铁氧体材料在抗EMI和隐身(吸波)材料中应用

2011-03-13詹群

中国传媒大学学报(自然科学版) 2011年2期

詹群

(中国传媒大学，北京 100024)

1 引言

铁氧体材料作为电子工业基础材料，由于具有独特电磁性能，无论在模拟时代还是数字化时代都找到了自己的立足之地;随着应用领域数字化技术蓬勃兴起，新材料开发，新兴领域的拓展和新技术、新工艺的应用，使铁氧体材料(特别是软磁铁氧体材料)找到了更广阔的应用前景，当今铁氧体材料正以它的独有特性推动着电子工业和国防建设持续不断的向前发展。

2 铁氧体材料的结构和特点

铁氧体材料是以Fe2O3为主成分的亚铁磁性氧化物，采用陶瓷工艺方法生产，通过固相反应形成的晶体结构有尖晶石型(MFe2O4)、磁铅石型(MFe12O19)、石榴石型(R3Fe5O12)(M指离子半径与Fe2+相近的二价金属离子，R为稀土元素)等。可分为Mn －Zn、Ni－Zn、Mn － Mg、Ni－ Cu － Zn 、CO2Z、YIG系;按用途不同又可分为软磁、硬磁、旋磁、矩磁和压磁等数类;不同的铁氧体材料有不同特性，可满足电子领域不同的应用需要，如矩磁应用存储，压磁用于超声波、声纳，硬磁应用于电机、杨声器，旋磁用于微波器件，而软磁是应用最广的材料，有代表的为Mn－Zn(锰锌)、Ni－Zn(镍锌)软磁铁氧体材料，它在较低频段有起始磁导率μ高、电阻率ρ高、品质因素Q高、矫顽力Hc低，大功率使用时有稳定或负温度系数αμ;可作为电感，应用在谐振、滤波电路;作为能量转换、匹配、隔离，应用于大功率高频电子变压器中等。在高频段利用损耗与磁导率频谱效应特性，做成屏蔽、滤波、吸收元件，应用于信号回路等。在更高的频段，利用铁氧体材料的畴壁位移共振和自然共振吸收特性，应用于到现代医学，生物工程，隐身(吸波)材料等领域。另外铁氧体材料易成形加工，可制成各种形状磁性器件，以满足不同应用需要。

3 铁氧体材料在抗电磁干扰(EMI)中应用

随着多媒体技术、数字网络、移动通信、计算机、程控交换机的发展，办公数字化日益普及，应用数字电路和开关电源的电子产品向高频、高速、高组装密度发展，电子线路也越来越复杂，以前在电子线路设计中很少出现的电磁干扰和电磁兼容性问题，现在已成了主要问题而凸现出来，为保证电子系统高效、可靠、稳定运行，电磁兼容(EMC)和抗电磁干扰(EMI)已成为设计者重要工作，并逐步形成产品质量标准，也为铁氧体材料的应用和发展带来的新机遇。

由Mn－Zn、Ni－Zn或复合 Ni－Cu －Zn等铁氧体材料做成环形、管形、片形或磁珠元件，专门用于抑制信号线、电源线上的噪声和尖峰干扰，具有吸收静电脉冲能力，使电子设备达到电磁兼容的相应标准。工作时在结构上相当于一个绕线或穿心的磁芯线圈，利用磁芯的阻抗(等效电路为一个电感和一个电阻串联)与频率特性，在电路中抑制和吸收高频传导干扰信号，从而达到抗EMI的作用。其原理为:当将磁芯插入线圈中(假设忽略线圈的损耗)，则该线圈的复数阻抗可表示为:

式中:角频率 ω =2πf;磁导率 μ = μ'－jμ″;其中:μ'磁芯磁导率实部，表征磁性材料所储藏的能量大小即构成电感。μ″磁芯磁导率虚部，表征磁性材料所消耗的能量即损耗。

若:ωL0μ″=R(等效于电阻)

ωL0μ'=X(等效于电抗)

则:Z=R+jX

式中:阻抗|Z|与频率 f与成正比;由下图 μ'、μ″与频率变化曲线图可看出μ'、μ″与频率变化呈非线性关系。如图1所示:

在截止频率以下，μ'＞μ″，阻抗主要由 μ'贡献，

图1 软磁铁氧体R10K磁芯的复磁导率(μ'、μ″)与频率变化曲线

而当工作频率超过材料的截止频率以后，μ'开始下降到一定程度以后变化逐渐缓慢，此时阻抗主要由μ″贡献。并且由于阻抗与角频率ω成正比，μ'下降对阻抗的降低效果小于f上升对阻抗的升高效果，因此随f的提高，阻抗仍在不断升高，直到由于分布参数影响，构成了低阻抗通道，引起材料μ″下降，阻抗才会达到峰值后开始缓慢下降。如图2所示:

图2 不同铁氧体材料的阻抗与频率变化曲线

显然对于低频有用的信号，磁芯线圈虽然μ'高，但μ″低，仅相当于一个有低阻抗、低损耗、高μQ特性的电感器，此时阻抗很小，有用信号很容易通过(典型的低通滤波器);但随着频率升高，μ'降低，导致磁芯线圈电感量减小，也是感抗成分减小，但这时μ″却快速增加，电阻成分增加，总的阻抗增加，高频电磁干扰信号被铁氧体以电阻形式吸收，并以热能的形式耗散掉，避免了干扰信号的反射，此时铁氧体磁芯仅是一个随频率变化的功率消耗元件;在电子电路中磁芯虽然显示为电感，实际上应用却是一个正比于频率变化的电阻(在应用频段)。由此看出当导线穿过铁氧体磁芯时，所构成的感抗在形式上是随着频率的升高而增加，但是在不同频率时其应用机理是完全不同的，这正是铁氧体材料所持有的特征之一。所以适当的选取铁氧体材料的应用频率和磁导率值，使其工作在需要的范围显得尤为重要。

依据以上原理利用铁氧体材料特有的特性，在抗电磁干扰(EMI)及电磁兼容(EMC)领域，有用于通讯设备的片式超小型叠层型电感器、集成有电容器的薄膜片式电感器等。在开关电源应用中为了避免开关噪声污染电源网络，在电源输入端使用铁氧体滤波器，因开关噪声是共模信号，所以采用电流补偿原理，为避免磁芯饱和，在磁芯上绕制两组匝数相等的反接串联线圈，使负载电流产生的磁场相互抵消，从而使共模信号被电感的阻抗所阻断。这类滤波器被广泛应用于使用高频开关电源的计算机、程控交换机、电源整流器等领域。

以不同铁氧体材料如Mn－Zn、Ni－Zn、Mn－Mg、Cu－Zn系等制成各种抗EMI、电磁兼容(EMC)器件可应用在不同的场合:Mn－Zn铁氧体材料电阻率较低，但有高的磁导率，大量用于电流不大的EMI滤波的共模、差模线圈或低频段的抗EMI领域。Ni－Zn、Cu－Zn铁氧体材料电阻抗高，衰减域宽，可达1－750MHz，可制成宽频域滤波器和抗射频干扰(RFI)器件，用于各种有源设备数据连线、扁线数据线及电源插孔、电源线等抗EMI。

4 铁氧体材料在隐身材料中应用

铁氧体材料作为隐身材料又可称之吸波材料的一种，能在雷达应用波段有效吸收、散射，投射到它表面的雷达电磁波，从而起到隐身作用，有资料报道美国B－2隐身轰炸机和TR－1高空侦察机都部分使用了铁氧体材料作为吸波涂层，许多地面伪装也都使用了隐身材料。各军事强国也都在争先恐后的加紧研制、生产隐身材料装备部队;在民用方面减少电磁辐射危害已成为人们共识，各种应用层出不穷。作为应用于吸波的铁氧体材料，无论在现代军事装备和民用应用上都称得上是应用最多、使用最广的吸波材料。

吸波材料的主要功能是使进入材料的电磁波通过吸收、散射和干涉等多种途径，将电磁波能量转换成其他形式能量，从而使材料表面的电磁波反射大大减少，以达到降低雷达反射面的目的，按其工作原理吸波材料可分为干涉型和吸收型等。

作为吸波材料的铁氧体材料，既是电介质，又是磁性介质，有一定的介电常数和磁导率，又有介电损耗和磁损耗的双复介质，其机理可概理解为，铁氧体作为电介质靠其在电磁场中的反复极化损耗能量，而作为磁介质又可利用铁氧体材料的畴壁位移共振和自然共振吸收特性，达到吸收电磁波的目的。当铁氧体介质有损耗时，相对磁导率εr和相对介电常数μr可用复数表示:

式中:实部表征材料的储能;虚部表征材料的损耗。因此复介电常数虚部和复磁导率虚部越大，损耗就越大，吸收的电磁波也就越多。

图3 典型铁氧体材料磁导率的频散曲线

图3所示μ'(磁导率实部)和μ″(磁导率虚部)随频率变化曲线，5个区域说明了μ″随频率变化的损耗特性，在不同阶段吸收机理各不同，铁氧体吸波材料正是利用了磁性材料在高频下损耗和磁导率的频散来吸收电磁波能量的，其吸波机理正是利用了高频段第三、第四区产生的畴壁位移和自然共振吸收特点。

另一方面从传输线理论可知:当电磁波由自由空间垂直射到介质表面时的反射系数R:

铁氧体吸波材料对电磁波的反射损耗Rr表示，单位是dB

式中:Z:介质波阻抗Z0:自由空间波阻抗;μr、μ0分别是介质和自由空间的相对磁导率;εr、ε0分别是介质和自由空间的相对介电常数。由此可见μr、εr是铁氧体吸波材料的两个极为重的参量。在应用时要选择合理选择μr、εr的值才能满足R最小。

一般来说片状是吸波材料的最佳形状，在立方晶系尖晶石型和六角晶系磁铅石型等铁氧体吸波材料中，六角晶系磁铅石型铁氧体具有片状结构，另外由于六角晶系磁铅石型铁氧体还具有较高的磁晶各向异性等效场，其自然共振频率较高，所以具有更出色高频吸波性能，是最佳的吸波性能材料之一。有资料表明，六角晶型铁氧体吸波材料在8～12GHz的频段内，最大吸收为16.5dB，最小吸为8dB。

随着纳米技术的发展，铁氧体材料的纳米特征也逐渐显现出来，由于纳米粒子的尺寸远小于电磁波的波长，电磁波的透过率也远高于一般吸波材料。而磁性材料的单畴特性使其有较高的矫顽力，造成大的磁滞损耗，成为主要的吸波机制;达到纳米尺寸的磁性粒子比表面积大、表面原子比例高、活性键增多，形成多重界面极化和多重散射，实验说明纳米粒度越小，其吸波效能越高，图4由王立群等人所做的纳米和微米级Mn－Zn铁氧体涂层的雷达波反射率图正说明了这点。

图4 纳米和微米级Mn－Zn铁氧体涂层的雷达波反射率

由共振原理可知:当铁磁物质受到互相垂直的恒定磁场H或内部等效场与高频磁场h共同作用时:ω =ω0式中:ω0=ɣH0;ɣ为旋磁比;ω0共振角频率，H0直流磁场与各有效场之和;产生铁磁共振或自然共振吸收现象，这也说明铁氧体材料的共振吸收现象，与外加的加恒定磁场和铁氧体材料的内场有关。所以笔者认为:要想获得多的吸收频谱和高的吸收带宽，就必须以现有的技术合理选择复合吸波材料的层间配置，才能得到最佳的吸波效果。对于铁氧体材料吸波材料的微观机理，特别是纳米吸波材料的应用机理目前还很不完善，这主要是电磁波所通过介质并非均匀和线性，纳米级铁氧体磁性介质不但对电磁波产生折射，同时也会有反射、散射、衍射和极化等现象发生，研究这些现象有助于为铁氧体吸波材料性能提高带来新的手段。