絲材長度對CoFeSiBCr玻璃包覆絲復合膜噪聲抑制的影響

張俊峰，陳 征，張宏浩，劉天成，李德仁, 盧志超, 周少雄

(中國鋼研科技集團公司 安泰科技股份有限公司 技術(shù)中心，北京 100081)

絲材長度對CoFeSiBCr玻璃包覆絲復合膜噪聲抑制的影響

張俊峰，陳 征，張宏浩，劉天成，李德仁, 盧志超, 周少雄

(中國鋼研科技集團公司 安泰科技股份有限公司 技術(shù)中心，北京 100081)

通過動態(tài)樣品磁強計測試CoFeSiBCr玻璃包覆非晶絲的靜態(tài)磁滯回線，發(fā)現(xiàn)其不具有軸向疇。制備了含玻璃包覆非晶絲的膜狀噪聲抑制材料，采用微帶線測試系統(tǒng)測試微波散射參數(shù)并計算出功率損耗比，研究絲材長度對復合膜微波噪聲抑制特性的影響。結(jié)果表明：隨著絲材長度的增大，復合膜樣品的 S21曲線在測試頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)吸收峰，且峰值對應的頻率逐漸減小。復合膜禁帶帶寬隨著絲材長度的增大而增大。絲材長度為20 mm時，復合膜的禁帶帶寬最大，達7.1 GHz，1.8~8.5 GHz時功率損耗比高于75%，在千兆赫茲頻率范圍內(nèi)具有較好的噪聲抑制效果。

非晶；玻璃包覆絲；噪聲抑制片；傳輸衰減

近年來，隨著電子和信息技術(shù)的快速發(fā)展，電子產(chǎn)品的工作頻率越來越高，而為便攜和多功能化，電子設(shè)計集成度也越來越高，大量高頻率器件排布在狹小的設(shè)備空間中，帶來了嚴峻的電磁干擾問題。電磁噪聲抑制片用于減小噪聲路徑之間的耦合、抑制噪聲電流和降低噪聲輻射[1]，可有效降低電磁干擾強度。目前，TDK、NEC-TOKIN等[2]多家電磁兼容元件公司已推出了商業(yè)化的噪聲抑制片產(chǎn)品，電磁噪聲抑制片在電子產(chǎn)品中得到越來越廣泛的應用。

噪聲抑制材料通常要求有較高的電磁損耗和電阻率[3?4]。KIM等[5]通過有限元模擬分析指出，噪聲抑制片的電導率高于58 S/m(相當于1.7 Ω?cm)時，其表面對輻射噪聲的反射較強，輻射噪聲較大，而電導率低于5.8 S/m(相當于17.2 Ω?cm)時，能得到較好的噪聲抑制效果。常用的鐵磁性金屬粉末復合膜噪聲抑制片，為得到高磁導率和較大的磁損耗，往往需要較大的金屬粉末體積分數(shù)，很容易超過逾滲閾值而降低電阻率，使用時需要在噪聲抑制片與噪聲源之間加絕緣層。鐵氧體具有較高的電阻率，近年研究較多[4,6]，但存在高頻磁導率低和溫度穩(wěn)定性差等問題。

噪聲抑制材料的電磁損耗包括磁損耗和電損耗，其中磁損耗的作用更大[2,5]。大長徑比可以提高退磁場強度，使噪聲抑制片具有較好的高頻噪聲抑制效果[7]。NAM 等[8]通過理論分析和模擬研究了以長軸位于面內(nèi)的鐵磁性納米絲為吸波劑的噪聲抑制材料，研究表明在一定的長徑比范圍內(nèi)，鐵磁共振頻率隨著絲材長度的增大而增大。噪聲抑制片含有幾種不同長度的絲材時，具有較寬的噪聲抑制頻率范圍，厚度為200 μm的樣品在5 GHz以上功率損耗比在50%以上，厚度為2 000 μm的樣品在5GHz以上功率損耗比在70%以上，在10 GHz的功率損耗比達到80%。因此，以鐵磁性絲材為吸波劑的噪聲抑制材料有很好的研究價值。

玻璃包覆非晶絲是由金屬內(nèi)芯和玻璃包覆層構(gòu)成的復合材料, 金屬內(nèi)芯通常是具有良好軟磁性能的鐵磁性材料，而玻璃包覆層則有很好的絕緣性。玻璃包覆非晶絲與電介質(zhì)的復合材料根據(jù)絲材排布方式不同，在千兆赫茲頻率范圍內(nèi)的復介電常數(shù)表現(xiàn)出等離子體型特征或天線散射特征[9]，復介電常數(shù)虛部出現(xiàn)極大值，對電磁波具有較強的吸收特性，現(xiàn)已引起越來越多的關(guān)注。此外，含玻璃包覆絲的復合材料在微波范圍內(nèi)還具有自然鐵磁共振特性[10?12]。較高的電磁損耗特性及較高的絕緣性使玻璃包覆絲適于制備噪聲抑制材料。

長度對玻璃包覆絲磁性能有較大影響[13?14]，對其微波特性也有一定影響[13,15]。本文作者制備含不同長度玻璃包覆非晶絲的復合膜，采用微帶線測試系統(tǒng)測試了放置復合膜后微帶線的S參數(shù)，并計算出功率損耗比，研究絲材長度對復合膜微波噪聲抑制特性的影響。

1 實驗

采用玻璃包覆紡絲法[15]制備了CoFeSiBCr玻璃包覆非晶絲，絲材的金屬內(nèi)芯直徑約為20 μm，玻璃外層外徑約為32 μm，如圖1所示。將玻璃包覆非晶絲剪切成一定長度的短切絲材,均勻散布在塑料基體膜上，散布時使絲材隨機取向，最后在散布玻璃包覆非晶絲絲材的基體膜上再粘覆一層基體膜，制成復合膜，如圖2所示。樣品尺寸為110 mm×100 mm×0.2 mm。絲材含量以單位面積的復合膜中所含的短切絲材質(zhì)量表示。制備了含不同長度絲材的一系列復合膜樣品，樣品所含絲材長度和含量如表1所列。

將10根8 mm長玻璃包覆絲平行排列成一組，用Lakeshore 7410振動樣品磁強計測量絲材組的軸向靜態(tài)磁滯回線。采用微帶線測試系統(tǒng)測試復合膜樣品的S參數(shù)(S11, S12, S21, S22)，測試系統(tǒng)如圖3所示。復合膜放置在微帶線上，微帶線兩端口分別與 Agilent

圖1 玻璃包覆非晶絲的SEM像Fig. 1 SEM image of glass-covered amorphous wire

圖2 含玻璃包覆非晶絲復合膜的示意圖Fig. 2 Schematic diagram of composite film containing glass-covered amorphous wires

表1 復合膜樣品所含絲材長度及含量Table 1 Wires length and content in composite film samples

圖3 微帶線測試系統(tǒng)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of microstrip measurement system

E5071B矢量網(wǎng)絡分析儀的兩端口連接。微帶線的各項參數(shù)參照IEC 62333—2[1]標準選取，特征阻抗為50?。測試在室溫下進行,頻率范圍為10 MHz~8.5 GHz。測試時在樣品上加0.5 kg重物使樣品平整，重物與樣品之間加15 mm厚的苯乙烯泡沫板隔離。通過測得的正向反射系數(shù)S11和正向傳輸參數(shù)S21值，由式(1)計算出傳輸噪聲的功率損耗比[6]。

式中：Ploss為損耗功率；Pin為輸入功率。

2 結(jié)果與討論

圖4所示為CoFeSiBCr玻璃包覆非晶絲的軸向靜態(tài)磁滯回線。該磁滯回線近似于一條斜率不變的線段，磁滯回線包圍的面積很小，說明磁化過程主要是通過磁疇轉(zhuǎn)動實現(xiàn)的，疇壁移動對磁化的貢獻很小。CHIRIAC和OVARI[16]認為，正磁致伸縮系數(shù)的Fe基玻璃包覆絲由內(nèi)芯沿軸向的單疇和外殼沿徑向的多疇構(gòu)成；負磁致伸縮系數(shù)的Co基玻璃包覆絲為“竹節(jié)”疇結(jié)構(gòu)，內(nèi)芯為徑向磁疇，外殼層為環(huán)向磁疇。本研究所制備的CoFeSiBCr玻璃包覆非晶絲具有近零磁致伸縮系數(shù)，根據(jù)靜態(tài)磁滯回線看，絲材內(nèi)芯沒有軸向磁疇，則其磁疇結(jié)構(gòu)屬于Co基玻璃包覆非晶絲的“竹節(jié)”疇。

不同復合膜樣品的 S11曲線如圖 5所示。由圖 5可見，在較低頻率范圍內(nèi)(10 MHz~2.5 GHz)，各樣品S11曲線的峰值隨著絲材長度的增大而增大，S11曲線的變化周期隨著絲材長度的增大而減小。樣品1的S11曲線峰值明顯低于其余樣品的，周期明顯大于其余樣品。而在較高頻率范圍內(nèi)(5 GHz~8.5 GHz)，樣品1的S11曲線的峰值則高于其余樣品。而且樣品1的S11曲線還呈現(xiàn)較好的周期性?？梢?，絲材長度對復合膜的反射有較大影響，而且這種影響不是線性變化的，絲材較短時，絲材長度變化對復合膜反射的影響更顯著。

圖4 CoFeSiBCr玻璃包覆非晶絲的軸向磁滯曲線Fig. 4 Axial hysteresis loop of CoFeSiBCr glass-covered amorphous wire

圖5 不同復合膜樣品的S11曲線Fig. 5 S11 curves of composite film samples

圖 6所示為不同復合膜樣品的S21曲線。由圖可見，樣品1的S21曲線在測試頻率范圍內(nèi)沒有出現(xiàn)明顯的吸收峰，其 S21曲線的波動與微帶線本身有關(guān)；樣品2、樣品3、樣品4及樣品5的S21曲線出現(xiàn)兩個較明顯的吸收峰，對應的頻率及峰值如表2所列。可見，隨著絲材長度的增大，復合膜樣品的 S21曲線在測試頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)吸收峰，且峰值對應的頻率逐漸減小。

MAKHNOVSKIY等[17]和PANINA等[18]認為，在含有有限長導電絲材的復合材料中，絲材相當于電偶極散射子，在交變電場的作用下產(chǎn)生電偶極矩，影響復合材料的有效介電常數(shù)。對于每一根絲材，在滿足條件λres,n= 2(2n?1)時產(chǎn)生天線諧振，從而使復合材料的有效介電常數(shù)表現(xiàn)出共振或弛豫特性，對電磁波的吸收產(chǎn)生峰值。當導電絲材同時具有鐵磁性時，天線諧振條件為[18]

式中：λres,n為諧振波長；l為絲材長度；μ為基體磁導率；c為真空中的光速；a為絲材半徑；ε為基體介電常數(shù)；?zz為絲材表面阻抗張量的對角分量；ω為電磁波圓頻率；n =1, 2, 3 …。

由式2可以看出，絲材長度越大，滿足天線諧振條件的頻率就越小，即吸收峰值對應的頻率隨絲材長度的增大而減小。

圖6 不同復合膜樣品的S21曲線Fig. 6 S21 curves of all composite film samples

圖7 所示為不同復合膜樣品的功率損耗比。其中樣品6是某電磁兼容公司的一款商業(yè)化噪聲抑制片。以功率損耗比大于50%的頻率范圍為禁帶，樣品1~6在測試頻率范圍內(nèi)的帶寬如表2所列。除樣品1以外，其余復合膜樣品在高頻的功率損耗比始終都大于50%，禁帶帶寬取決于低頻噪聲抑制特性。由表2可以看出，復合膜樣品 S21曲線的吸收峰頻率低，對應的低頻噪聲抑制特性就好，禁帶帶寬相應也大。由于吸收峰頻率隨著絲材長度的增大而減小，所以復合膜禁帶帶寬隨著絲材長度的增大而增大。

樣品 5含 8 mm和 20 mm兩種長度的絲材各50%(質(zhì)量分數(shù))。由圖5可見，其 S11曲線的峰值和變化周期介于含8 mm絲材的樣品2和含20 mm的樣品4之間。由圖6可見，樣品5的S21曲線出現(xiàn)兩個較為平緩的吸收峰，對應的頻率分別為 4.6 GHz和 6.7 GHz，峰值為?27 dB和?38 dB。其S21值總體上介于樣品2和樣品4的之間。從功率損耗比看，樣品5也介于樣品2和樣品4之間。這表明含兩種絲材的復合膜樣品，其噪聲抑制特性在很大程度上是含單一絲材樣品性能的疊加。雖然樣品5在GHz范圍的禁帶帶寬比樣品4的小，但其優(yōu)點是能在禁帶范圍內(nèi)較穩(wěn)定地保持高功率損耗比。

圖7 不同復合膜樣品的功率損耗比Fig. 7 Ploss/Pin of all composite film samples

表2 各復合膜樣品的吸收特征及帶寬Table 2 Absorption characteristic and band width of composite film samples

樣品4在1.8 GHz~8.5 GHz頻率范圍內(nèi)的功率損耗比均高于75%，比商業(yè)化噪聲抑制片樣品6禁帶帶寬大，而且總體功率損耗比更高。其噪聲抑制特性也明顯優(yōu)于NAM等模擬計算的同樣厚度的噪聲抑制片。

3 結(jié)論

1) 測試 CoFeSiBCr玻璃包覆非晶絲的軸向靜態(tài)磁滯回線，由于磁滯回線包圍的面積很小，認為其不具有軸向磁疇。

2) 制備了含玻璃包覆非晶絲的噪聲抑制材料，絲材長度為20 mm時，復合膜的禁帶帶寬達7.1 GHz，功率損耗比在1.8 GHz至8.5 GHz范圍內(nèi)高于75%，在千兆赫茲頻率范圍內(nèi)具有較好的噪聲抑制效果。

3) 研究了絲材長度對噪聲抑制特性的影響，發(fā)現(xiàn)絲材較短時，絲材長度變化對反射存在較為顯著的影響。隨著絲材長度的增大，復合膜樣品 S21曲線的在測試頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)吸收峰，且峰值對應的頻率逐漸減小。復合膜禁帶帶寬相應地隨著絲材長度的增大而增大。

4) 根據(jù)絲材長度對吸收峰頻率及禁帶帶寬的影響規(guī)律，可以通過改變玻璃包覆非晶絲長度的方法來控制復合膜的噪聲抑制特性，滿足高頻電子儀器中不同工作頻率下的應用要求。

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Influence of wire length on noise suppression of composite films containing CoFeSiBCr glass-covered wires

ZHANG Jun-feng, CHEN Zheng, ZHANG Hong-hao, LIU Tian-cheng, LI De-ren, LU Zhi-chao, ZHOU Shao-xiong
(Advanced Technology and Materials Co., Ltd., Technology Center, China Iron and Steel Research Institute Group,Beijing 100081, China)

The static hysteresis loop of CoFeSiBCr glass-covered amorphous wires was measured by vibrating sample magnetometer. The wires have no axial domains. The noise suppression film materials containing Co-based glass-covered amorphous wires were prepared for the first time. The microwave parameters were measured by microstrip measurement system, and the power loss rate was figured out. The influence of wire length on microwave noise suppression effect of the composite films was investigated. The results show that absorption peaks appear in the measuring frequency range for the S21curves of the composite films when the wire length increases, and the frequencies corresponding to the absorption peaks increase with the increase of wire length. The stopband of the composite films increases with the increase of wire length. For the sample with wire length of 20 mm, the power loss rate is above 75% between 1.8 GHz and 8.5 GHz. That is an excellent noise suppression effect in the range of gigabyte Hz.

amorphous; glass-covered wire; noise suppression sheet; transmission attenuation

TB333；TM25

A

1004-0609(2012)02-0504-05

國家自然科學基金資助項目(50771034)

2011-01-17；

2011-06-12

陳 征，高級工程師，博士；電話：010-58742817；E-mail: chenzheng@atmcn.com

(編輯 李艷紅)