Каждый раз, когда инженер сталкивается с задачей уместить антенну в корпус смартфона или обеспечить развязку между передатчиком и приёмником в радаре, он неизбежно приходит к одному классу материалов, которые незаслуженно остаются в тени более громких технологий. Магнитодиэлектрики не блещут красивыми названиями и не попадают в заголовки технических новостей, но именно они решают задачи, которые иначе просто не решаются. Маленький прибор, работающий на частотах от единиц до сотен гигагерц, почти всегда несёт в себе их след.
Разобраться в природе этих материалов - значит понять, почему физика на высоких частотах требует совершенно другой логики выбора веществ, чем та, что работает в низкочастотной электронике.
Физическая природа магнитодиэлектриков и принцип их работы на высоких частотах
Магнитодиэлектрики - это высокочастотные магнитные пластмассы, в которых наполнителем служит ферромагнетик, а связующим - органический или неорганический электроизоляционный материал. В магнитодиэлектриках частицы ферромагнетика отделены друг от друга сплошной плёнкой электроизоляционного материала, образующего непрерывную матрицу с высоким электрическим сопротивлением, которая одновременно выполняет роль механического связующего.
Зачем вообще нужна такая сложная конструкция? Ответ кроется в природе потерь на высоких частотах. Если взять монолитный металлический ферромагнетик и попробовать использовать его на частотах СВЧ, он окажется бесполезным - вихревые токи рассеют всю энергию в виде тепла. Ферриты и магнитодиэлектрики отличаются от металлических магнитных материалов большим удельным сопротивлением - от 10² до 10⁸ Ом·м, благодаря чему потери на вихревые токи малы, и это позволяет использовать их в высокочастотной технике.
Механизм изоляции прост, но элегантен: мелкодисперсные частицы магнитного сплава диаметром от 5 до 200 мкм покрывают слоем полимерного материала толщиной от 0,1 до 3 мкм. Диэлектрик в таких материалах выполняет три функции: изолирует зерна ферромагнитного порошка друг от друга, резко снижая потери на вихревые токи; служит связующим, обеспечивающим механическую прочность; образует распределённый немагнитный зазор между частицами порошка. Каждая частица - это маленький магнит, окружённый невидимой стеной, которая не даёт токам перетекать между зёрнами.
Магнитодиэлектрики обладают высоким удельным сопротивлением, малым тангенсом угла магнитных потерь. Начальная магнитная проницаемость составляет от 10 до 250, предельная рабочая частота достигает 250 МГц. Вот где возникает принципиальное отличие от ферритов: магнитодиэлектрики, как правило, не дотягиваются до гигагерцового диапазона в полной мере, тогда как специализированные микроволновые ферриты уверенно работают вплоть до миллиметрового диапазона волн.
Состав и разновидности материалов с разными наполнителями
Выбор наполнителя во многом определяет, где именно магнитодиэлектрик окажется полезен. В качестве мелкодисперсных ферромагнетиков применяют карбонильное железо, альсиферы и некоторые сорта пермаллоев. В качестве диэлектрика используют эпоксидные или бакелитовые смолы, полистирол, жидкое стекло.
Карбонильное железо - самый распространённый наполнитель, и не без причины. Сердечники из карбонильного железа отличаются достаточно высокой стабильностью, малыми потерями, положительным температурным коэффициентом магнитной проницаемости и могут использоваться в широком диапазоне частот. Там, где нужна предсказуемость поведения материала при смене температуры - а это почти всегда критично в бортовой и промышленной аппаратуре - карбонильное железо держит позиции уверенно.
Среди магнитодиэлектриков с металлическими наполнителями особое место занимает молибденовый пермаллой, или МО-пермаллой. Среди магнитодиэлектриков наилучшими техническими параметрами обладает МО-пермаллой, хотя этот материал относительно дорогой. Если требуется снизить цену, то используется Sendust или аналоги. МО-пермаллой выбирают тогда, когда потери должны быть минимальными и цена вопроса не является главным ограничением, - типичная ситуация в аппаратуре специального назначения.
Феррит занимает отдельную нишу: формально это тоже магнитодиэлектрик по своим электрическим свойствам, ферриты - вещества, полученные спеканием окиси железа Fe₂O₃ с оксидами других металлов - никеля, марганца и других. По своим электрическим свойствам ферриты являются магнитодиэлектриками, то есть, обладая способностью намагничиваться, они почти не проводят электрический ток. Однако по электромагнитным параметрам и диапазону рабочих частот ферриты существенно превосходят классические магнитодиэлектрики на металлических наполнителях, поэтому в СВЧ-технике термин "магнитодиэлектрик" нередко используется в широком смысле, охватывая обе группы.
Уменьшение геометрических размеров антенн за счёт магнитодиэлектрических подложек
Один из самых практически значимых эффектов использования магнитодиэлектриков в антенных системах - возможность резкого уменьшения физических размеров излучателя без потери его электрических характеристик. Многие разработчики, впервые сталкиваясь с этим, воспринимают результат с недоверием: антенна сжимается в несколько раз, а параметры остаются на месте.
Для малогабаритных композитных антенн с эффективной длиной волны λ/4 коэффициент укорочения составляет 1/(µeff·εeff)^(1/2), где µeff - эффективная относительная магнитная проницаемость, εeff - эффективная относительная диэлектрическая проницаемость подложки. Говоря проще: если подложка одновременно обладает и магнитной, и диэлектрической проницаемостями, превышающими единицу, то длина волны в материале уменьшается пропорционально корню из их произведения, а антенна, резонирующая на этой длине волны, уменьшается в том же соотношении.
Когда антенна встроена в материал с высокой диэлектрической проницаемостью, её размеры могут быть уменьшены в соответствии с уменьшением длины волны электромагнитных волн в непосредственной близости от антенны. Ранние GPS-антенны имели размер 60 мм на 66 мм и толщину в несколько миллиметров, а благодаря микрополосковым антеннам на материалах с высокой диэлектрической проницаемостью GPS-устройства вместе с приёмником могут быть произведены в корпусе размером 4 мм на 4 мм при толщине 2,1 мм. Сокращение в 15 раз по площади - это не теоретическое упражнение, а то, что живёт в каждом современном навигаторе.
Одним из наиболее подходящих материалов для проектирования антенн в критических диапазонах частот является гексаферритовый сердечник с достаточно высокой исходной относительной диэлектрической проницаемостью εr и магнитной проницаемостью µr при относительно низком коэффициенте вносимых потерь. Гексаферрит хорош именно тем, что у него оба параметра значительны одновременно - редкое сочетание, которое открывает возможности, недоступные при использовании чистых диэлектриков.
Ферритовые вентили и циркуляторы как основа невзаимных СВЧ-устройств
Когда речь заходит о применении магнитодиэлектрических материалов в активных СВЧ-системах, на первый план выходит уникальное свойство намагниченного феррита - невзаимность. Это свойство означает, что волна, распространяющаяся в одном направлении, и волна, идущая в обратном, взаимодействуют с материалом принципиально по-разному. Природа не знает слова "симметрия" там, где есть подмагниченный феррит.
Ферритовый вентиль - это СВЧ-устройство с односторонним прохождением электромагнитной волны, то есть с очень малым затуханием волны, проходящей в одном направлении, и очень большим - для волны обратного направления. Циркулятор - согласованный недиссипативный невзаимный многополюсник, в котором передача мощности происходит в одном направлении с входа 1 на вход 2, с входа 2 на вход 3 и т. д., с входа с наибольшим номером - на вход 1.
Циркуляторы применяются в качестве развязывающих устройств, например, для одновременного использования общей антенны на передачу и на приём, в параметрических усилителях, в схемах сложения мощностей генераторов. Именно циркулятор позволяет радарным системам использовать одну антенну и для излучения мощного импульса, и для приёма слабого отражённого сигнала - задача, которая без такого устройства требовала бы двух раздельных антенн и сложных схем переключения.
Ферритовые резонаторы ведут себя на СВЧ подобно сосредоточенным элементам. Широкое применение ферритовых фильтров обусловлено такими уникальными свойствами, как электрическая перестройка резонансной частоты в очень широком диапазоне - декада и более, а также невзаимный характер взаимодействия с электромагнитными полями. Перестраиваемый ферритовый фильтр с диапазоном перестройки в декаду - это устройство, которое в одном корпусе охватывает полосу частот от, скажем, 1 до 10 ГГц. Ни один LC-контур такого не сделает.
Радиопоглощающие свойства и применение в экранировании СВЧ-блоков
Помимо применения в функциональных СВЧ-устройствах, магнитодиэлектрические материалы несут другую, не менее важную функцию - поглощение паразитных электромагнитных волн. Это та сторона их применения, которую видно реже, но без которой современная аппаратура просто не укладывалась бы в нормы электромагнитной совместимости.
Поглощающий материал будет соответствовать своему назначению в том случае, если в нём отсутствует отражение электромагнитной волны от внешней поверхности, а энергия, проникающая внутрь, полностью в нём поглотится. Выполнение этих условий достигается соответствующим подбором электрических и магнитных свойств материала - в первую очередь комплексной диэлектрической проницаемости ε = ε' + iε'' и комплексной магнитной проницаемости µ = µ' + iµ''.
Практические рецептуры уже давно отработаны. Поглотитель на основе карбонильного железа в силиконовом компаунде обеспечивает ослабление паразитных СВЧ-излучений в закрытых микросборках в диапазоне частот до 18 ГГц, работоспособен в условиях вибрационных нагрузок и в интервале температур от -60 до +200 °C. Диапазон рабочих температур, охватывающий 260 градусов, красноречиво говорит о том, что материал проектировался для условий, далёких от лабораторных.
Применение метаматериалов - то есть структур с управляемыми значениями диэлектрической и магнитной проницаемостей, в том числе отрицательными - в качестве подложки микрополосковой антенны позволяет уменьшить геометрические размеры антенны и расширить её рабочий диапазон частот. Метаматериалы, по существу, представляют собой следующий логический шаг после традиционных магнитодиэлектриков: вместо того чтобы подбирать готовое вещество с нужными свойствами, инженер конструирует искусственную периодическую структуру, параметры которой задаёт сам - геометрией включений.
Температурная стабильность и особенности поведения при изменении условий эксплуатации
Разработчик СВЧ-устройства, выбирая материал, почти никогда не думает только о комнатной температуре. Бортовая радиолокационная станция прогревается на стоянке и охлаждается на высоте. Базовая станция связи работает под открытым небом круглый год. В таких условиях стабильность магнитных свойств часто важнее их абсолютных значений.
Преимущество магнитодиэлектриков перед ферритами заключается в том, что они обладают более высокой стабильностью магнитных свойств, а изделия из них получают более высоких классов геометрической точности и степени шероховатости поверхности. Однако по ряду электромагнитных параметров магнитодиэлектрики уступают ферритам, поэтому применение их постепенно сокращается.
Свойства ферритов сильно зависят от температуры по сравнению с магнитодиэлектриками, что связано с относительно высокой точкой Кюри некоторых ферритов. При температуре ниже точки Кюри, но близкой к ней, магнитная проницаемость и другие свойства значительно изменяются. Именно этим объясняется то, что в аппаратуре с широким рабочим диапазоном температур - от арктического мороза до тропической жары - предпочтение нередко отдают магнитодиэлектрикам, даже жертвуя частотным диапазоном.
Из числа наполнителей в этом отношении особо выделяется карбонильное железо: оно имеет положительный температурный коэффициент магнитной проницаемости, что в ряде схем позволяет компенсировать температурный дрейф других элементов контура. Если конструктор знает, как именно изменяется индуктивность катушки при нагреве, он может подобрать сердечник с таким коэффициентом, что конденсатор и сердечник будут дрейфовать в разные стороны и взаимно компенсировать друг друга.
Перспективы применения в системах пятого поколения и миллиметровом диапазоне
Диапазон миллиметровых волн, который задействует стандарт 5G и активно осваивается радарными системами ближнего радиуса, предъявляет к материалам требования, которые ещё недавно казались избыточными. На частотах 24-77 ГГц длина волны в свободном пространстве составляет от 12 до 4 мм, и физические размеры антенных элементов становятся сравнимы с допуском на механическую обработку. В такой ситуации каждый микрон имеет значение.
Магнитодиэлектрические и ферритовые материалы занимают в этих системах несколько ниш одновременно. Во-первых, подложки для антенных решёток с управляемой проницаемостью позволяют точно задавать резонансные размеры элементов, не завися от механической обработки с субмикронной точностью. Во-вторых, поглощающие материалы на основе карбонильного железа применяются для подавления паразитных резонансов в корпусах модулей - особенно критично это в приёмо-передающих модулях фазированных решёток, где десятки или сотни каналов работают в непосредственной близости друг от друга. В-третьих, ферритовые циркуляторы остаются практически безальтернативным решением для развязки передающего и приёмного трактов в радарных системах миллиметрового диапазона.
Честно говоря, конкуренцию магнитодиэлектрикам в ряде задач составляют полупроводниковые технологии: интегральные схемы с активными элементами способны заменить циркуляторы и вентили в маломощных применениях. Но когда мощность измеряется в ваттах и десятках ватт, а рабочий диапазон простирается от сантиметрового до миллиметрового диапазона, пассивные ферритовые приборы остаются вне конкуренции по совокупности параметров - потерям, надёжности и отсутствию необходимости в источнике питания.
Магнитодиэлектрики - это материалы, которые не делают ничего эффектного и не меняются внешне при работе. Они просто держат своё место в схеме - тихо, стабильно и с точными параметрами. Именно это и делает их незаменимыми.