ИЗМЕРЕНИЯ СВОЙСТВ ШЕРРИТОВ ДЛЯ СВЧ
Основными параметрами, характеризующими свойства ферритов на СВЧ, являются компоненты тензора магнитной проницаемости р и диэлектрическая проницаемость е. Техника измерения этих параметров сложна, связана с громоздким расчетным аппаратом и, что самое существенное, переход от полученных величин к интегральным, результирующим параметрам ферритовых деталей, применяемых в конкретных устройствах, затруднителен и не отличается высокой точностью. Поэтому обычно основными являются измерения параметров ферритовых вкладышей в реальных волноводных конструкциях. К таким измерениям относятся измерения угла поворота плоскости поляризации, затухания электромагнитной энергии при прохождении через феррит, фазового сдвига и некоторых других параметров.
Поскольку результирующее взаимодействие феррита с распространяющейся через него электромагнитной волной зависит не только от самого феррита, но и от параметров волноводной системы, а также от геометрии ферритового вкладыша, то полученная таким образом информация весьма ограниченно характеризует феррит как материал. Всегда существует вероятность того, что, сделав отрицательное заключение о феррите, не определили оптимальную геометрию устройства.
Методы и аппаратура, применяемые для измерений на СВЧ, очень своеобразны [JI. 48]. В настоящей книге нет возможности подробно рассматривать эти вопросы, поэтому ограничимся только некоторыми примерами, которые позволят получить общее представление об этой области измерений.
Измерение угла поворота плоскости поляризации А 9П {град) осуществляется по измерению ориентации эпюры поля электромагнитной волны, прошедшей через участок волновода с ферритом. Измерения производят на установке, принципиальная блок-схема которой изображена на рис. 103.
Для обеспечения требуемой точности измерений порядка ±2° специальные элементы круглого волновода и переходы должны обладать хорошей симметричностью и не вносить заметных отражений в тракт. С этой же целью в схему вводятся развязывающие вентили.
Рис. 103. Блок-схема установки для измерения угла поворота плоскости поляризации: 1— СВЧ генератор; 2 — вентиль; 3— волномер; 4 — аттенюатор; 5 — измерительная линия; 6 — индикатор; 7 — волновод с испытуемым ферритом; 8 — электромагнит; 9 — вращающийся волновод с лнмбом; 10 — детекторная секция; 11 — индикатор;
12 — переход с прямоугольного на круглый волновод
При измерениях может быть использована стандартная аппаратура: в трехсантиметровом диапазоне — генератор типа 51-И или ГС-624; волномер типа 35-ИМ; измерительная линия типа ИВЛУ-140 или 33-И; индикатор типа 28-И; измеритель малой мощности типа ВИМ-1; измеритель большой мощности типа ИМ-4; прочие элементы из комплекта измерительной аппаратуры типа 52-И. В десятисантиметровом диапазоне может быть использован генератор типа ГС-38 или ГСС-27; волномер типа ВСТ-10; измерительная линия типа Р1-11; индикатор типа 28-И; измеритель малой мощности типа ИММ-5; измеритель большой мощности типа ИМ-4; прочие элементы из комплекта измерительной аппаратуры типа ЭО-1.
Вначале (до установки испытуемого образца), поворачивая вращающийся волновод 9 с детекторной секцией, замечают положение 9i, соответствующее максимальным показаниям индикатора 11. Затем, установив испытуемый образец и нужное подмагничивающее поле, определяют новое положение 02, соответствующее максимальной амплитуде электрического поля. Величина угла поворота плоскости поляризации определяется разностью отсчетов по лимбу
Д9П = 62 - Oj.
Хорошие ферриты обеспечивают угол поворота, равный 45°, при подмагничивающем поле порядка десятка эрстед и менее и потерях 0,1—0,2 дб.
Измерение затухания р(дб) осуществляется определением затухания электромагнитной волны, прошедшей через участок волновода с ферритом и производится на установке, принципиальная блок-схема которой изображена на рис. 104, методом сравнения или замещения с помощью калиброванного аттенюатора. При измерениях используется стандартная измерительная аппаратура, указанная выше.
Вначале (без измеряемого образца феррита) с помощью калиброванного аттенюатора 9 устанавливают и отмечают по индикатору 11 некоторый начальный уровень мощности. Затем устанавливают волновод с ферритом, требуемое намагничивающее поле и с помощью того же аттенюатора 9 восстанавливают
Рис. 104. Блок-схема установки для измерения потерь:
1 — СВЧ генератор; 2 — вентиль; 3 — волномер; 4 — аттенюатор; 5 — измерительная линия; 6—индикатор; 7 — волновод с испытуемым ферритом; 8 — электромагнит; 9 — калиброванный аттенюатор; 10 — детектор; И — индикатор
Начальные показания индикатора 11. Величину потерь определяют по разности показаний |3 = Pi—рг аттенюатора 9. Измерительная линия используется для контроля отражений от феррита с целью учета потерь на отражение р0, которые определяются по формуле
Р0= LOlg(l-r),
Где Г—коэффициент отражения от феррита по мощности.
Схема позволяет измерять средние и высокие потери от 0,5—1,0 дб и выше.
Для измерения малых потерь порядка 0,1—0,2 дб идея метода остается той же, т. е. сравнение сигналов, проходящих через пустой волновод и волновод с ферритовым образцом, но для повышения чувствительности применяются балансные или дифференциальные схемы. Такая схема, например, изображена на рис. 105.
В этой схеме на дифференциальном трансформаторе 13 происходит вычитание сигналов, поступающих из плеча III и из идентичных плеч I и II, поочередно подключаемых с помощью переключателей 9. В начале измерения (до установки испытуемого образца) при изображенном на рисунке положении I переключателей 9, схему балансируют с помощью аттенюаторов 4. Затем, установив измеряемый образец, нужное подмагничи-
вающее поле и заметив показания индикатора 11, переключают переключатели 9 в положение II. Далее с помощью калиброванного аттенюатора 12 определяют измеряемые потери. Схема обеспечивает точность измерений не ниже 3—5%.
Рис. 105. Блок-схема установки для измерения малых потерь:
1 — СВЧ генератор; 2—вентиль; 3— волномер; 4— аттенюатор; 5 — измерительная линия; 6 — индикатор; 7 — волновод с испытуемым ферритом; 8 — электромагнит; 9 — переключатель; 10 — детекторная секция; 11 — индикатор; 12 — калиброванный аттенюатор; 13 — дифференциальный трансформатор
Измерение фазового сдвига А<р (град) осуществляется сравнением фазы электромагнитной волны, проходящей через волновод с ферритом, с постоянной фазой волны произвольной точки тракта до испытуемого волновода. Измерения могут осуществляться двумя способами: в режиме бегущей волны и в режиме стоячей волны[84].
|
6 |
8 |
|
|
1 |
1 |
|
|
5J— |
7 |
В первом случае измерения производят на установке, принципиальная блок-схема которой изображена на рис. 106.
В измерительной линии 5, нагруженной на согласованную нагрузку 10, устанавливается бегущая волна, поле которой характеризуется постоянной амплитудой и линейным изменением фазы, равным
= т—Л/ [град. эл], (104)
^в
Где - j фазовая постоянная, град, эл/см;
Лв
А, ц — волноводная длина волны, см; АI — перемещение вдоль линии, см. На детекторе 9 измерительной линии происходит смешение сигналов, поступающих непосредственно от генератора помимо
Участка с ферритом и прошедшего участок волновода с ферритом. В начале измерения до установки в волновод испытуемого образца феррита, перемещая зонд измерительной линии, по минимальной индикации определяют положение точки, в которой фазы складываемых сигналов будут противоположными. Затем, установив феррит и требуемое подмагничивающее поле, отыскивают новое положение этой точки. Смещение А/ этой точки дает искомый сдвиг фазы волны, прошедшей через феррит.
Рис. 106. Блок-схема установки для измерения сдвига фазы методом бегущей волны: 1 — СВЧ генератор; 2 — вентиль; 3 — волномер; 4 -+- аттенюатор; 5 — измерительная линия, переделанная для фазовых измерений; 6 — индикатор; 7 — волновод с испытуемым ферритом; 8 — электромагнит; 9 — детектор измерительной линнн; 10 — согласованная нагрузка
Второй способ рекомендуется тогда, когда отсутствует специально переделанная для фазовых измерений измерительная линия или такая переделка вообще нежелательна, например в миллиметровом диапазоне.
В этом случае измерения производят на установке, блок-схема которой изображена на рис. 107. В измерительной линии 5, питаемой с обоих концов сигналами, один из которых проходит участок с ферритом, происходит их сложение и устанавливается стоячая волна. Методика измерения идентична методике режима бегущей волны, а искомый фазовый сдвиг определяется выражением
Д<р = 2 — М [град. эл\. (105)
Обозначения в выражении (105) те же, что и в (104), а коэффициент 2 вызван удвоением скорости изменения фазы, определяемым наличием двух волн. Для повышения точности все отсчеты по измерительной линии производятся методом «вилки». Точность измерения составляет 2—4°.
Рис. 107. Блок-схема установки для измерения сдвига фазы методом стоячей воды:
1 — СВЧ генератор; 2 — вентиль; 3 — волномер; 4 — аттенюатор; 5 — измерительная линия; 6 — индикатор; 7 — волновод с испытуемым ферритом; 8 — электромагнит
Измерение магнитной и диэлектрической проницаемостей, тангенса угла магнитных и диэлектрических потерь, ширины резонансной кривой и величины порогового поля. Известно много методов измерения этих параметров, но наибольшее распространение получили волноводные и резонаторные методы измерения. Принцип их заключается в том, что исследуемый мате
риал заполняет частично или полностью волновод или резонатор. Измерения сводятся к измерениям таких высокочастотных параметров, как волновое сопротивление, постоянная распространения, коэффициент отражения, собственная частота резонатора и др.
Усовершенствованием этой методики явилось применение для измерения параметров ферритов стандартных измерителей диэлектриков, например типа 36-И.
Измерения параметров ферритов на высоком уровне СВЧ мощности является обязательным для всех ферритов, используемых в устройствах, работающих при повышенной мощности. Принципы измерения остаются в основном теми же. Но так как стандартная измерительная аппаратура для измерений на высоком уровне мощности отсутствует, то в схеме применяются так называемые направленные ответвители, которые ответвляют в измерительную цепь очень незначительную часть мощности основного тракта (например, Ю-6).
Измерение температурных параметров, статических магнитных параметров и влияния механических факторов на свойства ферритов. Важными параметрами, определяющими качество феррита, являются его температурные свойства. Эти свойства не только непосредственно определяют условия работы феррита с точки зрения температуры окружающей среды, но и играют решающую роль для устройств высокого уровня мощности, в которых ферритовые вкладыши находятся в особо тяжелых условиях из-за значительной величины рассеиваемой в них СВЧ мощности.
Измерение зависимости свойств ферритов для СВЧ от температуры осуществляются обычными методами с помощью образцов из исследуемого материала, например, в форме колец, помещаемых в специальный термостат.
Эти измерения, в противоположность большей части предшествующих измерений, предоставляют достоверные сведения о свойствах самого материала. Однако, как и в случае измерения высокочастотных параметров, обязательно проводятся температурные исследования ферритовых деталей в реальных конструкциях. Это замечание относится и к проведению прочих климатомеханических испытаний ферритов.
В заключение можно отметить, что перечисленные параметры и их измерения далеко не исчерпывают область измерений свойств ферритов для СВЧ. Значительное число параметров, например, параметры ферромагнитного и естественного резонанса, магнитокристаллографической анизотропии, компонент тензора магнитной и диэлектрической проницаемости, являются предметом обширной области специальных измерений свойств СВЧ ферритов. Однако в большинстве случаев разработок практически ограничиваются измерениями, рассмотренными выше.
[1] Единицы системы СГСМ в области магнитных явлений совпадают с единицами системы СГС (системы Гаусса).
[2] В дальнейшем при пересчетах примем, что 1 э = 80 а/м.
[3] Обычно говорят «магнитная проницаемость».
[4] Часто пользуются понятием «ампервиток».
[5] Подробнее см. в [Л. М—15 и др.].
[6] Магнитным моментом, создаваемым ядром атома, практически можно пренебречь.
[7] Здесь и далее под спинами понимают спиновые магнитные моменты.
[8] Обычная полировка не позволяет выявить домены из-за наличия в образце наклепа.
[9] Или зависимости J — [(H).
[10] Ландау Л. Д. Sow. Phys. 4,675 (1933).
[11] Shul С. and Smart J„ Phys, Rev. 76, 1256 (1949).
[12] Эту точку иногда называют точкой Нееля.
[13] Известны также и другие ферриты, например феррит одновалентного металла лития.
[14] См., например, [Л. 13, стр. 231].
[15] В дальнейшем симметричную петлю будем называть петлей гистерезиса.
[16] Потери, отнесенные к 1 кг массы, называются удельными потерями.
[17] Слово «нормальная» принято опускать.
[18] Подробно этот вопрос рассмотрен, например, в [Л. 6].
[19] См. по этому вопросу в журнале «Заводская лаборатория», 1963.
[20] Строго говоря, намагниченность насыщения Js зависит и от величины поля.
[21] При нерацнонализоваином виде уравнений в системе СГСМ.
[22] Например, в электромагнитных приборах пермаллой для сердечников подвижной части применяют прежде всего вследствие малой величины Нс, а не из-за легкости намагничивания.
[23] Немагнитные стали и чугуны не рассматриваются.
[24] Название складывается из первых букв названия фирмы «American Rolling Mill Company», впервые начавшей выпускать этот материал.
[25] Для железа р = 0,1 ом ■ мм2/м.
[26] Gertz М„ Journ. Appl. Phys., v. 22, 1951, N. 7.
[27] Goss, Trans. Am. Soc. Met., 1935, N. 23, p. 511—544.
[28] Незначительное упорядочение кристаллитов и связанная с этим анизотропия свойств наблюдается и при горячей прокатке-
[29] Проблемы производства и применения электротехнических сталей. Материалы совещания. Свердловск, 1960.
[30] Всего ГОСТ 802—58 и ГОСТ 9925—61 предусматривает выпуск сталей 31 марки.
[31] ГОСТ 10160—62. Сплавы железоникелевые с высокой магнитной проницаемостью. Срок введения 1 /VII 1963 г.
[32] Селисский Я. П. и Матвеев Г. А. Магнитная проницаемость некоторых материалов в слабых нолях звуковой и надзвуковой частоты. «Электричество». 1948, № 9.
[33] Например, для сплавов 79НМ и 80НХС выше 1100° С [JI. 25].
[34] Пример заимствован и і [Л. 3],
[35] Эффективной (действующей) магнитной проницаемостью Цэфф называется отношение эффективных (действующих) значений магнитной индукцни и напряженности магнитного поля.
[36] Аналогичным путем вводят понятия температурного коэффициента магнитной индукции, коэрцитивной силы и т. п.
[37] Обратимая проницаемость определяется для фиксированного значения
А В
Постоянного поля из выражения Mr"—Т7, (пРи Д//->- 0).
[38] Polder D„ The Proc. of the Inst, of Elect. Eng., p. 2, v. 97, 1950, April, N. 56, p. 246.
[39] См., например, Матвеев Г. А. и Хомич В. И. Катушки с ферритовыми сердечниками. Госэнергоиздат, 1962; Алпатов Н. И. Ферриты в электронных схемах. Воениздат, 1962.
[40] Можно применять шаровые мельницы, однако это значительно удлиняет процесс.
[41] Евсеев В. И. Некоторые вопросы технология изготовления ферритов. Труды Первой межвузовской конференции по современной технике диэлектриков и полупроводпиков. Ленинград, 1957.
[42] В самое последнее время некоторые ТУ нормируют эти свойства.
[43] Бойко В. Ф. ЖФХ, 1952, стр. 32, № 1.
4 А. А. Преображенский
[44] Си го № 006 имеет 10 000 отверстий на I см2.
[45] Часто вместо понятия V пользуются коэффициентом заполнения Р, равным в процентном выражении (100—V%).
[46] Эгот вопрос рассмотрен, например, в [Л. 7].
[47] Гордон А. В. и Сливинская А. Г. Электромагниты постоянного тока. Гос энергоиздат, 1960.
[48] В схематическом виде эта диаграмма была построена в 1933 г. Кестером.
[49] Обозначение «р-фазы» было введено Брэдли и Тейлором для фаз с решеткой объемноцентрированного куба.
[50] На рис. 63 вместо (ВН) шах представлена пропорциональная ей величина Вг Н с ■
[51] Немецкий стандарт на материалы для постоянных магнитов (ЈWV17410, проект) даже нормализирует этот метод, предусматривая маркировку сплавов одного и того же состава буквой «К» (с повышенной Нс) или буквой «R» с повышенной ВГ).
[52] ГОСТ 9575—60 рассмотрен в конце данного параграфа.
[53] Остальное железо.
^ А. А. Преображенский
[54] До последнего времени кремний использовался в сплаве АНК для повышения Н с. Однако этот сплав содержит много никеля (33%) и в настоящее, время вытесняется другими марками.
[55] Eveling D. a. Burr A., Jcurn. of Metals, v. 5, 1953, N. 4, p. 537.
[56] Например, АНК—алюминий, никель, кремний; АНКо4 — алюминий, никель, кобальт; 4 — четвертая марка, отличающаяся от других подобных марок процентным содержанием кобальта.
[57] Стоимость 1 кг сплава ЮНД4 равна 1,55 руб., сплава ЮНДКІ5 — 6,6 руб. и сплава ІОНДК24—10 руб.
[58] Шекалов А. А. Новые материалы для постоянных магнитов. Изд-во ЛДНТП, 1960.
[59] Альтман А. Б. Физика металлов и металловедение, т. 4, 1957, № 1.
[60] Иногда применяют жидкие связки.
[61] Пейн Т. Магнитные свойства мелких частиц. Сб. «Магнитные свойства металлов и сплавов». Изд-во иностр. лит-ры, 1961.
[62] В самое последнее время начали применять сухое прессование магнитов БА при высоких удельных давлениях без органического пластификатора.
[63] Для БА кривые возврата для точек выше (ВН) шах совпадают с кривой размагничивания, а для точек ниже (ВЯ)шах идут параллельно.
[64] Данные приведены для стали EX.
[65] Martin D. L. and Geisler А. Н. Journal Appl. Phys., 1952, 24, p. 498.
[66] Иногда этот параметр называют относительной остаточной индукцией.
[67] В самое последнее время для ряда ма, рок ферритовых сердечников приняты новые обозначения. Число, стоящее перед буквами, соответствует коэрцитивной силе материала в эрстедах. Например, сердечник из материала ВТ-1 обозначается 1,ЗВТ.
[68] Магнитооптические явления подробно рассмотрены, например, в [Л. 37].
[69] В настоящем параграфе индекс «0» означает величины, относящиеся к
[70] Практически на СВЧ требование малости hf в большинстве случаев удовлетворяется.
[71] Баллистический, мостовой и осциллографический методы являются разновидностями инд> кционного.
[73] Эффект Холла наблюдается также и для проводников, но для них он весьма мал.
[74] При низких частотах возможны измерения и в сравнительно больших полях.
[75] Для образцов с отношением длины к диаметру больше 500—100 поправка на коэффициент размагничивания составляет десятые доли процента и ею в большинстве случаев можно пренебречь.
[76] Дружинин В. В. [и др.]. Аппарат для измерения удельных потерь и магнитной индукции электротехнической стали на целых листах. «Вестник электропромышленности», 1958, № 7.
[77] Режим термической обработки указан в приложении к ГОСТ 10160—62.
8 А. А. Преображенский
[78] Чернышева Н. Г. Установка для испытаний образцов ферромагнитных материалов в диапазоне частот 20 кгц — 1 Мгц. Труды ВНИИМ. Стандарт - гиз, i960, вып. 43 (103).
[79] См., например, Грохольский А. Л. Исключение поірешности измерителя добротности типа КВ-1. «Измерительная техника», 1960, № 10.
[80] Высокочастотный пермеаметр для испытания ферритовых сердечников. Экспресс-информация Сер. «Контрольно-измерительная техника», вып. 34 (№ 130—133), 1958, IX.
[81] Ягола Г. К. и Чернышев Е. Т. Определение коэрцитивной силы в разомкнутой магнитной цепи. Труды ВНИИМ, вып. 18 (34), 1938.
[82] Ферротестер разработан в Новочеркасском политехническом институте.
[83] Офснгендсн Р. Г. и Серман В. 3. Автомат для сортировки ферритовых сердечников. Сб. «Вопросы вычислительной техники», ГИТТЛ, 1961.
[84] Режим бегущей волны соответствует работе генератора на согласованную нагрузку, когда в линии распространяется только одна волна, «бегущая» в сторону нагрузки. В противоположность этому режим, при котором в линии имеют место отражения, т. е. распространяются две взаимно противоположные волны, называется режимом стоячей волны.
