电子技术飞速发展，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。解决（抑制）电磁干扰或者提高电子设备的抗电磁干扰能力最有效的办法就是采用电磁兼容性(EMC)设计，其中需用到大量抗电磁干扰材料。铁氧体电感元件优良的抗电磁干扰特性，已成为抑制EMI最重要并已获得普遍采用的电磁元件[1]，MnZn和NiZn铁氧体材料作为铁氧体单元组成部分，具有宽频带、阻抗、频率特性可调节等特点，可解决传导干扰、辐射干扰的很多问题，是常用的抗EMI材料[2]。学者们对抗电磁干扰材料的阻抗的机理、应用以及阻抗匹配都有大量的研究[3,4]，本文主要通过对MnZn铁氧体材料的阻抗试验研究，分析了影响铁氧体材料阻抗的因素和机理，提出了提高MnZn铁氧体材料阻抗的方法，为高阻抗材料研发人员提供参考。
1 实验
1.1 样品制备
采用传统陶瓷工艺，以市售Fe2O3（纯度99.40%）、Mn3O4（以Mn计纯度71.25%）和ZnO（纯度99.70％）为原料，按主配方范围，Fe2O3：(51.5~53.0)mol%、ZnO：(20.5~23.0)mo1％、余量为Mn3O4准确称量，混合后球磨30min，烘干后在800℃~900℃预烧2h，加入适量的微量添加物（如SiO2、CaCO3等杂质），再球磨至平均粒度为1.1μm左右，烘干后加8%聚乙烯醇(PVA)水溶液造粒，压制成型φ25×φ15×8mm的标环，在1330℃烧结，在平衡氧分压下冷却至180℃出炉。
1.2 测量方法
采用HP4294A阻抗分析仪(Agilent Technology 4294A)和专用夹具(Agilent Technology 16047E)测量样品的电感量L，Q值，计算出相应的起始磁导率；测试样品的频率曲线，考查频率特性；测量样品1M时的阻抗值Z。
2 实验结果
2.1 不同的Q值对应的阻抗
试验在同一组配方相同的方案中，选取起始磁导率μi相近的样品，同条件下对其起始磁导率μi，Q和阻抗Z进行测试，来研究Q与阻抗Z之间的关系。下表1列出了各样品在室温25℃条件下的起始磁导率μi，Q和1MHz时的阻抗Z。
表1 各样品的μi及Q值，1MHz时的阻抗Z
样品编号 μi Q Z
A 4580 67.5 78.4
B 4520 60.2 70.5
C 4521 66.5 75.4
D 4517 55.3 65.5
品质因数Q值是材料重要参数之一，它是指电感器在某一频率的交流电压下工作时，所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比。电感器的Q值越高其损耗越小，效率就越高。从表1可以看出，各样品在起始磁导率μi基本相同的情况下，有一个共同点，材料的Q值越高，则对应的1MHz下的阻抗Z值越大。
2.2 不同的频率特性对应的阻抗
试验在同一组配方相同的方案中，同条件下对其起始磁导率μi，Q和阻抗Z进行测试，将起始磁导率μi相近的样品分成A组、B组和C组，来研究Q与频率特性之间的关系。下表1列出了各样品在室温25℃条件下1kHz和160kHz的磁导率μi和1MHz时的阻抗Z。
表2各样品在1kHz，160kHz的磁导率值和1MHz的阻抗值
分组 样品编号 μi (1kHz) Z (1MHz) μi (160kHz)
A组 1 5514 63.22 1310
6 5626 73.62 1402
9 5420 75.79 1780
B组 2 7157 87.95 1340
5 7261 81.51 1190
C组 3 6558 87.85 1480
7 6762 69.42 1100
表2中，为了方便数据的处理，将160kHz时的磁导率作为频率特性好坏的一个参考值，通过分组排除斯诺克公式的影响。可以看出，起始磁导率μi大小基本接近的一组样品中，样品在160kHz时的磁导率μi越高，则对应1MHz的阻抗Z越大。这就说明，在磁导率μi恒定的情况下，截止频率fr越高，则材料的阻抗Z越大。
3 机理分析与提高材料阻抗的方法
3.1 机理分析
铁氧体磁芯的阻抗是个复数，实部R由其复数磁导率虚部μ"决定，代表磁芯损耗部分；虚部XL由其复数磁导率实部μ'决定，代表储能部分。R、XL都是频率的函数。采用串联等效电路，磁芯的阻抗为：
(1)
(2)
其中，L0=μ0·n2·Ae /le，ω=2π·f 。
磁芯的阻抗与频率、线圈匝数、磁芯的尺寸及材料复数磁导率的实部、虚部有密切关系，磁芯阻抗的频率特性仅与材料复数磁导率的频率特性相关[5]。
图1中，阻抗随频率的变化关系，在低频阶段，感抗对阻抗的贡献较大，而高频阶段，电阻对阻抗的贡献较大[6]。可见，做高阻抗材料可以从两个方面进行，一是提高阻抗的电感性分量，即提高高频磁导率，其二是提高阻抗的电阻性分量，提高Q值，提高电阻率。
在MnZn铁氧体复数磁导率与频率关系中，如图2所示，在一定的频率范围内随频率的提高，复数磁导率的实部μ'保持不变，虚部μ"增加，铁氧体损耗增大。在频率达到斯诺克极限以后，虚部μ"和μ'急剧下降，铁氧体损耗急剧上升。
由图2知，通过改变铁氧体复数磁导率的频率特性，就能改变阻抗和频率的关系。因此，试验在磁导率μi十分接近的前提下，提高材料的Q值，提高电阻率或提高截止频率，可以提高材料的阻抗。[page]
3.2 提高材料阻抗的方法
通过以上实验结果分析以及影响MnZn铁氧体材料阻抗的机理讨论，可以找到间接提高阻抗的方法，其原理就是通过掺杂和烧结工艺来改变MnZn铁氧体材料的电阻率和频率特性。根据铁氧体在不同的频段的特点和起主要作用的机制，改善MnZn铁氧体的阻抗的复数磁导率的频率特性。具体方法如下。
(1)添加高阻抗杂质。添加适量的SiO2和CaCO3杂质，可以降低材料的损耗，提高材料的Q值和电阻率。从提高材料fr的角度，添加适量的CaCO3后，还能有效提高铁氧体材料的高频性能[7]。
在配方中掺入不同种类的添加剂来制备高阻抗材料，测试样品在1MHz的阻抗值，发现在一定添加范围内，SiO2、CaCO3、MoO3等杂质对阻抗都有正作用。
常用添加剂对铁氧体材料的阻抗的影响如图3所示，分别添加SiO2：100ppm、CaCO3：800ppm，MoO3：500ppm，材料的阻抗都有了不同程序的提高，其影响呈上升趋势。但添加量一定要适当，以免添加过量影响性能。譬如，添加SiO2和CaCO3添加含量过高时，会使晶粒粗化，晶粒非连续生长，晶粒尺寸增大，导致晶界多气孔，材料致密化不够，密度降低[8]；当MoO3添加量过多时，反而会抑制晶粒的成长，同时在晶界处聚集过量的MoO3造成显微结构非晶相的增多，阻碍了磁导率的提高[9]。
(2)添加具有助熔作用的杂质。低熔点杂质可以降低烧结温度150℃~200℃，能提高烧结密度和电阻率，细化晶粒，从而获得高密度细晶粒结构，使得截止频率上升。
添加一定量的V2O5可明显改善材料的频率特性，提高截止频率。图4中，未添加V2O5与添加500ppmV2O5材料的μi~f特性进行比较。添加了V2O5明显改善材料的频率特性，但V2O5的加入降低了磁导率，这是因为V2O5可抑制晶粒的生长，细化晶粒，改善材料的显微结构。V2O5的熔点为690℃，具有助熔性质。适量V2O5的添加有利于液相烧结，从而获得高密度细晶粒结构，但过量的添加会促进晶粒快速增长，使粒径增大、晶界减少、气孔进入晶粒内部，对畴壁位移产生严重的阻滞，导致磁导率降低[10]。
(3)添加CoO杂质提高材料的截止频率。添加一定量的CoO，对提高截止频率非常有作用，Co2+形成单轴各向异性，增大材料的磁晶各向异性，造成很深的能谷，冻结畴壁的移动，提高畴壁共振频率。实验表明没有添加CoO的样品，起始磁导率的频散特性呈现二段型，而随着CoO的添加而变为一段型，畴壁移动分量由共振型变化成为驰豫型[5]，因而有利于材料截止频率的提高。
(4)烧结工艺优化。降低烧结温度，可以形成细晶粒结构而增大Hc，从而提高截止频率fr。降温段略偏氧化的平衡氧分压，可避免Fe2O3过分离解的同时提高材料Q值。
4 结论
(1)MnZn铁氧体材料的阻抗特性主要由复数磁导率的频率特性和电阻性分量决定。
(2)通过改善材料的频率特性及提高材料的Q值和电阻率，都可以间接地提高材料的阻抗。
参考文献
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作者简介
豆小明(1979-)，男，甘肃天水人，学士，工程师，主要从事MnZn软磁铁氧体材料的研发，生产线推板窑烧结工艺调整工作。
