寬頻[抗電磁干擾材料]和應(yīng)用研究

一、引--言

  電磁干擾 (EMI：Electro-Magnetic-Interference)是指不需要的電磁信號或噪聲信號等對需要的電磁信號的干擾。在如今電子信息時代，隨著信息高速公路、衛(wèi)星通信、移動通信、計算機應(yīng)用等的高速發(fā)展，電磁干擾 (EMI)在軍事和民用電子信息領(lǐng)域的影響越來越嚴重，對公共環(huán)境和人身安全以及軍事保密、安全造成了很大的危害。目前強制性的電磁兼容 class="wz_rc">電磁兼容標準 (EMC)已經(jīng)在世界范圍內(nèi)執(zhí)行，一些發(fā)達國家在電磁兼容設(shè)計技術(shù)、材料技術(shù)、元器件技術(shù)等方面從70年代就開始研究，并形成一系列的標準加以應(yīng)用。我國已于 1998年底宣布執(zhí)行電磁兼容標準。但我國在此方面的研究起步較晚，在技術(shù)以及產(chǎn)品方面嚴重落后于發(fā)達國家，因此，對抗EMI材料和技術(shù)進行研究，自主研制開發(fā)我國的抗EMI器件已是勢在必行。電磁兼容問題涉及面很寬，其核心是設(shè)法減少自身產(chǎn)生的電磁干擾和提高抗電磁干擾的能力。目前在電子設(shè)備和系統(tǒng)中通用的電磁兼容設(shè)計技術(shù)有接地、屏蔽、濾波三種，通常稱之為抑制電磁干擾的三大技術(shù)。接地是將干擾信號引入接地端；屏蔽是利用屏蔽體來阻擋或衰減干擾信號的電磁傳輸；濾波是阻止干擾頻率信號通過而允許有用頻率信號通過的一種技術(shù)。在這三種技術(shù)中，濾波技術(shù)是目前抑止電磁干擾最常見、最有效、最經(jīng)濟的一種手段。運用的方法也非常簡單，在電氣設(shè)備電源線的入口處插入抗EMI濾波器，濾波器可以把通過電源線傳導的電磁干擾信號給予充分地抑制，換而言之，它既能抑制電氣設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的電磁干擾，又能抑制外界電網(wǎng)傳入的電磁干擾。 美國在70年代就開始了鐵氧體抗電磁干擾材料的研制，目前已能生產(chǎn)各類抗電磁干擾材料和器件。美國陶瓷-磁性公司主要產(chǎn)品集中在NiZn鐵氧體材料上，通過鐵氧體的復數(shù)磁導率與頻率的關(guān)系，改變不同成分配方及摻雜來實現(xiàn)鐵氧體阻抗的頻率特性和衰減頻域;制成寬頻域抗EMI鐵氧體材料和各種濾波器。美國STEWARD公司，F(xiàn)ILTER CONECPTS公司分別研制成功14個系列和4個系列的抗EMI軟磁材料，并應(yīng)用于IBM公司、ZENITH公司和MOTOROLA公司的各種微型計算機、數(shù)字設(shè)備以及ATT信息系統(tǒng)，取得了良好的效果。同時，也大量用于軍用電子裝備上，便其更加完善。日本TDK公司有5大類抗EMI材料研制成功，也主要用于PC聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字設(shè)備中。富士公司則集中于 MMIC及IC用抗電磁干擾濾波器材料及器件的開發(fā)。 國內(nèi)在此方面的起步較晚，始于80年代。主要在軟磁鐵氧體材料和器件方面進行了大量的研究。電子科技大學，9所，國營899廠己合作開發(fā)出抗EMI材料6種、元器件5個系列，并初步解決了納米晶軟磁抗EMI材料的內(nèi)層耦合及絕緣問題，使納米晶軟磁材料在抗EMI中得到有效應(yīng)用。其他如東洋公司等單位也相繼開發(fā)出系列產(chǎn)品并有了應(yīng)用�，F(xiàn)在國內(nèi)市場上已有部分抗EMI材料、抗EMI元件、抗EMI濾波器面世。而用磁性和陶瓷材料制備的復合材料作為新型的抗電磁干擾材料，國內(nèi)外都已有了一定的理論探討，國內(nèi)電子科技大學也巳開發(fā)出復合雙性材料。

二、抗EMI材料的性能要求
作為抗EMI濾波器，要求衰減速度快，頻帶范圍寬，同時應(yīng)保證工作頻率范圍內(nèi)信號不失真，能適應(yīng)各種環(huán)境使用。這就對其磁芯材料提出了以下要求：第一，LC型，π型，T型抗EMI濾波器，要求高μi，高Bs�？�EMI濾波器的電感器盡量減少匝數(shù)，以得到小的分布電容，改善高頻性能，擴展頻帶范圍。如果是作為濾除較低頻率的EMI信號或電源噪聲濾波器使用時，磁導率要求更高(μi>1500)第二，低Hc，從而減小磁滯損耗；第三，高ρ，減小高頻下渦流損耗；第四，高ωc(fr)，適當?shù)慕刂诡l率，以展寬頻段；第五，高Tc，以適應(yīng)各類工作環(huán)境；第六，具有某一特定的損耗頻率響應(yīng)曲線，在需要衰減EMI信號的頻段內(nèi)損耗較大，足以把EMI衰減到最低電平，而在需要傳輸信號的頻段內(nèi)損耗較小，信號容易通過。不過，磁芯性能與其工作頻率關(guān)系極大，而電磁波干擾信號的頻率范圍又相當寬，現(xiàn)在完全能滿足上面六條要求的磁芯材料還沒有。目前主要開發(fā)的抗EMI濾波器材料系列主要分為鐵氧體系列、納米晶軟磁系列，六角Co2Z系列，復合雙性系列四大類。表1顯示了目前各種抗EMI材料性能指標的國際水平。
表一各種抗EMI材料性能指標的國際水平

三、Nizncu鐵氧體的性能分析 我們常用的軟磁鐵氧體主要是MnZn、NiZn兩大系列。其中MnZn系產(chǎn)量大、用途廣，適用于低頻1MHz以下，它具有高μi、低損耗和高穩(wěn)定性的優(yōu)點。 例如μi可達4×104，μQ積一般為50~100萬(100KHz)，最高可達20~300萬。Bs可在0.5T以上，Hc可在1OA/m以下，ρ為lOΩ/m ，αμ/μi與 D/μi為10-5~10-6。NiZn系材料在1MHz以下的低頻范圍內(nèi)，性能比不上MnZn系，但在1MHz以上，由于它具有多孔性及高電阻率，因而大大優(yōu)于MnZn系而成為高頻應(yīng)用中性能最好的軟磁材料。其電阻率ρ可達108Ω/m，高頻損耗小(例如NiZn-40在1.5MHz時,tgδ/μi≦60×l0-6，即Q=400~500)，故特別適用于高頻1~ 30OMHz。而且NiZn材料的居里溫度較MnZn高，Bs可高至0.5T，Hc亦可小至1OA/m。此外，NiZn系材料可以做到λ大，具有較大的非線性，可在高頻或高頻大功率以及磁致伸縮器件等申應(yīng)用，又由于NiZn材料在工藝上沒有氧化問題，故制造工藝比MnZn材料簡單。下表2列 出了常用的NiZn系鐵氧體的性能指標。
表2：常用的NiZn系鐵氧體的性能指標

注：“N”表示Ni，“X”表示Zn

NiZn鐵氧體材料可在lMH~30OMHz范圍內(nèi)使用，如果要進一步提高使用頻率范圍，可在NiZn材料中摻雜一定的CuO，即得到NiZnCu軟磁鐵氧體材料，NiZnCu鐵氧體材料可工作lOMH~10OOMHz的頻率范圍內(nèi)，符合寬頻抗電磁干擾材料的設(shè)計要求。CuO的加入可以提高材料的Q值，但μ值卻要降低，這是因為尖晶石鐵氧體中少量的Cu2+離子傾向于占據(jù)八面體位(B位)。由于晶場的作用，位于八面體B位的Cu2+離子產(chǎn)生能級分裂，同時改變了Cu2+離子核外電子云的分布，造成Cu2+離子周圍的點陣發(fā)生畸變，正八面體畸變?yōu)檠豘軸方向伸長或縮短的八面體，增大鐵氧體材料的應(yīng)力各向異性，從而使材料μ值有所降低。同時，少量CuO的加入在一定程度上也可以降低材料的燒結(jié)溫度，CuO含量Xwt%對NiZnCu鐵氧體燒結(jié)溫度的影響如圖1所示。

圖1 CuO對NiZnCu鐵氧體燒結(jié)溫度的影響

做好做精磁測量儀器，耐心解決磁測量方面的問題。