?，可達(dá)1－750MHz，可制成寬頻域濾波器和抗射頻干擾(RFI)器件，用于各種有源設(shè)備數(shù)據(jù)連線、扁線數(shù)據(jù)線及電源插孔、電源線等抗EMI。

4 鐵氧體材料在隱身材料中應(yīng)用

鐵氧體材料作為隱身材料又可稱之吸波材料的一種，能在雷達(dá)應(yīng)用波段有效吸收、散射，投射到它表面的雷達(dá)電磁波，從而起到隱身作用，有資料報道美國B－2隱身轟炸機(jī)和TR－1高空偵察機(jī)都部分使用了鐵氧體材料作為吸波涂層，許多地面?zhèn)窝b也都使用了隱身材料。各軍事強(qiáng)國也都在爭先恐后的加緊研制、生產(chǎn)隱身材料裝備部隊;在民用方面減少電磁輻射危害已成為人們共識，各種應(yīng)用層出不窮。作為應(yīng)用于吸波的鐵氧體材料，無論在現(xiàn)代軍事裝備和民用應(yīng)用上都稱得上是應(yīng)用最多、使用最廣的吸波材料。

吸波材料的主要功能是使進(jìn)入材料的電磁波通過吸收、散射和干涉等多種途徑，將電磁波能量轉(zhuǎn)換成其他形式能量，從而使材料表面的電磁波反射大大減少，以達(dá)到降低雷達(dá)反射面的目的，按其工作原理吸波材料可分為干涉型和吸收型等。

作為吸波材料的鐵氧體材料，既是電介質(zhì)，又是磁性介質(zhì)，有一定的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，又有介電損耗和磁損耗的雙復(fù)介質(zhì)，其機(jī)理可概理解為，鐵氧體作為電介質(zhì)靠其在電磁場中的反復(fù)極化損耗能量，而作為磁介質(zhì)又可利用鐵氧體材料的疇壁位移共振和自然共振吸收特性，達(dá)到吸收電磁波的目的。當(dāng)鐵氧體介質(zhì)有損耗時，相對磁導(dǎo)率εr和相對介電常數(shù)μr可用復(fù)數(shù)表示:

式中:實(shí)部表征材料的儲能;虛部表征材料的損耗。因此復(fù)介電常數(shù)虛部和復(fù)磁導(dǎo)率虛部越大，損耗就越大，吸收的電磁波也就越多。

圖3 典型鐵氧體材料磁導(dǎo)率的頻散曲線

圖3所示μ'(磁導(dǎo)率實(shí)部)和μ″(磁導(dǎo)率虛部)隨頻率變化曲線，5個區(qū)域說明了μ″隨頻率變化的損耗特性，在不同階段吸收機(jī)理各不同，鐵氧體吸波材料正是利用了磁性材料在高頻下?lián)p耗和磁導(dǎo)率的頻散來吸收電磁波能量的，其吸波機(jī)理正是利用了高頻段第三、第四區(qū)產(chǎn)生的疇壁位移和自然共振吸收特點(diǎn)。

另一方面從傳輸線理論可知:當(dāng)電磁波由自由空間垂直射到介質(zhì)表面時的反射系數(shù)R:

鐵氧體吸波材料對電磁波的反射損耗Rr表示，單位是dB

式中:Z:介質(zhì)波阻抗Z0:自由空間波阻抗;μr、μ0分別是介質(zhì)和自由空間的相對磁導(dǎo)率;εr、ε0分別是介質(zhì)和自由空間的相對介電常數(shù)。由此可見μr、εr是鐵氧體吸波材料的兩個極為重的參量。在應(yīng)用時要選擇合理選擇μr、εr的值才能滿足R最小。

一般來說片狀是吸波材料的最佳形狀，在立方晶系尖晶石型和六角晶系磁鉛石型等鐵氧體吸波材料中，六角晶系磁鉛石型鐵氧體具有片狀結(jié)構(gòu)，另外由于六角晶系磁鉛石型鐵氧體還具有較高的磁晶各向異性等效場，其自然共振頻率較高，所以具有更出色高頻吸波性能，是最佳的吸波性能材料之一。有資料表明，六角晶型鐵氧體吸波材料在8～12GHz的頻段內(nèi)，最大吸收為16.5dB，最小吸為8dB。

隨著納米技術(shù)的發(fā)展，鐵氧體材料的納米特征也逐漸顯現(xiàn)出來，由于納米粒子的尺寸遠(yuǎn)小于電磁波的波長，電磁波的透過率也遠(yuǎn)高于一般吸波材料。而磁性材料的單疇特性使其有較高的矯頑力，造成大的磁滯損耗，成為主要的吸波機(jī)制;達(dá)到納米尺寸的磁性粒子比表面積大、表面原子比例高、活性鍵增多，形成多重界面極化和多重散射，實(shí)驗說明納米粒度越小，其吸波效能越高，圖4由王立群等人所做的納米和微米級Mn－Zn鐵氧體涂層的雷達(dá)波反射率圖正說明了這點(diǎn)。

圖4 納米和微米級Mn－Zn鐵氧體涂層的雷達(dá)波反射率

由共振原理可知:當(dāng)鐵磁物質(zhì)受到互相垂直的恒定磁場H或內(nèi)部等效場與高頻磁場h共同作用時:ω =ω0式中:ω0=?H0;?為旋磁比;ω0共振角頻率，H0直流磁場與各有效場之和;產(chǎn)生鐵磁共振或自然共振吸收現(xiàn)象，這也說明鐵氧體材料的共振吸收現(xiàn)象，與外加的加恒定磁場和鐵氧體材料的內(nèi)場有關(guān)。所以筆者認(rèn)為:要想獲得多的吸收頻譜和高的吸收帶寬，就必須以現(xiàn)有的技術(shù)合理選擇復(fù)合吸波材料的層間配置，才能得到最佳的吸波效果。對于鐵氧體材料吸波材料的微觀機(jī)理，特別是納米吸波材料的應(yīng)用機(jī)理目前還很不完善，這主要是電磁波所通過介質(zhì)并非均勻和線性，納米級鐵氧體磁性介質(zhì)不但對電磁波產(chǎn)生折射，同時也會有反射、散射、衍射和極化等現(xiàn)象發(fā)生，研究這些現(xiàn)象有助于為鐵氧體吸波材料性能提高帶來新的手段。

5 結(jié)束語:

鐵氧體材料發(fā)展已有幾十年歷史，從音頻到微波領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛，本文只是列舉了典型應(yīng)用，若要更深入地了解鐵氧體材料的應(yīng)用機(jī)理，還需各種學(xué)科的相互融入、滲透，相信在未來隨著科技的進(jìn)步，鐵氧體材料還會有更為廣闊的應(yīng)用前景。

［1］ 蘇樺，張懷武，唐曉莉.抗EMI磁性濾波器原理·應(yīng)用·展望［J］.磁性材料及器件，2004，(10).

［2］ 何水校.錳鋅鐵氧體材料的未來發(fā)展動向［J］.磁性材料及器件，2001.

［3］ 丁世敬，葛德彪，黃劉宏.電磁吸波材料中的阻抗匹配條件［J］.電波科學(xué)學(xué)報，2009，(12).

［4］ 余聲明.磁性吸波材料與應(yīng)用［J］.國際電子變壓器，2009，(11).

［5］ 孟新強(qiáng).國外雷達(dá)隱身和紅外隱身技術(shù)的發(fā)展動向與分析(續(xù))［J］.飛航導(dǎo)彈，2005，(7)

［6］ 王立群，宿杰，何聚，周嚴(yán)，余大書.Mn－Zn鐵氧體納米晶體的制備及吸波性能研究［J］.天津師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007，(6).