宽频[抗电磁干扰材料]和应用研究

一、引--言

  电磁干扰 (EMI：Electro-Magnetic-Interference)是指不需要的电磁信号或噪声信号等对需要的电磁信号的干扰。在如今电子信息时代，随着信息高速公路、卫星通信、移动通信、计算机应用等的高速发展，电磁干扰 (EMI)在军事和民用电子信息领域的影响越来越严重，对公共环境和人身安全以及军事保密、安全造成了很大的危害。目前强制性的电磁兼容 class="wz_rc">电磁兼容标准 (EMC)已经在世界范围内执行，一些发达国家在电磁兼容设计技术、材料技术、元器件技术等方面从70年代就开始研究，并形成一系列的标准加以应用。我国已于 1998年底宣布执行电磁兼容标准。但我国在此方面的研究起步较晚，在技术以及产品方面严重落后于发达国家，因此，对抗EMI材料和技术进行研究，自主研制开发我国的抗EMI器件已是势在必行。电磁兼容问题涉及面很宽，其核心是设法减少自身产生的电磁干扰和提高抗电磁干扰的能力。目前在电子设备和系统中通用的电磁兼容设计技术有接地、屏蔽、滤波三种，通常称之为抑制电磁干扰的三大技术。接地是将干扰信号引入接地端；屏蔽是利用屏蔽体来阻挡或衰减干扰信号的电磁传输；滤波是阻止干扰频率信号通过而允许有用频率信号通过的一种技术。在这三种技术中，滤波技术是目前抑止电磁干扰最常见、最有效、最经济的一种手段。运用的方法也非常简单，在电气设备电源线的入口处插入抗EMI滤波器，滤波器可以把通过电源线传导的电磁干扰信号给予充分地抑制，换而言之，它既能抑制电气设备内部产生的电磁干扰，又能抑制外界电网传入的电磁干扰。 美国在70年代就开始了铁氧体抗电磁干扰材料的研制，目前已能生产各类抗电磁干扰材料和器件。美国陶瓷-磁性公司主要产品集中在NiZn铁氧体材料上，通过铁氧体的复数磁导率与频率的关系，改变不同成分配方及掺杂来实现铁氧体阻抗的频率特性和衰减频域;制成宽频域抗EMI铁氧体材料和各种滤波器。美国STEWARD公司，FILTER CONECPTS公司分别研制成功14个系列和4个系列的抗EMI软磁材料，并应用于IBM公司、ZENITH公司和MOTOROLA公司的各种微型计算机、数字设备以及ATT信息系统，取得了良好的效果。同时，也大量用于军用电子装备上，便其更加完善。日本TDK公司有5大类抗EMI材料研制成功，也主要用于PC联网、数字设备中。富士公司则集中于 MMIC及IC用抗电磁干扰滤波器材料及器件的开发。 国内在此方面的起步较晚，始于80年代。主要在软磁铁氧体材料和器件方面进行了大量的研究。电子科技大学，9所，国营899厂己合作开发出抗EMI材料6种、元器件5个系列，并初步解决了纳米晶软磁抗EMI材料的内层耦合及绝缘问题，使纳米晶软磁材料在抗EMI中得到有效应用。其他如东洋公司等单位也相继开发出系列产品并有了应用。现在国内市场上已有部分抗EMI材料、抗EMI元件、抗EMI滤波器面世。而用磁性和陶瓷材料制备的复合材料作为新型的抗电磁干扰材料，国内外都已有了一定的理论探讨，国内电子科技大学也巳开发出复合双性材料。

二、抗EMI材料的性能要求
作为抗EMI滤波器，要求衰减速度快，频带范围宽，同时应保证工作频率范围内信号不失真，能适应各种环境使用。这就对其磁芯材料提出了以下要求：第一，LC型，π型，T型抗EMI滤波器，要求高μi，高Bs。抗EMI滤波器的电感器尽量减少匝数，以得到小的分布电容，改善高频性能，扩展频带范围。如果是作为滤除较低频率的EMI信号或电源噪声滤波器使用时，磁导率要求更高(μi>1500)第二，低Hc，从而减小磁滞损耗；第三，高ρ，减小高频下涡流损耗；第四，高ωc(fr)，适当的截止频率，以展宽频段；第五，高Tc，以适应各类工作环境；第六，具有某一特定的损耗频率响应曲线，在需要衰减EMI信号的频段内损耗较大，足以把EMI衰减到最低电平，而在需要传输信号的频段内损耗较小，信号容易通过。不过，磁芯性能与其工作频率关系极大，而电磁波干扰信号的频率范围又相当宽，现在完全能满足上面六条要求的磁芯材料还没有。目前主要开发的抗EMI滤波器材料系列主要分为铁氧体系列、纳米晶软磁系列，六角Co2Z系列，复合双性系列四大类。表1显示了目前各种抗EMI材料性能指标的国际水平。
表一各种抗EMI材料性能指标的国际水平

三、Nizncu铁氧体的性能分析 我们常用的软磁铁氧体主要是MnZn、NiZn两大系列。其中MnZn系产量大、用途广，适用于低频1MHz以下，它具有高μi、低损耗和高稳定性的优点。 例如μi可达4×104，μQ积一般为50~100万(100KHz)，最高可达20~300万。Bs可在0.5T以上，Hc可在1OA/m以下，ρ为lOΩ/m ，αμ/μi与 D/μi为10-5~10-6。NiZn系材料在1MHz以下的低频范围内，性能比不上MnZn系，但在1MHz以上，由于它具有多孔性及高电阻率，因而大大优于MnZn系而成为高频应用中性能最好的软磁材料。其电阻率ρ可达108Ω/m，高频损耗小(例如NiZn-40在1.5MHz时,tgδ/μi≦60×l0-6，即Q=400~500)，故特别适用于高频1~ 30OMHz。而且NiZn材料的居里温度较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，具有较大的非线性，可在高频或高频大功率以及磁致伸缩器件等申应用，又由于NiZn材料在工艺上没有氧化问题，故制造工艺比MnZn材料简单。下表2列 出了常用的NiZn系铁氧体的性能指标。
表2：常用的NiZn系铁氧体的性能指标

注：“N”表示Ni，“X”表示Zn

NiZn铁氧体材料可在lMH~30OMHz范围内使用，如果要进一步提高使用频率范围，可在NiZn材料中掺杂一定的CuO，即得到NiZnCu软磁铁氧体材料，NiZnCu铁氧体材料可工作lOMH~10OOMHz的频率范围内，符合宽频抗电磁干扰材料的设计要求。CuO的加入可以提高材料的Q值，但μ值却要降低，这是因为尖晶石铁氧体中少量的Cu2+离子倾向于占据八面体位(B位)。由于晶场的作用，位于八面体B位的Cu2+离子产生能级分裂，同时改变了Cu2+离子核外电子云的分布，造成Cu2+离子周围的点阵发生畸变，正八面体畸变为沿Z轴方向伸长或缩短的八面体，增大铁氧体材料的应力各向异性，从而使材料μ值有所降低。同时，少量CuO的加入在一定程度上也可以降低材料的烧结温度，CuO含量Xwt%对NiZnCu铁氧体烧结温度的影响如图1所示。

图1 CuO对NiZnCu铁氧体烧结温度的影响

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