鐵氧體材料在抗EMI和隱身(吸波)材料中應用

詹群

(中國傳媒大學，北京 100024)

1 引言

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

2 鐵氧體材料的結構和特點

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，通過固相反應形成的晶體結構有尖晶石型(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。可分為Mn －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、矩磁和壓磁等數類;不同的鐵氧體材料有不同特性，可滿足電子領域不同的應用需要，如矩磁應用存儲，壓磁用于超聲波、聲納，硬磁應用于電機、楊聲器，旋磁用于微波器件，而軟磁是應用最廣的材料，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率μ高、電阻率ρ高、品質因素Q高、矯頑力Hc低，大功率使用時有穩定或負溫度系數αμ;可作為電感，應用在諧振、濾波電路;作為能量轉換、匹配、隔離，應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率頻譜效應特性，做成屏蔽、濾波、吸收元件，應用于信號回路等。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，應用于到現代醫學，生物工程，隱身(吸波)材料等領域。另外鐵氧體材料易成形加工，可制成各種形狀磁性器件，以滿足不同應用需要。

3 鐵氧體材料在抗電磁干擾(EMI)中應用

隨著多媒體技術、數字網絡、移動通信、計算機、程控交換機的發展，辦公數字化日益普及，應用數字電路和開關電源的電子產品向高頻、高速、高組裝密度發展，電子線路也越來越復雜，以前在電子線路設計中很少出現的電磁干擾和電磁兼容性問題，現在已成了主要問題而凸現出來，為保證電子系統高效、可靠、穩定運行，電磁兼容(EMC)和抗電磁干擾(EMI)已成為設計者重要工作，并逐步形成產品質量標準，也為鐵氧體材料的應用和發展帶來的新機遇。

由Mn－Zn、Ni－Zn或復合 Ni－Cu －Zn等鐵氧體材料做成環形、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，使電子設備達到電磁兼容的相應標準。工作時在結構上相當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)與頻率特性，在電路中抑制和吸收高頻傳導干擾信號，從而達到抗EMI的作用。其原理為:當將磁芯插入線圈中(假設忽略線圈的損耗)，則該線圈的復數阻抗可表示為:

式中:角頻率 ω =2πf;磁導率 μ = μ'－jμ″;其中:μ'磁芯磁導率實部，表征磁性材料所儲藏的能量大小即構成電感。μ″磁芯磁導率虛部，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系。如圖1所示:

在截止頻率以下，μ'＞μ″，阻抗主要由 μ'貢獻，

圖1 軟磁鐵氧體R10K磁芯的復磁導率(μ'、μ″)與頻率變化曲線

而當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。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，直到由于分布參數影響，構成了低阻抗通道，引起材料μ″下降，阻抗才會達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，實際上應用卻是一個正比于頻率變化的電阻(在應用頻段)。由此看出當導線穿過鐵氧體磁芯時，所構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用機理是完全不同的，這正是鐵氧體材料所持有的特征之一。所以適當的選取鐵氧體材料的應用頻率和磁導率值，使其工作在需要的范圍顯得尤為重要。

依據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)領域，有用于通訊設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。在開關電源應用中為了避免開關噪聲污染電源網絡，在電源輸入端使用鐵氧體濾波器，因開關噪聲是共模信號，所以采用電流補償原理，為避免磁芯飽和，在磁芯上繞制兩組匝數相等的反接串聯線圈，使負載電流產生的磁場相互抵消，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用于使用高頻開關電源的計算機、程控交換機、電源整流器等領域。

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領域。Ni－Zn、Cu－Zn鐵氧體材料電阻抗高，衰減域寬，可達1－750MHz，可制成寬頻域濾波器和抗射頻干擾(RFI)器件，用于各種有源設備數據連線、扁線數據線及電源插孔、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，能在雷達應用波段有效吸收、散射，投射到它表面的雷達電磁波，從而起到隱身作用，有資料報道美國B－2隱身轟炸機和TR－1高空偵察機都部分使用了鐵氧體材料作為吸波涂層，許多地面偽裝也都使用了隱身材料。各軍事強國也都在爭先恐后的加緊研制、生產隱身材料裝備部隊;在民用方面減少電磁輻射危害已成為人們共識，各種應用層出不窮。作為應用于吸波的鐵氧體材料，無論在現代軍事裝備和民用應用上都稱得上是應用最多、使用最廣的吸波材料。

吸波材料的主要功能是使進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，以達到降低雷達反射面的目的，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，又是磁性介質，有一定的介電常數和磁導率，又有介電損耗和磁損耗的雙復介質，其機理可概理解為，鐵氧體作為電介質靠其在電磁場中的反復極化損耗能量，而作為磁介質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，達到吸收電磁波的目的。當鐵氧體介質有損耗時，相對磁導率εr和相對介電常數μr可用復數表示:

式中:實部表征材料的儲能;虛部表征材料的損耗。因此復介電常數虛部和復磁導率虛部越大，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率的頻散曲線

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

另一方面從傳輸線理論可知:當電磁波由自由空間垂直射到介質表面時的反射系數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:介質波阻抗Z0:自由空間波阻抗;μr、μ0分別是介質和自由空間的相對磁導率;εr、ε0分別是介質和自由空間的相對介電常數。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構，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，最大吸收為16.5dB，最小吸為8dB。

隨著納米技術的發展，鐵氧體材料的納米特征也逐漸顯現出來，由于納米粒子的尺寸遠小于電磁波的波長，電磁波的透過率也遠高于一般吸波材料。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，成為主要的吸波機制;達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鐵氧體涂層的雷達波反射率圖正說明了這點。

圖4 納米和微米級Mn－Zn鐵氧體涂層的雷達波反射率

由共振原理可知:當鐵磁物質受到互相垂直的恒定磁場H或內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;產生鐵磁共振或自然共振吸收現象，這也說明鐵氧體材料的共振吸收現象，與外加的加恒定磁場和鐵氧體材料的內場有關。所以筆者認為:要想獲得多的吸收頻譜和高的吸收帶寬，就必須以現有的技術合理選擇復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理，特別是納米吸波材料的應用機理目前還很不完善，這主要是電磁波所通過介質并非均勻和線性，納米級鐵氧體磁性介質不但對電磁波產生折射，同時也會有反射、散射、衍射和極化等現象發生，研究這些現象有助于為鐵氧體吸波材料性能提高帶來新的手段。

5 結束語:

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

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