有机磁性材料及其微波电子器件的开发
2003-04-02 17:43:44
来源：《国际电子变压器》2001.06
有机磁性材料及其微波电子器件的开发
摘要：与无机铁氧体比较，有机磁性材料在很宽的温度范围（-271.5℃～120℃）内磁性能十分稳定，在高频、微波下磁损耗低，重量轻，其导磁率（μ′）和磁损耗（μ〃）基本不随使用频率和温度而变化。因此，适于制作许多高频、微波电子器件。
一 、引言
随着高科技的迅速发展，八十年代以来，具有光、电和磁性能的有机材料不断出现，特别是有机高分子磁体的合成打破了有机物不导磁的传统理论。自从1988年，美国杜邦公司的J.S.Miller宣称合成世界第一块有机磁体以来，各国都竞相投入大量人力物力进行研究开发，但至今还未见实用产品报道。
我们开发了一条与国外昂贵的合成方法完全不同的工艺路线，成功地合成了多种常温稳定的有机磁体，并经过了国家磁性材料检测中心的检测。且产品已经过了国内多家科研院所的应用验证。预料它将在军工、航天和微波通讯领域上获得广泛的应用。
二、检测
材料本征磁参数由中科院物理所国家磁学开放实验检测；应用性磁参数由电子部磁性产品质量监检中心检测；其所制造的电子器件由成都970厂、信息产业部十所和总参57所有关专家协助制作。
三、有机磁性材料的性能简介及磁损研究
本文主要就有机磁性材料的磁损耗与使用频率和温度关系与铁氧体进行比较，探讨有机磁体在高频微波器件中的开发。
3.1 有机磁性材料的f-μ′-μ〃关系
通常，铁氧体的导磁率（μ′）和磁损耗（μ〃）随频率（f）的变化较大，而有机磁性材料的f-μ′-μ〃关系基本上为水平直线，即μ′和μ〃受使用频率影响甚小（表1）。
3.2 有机磁性材料的温度系数
通常Mn-Zn和Ni-Zn铁氧体的磁导率随温度的变化都较大，温度稳定性差。而有机磁性材料却有良好的温度系数，其 σs-T关系在-271.5℃~120℃基本上呈水平直线关系。因此，有机磁电子器件在制作上无需进行温度补偿（表2）。
3.3 有机磁与铁氧体磁芯在电路中的磁损比较。
为了研究有机磁性材料在高频、微波电子器件上的应用，对有机磁和铁氧体两种类型的磁芯进行比较，采用下述方法：将
、
分别用GTO-16（φ2.5×φ1.1×2）和有机磁（φ2 .5×φ1.3×2）单孔磁芯各绕三圈，接成LC串联谐振电路（1）与（2），其中，C为1.8F，测试结果如表3及图1表示。（测试仪器为美国WILTRON6409射频分析仪）
应当指出，电路中的损耗包括磁芯损耗、线圈的铜损耗和电容损耗，若两个电路的电容型号相同，电容量一样，线圈数一样，则峰值的差异便直接反映了磁芯损耗的差异。要使两者的谐振频率相同，则有机磁环需绕6圈，此时，
的铜损耗也约大于一倍（约3dB），测试结果表明，的谐振峰仍大于，说明有机磁的损耗比GTO-16磁芯小得多，Q值也较高。
若将有机磁和GTO-16的，分三组分别绕3匝、2匝和1匝，测试结果如表4
结果表明，除有机磁的损耗较GTO-16小，Q值高外，还说明有机磁芯的适应频率和范围更高更宽，且损耗不随频率增高而增加。
3.4 有机磁与铁氧体磁芯在高频扼流圈中的损耗比较
将有机磁和GTO-16两种磁芯分别绕制成圈数为3匝、6匝（两者的电感量接近），其结果如表5及图2。
测试结果表明，有机磁高频扼流圈效果明显，随频率增高，扼流作用也随之增高，而GTO-16却不明显，说明有机磁的导磁率不随频率增高而下降。
3.5 有机磁与NiZn-10的射频变压器传输损耗特性比较
用安立（日）620网络分析仪
将φ5×φ3×2的有机磁与相同规格的NiZn-10磁环分别制成射频变压器，比较测定它们的传输损耗特性，结果表明，在200MHZ以下有机磁样品比NiZn-10的损耗大，但在200MHZ<f<2000MHZ范围内，却优于类似的NiZn-10磁环，两者在1.3GHZ以后均有谐振，因而影响数据的测定（表6）。
用HP8757A标量网络分析仪将φ7×φ4×2的有机磁环与NiZn-10制成射频变压器（2.5匝）测定它们的插入损耗，结果表明，当频率高于300MHz， 有机磁环的插损比NiZn-10小，并随频率的升高，两者插损差异增大（表7）。
四、有机磁微波电子器件的开发
虽然，有机磁性材料的导磁率较低，但由于它的导磁率和磁损耗几乎不随频率和温度而变且重量轻，因此，适于制作某些高频、微波电子器件，以下为应用实例。
4.1 有机磁双平衡混频器
双平衡混频器是一种宽带电路组件，广泛应用于通讯、广播、雷达、数据传送、武器系统和设备试验等，它的主要指标是变频损耗和隔离度等。用φ5×φ2×2单孔磁芯，按不同电路参数和结构制成三种有机磁双平衡混频器，分别为1号（外形是同轴连接型）及2、3号（外形是矩形插入型），用美国HP85292D频谱仪、美国HP8642B、英国PSG1000合成信号源及美国WILTRON6407射频分析仪进行有机磁样品检测，其综合参数如表8所示。
因此，有机磁性材料适于在一定频率下制作双平衡混频器。
4.2 58.62MHZ有机磁带通滤波器
滤波器广泛用于抑制带外杂波、分离所需信号、提高系统的抗干扰能力等。制作过程是先将电感量为0.23μH的M4×7×8有机磁螺纹磁芯，作成可调电感，然后按设计要求，用标量网络分析仪HP87570及扫频仪HP8350B进行检测，成功地制作了58.62MHZ带通滤波器，其电路图及特性如下：
4.3 WDL宽带高精度延迟线
虽然，有机磁性材料的导磁率较低，通常仅适于制作100MHz以上的高频微波电子器件，但由于它有良好的温度特性及低损耗，因此，若在铁氧体器件的基础上重新进行电路设计，也可使有机磁性材料用于低频段，典型的实例是WDL-10宽带高精度延迟线的制作（表11）。
4.4 有机磁定向耦合器与功率分配/合成器
4.4.1 有机磁定向耦合器
变压器型定向耦合器（分支器）是在磁芯上绕制一定的线圈并和电阻电容构成一定形式的电路，用于定向功率的取样，信号源和动态监测，信号的分支、功率放大器的反馈以及信号的其它处理等，用φ7×2有机磁双孔磁芯设计调试而成的定向耦合器比国内著名厂家生产的铁氧体同类产品有频带宽和性能好的优点（表12）
4.4.2 有机磁功率分配/合成器（二路90°）
功率分配器/合成器广泛应用于电子系统和测试设备，能准确地完成功率的分配、功率的合成及监测、信号源的隔离以及传输测试等多项功能，用高冲击有机磁经特殊电路设计制作的功率分配/合成器与国内外同类产品比较，有明显的优异性能（表13~14）
五 结 论
1． 与铁氧体比较，有机磁性材料导磁率μ′、磁损耗μ〃受使用频率f及温度T影响甚小。
2． 有机磁性材料具有宽温稳定的磁参数，低损耗，适于制作许多高频、微波电子器件，是一种有可能制作薄、轻、小电子器件的新材料，有良好的开发前景。
摘要：与无机铁氧体比较，有机磁性材料在很宽的温度范围（-271.5℃～120℃）内磁性能十分稳定，在高频、微波下磁损耗低，重量轻，其导磁率（μ′）和磁损耗（μ〃）基本不随使用频率和温度而变化。因此，适于制作许多高频、微波电子器件。
一 、引言
随着高科技的迅速发展，八十年代以来，具有光、电和磁性能的有机材料不断出现，特别是有机高分子磁体的合成打破了有机物不导磁的传统理论。自从1988年，美国杜邦公司的J.S.Miller宣称合成世界第一块有机磁体以来，各国都竞相投入大量人力物力进行研究开发，但至今还未见实用产品报道。
我们开发了一条与国外昂贵的合成方法完全不同的工艺路线，成功地合成了多种常温稳定的有机磁体，并经过了国家磁性材料检测中心的检测。且产品已经过了国内多家科研院所的应用验证。预料它将在军工、航天和微波通讯领域上获得广泛的应用。
二、检测
材料本征磁参数由中科院物理所国家磁学开放实验检测；应用性磁参数由电子部磁性产品质量监检中心检测；其所制造的电子器件由成都970厂、信息产业部十所和总参57所有关专家协助制作。
三、有机磁性材料的性能简介及磁损研究
本文主要就有机磁性材料的磁损耗与使用频率和温度关系与铁氧体进行比较，探讨有机磁体在高频微波器件中的开发。
3.1 有机磁性材料的f-μ′-μ〃关系
通常，铁氧体的导磁率（μ′）和磁损耗（μ〃）随频率（f）的变化较大，而有机磁性材料的f-μ′-μ〃关系基本上为水平直线，即μ′和μ〃受使用频率影响甚小（表1）。
3.2 有机磁性材料的温度系数
通常Mn-Zn和Ni-Zn铁氧体的磁导率随温度的变化都较大，温度稳定性差。而有机磁性材料却有良好的温度系数，其 σs-T关系在-271.5℃~120℃基本上呈水平直线关系。因此，有机磁电子器件在制作上无需进行温度补偿（表2）。
3.3 有机磁与铁氧体磁芯在电路中的磁损比较。
为了研究有机磁性材料在高频、微波电子器件上的应用，对有机磁和铁氧体两种类型的磁芯进行比较，采用下述方法：将
、分别用GTO-16（φ2.5×φ1.1×2）和有机磁（φ2 .5×φ1.3×2）单孔磁芯各绕三圈，接成LC串联谐振电路（1）与（2），其中，C为1.8F，测试结果如表3及图1表示。（测试仪器为美国WILTRON6409射频分析仪）应当指出，电路中的损耗包括磁芯损耗、线圈的铜损耗和电容损耗，若两个电路的电容型号相同，电容量一样，线圈数一样，则峰值的差异便直接反映了磁芯损耗的差异。要使两者的谐振频率相同，则有机磁环
需绕6圈，此时，的铜损耗也约大于一倍（约3dB），测试结果表明，的谐振峰仍大于，说明有机磁的损耗比GTO-16磁芯小得多，Q值也较高。若将有机磁和GTO-16的
，分三组分别绕3匝、2匝和1匝，测试结果如表4 结果表明，除有机磁的损耗较GTO-16小，Q值高外，还说明有机磁芯的适应频率和范围更高更宽，且损耗不随频率增高而增加。
3.4 有机磁与铁氧体磁芯在高频扼流圈中的损耗比较
将有机磁和GTO-16两种磁芯分别绕制成圈数为3匝、6匝（两者的电感量接近），其结果如表5及图2。
测试结果表明，有机磁高频扼流圈效果明显，随频率增高，扼流作用也随之增高，而GTO-16却不明显，说明有机磁的导磁率不随频率增高而下降。
3.5 有机磁与NiZn-10的射频变压器传输损耗特性比较
用安立（日）620网络分析仪
将φ5×φ3×2的有机磁与相同规格的NiZn-10磁环分别制成射频变压器，比较测定它们的传输损耗特性，结果表明，在200MHZ以下有机磁样品比NiZn-10的损耗大，但在200MHZ<f<2000MHZ范围内，却优于类似的NiZn-10磁环，两者在1.3GHZ以后均有谐振，因而影响数据的测定（表6）。
用HP8757A标量网络分析仪将φ7×φ4×2的有机磁环与NiZn-10制成射频变压器（2.5匝）测定它们的插入损耗，结果表明，当频率高于300MHz， 有机磁环的插损比NiZn-10小，并随频率的升高，两者插损差异增大（表7）。
四、有机磁微波电子器件的开发
虽然，有机磁性材料的导磁率较低，但由于它的导磁率和磁损耗几乎不随频率和温度而变且重量轻，因此，适于制作某些高频、微波电子器件，以下为应用实例。
4.1 有机磁双平衡混频器
双平衡混频器是一种宽带电路组件，广泛应用于通讯、广播、雷达、数据传送、武器系统和设备试验等，它的主要指标是变频损耗和隔离度等。用φ5×φ2×2单孔磁芯，按不同电路参数和结构制成三种有机磁双平衡混频器，分别为1号（外形是同轴连接型）及2、3号（外形是矩形插入型），用美国HP85292D频谱仪、美国HP8642B、英国PSG1000合成信号源及美国WILTRON6407射频分析仪进行有机磁样品检测，其综合参数如表8所示。
因此，有机磁性材料适于在一定频率下制作双平衡混频器。
4.2 58.62MHZ有机磁带通滤波器
滤波器广泛用于抑制带外杂波、分离所需信号、提高系统的抗干扰能力等。制作过程是先将电感量为0.23μH的M4×7×8有机磁螺纹磁芯，作成可调电感，然后按设计要求，用标量网络分析仪HP87570及扫频仪HP8350B进行检测，成功地制作了58.62MHZ带通滤波器，其电路图及特性如下：
4.3 WDL宽带高精度延迟线
虽然，有机磁性材料的导磁率较低，通常仅适于制作100MHz以上的高频微波电子器件，但由于它有良好的温度特性及低损耗，因此，若在铁氧体器件的基础上重新进行电路设计，也可使有机磁性材料用于低频段，典型的实例是WDL-10宽带高精度延迟线的制作（表11）。
4.4 有机磁定向耦合器与功率分配/合成器
4.4.1 有机磁定向耦合器
变压器型定向耦合器（分支器）是在磁芯上绕制一定的线圈并和电阻电容构成一定形式的电路，用于定向功率的取样，信号源和动态监测，信号的分支、功率放大器的反馈以及信号的其它处理等，用φ7×2有机磁双孔磁芯设计调试而成的定向耦合器比国内著名厂家生产的铁氧体同类产品有频带宽和性能好的优点（表12）
4.4.2 有机磁功率分配/合成器（二路90°）
功率分配器/合成器广泛应用于电子系统和测试设备，能准确地完成功率的分配、功率的合成及监测、信号源的隔离以及传输测试等多项功能，用高冲击有机磁经特殊电路设计制作的功率分配/合成器与国内外同类产品比较，有明显的优异性能（表13~14）
五 结 论
1． 与铁氧体比较，有机磁性材料导磁率μ′、磁损耗μ〃受使用频率f及温度T影响甚小。
2． 有机磁性材料具有宽温稳定的磁参数，低损耗，适于制作许多高频、微波电子器件，是一种有可能制作薄、轻、小电子器件的新材料，有良好的开发前景。
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