适用于数字用户线路(xDSL)的铁氧体磁心
1引言
DSL技术(DSL=Digital Subscriber Line),即数字用户线技术,使用的是较宽的频率范围,所以在同一根同轴电缆的线路上就可能产生同时发生的声音和数据,但这往往会造成信号(声音和数据)的相互干扰。正是基于以上原因,人们使用分离器(splitters)来解决上述问题,在电话线接入住宅位置的附近,与电话线相连的一个小小分离器,将电话线分成了两半:一头与家中原来的电话线相连,另一头与DSL调制解调器相连。参见图1,除了将电话线"分离"之外,该分离器的另一重要作用就相当于是一个低通滤波器(low pass filter),高频滤波器将数据信号分离出来,传输给ADSL MODEM。低频滤波器将低频段的语音信号分离出来传输给电话,从而保证普通电话不受ADSL影响。这样电话与DSL调制解调器产生的干扰就可以消除了。
2应用于XDSL技术的相应磁心和器件
在数字用户线路技术(XDSL)中的分离器中,通常使用的是锰锌铁氧体的磁心,根据设计的需要选用的形状有RM、EP系列磁心,产品结构如图2所示。
3技术论证
数字用户线路技术(XDSL)中的网络变压器,除了为电子电路提供阻抗匹配外,还要求进行信号的分离。为尽可能的延长信号传递的距离,这就要求变压器必须获得足够的带宽,也就要求变压器所使用的铁氧体磁心在整个工作温度范围-40~85℃内具有很低的信号失真特性。
谐波失真系数K3(三次谐波)和通带内插入损耗ac(f)是xDSL网络变压器设计中的关键参数之一, 失真系数K3的大小直接反应出信号失真程度。在雷利(Rayleigh)曲线模型条件下,在正弦励磁电流或正弦磁场下的磁滞损耗系数ηB和三次谐波失真系数K3具有直接关系(如公式1和2)。
(1)
(2)
当参数tanδh表示低磁感应强度增量 B时的磁滞损耗因子时,参数μ e表示磁心的有效磁导率(通常已经考虑了磁心已经开了气隙)。在设计网络变压器时的磁心选择基本标准是要求磁心在-40~85℃的温度范围内具有低的磁滞损耗系数。另外绕组损耗和磁心损耗都会限制传输带宽,因此在选择磁心材料时必须考虑到这一点,选择最佳的磁性材料和磁心形状是保证设计的变压器具有较小的信号失真和好的带宽特性的关键因素,衡量材料三次谐波失真系数的大小,通常用ηB来间接反映,K3与ηB成正比关系,由于ηB相对更易于测试,因此目前各磁心材料生产厂家都倾向于用ηB来衡量材料谐波失真性能的好坏 。
4磁性材料和磁心的开发
4.1试验过程
试验所用原材料为:日本Fe2O3(Fe2O3≥99.2%)、湖南Mn3O4(Mn≥71.0%)、上海ZnO(ZnO≥99.7%),采用传统的氧化物工艺方法,具体制作工艺流程如图3所示。
工艺说明:将按组成配好的原材料砂磨半个小时,让原材料充分的混合均匀,一次喷雾成型后在空气中900℃预烧,然后将预烧料加入TiO2、Co2O3、CaO等添加剂,再二次砂磨1.5h,加入浓度10%的聚乙烯醇(PVA)12wt%后再次喷雾造粒,成型生坯在钟罩式气氛烧结炉烧结,在1220℃,O2=3.0%保温4h,采用平衡氧分压法降温冷却。
4.2实验样品的测试
用HP4284A频谱测试仪测量材料测试磁谱特性(μ~f)、比损耗因子(tanδ/μi~f)、比磁滞系数温度特性(ηB~T)等。
5实验结果与分析
5.1材料的显微结构
图4、图5显示了两种不同组成的显微结构,结果表明在工艺过程中适当地添加一些有利杂质(如TiO2、Co2O3、CaO等),材料的显微结构有明显的改善,相应材料的磁滞损耗系数(ηB)也得到了控制。CaO的添加对提高铁氧体的电磁性能有益,电子探针表明,Ca2+浓度富集于晶界,生成非晶质的中间相,从而可以增加晶界电阻率,降低损耗,提高Q值[1];TiO2、Co2O3作为添加剂,在软磁铁氧体中可以使减落峰向低温区移动,对改善材料的温度特性有一定的作用。
5.2 材料磁性能(见图6)
6国内外同一水平材料性能对比(见表1)
7结论
开发和制造出适用于通讯网络的磁心器件,关键是要降低材料的磁滞系数ηB以及改善相应的宽温特性,只有这样的材料和产品才能符合通讯信号宽带低失真的要求。在材料开发过程中,微量元素的添加对改善材料的磁滞系数ηB起到关键的作用,同时对材质的μi~f、tanδ/μi~f、μi~T、ηB~T都有改善。
参考文献:
[1]都有为 铁氧体[M]:江苏科学技术出版社,1996
[2]Epcos公司产品目录
[3]Philips公司产品目录
[4]Nicera公司产品目录
[5]《天津通信技术》,2004
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