姚 翔, 周繼軍

(杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院,浙江 杭州 310018)

0 引 言

縱觀電子技術(shù)的發(fā)展進程,消除干擾對電子系統(tǒng)的影響一直熱度很高。目前在電路系統(tǒng)中增加濾波設(shè)計是降低干擾影響的重要方式[1～4],但濾波結(jié)構(gòu)本身往往也會受到外界的影響,這會使得濾波器件的性能參數(shù)發(fā)生偏移,對電子系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響,因此,提高濾波器件本身的抗干擾能力對于改善系統(tǒng)整體的性能有著積極的作用。如今應(yīng)用范圍較廣的還是無源濾波領(lǐng)域中基于電感電容(LC)的多階濾波器。因此，本文以電感作為研究對象,以材料性能隨電流變化對電感所產(chǎn)生的影響為研究入手點,找出其中影響關(guān)系,從材料與結(jié)構(gòu)方面降低電流對電感性能的影響。

1 摻雜對材料抗磁場干擾性能的影響

電感有繞線式與疊層片式[5],兩種類型在低頻段時都比較接近于理想型器件,但隨著頻率上升或者線圈中電流增大,電感量就會產(chǎn)生變化,其根本原因還是器件所使用的材料的性能受到外界因素的影響而產(chǎn)生了性能參數(shù)的變化,從而導(dǎo)致一些由材料性能參數(shù)直接決定的器件性能參數(shù)發(fā)生改變,使器件整體的功能實現(xiàn)發(fā)生偏移,對器件的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

有研究表明：摻雜會對鐵氧體性能產(chǎn)生影響[6,7],適當(dāng)?shù)膿诫s能夠提高鐵氧體材料穩(wěn)定性[8,9]。不同摻雜下的材料,其材料磁導(dǎo)率在外加磁場至材料磁飽和之前的穩(wěn)定性,進而分析出不同摻雜對材料抗磁場干擾能力的改善程度。以鎳鋅鐵氧體作為實驗摻雜對象,在實驗室眾多摻雜實驗中選取4種較為典型的摻雜實驗,使用的摻雜劑質(zhì)量分數(shù)分別為2.4 %ZnSiO4,2.0 %CaCO3,1.5 %Nb2O5,1.5%Al2O5,由于篇幅有限,制備過程省略,4種材料只有摻雜不同,其余相同。制成統(tǒng)一尺寸圓環(huán)磁芯,外徑12.7 mm,內(nèi)徑7.9 mm,高6.5 mm,繞線匝數(shù)與工藝相同,測試溫度為25 ℃,電感值由電感電容電阻(LCR)儀器測得,計算分析得到4種材料磁導(dǎo)率與外部磁場強度關(guān)系,關(guān)系匯總?cè)鐖D1所示。

圖1 材料磁導(dǎo)率與磁場強度關(guān)系匯總

從圖1可以看出,當(dāng)磁場強度H低于300 A/m時,4種材料的磁導(dǎo)率較為穩(wěn)定；隨著磁場強度增大,磁導(dǎo)率μ開始變化,總體表現(xiàn)為下降趨勢,但每種材料開始下降的磁場強度不同,下降速度也不同，其中，ZnSiO4最先開始下降,且趨勢最明顯,CaCO3相對好一些,而Al2O3與Nb2O5的變化趨勢類似且比另外兩種材料表現(xiàn)好,其中Nb2O5出現(xiàn)下降趨勢最晚,且下降較慢；材料磁導(dǎo)率與磁場強度之間的變化關(guān)系從根本上還是電感量與電流之間的關(guān)系,線圈電流變化導(dǎo)致磁場強度變化,進而影響磁導(dǎo)率穩(wěn)定,改變電感量。

以上實驗可以看出：線圈電流對材料磁導(dǎo)率確實存在影響,會使電感量發(fā)生變化；另外材料摻雜可以改善磁性材料的抗磁場干擾能力,且本次實驗中,摻雜Nb5+的材料其磁導(dǎo)率穩(wěn)定性表現(xiàn)最好,使用此種磁性材料制成的電感其抗電流干擾能力也會提高,可以以此為研究方向,繼續(xù)改良摻雜劑與配方,提高材料磁導(dǎo)率穩(wěn)定性。

2 疊層電感研制

疊層電感由鐵氧體基板與導(dǎo)體層疊壓而成,其中基板厚度、導(dǎo)體層厚度、導(dǎo)體長邊短邊、導(dǎo)體寬度以及匝數(shù)都對電感量有著直接的影響；采用上節(jié)中摻雜質(zhì)量分數(shù)為1.5 %Nb2O5的NiCuZn鐵氧體作為基體材料,從材料方面有效增強器件抗電流干擾能力；本節(jié)從結(jié)構(gòu)設(shè)計方面降低線圈電流所產(chǎn)生的磁場對材料穩(wěn)定性的影響,選取L型螺旋矩形結(jié)構(gòu)作為電感導(dǎo)體的三維空間結(jié)構(gòu)[10,11],在HFSS中對電感進行三維建模,暫定電感匝數(shù)為N=5.5,導(dǎo)體線寬0.2 mm,導(dǎo)體層厚度60 μm,鐵氧體基板厚度0.2 mm,長邊1.6 mm,短邊1 mm。在HFSS中創(chuàng)建的電感三維模型如圖2所示。

圖2 L型螺旋電感三維模型

模型完成之后對各參數(shù)進行仿真優(yōu)化,由于篇幅所限,過程無法詳述,通過仿真優(yōu)化,確定各參數(shù)為導(dǎo)體線寬0.3 mm、電感匝數(shù)為N=2.5、導(dǎo)體層厚度70 μm、鐵氧體基板厚度0.2 mm,長邊1.6 mm,短邊1 mm,外部整體長邊為2 mm,短邊為1.2 mm,內(nèi)部導(dǎo)體采用銀漿,兩端導(dǎo)體采用銀漿、鎳、錫；將設(shè)計方案與鐵氧體材料送交工廠生產(chǎn)出來,然后對電感樣品進行性能測試時發(fā)現(xiàn),實際的電感值較仿真時所得到的數(shù)值偏小,分析可能是由于產(chǎn)品在燒結(jié)時,內(nèi)部導(dǎo)體銀漿發(fā)生滲透,使得電感導(dǎo)體發(fā)生輕微變化。對產(chǎn)品進行性能測試,可以得到電感量與電流之間的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 電感量與電流關(guān)系曲線

3 結(jié) 論

本文主要從材料摻雜入手,旨在找到能夠提升鐵氧體材料抗磁場干擾能力的方向,最終得到添加Nb5+對提升鐵氧體材料在磁場環(huán)境中的穩(wěn)定性有著積極作用,而后以此種材料為基礎(chǔ)進行疊層電感結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化,從材料與結(jié)構(gòu)兩方面提高電感的抗電流干擾能力。由于篇幅有限,文中對于優(yōu)化仿真等方面說明不夠全面,另外對于材料摻雜以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方面還需進行更深一步的研究,繼續(xù)改善有關(guān)的器件性能。