МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ФЕРРИТЫ ДЛЯ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ (СВЧ)

Успехи, достигнутые за последние годы в технике СВЧ, бы­ли бы немыслимы без применения ферритов. Только благодаря им удалось создать устройства, обладающие свойством невзаим­ности, т. е. такие, которые ведут себя по-разному для волн, рас­пространяющихся через них в противоположных направлениях; стало возможным осуществить устройства, параметры которых можно изменять с помощью внешнего управляющего магнитно­го ПОЛЯ и т. д.

Диапазон СВЧ ох­ватывает интервал час­тот от сотен до десят­ков тысяч мегагерц (гигагерц), т. е. диапа­зон волн длиною от десятков сантиметров до миллиметров.

\||||( ^ | . . I I I I I '

[K^JJItilb

--Магнитные силовые линии

—— Электрические сшюбые линии

Рис. 80. Основные типы волноводов н струк­тура электромагнитного поля в ннх: а — коаксиальный, б — круглый, в — прямоуголь­ный

Для передачи элек­тромагнитной энергии такой частоты приме­няются волноводы — полые металлические трубы различной кон­фигурации, чаще всего с прямоугольной или круглой формой попе­речного сечения. На рис. 80 представлены основные типы волно­водов и структура поля в них. Электромагнит­ная энергия передает­ся такими волновода­ми различной формой
колебаний, которые характеризуются соответствующей структу­рой электрического и магнитного полей и поляризацией. Плоско­стью поляризации называется плоскость, в которой происходят колебания вектора электрического (магнитного) поля, совпада­ющая с направлением распространения энергии.

Особенности применения магнитных материалов на СВЧ со­стоят, во-первых в том, что на СВЧ особенно сильно проявляет­ся зависимость свойств магнитного материала от частоты внеш­него магнитного поля. Именно на сантиметровых волнах в фер­ромагнитном материале можно наблюдать вращение плоскости поляризации волны (эффект Фарадея) и другие подобные маг­нитооптические явления [68]. Во-вторых, в том, что ферромагнит­ный материал, заполняя волновод, является средой, сквозь ко­торую электромагнитная энергия распространяется, т. е. имеет место непосредственная связь магнитного материала и поля. Причем в этом случае характер происходящих явлений опреде­ляется не только свойствами магнитного материала, но и свой­ствами волновода.

Выше было указано, что основная особенность ферритов как магнитного материала состоит в их чрезвычайно высоком удельном электрическом сопротивлении (для СВЧ ферритов по­рядка 106—1010 ом-см). Благодаря этому ненамагниченный ферритовый материал, заполняя волновод, не вносит практиче­ски никаких электрических потерь и является как бы прозрач­ным для электромагнитной энергии, не препятствуя ее распро­странению. Эта особенность, в свою очередь, придает другое характерное ферритам свойство — сравнительно высокую диэлектрическую проницаемость (є = 6—20). Оба эти свойства существенно влияют на условия распространения электромаг­нитной волны в феррите.

Важнейшим свойством ферритов, определяющим их уни­кальное поведение на СВЧ, является магнитная проницаемость. Магнитная проницаемость ферритов в диапазоне СВЧ опреде­ляется гироскопическими свойствами электронов.

В § 2 было указано, что под действием постоянного внешне­го поля Но[69] электроны в атоме совершают дополнительное дви­жение, прецессируя вокруг направления Н0. В результате этого возникает момент AM, действующий навстречу внешнему полю (теорема Лармора). Наложение переменного магнитного_ поля hf, перпендикулярного Но, вызывает прецессию вектора М0 вок­руг Н0 с частотой to, называемой частотой ферромагнитного ре­зонанса, и приводит к появлению вектора переменной намагни­ченности /. Рассматривая спин как элементарную частицу, обла­дающую электрическим и магнитным моментами, можно опи­сать движение элементарного магнитного момента выражением

•Ж=~Т [7Я]. (73)

Где m — магнитный момент спина;

Н — суммарное эффективное поле, действующее на магнит­ный момент частицы;

7 — гиромагнитное отношение, представляющее собой от­ношение магнитного момента атома к его механиче­скому моменту.

Умножив обе части выражения на число рассматриваемых элементарных частиц в единице объема, получим уравнение Ландау—Лившица _

= (74)

Где / — макроскопическая намагниченность вещества, т. е. маг­нитный момент, отнесенный к единице объема.

Более подробный анализ показывает, что однородное пере­менное поле hf достаточно малой амплитуды[70], приложенное к намагниченному до насыщения ферриту, создает переменную намагниченность, линейно зависящую от поля

Т= х hf, (75)

Где и — магнитная восприимчивость, которая не зависит от ам­плитуды переменного поля, но зависит от частоты это­го поля и величины постоянного подмагничивающего поля.

Наиболее важными особенностями магнитной восприимчиво­сти я в данном случае являются тензорный характер х и резо­нансная зависимость ее компонентов от величины постоянного поля Но или круговой частоты (О переменного ПОЛЯ.

Особый интерес представляет частный случай поперечного магнитного поля с круговой поляризацией. Результаты анализа показывают, что для этого случая магнитная восприимчивость и, следовательно, магнитная проницаемость являются скаляр­ными величинами.

Магнитная проницаемость определяется для двух взаимно противоположных направлений вращения вектора поля следу­ющим выражением:

Где р0—магнитная постоянная.

Выражение (76) показывает, что прецессирующие спины ферромагнетика оказывают различное воздействие на распрост­раняющуюся волну в зависимости от соотношения между нап­равлениями вращения магнитных моментов и направлением распространения волны и при некоторой частоте to = (о0. для волны правого вращения имеет место резонанс.

Рис. 81. Зависимости li±

Характер зависимости сохраняется, если считать, что меня­ется не частота, а поле. Это положение иллюстрируется завиои-

През

Рис. 82. Зависимость по­терь поглощения от нап­ряженности магнитного поля

Мостями р. ± = f(H), изображенными на рис. 81. Величину Ярез, при которой имеет место резонанс, можно вычислить по фор­муле

Яре,= —. (77)

Таким образом, свойства феррита зависят от того, насколь­ко близка частота воздействующего переменного поля к резо­нансной частоте wo - Именно на СВЧ практически осуществимы условия равенства частоты внешнего воздействующего поля ре­зонансному. Если в волноводе расположить образец феррита и воздействовать на него постоянным магнитным полем, то элект­ромагнитная волна, распространяющаяся по волноводу, будет испытывать различное поглощение в зависимости от величины to. В частности, максимальное поглощение (потери Р) будет при (О = (Орез (рис. 82).

Описанные выше свойства магнитной проницаемости ц± при­водят к ряду явлений, которые используются в технике СВЧ.

Познакомимся с некоторыми устройствами СВЧ, основан­ными на использовании свойств ферритов.

Рассмотрим круглый волновод с аксиально намагниченным расположенным по его оси цилиндрическим ферритовым стерж­нем. Предполагается, что ферритовый стержень незначительно искажает структуру поля в волноводе, поэтому исходная ли­нейная волна может быть разложена на две волны круговой по­ляризации, имеющих противоположное направление вращения. Таким образом, феррит намагничивается постоянным полем перпендикулярно плоскости круговой поляризации переменного поля, поэтому обе составляющие будут распространяться с раз­личными скоростями, вследствие чего результирующая линей-

2

Иис. 83. Схематическое устройство вентиля, осно­ванного на использовании эффекта Фарадея

Ная волна на выходе из феррита будет поляризована под неко­торым углом к первоначальному направлению. Величина угла поворота Д0П зависит от длины феррита и эффективных диэлек­трической и магнитной проницаемостей среды, а направление этого поворота определяется только направлением приложен­ного поля Я и не зависит от того, распространяется ли электро­магнитная волна в направлении магнитного поля или в проти­воположном направлении. Это явление называется эффектом Фарадея и может быть положено в основу действия целого ряда устройств.

На рис. 83 дана схема вентиля, основанного на использова­нии эффекта Фарадея. Вентиль, или изолятор, — устройство, ко­торое беспрепятственно пропускает электромагнитную энергию в одном направлении и не пропускает в противоположном. Вер­тикально линейно поляризованная волна на входе 1 волновода, пройдя участок с ферритом, окажется повернутой на некоторый угол (например, равный 45°) и если выход 2 волновода соответ­ствует такой поляризации, то волна беспрепятственно выйдет из
устройства. Волна же, распространяющаяся в обратном направ­лении, повернется на тої же угол 45° в том же направлении и, пройдя участок с ферритом, окажется повернутой на 90° относи­тельно своего первоначального положения и ориентации входно­го волновода. В таком случае поляризации волны и волновода не соответствуют друг другу, и энергия не может распростра­няться в волновод 1. Электромагнитная волна будет поглощать­ся поглотительной пластиной 3, и вход 1 окажется изолирован­ным для этого направления распространения энергии.

На основе эффекта Фарадея могут быть созданы также пере­ключающие, модулирующие и прочие устройства. С точки зре­ния взаимной ориентации внеш­него намагничивающего поля и направления распространения электромагнитной энергии фер - ритовые устройства делятся на устройства с продольным и попе­речным полем. Рассмотренное устройство относится к типу фер­ритовых устройств с продольным полем.

Не менее широкое примене­ние находят устройства с попе­речным полем, выполняемые, как правило, на прямоугольных вол­новодах. Простейшими из них являются невзаимный фазовра­щатель и резонансный вентиль.

Невзаимный фазовращатель называется так из-за различия (по величине и знаку) фазовых сдвигов, вносимых им для двух противоположных направлений распространения электромаг­нитной энергии.

Максимальное взаимодействие между электромагнитной энергией и прецессирующими спинами имеет место в том слу­чае, когда внешнее намагничивающее поле перпендикулярно плоскости круговой поляризации СВЧ магнитного поля и нап­равления вращения этого поля и спинов совпадают.

Рис 84. Схематическое устрой­ство вентиля, основанного на использовании эффекта резо­нансного поглощения:

/ — волновод; 2—ферригсвая пла­стина; 3 — постоянный магнит

Если рассмотреть картину СВЧ магнитного поля в прямо­угольном волноводе (см. рис. 80), которое имеет только компо­ненты в плоскости X—Y (hx и hy), то можно увидеть, что суще­ствует некая плоскость ОО, в которой они равны, т. е. имеет место круговая поляризация поля (эта плоскость в волноводе называется плоскостью круговой поляризации). Поэтому, если ферритовую пластину поместить в плоскости круговой поляриза­ции и намагничивать так, чтобы направление прецессии совпа - 7*
дало с направлением распространения электромагнитной энер­гии, то будет иметь место сильное взаимодействие и наоборот.

Резонансный вентиль представляет собой прямоугольный волновод с соответствующим образом установленной феррито - вой пластиной (рис. 84). Магнитное поле регулируется для по­лучения ферромагнитного резонанса. В этом случае для одного (обратного) направления СВЧ поля, совпадающего с вращени­ем спинов, будет иметь место большое поглощение, для проти­воположного (прямого) •— малое. Такие вентили имеют очень большое вентильное отношение, или выигрыш, определяемое,

Как отношение потерь энергии в обоих направлениях В = -^2.

^пр

И достигающее величины порядка нескольких сотен.

Невзаимный, или необратимый, фазовращатель также осно­ван на различии магнитной проницаемости для двух направле­ний вращения круговой поляризации или направлений распро­странения (см. рис. 81). Это различие приводит соответственно к увеличению или к уменьшению фазовых постоянных для двух противоположных направлений распространения. Разница по фазе, или так называемый дифференциальный (невзаимный) фазовый сдвиг пропорционален длине участка с ферритом. Уст­ройство с дифференциальным фазовым сдвигом, равным 180°, называется гиратором. Фазовращатель характеризуется доброт­ностью, равной отношению фазового сдвига к вносимым поте­рям:

0 = -^ \град Р I дб.'

Хорошие фазовращатели имеют Q ~ 500—800. Величина вносимого дифференциального сдвига зависит от параметров феррита, внешнего магнитного поля и параметров волноводной системы.

С применением ферритов на СВЧ были разработаны еще де­сятки самых разнообразных устройств, рассмотрение которых не входит в задачи настоящей книги (см. в [J1. 36; 38 и 39]).

Требования, предъявляемые к ферритам для СВЧ, определя­ются конкретным назначением устройства, в котором этот мате­риал предполагается использовать, и условиями его работы. Это зачастую приводит к тому, что к ферритам, работающим в различных участках диапазона СВЧ, предъявляются требова­ния, существенно различные, а иногда и взаимно противореча­щие. Это значительно усложняет требования к ферритам. Фер - ритовые детали, применяемые в СВЧ, характеризуются:

1) активностью, т. е. величиной минимального намагничива­ющего поля, необходимого для обеспечения требуемого эффек­та (фазового сдвига, поворота плоскости поляризации); жела­тельно, чтобы активность была наибольшей;

Потерями, которые складываются из электрических и маг­нитных потерь в феррите; желательно, чтобы потери были мини­мальными;

Температурными свойствами, определяющими зависи­мость магнитных свойств феррита от температуры; желательна стабильность свойств в большем интервале температур.

Исходя из этого, к ферритам предъявляются следующие ос­новные требования:

Высокое удельное объемное электрическое сопротивление (108—1011 ом-см), что обеспечивает небольшие электрические потери;

Высокая плотность материала, что способствует уменьше­нию магнитных потерь за пределами ферромагнитного ре­зонанса;

Высокая активность материала, которую можно характе­ризовать величиной антисимметричного компонента тензора магнитной проницаемости;

Высокая температура Кюри, что способствует расшире­нию температурного диапазона;

Высокая температурная стабильность, что определяет ра­бочий интервал температур;

Дополнительные специфические требования, предъявля­емые к ферритам конкретным назначением устройства. Напри­мер, величина так называемого «порогового» поля для уст­ройств, работающих на очень больших уровнях СВЧ мощности, под которым понимают максимальное магнитное поле высокой частоты, выше которого начинают проявляться нелинейные эф­фекты в феррите.

В коротковолновой части СВЧ диапазона (при волнах по­рядка 3—5 см) поставленные требования выполнить сравни­тельно легко. Поэтому наиболее оснащенным ферритовыми уст­ройствами оказался именно сантиметровый участок диапазона СВЧ, в котором применяют магниймарганцевые, никельмедные и некоторые другие типы ферритов.

По мере увеличения длины волны трудности создания СВЧ ферритов существенно возрастают. Это связано в первую оче­редь с уменьшением .невзаимных эффектов при ферромагнитном резонансе и ростом магнитных потерь в феррите, что можно проиллюстрировать следующим примером.

Выигрыш В для резонансного вентиля определяется форму­лой

(78)

Которая показывает, что с уменьшением частоты вентильное от­ношение (выигрыш) быстро падает. Так, например, если задать­ся шириной кривой поглощения, например, равной 250 э, то по­
лучим следуюшие значения выигрыша в различных точках диа­пазона:

/104\2

При к = 3 см; В = 2,04 Ы = 3264;

А, = 30 см; В = 2,04 /-V = 32,64.

[250/

Это положение может быть исправлено только применением материалов с узкой резонансной кривой.

Дополнительные трудности возникают за счет роста магнит­ных потерь в ферритах. Это связано с тем, что резонансное по­ле с увеличением длины вол­ны уменьшается и феррит мо­жет оказаться ненамагничен - ным до насыщения. При этом возможно перекрытие области резонансных потерь во внеш­нем поле с областью потерь в малых полях (рис. 85).

Теоретически потери в сла­бых полях имеют место в не­полностью намагниченном ма­териале при частотах до

«Max = 7 (Яа + 4ТГJs), (79)

Где #а — поле анизотропии; Js— намагниченность на­сыщения.

Это условие определяет для длинного края диапазона СВЧ требование выбора феррита с меньшей величиной Js.

Таким образом, можно сформулировать следующие требова­ния к ферритам длинноволнового участка СВЧ диапазона:

Малая ширина резонансной кривой 2Д# для получения не­обходимых величин вентильного отношения;

Малая величина Js для уменьшения потерь в слабых магнитных полях.

Наиболее пригодными ферритами для этих целей являются ферриты-алюминаты и хромиты (например, марки ХМ-1, ХМ-3), обладающие низкой намагниченностью (4я/в~500 гс).

Заметного улучшения качества ферритов-алюминатов можно добиться введением небольших добавок меди. Это снижает тем­пературу спекания, улучшает воспроизводимость ферритов и по­вышает температуру Кюри.

Деидметродье волны

„ Нижние 11 /штаты і vсантиметра і \ Ъого диапазона

Верхние частоты сантиметро - дого диапазона

Внутреннее машічщое те

Рис. 85. Зависимость потерь в фер­рите от внутреннего магнитного поля:

1 — резонансные потерн; 2 — потери в слабых полях

Весьма перспективными материалами для длинноволнового участка СВЧ диапазона являются разработанные в последнее время монокристаллы ферритов, отличающиеся узкой резонанс­ной кривой. Например, ширина кривой монокристалла никеле­вого феррита равна 50 э [Л. 7]. Еще больший интерес представ­
ляют в этом отношении ферриты со структурой гранатов. Поли­кристаллические гранаты имеют такую же ширину кривой, как и монокристалл никелевого феррита, но более низкую намагни­ченность насыщения. У монокристаллов иттриевого граната ши­рина линии равна всего лишь нескольким эрстедам, а иногда и менее эрстеда [Л. 7]. Температура Кюри всех феррогранатов одного порядка и является сравнительно высокой (200— 300° С).

При разработке ферритов для миллиметрового участка СВЧ диапазона проблемы приобретают уже иной характер, опреде­ляемый спецификой этих условий. Для частот этого участка ди­апазона и соответствующих напряженностей резонансного поля, которые имеют очень большие значения, доменная структура ферритов вообще исчезает и потери, обусловливаемые их приро­дой, отсутствуют. Основные требования к ферритам в этом слу­чае ограничиваются требованием высокого электрического соп­ротивления и малой магнитокристаллической анизотропии. Этим требованиям могут удовлетворить многие ферриты, в част­ности никельцинковые и марганеццинковые. Присадкой меди к никельцинковым ферритам можно увеличить их плотность, чем значительно снижается анизотропия. Присадкой кобальта, име­ющего положительную анизотропию, также можно добиться аналогичного результата.

Основной трудностью для устройств резонансного типа явля­ются реально осуществимые поля, необходимые для достиже­ния резонанса, значения которых достигают величин порядка 10-5-100 кгс. Интересные возможности в этом направлении от­крывает использование бариевых ферритов (см. § 23), облада­ющих сильным внутренним полем анизотропии (до 17 000 э при намагниченности около 5000 гс). Для работы в условиях резо­нанса на четырехмиллиметровых волнах требуется дополни­тельное внешнее поле около 8000 гс. Некоторые из этих матери­алов, обладающие внутренним полем анизотропии до 28 000 з, могут позволить сконструировать устройство для трехмилли­метровых волн.

Технология изготовления ферритов для СВЧ принципиально ничем не отличается от обычной технологии изготовления»и об­работки ферритов (см. § 14). Лишь одно обстоятельство вносит специфический оттенок в технологию производства ферритов для СВЧ: малейшее неточное выполнение технологического про­цесса может существенно сказаться на свойствах материала. Например, по данным некоторых зарубежных фирм полезный выход ферритового материала для СВЧ составляет 10—20% в партии. Особенно высокие требования предъявляются к исход­ному сырью и режимам обжига.

Весьма перспективным для получения деталей больших раз­меров и с повышенной плотностью является метод гидростати­ческого прессования. В этом случае шихта загружается в рези­новый карман, который помещается в резервуар масляного на­соса. Существенными преимуществами этого метода по сравне­нию с прессованием в пресс-формах является то, что давление на деталь распределяется равномерно и достигает нескольких тысяч атмосфер. Этот метод имеет большое будущее, особенно для изготовления ферритов дециметрового диапазона, где имен­но и необходимы указанные выше качества.

В связи со все большим применением в технике СВЧ монок­ристаллов ферритов и ферритов со структурой гранатов, рас­смотрим кратко особенности технологии производства этих ма­териалов.

В практике изготовления монокристаллов ферритов приме­няются два метода: выращивание монокристаллов в расплаве и пламенно-водородный метод (метод Вернейля).

Первый метод заключается в выращивании монокристаллов в расплавленном растворителе. Растворители должны иметь низкую температуру плавления и особую летучесть. В расплав­ленном состоянии они должны хорошо растворять исходные окислы, но не сам феррит, и легко отделяться от выращенных монокристаллов. Известны различные рецепты подобных раст­ворителей. Технологический процесс заключается в следующем. Шихту составляют из растворителя и исходных компонентов феррита. После тщательного перемешивания она подвергается нагреванию и охлаждению по соответствующему температурно- временному режиму. После охлаждения монокристалл отделя­ется. Таким образом, могут быть получены образцы размером до нескольких миллиметров.

Второй метод заключается в выращивании монокристаллов в кислородно-водородном пламени кристаллизационного аппа­рата. В этом случае шихта равномерно подается через зону пла­мени горелки на жаропрочную подложку-свечу. На свече снача­ла образуется конус из спеченных частиц, а затем из вершины конуса вырастает монокристалл. По мере роста монокристалла свеча с помощью механизма постепенно опускается. Для выра­щивания ориентированных монокристаллов на свечу устанавли­вают еатравку в виде соответственно ориентированного осколка монокристалла. Таким образом, можно выращивать более круп­ные образцы диаметром до 10—15 мм, длиной 50—80 мм и более. Высокое качество получаемых монокристаллов опреде­ляется в первую очередь высокой степенью чистоты исходных материалов. Ферриты со структурой гранатов (феррогранаты иттрия) и других редкоземельных элементов (лантанидов) выра­щиваются как в виде поликристаллических тел, так и в виде мо­нокристаллов. Кристаллы гранатов выращивают в окиси свинца с выдержкой при 1325° С и последующим медленным охлажде­нием до 900° С.

При обработке готовых ферритовых деталей, которая осу­ществляется обычными способами (шлифовкой), возникают не­которые специфические трудности. В одном случае требуется обрабатывать ферритовые детали для длинноволновой части СВЧ диапазона с очень большими размерами, например 50 X X 20 X 800 мм. Трудности выполнения такой задачи возникают уже при изготовлении заготовки такой длины — она неизбежно

Таблица 30

Параметры некоторых марок ферритов для СВЧ

* В настоящее время с целью наведения единообразия в обозначения;: СВЧ ферритов вводится новая система обозначения, по которой марка, на­пример 10СЧ1, означает материал СВЧ диапазона, соответствующей цифро­вому индексу разновидности.

Параметры некоторых промышленных образцов ферритовых деталей, применяемых в волиоводных устройствах

** Значение индукции, соответствующее Я = 100 э.

Таблица 31

Деформируется при обжиге. Однако способ крепления феррито­вых деталей в устройстве (приклейка, пайка и т. п.) позволяет изготавливать деталь в виде отдельных частей приемлемого размера. В другом случае требуется обрабатывать ферритовые детали для миллиметрового диапазона волн с очень малыми размерами, например 0,5 X 1,0 X 30 мм. Здесь трудности соп­ряжены с изготовлением миниатюрной керамической детали с жесткими допусками на размер, достигающими нескольких микрон. В этом отношении весьма перспективным является ультразвуковой способ обработки ферритов, получивший при­менение в последнее время.

В табл. 30 приведены параметры некоторых марок ферритов для СВЧ, а в табл. 31 — параметры промышленных ферритовых элементов, применяемых в волноводных устройствах.