含鈷基非晶帶線圈LC振蕩電路諧振特性的研究

王宗篪，曾藝秀

(三明學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，福建三明 365004)

0 引言

巨磁阻抗效應(yīng)(giant magneto－impedance effect，簡稱GMI)是指在外磁場的作用下，軟磁材料的交流阻抗發(fā)生比較明顯變化的現(xiàn)象［1］.巨磁阻抗效應(yīng)可分為橫向驅(qū)動和縱向驅(qū)動兩種.橫向驅(qū)動，交變電流從樣品中流過，產(chǎn)生的驅(qū)動磁化場對絲狀樣品來說是環(huán)向的，對薄膜或者條帶樣品來說是橫向的.縱向驅(qū)動，是把樣品放在長螺線管線圈中，交變電流從線圈通過，從而對條帶樣品產(chǎn)生縱向的驅(qū)動磁化場［2］.

近年來，人們在測量電路中并入了電容或在軟磁材料中加入絕緣層構(gòu)造電容，組成了LC共振回路，在共振的頻率附近出現(xiàn)了顯著的GMI共振增強(qiáng)［3－9］.研究其LC共振型GMI效應(yīng)現(xiàn)象和規(guī)律，有助于開發(fā)新的LC電路共振器件，這將在調(diào)制、解調(diào)、濾波、振蕩等自動控制電路得到廣泛應(yīng)用.

石英晶體振蕩器的Q值很高，其頻率穩(wěn)定度可以達(dá)到10－6量級，因此石英晶體振蕩器得到了廣泛應(yīng)用.石英晶體振蕩器的等效電路如圖1所示，它有兩個固有諧振頻率，串聯(lián)諧振頻率fs和并聯(lián)諧振頻率fp，石英晶體振蕩器的電抗特性如圖2所示［10］.本工作把含鈷基非晶帶電感線圈與電容Cs串聯(lián)再與電容Cp并聯(lián)，組成仿石英晶體振蕩電路，如圖3所示.實驗發(fā)現(xiàn)，含鈷基非晶帶線圈LC振蕩電路(以下稱為仿石英晶體振蕩電路)有3個固有諧振頻率，一個串聯(lián)諧振頻率fs，另一個并聯(lián)諧振頻率fp，還有第3個諧振頻率ft.當(dāng)外磁場加在鈷基非晶帶上時，仿石英晶體振蕩電路兩個諧振頻率fs和fp都隨著外磁場的增大而向高頻移動，第3諧振頻率ft基本不隨外磁場變化.根據(jù)鈷基非晶帶在交流磁化下的磁滯損耗和巨磁阻抗效應(yīng)，解釋了上述現(xiàn)象.

圖1 石英晶體振蕩器的等效電路Fig.1 Equivalent circuit of quartz crystal oscillator

圖2 石英晶體振蕩器的電抗特性Fig.2 Reactance characteristics of quartz crystal oscillator

圖3 仿石英晶體振蕩電路Fig.3 Bionic quartz crystal oscillation circuit

1 實驗

鈷基非晶帶 Co71.8Fe4.9Nb0.8Si7.5B15是由單輥快淬法制備而成，樣品長為 4 cm，寬 1.8 mm，厚 25 μm，采用PANalytical公司生產(chǎn)的型號為X’Pert PRO的X射線衍射儀(XRD)來測定樣品的結(jié)構(gòu).用110 μm的銅漆包線在長4 cm、直徑2 mm的玻璃管上密繞200匝構(gòu)成一個長螺線管，把樣品放入螺線管內(nèi)，組成一個電感L的線圈.當(dāng)螺線管通有交變電流時，對鈷基非晶帶產(chǎn)生一個交流縱向驅(qū)動磁化場.把放有鈷基非晶帶的線圈與電容Cs=2×10－3μF串聯(lián)再與電容Cp=4×10－4μF并聯(lián)，組成仿石英晶體振蕩電路，如圖3所示.把含鈷基非晶帶線圈置于Helmholtz線圈中心，Helmholtz線圈通以直流電流，產(chǎn)生直流外磁場范圍為0～1 712 A·m－1，磁場的方向與螺線管軸向平行，且與地磁場垂直，測量在室溫下進(jìn)行，通過螺線管的驅(qū)動電流保持i=5 mA.

實驗采用日置公司生產(chǎn)的3535LCRHITESTER測量儀，該儀器的頻率測試范圍是0.1～120 MHz，可以測量的物理量包括電路中阻抗Z、電抗X、電阻R和阻抗角θ等.

2 結(jié)果與討論

圖4為Co71.8Fe4.9Nb0.8Si7.5B15條帶樣品的XRD 圖譜.從圖4可見，XRD 譜線不存在尖銳的晶態(tài)相衍射峰，僅在2θ≈46°存在一個連續(xù)寬化的漫散峰，證實樣品結(jié)構(gòu)為完全的非晶態(tài).由于非晶態(tài)合金中沒有晶粒間界、位錯、滑移和空穴等晶態(tài)中固有的缺陷，則它具有高硬度、高韌性和優(yōu)異的軟磁特性，因此，鈷基非晶合金軟磁材料具有顯著的巨磁阻抗效應(yīng).

2.1 在未加外磁場情況

在未加外磁場時，用日置公司生產(chǎn)的3535LCRHITESTER測量儀分別測出仿石英晶體振蕩電路的阻抗角θ的頻譜、電抗X的頻譜和阻抗Z的頻譜，分別如圖5、圖6和圖7所示.

仿石英晶體振蕩電路的阻抗角θ=0°或電抗X=0 Ω時，表示電路處于諧振狀態(tài).由圖5和圖6可見，θ=0°對應(yīng)阻抗角頻譜曲線有3點，即仿石英晶體振蕩電路有3個固有諧振點，它們的固有諧振頻率分別為852.4 kHz、1.762和4.546 MHz.又由圖7可看出，第一個諧振頻率對應(yīng)阻抗是極小值，第2個諧振頻率對應(yīng)的阻抗是極大值，所以第一個諧振頻率fs=852.4 kHz是串聯(lián)諧振頻率，第2個諧振頻率fp=1.762 MHz是并聯(lián)諧振頻率.與石英晶體LC振蕩電路有2個固有諧振頻率不同，仿石英晶體振蕩電路還存在第3個固有諧振頻率ft=4.546 MHz.由圖7可見，第3個諧振頻率對應(yīng)阻抗也是極小值，因此第3個諧振點也是屬于串聯(lián)諧振.

圖 4 Co71.8Fe4.9Nb0.8Si7.5B15 非晶帶 X 射線衍射圖Fig.4 XRD pattern of Co71.8Fe4.9Nb0.8Si7.5B15 amorphous ribbons

圖5 仿石英晶體振蕩電路的阻抗角θ隨頻率的變化關(guān)系Fig.5 Frequency dependence of impedance angle θ for bionic quartz crystal oscillation circuit

圖6 仿石英晶體振蕩電路的電抗X隨頻率的變化關(guān)系Fig.6 Frequency dependence of reactance X for bionic quartz crystal oscillation circuit

圖7 仿石英晶體振蕩電路的阻抗Z隨頻率的變化關(guān)系Fig.7 Frequency dependence of impedance Z for bionic quartz crystal oscillation circuit

對于石英晶體振蕩電路(見圖1)的等效復(fù)阻抗:

當(dāng)阻抗角θ=0°時電路發(fā)生諧振，這時復(fù)阻抗的虛部等于零:

整理得:

由于石英振蕩器等效電路中的Rs與振蕩頻率無關(guān)且很小，可忽略，所以上式可化為:

從而可以得出石英振蕩器的兩個諧振頻率:

對于仿石英晶體振蕩電路(見圖3所示)中的Rs，主要是由含鈷基非晶帶線圈等效電阻決定的，它是交變電流通過含鈷基非晶帶線圈所產(chǎn)生交變磁場對鈷基非晶帶起到交流磁化從而產(chǎn)生磁滯損耗，磁滯損耗以電阻形式體現(xiàn)在Rs上.實驗測量了含鈷基非晶帶線圈等效電阻隨交變驅(qū)動電流頻率的變化關(guān)系，如圖8所示.從圖8中可看出，Rs是頻率f的函數(shù)，當(dāng)f≤fp時，鈷基非晶帶交流磁化引起的磁滯損耗隨頻率增大而增大，在并聯(lián)諧振頻率fp=1.762 MHz附近的磁滯損耗達(dá)到最大.當(dāng)f＞fp時，鈷基非晶帶交流磁化引起的磁滯損耗隨著頻率增大而減小，在第3諧振頻率處ft=4.546 MHz的磁滯損耗很小且隨頻率增大基本趨于一定值.這是由于鈷基非晶帶的易磁化軸沿條帶縱向，交變電流通過長螺線管線圈產(chǎn)生了縱向磁化場，當(dāng)f≤fp，交流磁化場頻率處于中低頻的情況下，鈷基非晶帶在縱向驅(qū)動的交流磁化主要以疇壁移動為主，磁矩轉(zhuǎn)動為次，隨著縱向磁化場頻率增大疇壁移動的磁滯損耗增加.當(dāng)f＞fp時，隨著磁化場頻率增大，在縱向驅(qū)動場磁化下鈷基非晶帶的趨膚效應(yīng)變強(qiáng)以及渦流增大，疇壁移動被渦流所阻滯增強(qiáng)，疇壁移動磁化減弱，磁化過程以磁矩轉(zhuǎn)動為主，磁滯損耗隨頻率增大而減小，當(dāng)f≥ft(第3諧振頻率為4.546 MHz)時，交流磁化場頻率處于高頻的情況下，鈷基非晶帶疇壁移動被渦流完全阻滯，磁滯損耗最小并且基本趨于一定值.由于鈷基非晶帶交流磁化引起的磁滯損耗與磁化場的頻率有關(guān)，則Rs是頻率的函數(shù)，從式(3)不能簡化為式(4).因此，鈷基非晶帶交流磁化的磁滯損耗導(dǎo)致Rs=Rs(f)，是仿石英晶體振蕩電路比石英晶體振蕩電路多出一個固有諧振頻率的原因.

圖8 含鈷基非晶帶線圈等效電阻隨驅(qū)動電流頻率的變化關(guān)系Fig.8 Driving current frequency dependence of equivalent resistance Rsfor the inductance coil which containing Co－based amorphous ribbons

2.2 外磁場對仿石英晶體振蕩電路諧振頻率的影響

直流電流通過Helmholtz線圈產(chǎn)生的外磁場作用于鈷基非晶帶上，用日置公司生產(chǎn)的3535LCRHITESTER測量儀分別測出仿石英晶體振蕩電路的3個諧振頻率和Rs隨外磁場的變化關(guān)系，分別如圖9、圖10所示.

圖9 仿石英晶體振蕩電路的諧振頻率隨外磁場的變化關(guān)系Fig.9 Field dependence of resonant frequencies for the bionic quartz crystal oscillation circuit

圖10 3個諧振頻率下含鈷基非晶帶線圈等效電阻隨外磁場的變化關(guān)系Fig.10 Field dependence of equivalent resistance for the bionic quartz crystal oscillation circuit under three inherent resonant frequencies

圖9是外磁場作用在鈷基非晶帶上時仿石英晶體振蕩電路諧振頻率隨外磁場的變化情況.從圖9可以看出，仿石英晶體振蕩電路的串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率均發(fā)生了磁致頻移，串聯(lián)諧振頻率fs和并聯(lián)諧振頻率fp均隨外磁場的增大往高頻移動，仿石英晶體振蕩電路的第3個諧振頻率不隨外磁場變化.

圖10是仿石英晶體振蕩電路分別在3個諧振頻率的交流磁化下含鈷基非晶帶線圈的磁滯損耗等效電阻Rs隨外磁場的變化關(guān)系.從圖10中可見，在串聯(lián)諧振頻率fs和并聯(lián)諧振頻率fp的交流磁化下，含鈷基非晶帶線圈的磁滯損耗等效電阻Rs隨外磁場的增大而迅速減小并達(dá)到飽和.這是因為外磁場抑制鈷基非晶帶的交流磁化，也抑制鈷基非晶帶的磁滯損耗，因此外磁場增大Rs迅速減小直至飽和.

從圖10中還可看出，在第3個諧振頻率ft的交流磁化下，含鈷基非晶帶線圈的磁滯損耗等效電阻Rs隨外磁場的增大并不改變，且Rs≈5.6 Ω.由圖8可知，Rs≈5.6 Ω對應(yīng)的頻率是ft=4.546 MHz，因為Rs不隨外磁場改變，其對應(yīng)的第3個諧振頻率也不會隨著外磁場的變化而發(fā)生改變.這是由于在第3個諧振頻率ft的交流磁化下，鈷基非晶帶的疇壁移動被渦流所阻滯，外磁場抑制鈷基非晶帶疇壁移動磁化作用甚微，使得磁滯損耗隨著外磁場沒有變化.由于第3個諧振頻率是鈷基非晶帶交流磁化磁滯損耗引起的，第3個諧振頻率在外磁場作用下不發(fā)生磁致頻移.

綜上所述，在外磁場作用下，仿石英晶體振蕩電路的串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率發(fā)生磁致頻移，而第3個諧振頻率不發(fā)生磁致頻移.

3 結(jié)語

1)把含鈷基非晶帶電感線圈與電容Cs串聯(lián)再與Cp并聯(lián)，組成仿石英晶體振蕩電路，與石英晶體振蕩電路有2個固有諧振頻率不同，仿石英晶體振蕩電路有3個固有諧振頻率，一個串聯(lián)諧振頻率fs，另一個并聯(lián)諧振頻率fp，還有第3個諧振頻率ft.鈷基非晶帶交流磁化的磁滯損耗與磁化頻率有關(guān)，是導(dǎo)致仿石英晶體振蕩電路出現(xiàn)第3個諧振頻率的主要原因.

2)仿石英晶體振蕩電路的串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率均隨外磁場增大往高頻變化，即發(fā)生磁致頻移，第3個諧振頻率則不隨外磁場變化.鈷基非晶帶磁化的巨磁阻抗效應(yīng)是仿石英晶體振蕩電路的串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率出現(xiàn)磁致頻移的原因.仿石英晶體振蕩電路在第3個諧振頻率下鈷基非晶帶磁化的磁滯損耗等效電阻Rs不隨外磁場改變，是仿石英晶體振蕩電路的第3諧振頻率不發(fā)生磁致頻移的原因.

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