Ферриты для устройств СВЧ.

Диапазон СВЧ соответствует длинам волн от 1 м до 1 мм. В аппаратуре и приборах, где используют электромагнитные волны этого диапазона, необходимо управлять колебаниями: переключать поток энергии с одного направления на другое, изменять фазу колебаний, поворачивать плоскость поляризации волны, частично или полностью поглощать мощность потока.

Поскольку электромагнитные волны могут распространяться в пространстве, заполненном диэлектриком, а от металлов они почти полностью отражаются, то металлические поверхности используют для направления волн, их концентрации или рассеяния. Электромагнитная энергия передается по волноводам, состоящими из полых или частично заполненных твердыми материалами металли-ческих труб. В качестве твердых материалов для управления потоком энергии в волноводах используют ферриты СВЧ и некоторые немагнит-ные активные диэлектрики. Магнитными характеристиками первых можно управлять с помощью внешнего магнитного поля, электричес-кими свойствами вторых – за счет внешнего электрического поля.

Практическое применение ферритов СВЧ основано на:

а) магнитооптическом эффекте Фарадея;

б) эффекте ферромагнитного резонанса;

в) изменении внешним магнитным полем значения магнитной проницаемости феррита.

Магнитооптический эффект Фарадея заключается в повороте плоскости поляризации высокочастотных колебаний в намагниченном за счет внешнего поля феррите. При этом могут быть получены разные углы поворота плоскости поляризации, следовательно, и коммутирование энергии в разные каналы.

Ферромагнитный резонанс наблюдают при совпадении частоты внешнего возбуждающего поля с собственной частотой прецессии спинов электронов. Собственная частота прецессии зависит от магнитного состояния образца, а потому ее можно изменять с помощью постоянного подмагничивающего (управляющего) поля. При резонансе резко возрастает поглощение энергии электромагнитной волны, распространяющейся в волноводе в обратном направлении; для волны прямого направления поглощение значительно меньшее. В результате получается высокочастотный вентиль. Рассмотренный эффект проявляется, если напряженности переменного возбуждающего и постоянного подмагничивающего полей взаимно перпендикулярны.

Если частоту внешнего поля поддерживать постоянной, а изменять напряженность подмагничивающего поля, то вентильные свойства феррита проявляются в узком интервале напряженностей постоянного поля, называемом шириной линии ферромагнитного резонанса. Чем меньше значение ширины линии ферромагнитного резонанса, тем сильнее поглощение электромагнитной энергии, что сказывается на характеристиках ряда СВЧ-устройств (антенные переключатели и циркуляторы, служащие для распределения энергии между отдельными волноводами; фазовращатели; фильтры; модуляторы, ограничителя мощности и др.).

Помимо достижения узкой линии резонанса к ферритам СВЧ предъявляют ряд требований:

1) высокая чувствительность материала к управляющему полю (возможность управления относительно слабым внешним полем);

2) высокое удельное объемное сопротивление (10⁶ – 10⁸ Ом·м) и малый тангенс угла диэлектрических потерь (10^-3 – 10^-4), а также незначительные магнитные потери вне области резонанса, обеспечивающие малое затухание в феррите;

3) температурная стабильность свойств и высокое значение точки Кюри.

Большинство требований выполняется при использовании магний-марганцевых ферритов с большим содержанием оксида магния. Для некоторых целей применяют литий-цинковые и никель-цинковые ферриты, и ферриты сложного состава (полиферриты).

В различных приборах СВЧ, применяемые ферритовые вкладыши имеют форму прямоугольной пластины, равностороннего треугольника, кольца, диска или сферы. Определенная геометрия вкладыша обеспечивает наилучшее согласование с волноводом, т. е. минимальное отражение электромагнитной волны от феррита. Для изготовления вкладышей используют как поликристаллические материалы, так и монокристаллы ферритов. Последние характеризуются более узкой шириной линии ферромагнитного резонанса.

Особое место среди материалов для СВЧ занимают феррогранаты иттрия с частичным замещением ионов иттрия и железа другими ионами. Они характеризуются низкими диэлектрическими и магнитными потерями, слабой анизотропией, наиболее узкой резонансной кривой.

Магнитострикционные материалы.называют магнитные материалы, применение которых основано на явлении магнитострикции и магнитоупругом эффекте, т. е. изменении размеров тела в магнитном поле и изменении магнитных свойств материала под влиянием механических воздействий. Среди магнитострикционных материалов есть как чистые металлы, так и сплавы, и ферриты. Ферриты являются магнитострикционными материалами для высоких частот.

При эксплуатации магнитное состояние сердечника магнитострикционного преобразователя определяется одновременным воздействием переменного и постоянного подмагничивающего полей.

Магнитострикционные колебания небольшой амплитуды в намагниченной среде по своему внешнему проявлению аналогичны пьезоэлектрическим. Поэтому их иногда называют пьезомагнитными.

Ранее широко применяемым магнитострикционным материалом являлся никель. Ценными свойствами никеля являются высокая стойкость к коррозии и малый температурный коэффициент модуля упругости.

Сплав платины с железом обладает большой константой магнитострикции, однако он дорогой и поэтому имеет весьма ограниченное применение. Недостатком железокобальтовых и железоалюминиевых сплавов являются низкая пластичность, затрудняющая механическую обработку, и низкая антикоррозион-ная устойчивость, препятствующая использованию таких преобразователей в водной среде.

Широкое применение находит ферритовая керамика. В сравнении с никелем и металлическими сплавами магнитострикционные ферриты имеют ряд преимуществ. Благодаря высокому удельному сопротивлению в них малы потери на вихревые токи, поэтому отпадает необходимость расслаивать материал на отдельные пластины. В отличие от металлических сплавов ферриты не подвержены действию химически агрессивных сред. С помощью керамической технологии можно изготовить преобразователи практически любых форм и размеров.

Из магнитострикционных материалов изготавливают сердечники электромеханических преобразователей (излучателей и приемников) для электроакустики и ультразвуковой техники, сердечники.