1 引言
近年来，变压器生产厂家和软磁铁氧体生产厂家，在电感器和变压器产品的总谐波失真指标控制上，进行了深入的探讨和广泛的合作，逐步弄清了一些似是而非的问题。从工艺技术上采取了不少有效措施，促进了质量问题的迅速解决。本文将就此热门话题作一些粗浅探讨。
2 历史回顾
总谐波失真（Total harmonic distortion），简称THD，并不是什么新的概念，早在几十年前的载波通信技术中就已有严格要求<1>。1978年邮电部公布的标准YD/Z17－78“载波用铁氧体罐形磁心”<2>中，规定了高μQ材料制作的无中心柱配对罐形磁心详细的测试电路和方法。如图1电路所示，利用LC组成的150KHz低通滤波器在高电平输入的情况下测量磁心产生的非线性失真。这种相对比较的实用方法，专用于无中心柱配对罐形磁心的谐波衰耗测试。这种磁心主要用于载波电报、电话设备的遥测振荡器和线路放大器系统，其非线性失真有很严格的要求。
图1中：ZD——QF867型阻容式载频振荡器，输出阻抗150Ω，
Ld47——47KHz低通滤波器，阻抗150Ω，阻带衰耗大于61dB，
Lg88/Ld88——并联高低通滤波器，阻抗150Ω，三次谐波衰耗大于61dB；
FD —— 30～50KHz放大器，阻抗150Ω，增益不小于43dB，三次谐波衰耗b3(0)≥91dB，
DP—— Qp373选频电平表，输入高阻抗，
L ——被测无心罐形磁心及线圈，
C ——聚苯乙烯薄膜电容器CMO-100V-707APF±0.5%，二只。
测量时，所配用线圈应用丝包铜电磁线SQJ9×0.12(JB661-75)在直径为16.1mm的线架上绕制120匝，（线架为一格），其空心电感值为318μH（误差1％）
被测磁心配对安装好后，先调节振荡器频率为36.6～40KHz，  使输出电平值为+17.4 dB，即选频表在22′端子测得的主波电平（P2）为+17.4 dB，然后在33′端子处测得输出的三次谐波电平（P3），
则三次谐波衰耗值为：b3(+2)= P2+S+ P3
式中：S为放大器增益dB
从以往的资料引证，就可以发现谐波失真的测量是一项很精细的工作，其中测量系统的高、低通滤波器，信号源和放大器本身的三次谐波衰耗控制很严，阻抗必须匹配，薄膜电容器的非线性也有相应要求。滤波器的电感全由不带任何磁介质的大空心线圈绕成，以保证本身的“洁净”，不至于造成对磁心分选的误判。
为了满足多路通信整机的小型化和稳定性要求，必须生产低损耗高稳定磁心。上世纪70年代初，1409所和四机部、邮电部各厂，从工艺上改变了推板空气窑烧结，出窑后经真空罐冷却的落后方式，改用真空炉，并控制烧结、冷却气氛。技术上采用共沉淀法攻关试制出了μQ乘积60万和100万的低损耗高稳定材料，在此基础上，还实现了高μ7000～10000材料的突破，从而大大缩短了与国外企业的技术差异。当时正处于通信技术由FDM（频率划分调制）向PCM（脉冲编码调制）转换时期，日本人明石雅夫发表了μQ乘积125万（为0.8×10-6，100KHz）的超优铁氧体材料<3>，其磁滞系数降为优铁氧体2001F的1/7，因而能大大改善谐波性能。在他的文章中早就指出，低损耗高稳定材料超优铁氧体中，对小型化影响最大的是与磁滞系数相关联的这部分损耗，它对开动状态下电感波动的影响远比比损耗系数大。换句话说，超优铁氧体的优势不仅在于其创记录的μQ乘积，更在于其优良的磁滞系数，它使工作状态下更稳定，更满足线路滤波器对非线性失真的要求。直到数字技术已完全取代模拟技术的今天，当年的优铁氧体2001F，N48等材料仍在发挥作用。这些行业前辈们开拓性的工作成果功不可没，这也是我们继续跟进的宝贵财富。
3 技术要求与应对措施
随着网络通信技术的发展，出现了主流宽带接入技术数字用户线（XDSL），它可以方便的利用现有通往千家万户的有线电缆，更高速的传输图像、语音、数据和文件。兼顾传输速度和传输距离两项重要指标，目前最热门应用的当属其中的非对称数字用户线（ADSL）系统。载波通信技术（模拟）调制解调器在宽带4KHz时，可达到最高传输速度56.6Kbit/s，而运用数字技术的（ADSL）系统，其上行传输速度为1Mbit/s，下行则高达8Mbit/s<4>。高速数字传输的实现得益于高品质的铁氧体器件，这些磁心被广泛用于阻抗匹配和信号隔离与转换的接口变压器、变量器，以及声音、数据分频和噪声抑制的各种带通滤波器中。但是，由于这些磁心材料的磁通密度B和磁场强度H的非线性关系，会使得通过其上的电压、电流波形发生畸变，也就是引起信号失真。这种失真会导致数据传输的误差和信息丢失，降低传输距离，增大线路损耗。显然，关键元件铁氧体磁心的某项性能直接导致了总谐波失真THD值的增大，从而造成了上述一系列弊病。这项性能就是铁氧体材料的磁滞常数ηB（Hysteresis constant），或称比磁滞损耗系数。正像前文所述，模拟通信时代，最适用的软磁铁氧体是高稳定、低损耗的高μQ材料，如德国SIEMENS公司的N48，日本TOKIN公司的2001F，四机部的R2KD、R2KQ和邮电部的M2K1(L型)等型号。这些材料比损耗系数tgδ/μ，比温度系数TKμ/μ，比减落系数DF很低，特别是比磁滞损耗系数ηB小，更适应高保真线路滤波器的需求。随着数字网络的更新换代，虽然这些材料仍能维持一席之地，但早已满足不了整机的更高要求。现在的高通和低通滤波器组成的分离系统已经不是简单的无源网络，还要叠加100～200mA的偏置直流，而且有些还要求交直流叠加后的电感量控制在一定的上、下限范围。为保证频响效果和减少传输信号衰减，既要电感量高，又要线圈直流铜损小。这就要求磁心材料磁导率μ高，品质因素Q高，磁滞常数ηB低，直流偏置特性DC-Bias好。日本TDK公司逐次推出DN40、DN70在宽温范围降低了ηB，而德国EPCOS公司改进了T38和新推出T66，荷兰Ferroxcube公司推出了3E55，则从更高μ值角度保证了宽温低ηB特性。后两家公司还分别推出了高μQ，高Bs低ηB材料N45和3B46，以降低总损耗和增强直流偏置特性。日本JFE公司也紧随其后，相应的推出了SK302和SK202G材料<5>。
我们精研公司应对客户要求，在上述几个方面，从工艺配方上相应改进，收到了较好效果。一些需引起同行注意的问题，特提出来供大家参考。
首先，通信网络中的电感器、变压器、高频扼流圈等都是在低磁通密度下工作，以保证信号高保真、宽频带、较远距离传输。这对软磁铁氧体是个有利条件。其次，传输的音频信号、频响要求以及THD指标测量都是低频下进行，这就是说，使用的这些EP型、RM型磁心不必刻意追求使用高μQ，高Bs材料，而使用改进性能的高μ材料应为上策。对高μ材料的改进，必须注意低频下磁导率的频率特性，特别是音频段。这是人们往往忽略的区间，在此区间电感量的波动会直接影响传输距离和传输速度。磁滞常数ηB其本质是低频、低场下磁滞损耗的波动，即：

这里测试频率f用10KHz，B2＝3mT   B1＝1.5mT
μe为磁心有效磁导率
ηB小，就是要求在两个低场下，损耗的变化小，而Q＝1/tgδ，则要求材料在瑞利区有平缓的tgδ-H或Q-H曲线。即改善品质因素Q的低频、低场特性就可降低ηB，从而减小THD。
对于直流偏置特性（DC-Bias），多数人追求高密度、高Bs值来达到目的。但TDK公司的DN40、DN70、DN45、DNW45材料以及前述的几种高μ材料都没有很高的Bs值。却能胜任较高直流偏置电流。我们对比试验了西海SK202G粉料，同TDK公司DNW45一样，其宽温 DC-Bias特性良好，而且比损耗系数tgδ/μ很低。Bs 450mT左右，Br特性很好。人们追求低Br时，可能不合适的工艺配方会造成高温Br反而大于常温Br值，影响了宽温DC-Bias特性。注意到新推出的材料T66和SK202G，两者低频比损耗系数都小于1×10－6（10KHz，25℃），除了前面分析的低频、低场损耗特性的改善目的外，是否因大大降低了比损耗系数更有利于改善DC-Bias特性？因为一些公司公布的材料特性和专利技术往往有意遗漏和误导，我们应当全面分析、判断，运用基础理论和应用经验，找准问题切入点，才能制定出有效的工艺技术措施，顺利解决难题。
4 THD分析
由于铁氧体材料B～H的非线性关系会导致传输信号波形失真，其总谐波失真THD近似表示为：

式中：P3为三次谐波的功率，P1为基波的功率，V3为三次谐波的电压振幅，V1为基波的电压振幅。
这里P3/P1功率比的常用对数值，单位称贝尔（欧洲人爱用这个比值的自然对数，单位称奈培N），十分之一贝尔简称分贝（dB），所以分贝是个中西合璧的称谓单位。当dB为正值时，表明是增益，即信号被放大了，当dB为负值时，表明损耗，即信号被衰减了。分贝是电信工程中使用的传输单位。它的另一个意义是表明电平的高低，也就是说明功率大小的单位。
下面分析几个因素对THD的影响。任何一个测试磁心电感THD的电路，本质上就是一个由L.R.C组成的复杂网络，其THD值表现的是被测电感器或变压器的特征参数，并不是纯磁心的唯一贡献。至少与以下三个参数密切相关：

式中：ηB为材料磁滞常数，CDF为磁心失真因子，DTC为变压器失真系数。
这里ηB与磁性材料特性有关，而CDF是磁心形状、尺寸对THD的影响因子，相同材料、不同形状与尺寸，其CDF不同：

式中：其中SDF是磁心形状失真因子

由于 ，所以

式中：为磁心有效磁路长度，Ae为磁心有效截面积，为平均线圈长度，AN为线圈截面积
因此改进磁心的形状设计，如EP13从中心圆柱变为EPX13的中心椭圆柱就大大减少了CDF，改善了THD性能。至于DTC则反映了变压器绕组设计和外电路阻抗等对THD的影响。
总之，磁心的形状、尺寸以及绕组线圈绕制、骨架结构和外电路设计，加上磁心磁滞系数三大因数一起决定着总谐波失真THD的大小。为求得最佳效果，必须三方设计者充分优化试验、通力合作方可。现在一般磁心制造商往往是用户提供或代购的仪器与测试系统，按要求对口检测、筛选磁心。双方随时沟通，产品性能波动不大。这种相对比较测试的方法还是行之有效的，但假如横向比较，或者系统波动时，其数据就令人费解了。正像Philips公司产品目录中THD测量部分所指出的，必须经常检查系统测量环境和测试电路，以便使电路修正系数尽可能保持低值，避免测量值落在无法分辨的范围(<-80dB)，否则会导致误差，造成误判。历史的经验和现状都说明，THD的测量是项十分精细、敏感的工作，往往会差之毫厘，失之千里，必须慎重对待。
5 结语
降低THD是减少非对称数字用户线ADSL技术中，调制解调器所用传输变压器波形失真、误码和噪音的有效措施。为保证传输速度和距离，除合理选择磁心形状、尺寸以及减小磁心失真因子CDF，优化变压器绕组设计和外电路阻抗匹配，从而减小变压器失真系数DTC外，重点还在于制作低损耗、高稳定，磁滞系数ηB小的软磁铁氧体材料。这些材料首选高μ、高μQ系列中μ-f，μ-T，Q-H， ηB-T，DC-Bias诸特性佼佼者，通过独到的工艺技术手段，改善低频、低场性能，可有效控制产品质量。
本文所述观点得到了不少专家，学者启发与指教，有关试验全仗公司同仁鼎力合作与协助。一份耕耘，一份收获。笔者忘不了在磁学本科和国企大厂完成的知识积累和技术铺垫，更忘不了二十多年来，虽历经坎坷磨难，但创新攀登之志不堕。有幸看到公司以独到工艺的特色产品取信于市场，深感欣慰！借此，特向母校恩师、业内前辈及所有支持、辅佐南京精研磁性技术有限公司顺利成长的朋友、同仁和热心客户，致以深深谢意。

参考文献
[1]长途通信理论，南京邮电学院讲义，1962年
[2]载波用铁氧体罐形磁心，YD/Z17-78，邮电部标准1978
[3]（日）明石雅夫，高性能锰锌铁氧体“超优铁氧体”，磁性材料及器件，1971第二期
[4]王耕福，宽带接入技术中的电感铁氧体元件，磁性材料与应用产业资讯，2005.5期 
[5]TDK、SIEMENS、TOKIN、Philips、Epcos、Ferroxcube、JFE公司产品目录。