Элементы и устройства магнитоэлектроники

№ 1100

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Кафедра технологии материалов электроники

Д.Г. Крутогин

Элементы и устройства
магнитоэлектроники

Лабораторный практикум

Рекомендовано редакционноиздательским
советом университета

2е издание, переработанное и дополненное

Москва  Издательство ´УЧЕБАª
2008

УДК 621.38 
 
К84 

Р е ц е н з е н т  
канд. физ.-мат. наук, доц. М.Д. Малинкович 

Крутогин Д.Г. 
К84  
Элементы и устройства магнитоэлектроники: Лаб. практикум. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: МИСиС, 2008. – 81 с. 

Лабораторный практикум по курсу «Элементы и устройства магнитоэлектроники» имеет целью обеспечить формирование у студентов навыков 
радиофизических методов определения магнитных параметров ферритовых 
материалов, обработки экспериментальных результатов с использованием 
компьютера, численного моделирования зависимости динамических параметров ферритов от напряженности и частоты магнитного поля. 
По сравнению с предыдущим практикумом предусмотрены возможности 
индивидуализации и усложнения задач лабораторных работ, использования 
более современных измерительных приборов, дополнительные задания метрологического характера по оценке точности и анализу источников погрешностей измерений. 
Предназначен для студентов, обучающихся по специальности 210104 
«Микроэлектроника и твердотельная электроника». 

© Государственный технологический  
университет «Московский институт 
стали и сплавов» (МИСиС), 2008 

CОДЕРЖАНИЕ 

Введение................................................................................................4 
Методические указания к выполнению лабораторных работ..........4 
Лабораторная работа 1. Измерение коэффициента отражения 
и прямых потерь ферритовых приборов сверхвысоких частот........7 
Лабораторная работа 2. Исследование и моделирование 
явлений ферромагнитного резонанса в намагниченных 
ферритах ..............................................................................................20 
Лабораторная работа 3. Исследование и моделирование 
магнитных спектров ферритов..........................................................34 
Лабораторная работа 4. Изучение компонент тензора 
магнитной и комплексной диэлектрической проницаемости 
ферритов..............................................................................................50 
Лабораторная работа 5. Измерение магнитных потерь в 
ферритах при высокой индукции переменного магнитного 
поля ......................................................................................................64 
Лабораторная 
работа 
6. 
Исследование 
зависимости 
коэффициента отражения феррита от химического состава и 
толщины слоя......................................................................................73 
 

Введение 

Лабораторный практикум по специальному курсу «Элементы и 
устройства магнитоэлектроники» имеет целью сформировать у студентов навыки измерения электромагнитных параметров ферритовых 
материалов и элементов, магнитной и диэлектрической проницаемости и потерь на радиочастотах и СВЧ, параметров ферромагнитного 
резонанса. 
Обработка результатов некоторых работ ориентирована на использование ПЭВМ, при этом студентам может быть предложено 
провести компьютерное моделирование зависимости измеренного 
параметра от частоты поля или намагниченности феррита. 
В настоящем варианте лабораторного практикума по сравнению с 
предыдущим расширено число лабораторных работ, отобраны наиболее эффективные и наглядные схемы измерительных установок. 
Индивидуализация задач практикума обеспечивается набором образцов различных типоразмеров и марок ферритов, возможностью 
изменения условий эксперимента (частота сигнала, напряженности 
поля, температура, амплитуда сигнала и т.д.). В лабораторных работах 2–4 студенты получают для измерений индивидуальные образцы. 
В работах 1 и 5 задания индивидуализированы за счет изменения 
частоты или смены ферритового прибора. 
Проблемные ситуации студент анализирует в работах 1, 3 и 6, где 
ставится задача сохранения высокой точности измерения при снижении чувствительности прибора в узле стоячей волны. В работах 2, 4, 
5 проблемная ситуация связана с выбором критерия приемлемости 
образца или его положения в измерительной системе для сохранения 
достаточной чувствительности. 
Лабораторные работы выполняются в спецлаборатории, на готовых измерительных стендах, бригадами по два человека в течение 
двух учебных часов, из которых время непосредственного эксперимента составляет 35…50 мин. 

Методические указания к выполнению 
лабораторных работ 

1. Лабораторное занятие включает процедуру допуска к проведению работы, выполнение эксперимента, представление результатов и 
защиту оформленной работы. Допуск, предъявление результатов выполненной работы и защита проводятся индивидуально. 

2. Оформление лабораторной работы и выполнение расчетных заданий осуществляются во время самостоятельной работы студентов. 
3. Конспект лабораторной работы, необходимый для допуска к 
ней, должен включать: цель работы, блок-схему установки и кратко 
изложенный принцип ее работы, основные расчетные формулы, требования к образцам, в том числе сведения об их форме и размерах, 
таблицы для регистрации результатов. 
4. Допуск проводится преподавателем в виде короткого опроса. 
Ориентировочный перечень контрольных вопросов приведен в описании каждой работы. 
5. Эксперимент проводится под контролем лаборанта или преподавателя. 
6. Перед проведением экспериментов необходимо ознакомиться с 
общими и дополнительными указаниями по безопасности труда по 
каждой работе. Эти указания следует неукоснительно выполнять. 
Далее следует действовать в полном соответствии с указаниями 
раздела каждой лабораторной работы «Порядок проведения работы», 
обращаясь к лаборанту или преподавателю в случае, если желаемый 
результат не достигнут. 
7. Заканчивать эксперимент и выключать измерительные установки следует только после предъявления преподавателю записанных 
результатов эксперимента, в противном случав восстановить или повторить результаты можно только после длительного прогрева измерительных приборов. 
8. Общие указания по охране труда при выполнении лабораторных работ по курсу «Элементы и устройства магнитоэлектроники»: 
– все установки работают от сети напряжением 220 В; 
– к проведению работы допускаются студенты, прошедшие инструктаж по технике безопасности. Инструктаж проводится на первом 
лабораторном занятии для всей группы; 
– студентам запрещается проводить ремонт или вскрывать генераторы, индикаторы, блоки питания и другие приборы; 
– при неисправности электрической схемы и приборов следует 
прекратить работу, обесточить установку и сообщить об этом преподавателю; 
– при появлении дыма, искрения, запаха горячей изоляции следует немедленно отключить установку от сети и сообщить об этом преподавателю; 
– дополнительные указания по охране труда, если они необходимы, приводятся в описании лабораторных работ. 

9. Указания по обработке результатов и форме их представления 
приведены в описаниях лабораторных работ. Следует при всех измерениях и обработке данных максимально использовать точность измерений, обеспечиваемую приборами. 
Указания по порядку обращения к ЭВМ для выполнения расчетной части лабораторных работ студенты получают у преподавателя 
после выполнения соответствующей работы. 
10. Защита работы проводится после соответствующего оформления. Форма защиты – собеседование с преподавателем. Список ориентировочных вопросов для защиты работы приводится в описании 
каждой из работ. 
11. Защита всех работ, предусмотренных учебным планом дисциплины, является основанием для получения зачета по данному курсу. 

Лабораторная работа 1 

ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ 
И ПРЯМЫХ ПОТЕРЬ ФЕРРИТОВЫХ ПРИБОРОВ 
СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ 

(2 часа) 

1.1 Цель работы 

Освоить основные СВЧ приборы и сформировать навыки измерения коэффициента стоячей волны напряжений, коэффициента отражения и прямых потерь в СВЧ ферритовых приборах. 

1.2. Теоретическое введение 

Электромагнитные волны с длиной от 1 м до 0,1 мм образуют 
сверхвысокочастотный диапазон (СВЧ). В этом диапазоне работают 
многие радиотехнические средства навигации, обнаружения, сверхдальней, в том числе космической, радиосвязи, радиоастрономические приборы. Радиотехника СВЧ имеет ряд особенностей, отличающих её от радиотехники низких частот. Длина волны СВЧ, как 
правило, сравнима с размерами передающей линии. При этом двухпроводная линия передачи, характерная для низких частот, становится эффективным излучателем и по этой причине потери энергии из 
двухпроводной линии весьма велики. В СВЧ радиотехнике применяются закрытые передающие линии: коаксиальная, полосковая или 
волноводная (рис. 1.1). 
В коаксиальной и симметричной полосковой линиях распространяется поперечная электромагнитная волна, в которой электрическая 
и магнитная составляющие электромагнитного поля ортогональны 
направлению распространения волны. Волны такого типа называются НЕ-волнами (прежнее обозначение ТЕМ). 
В волноводах тип волны определяется конфигурацией и размерами волновода, условиями возбуждения, параметрами среды, заполняющей волновод и т.д. Размеры волноводов простых конфигураций 
(круглые и прямоугольные трубы) унифицированы. В частности, для 
трехсантиметрового диапазона СВЧ наиболее употребительным является прямоугольный волновод с размерами 23×10 мм. 

Рис. 1.1. Основные типы применяемых на практике передающих 
линий СВЧ: а – прямоугольный волновод; б – круглый волновод; 
в, г – волноводы сложного профиля; д – коаксиальный волновод; 
е – двухпроводная линия; ж, з – полосковые линии 

Основным типом волны в таком волноводе будет волна Н10 (поперечная электрическая волна). Структура электрического и магнитного поля волны Н10 описывается следующими выражениями: 

 
sin
;
ihy
z
E
Ce
gx
=
 

 
sin
,
hy
X
h
H
Ce
gx
k
=
 
(1.1) 

 
cos
,
ihy
Y
ig
H
Ce
gx
k
=
 

где 
2
k
π
= λ  – волновой вектор волны в свободном пространстве; 

С – амплитудный множитель, зависящий от мощности сигнала; 

в

2
h
π
= λ  – постоянная распространения волны в волноводе; 

g
a
π
=
 – собственное значение волновода; 

λв – длина волны в волноводе; 
a – размер широкой стенки волновода. 

Отсюда ясно, что направление электрической составляющей волны ортогонально направлению распространения волны, а также магнитным составляющим поля НX и НY. Все три составляющие электромагнитного поля изменяются по гармоническому закону по координатам Х и Y. 
Длина электромагнитной волны в волноводе λв отличается от 
длины волны в свободном пространстве λ, причем может быть как 
больше, так и меньше λ. Постоянная распространения h имеет смысл 
волнового вектора k для волны, распространяющейся в волноводе. 
Пользуясь приведенными выражениями, получим формулу, выражающую λв через λ, k, ε, μ, a: 

 
h2 = k2ε μ – g2. 

Из приведенных соотношений видно, что условия распространения волны в волноводе зависят от материальных параметров среды, ε 
и μ. При построении ферритовых приборов СВЧ обычно имеет место 
частичное заполнение волновода слоями феррита и диэлектрика. 
Следовательно, можно сформулировать два вывода: 
– меняя параметры ε и μ среды, полностью или частично заполняющей волновод, можно управлять условиями распространения 
электромагнитной волны (эта возможность используется при создании СВЧ ферритовых приборов); 
– изучая параметры распространения волны известного типа в передающей линии или электромагнитных колебаний в СВЧ колебательном контуре, можно определить в некоторых случаях материальные параметры ε и μ (эта возможность реализуется при измерениях электромагнитных параметров ферритов и диэлектриков в СВЧ 
диапазоне). 
С помощью формул (1.1) для магнитных компонент поля можно 
определить токи на стенках волновода, используя соотношение 

 
[ ,
],
4
s
c
j
n H
=
π
 
(1.2) 

где с – электродинамическая постоянная, с = 3.1010 см/с; 

n  – единичный вектор нормали к плоскости, на которой определяется ток. 

Из рис. 1.2 следует, что узкая щель, прорезанная вдоль широкой 
стенки волновода посередине, не повлияет заметно на распространение волны в нем, так как не пересечет силовых линий тока. 

 

Рис. 1.2. Структура электрического и магнитного  
полей основного типа волн Н10 прямоугольного  
волновода (а) и поверхностные токи (б) 

Энергия от СВЧ генератора по передающей линии (фидеру) попадает в нагрузку. Эту энергию несет бегущая волна. Однако часть 
мощности генератора всегда отражается от нагрузки и по передающей линии к генератору распространяется отраженная волна. Это 
явление нежелательное как с точки зрения бесполезной потери мощности, так и с точки зрения ухудшения условий работы СВЧ генераторов (мощная генераторная лампа – магнетрон выходит из строя за 
несколько минут, если на нее возвращается 10 % отдаваемой мощности). Отраженную волну, кроме нагрузки, порождает любая неоднородность передающей линии, например, неточности стыковки фланцев, наличие ферритовых или диэлектрических элементов в тракте. 
Любой тракт и СВЧ прибор должны проверяться на согласование, 
иначе говоря, на малый отраженный сигнал от входа. 

Сложение прямой и отраженной бегущих волн в волноводе приводит к образованию стоячей волны. 
Если отражения в линии малы и нагрузка хорошо согласована с 
линией, то максимальное значение амплитуды напряженности стоячей волны мало отличается от минимального (рис. 1.3, а). Если же 
энергия почти полностью отражается от нагрузки, например от металлической стенки, перекрывающей волновод, то амплитуда отраженной волны практически равна амплитуде падающей волны, а 
максимальная напряженность стоячей волны значительно больше 
минимальной (рис. 1.3, б). По отношению напряженностей электрического поля в пучности (максимуме) и узле (минимуме) стоячей 
волны определяется коэффициент стоячей волны напряжений 
(КСВН) 

 
max

min

КСВН
,
А
A
=
 
(1.3) 

где Аmax и Аmin – максимальное и минимальное показания индикаторного прибора. 

По величине КСВН можно определить коэффициент отражения 
мощности Г в передающей линии (или в нагрузке) 

 
КСВН
1
Г
.
КСВН+1

−
=
 
(1.4) 

Из приведенных соотношений ясно, что КСВН «чистой» бегущей 
волны близок к единице, КСВН стоячей волны стремится к бесконечности (практически трудно измерить КСВН  > 100). 
КСВН твердотельных приборов, в частности, ферритовых, зависит от многих конструктивных факторов и меняется в пределах от 
1,05 до 2. Хорошо согласованными приборами можно считать приборы с КСВН = 1,05…1,3. 
Большинство ферритовых приборов СВЧ используется для управления фазой или мощностью электромагнитной волны и поэтому 
представляют собой проходные элементы – эквивалентные четырех-, 
шести-, восьмиполюсникам. Кроме потери части мощности из-за отражения от входа прибора, другая часть ее теряется за счет поглощения в самом приборе. Поглощение обусловлено, в основном, диэлектрическими и магнитными потерями в материале приборов, и, отчасти, омическими потерями в стенках волновода.