РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 49, № 12, с. 1500-1506
РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ И ПЛАЗМЕ
УДК 537.876:537.63
СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ СПЕКТРЫ КОМПОЗИТОВ С УПОРЯДОЧЕННЫМ АМОРФНЫМ МИКРОПРОВОДОМ
© 2004 г. С. Н. Старостенко, К. Н. Розанов, А. В. Осипов
Поступила в редакцию 16.05.2003 г.
В полосе частот от 0.01 до 10 ГГц исследованы спектры диэлектрической и магнитной проницаемости анизотропных смесей с плотно упакованным аморфным микропроводом на основе железа. При ориентации отрезков провода вдоль волнового вектора их магнитная проницаемость близка к единице. При ориентации вдоль высокочастотного магнитного поля магнитное поглощение в отрезках провода наблюдается лишь в мегагерцовом диапазоне частот. Диэлектрическая проницаемость исследованных смесей проявляет сильную частотную дисперсию в СВЧ диапазоне, ее параметры определяются погонным импедансом и длиной провода. Длина волны максимума диэлектрического поглощения зависит от длины провода нелинейно из-за различия погонного импеданса в середине и у концов отрезка провода. Статическое намагничивание отрезков вдоль оси меняет их импеданс и, соответственно, спектр диэлектрического поглощения смеси, что открывает широкие возможности создания на основе магнитного микропровода композиционных материалов с управляемой в диапазоне СВЧ диэлектрической проницаемостью.
ВВЕДЕНИЕ
Сверхвысокочастотные (СВЧ) свойства аморфных микропроводов вызывают большой интерес в связи с широко обсуждаемыми возможностями их использования в качестве СВЧ-ферромагнети-ков [1-6]. Так, приводимые в работах [1, 2] параметры поглощения (частота ферромагнитного резонанса (ФМР) ^рез ~ 8.. .10 ГГц, максимальная величина мнимой части магнитной проницаемости М^акс ~ 500.1000 и ширина линии магнитного поглощения А^рез ~ 0.5.2 ГГц) указывают на перспективность микропровода как наполнителя композиционных материалов, обладающих высокой магнитной проницаемостью | в диапазоне СВЧ. Эти данные были получены путем измерения коэффициентов отражения и прохождения от провода, установленного поперек широкой стороны прямоугольного волновода [7]. По измеренным величинам рассчитывается частотная зависимость сопротивления провода. Наблюдаемый максимум сопротивления интерпретируется как проявление магнитного поглощения в проводе на частоте ФМР.
Известно [8], что в материалах с волокнистыми включениями сопротивление волокна задает положение полосы диэлектрического, а не магнитного поглощения. Поэтому параметры дисперсии | микропровода, полученные из частотной зависимости сопротивления, трудно напрямую связать с магнитными параметрами композита, наполненного таким проводом. Более того, указанные в [1, 2] параметры ФМР заметно отличаются от аналогичных данных, например в [3-6] (Ррез ~
~ 0.02.1 ГГц, |макс ~ 70.300, А^рез ~ 0.1.0.5 ГГц),
полученных из измерений магнитной проницаемости отрезка коаксиальной линии с намотанным микропроводом. Таким образом, предсказать СВЧ-свойства композитов с аморфным микропроводом на основании только литературных данных невозможно.
Целью работы является прямое экспериментальное определение поперечной и продольной (по отношению к оси провода) составляющих тензоров магнитной | и диэлектрической £ проницае-мостей образцов, наполненных упорядоченно расположенными отрезками микропровода. Проницаемости £ и | определяли в диапазоне СВЧ по измерениям коэффициента отражения плоской электромагнитной волны от образца, помещенного в коаксиальный тракт. В мегагерцовом диапазоне частот исследовалась только магнитная проницаемость. Для выявления влияния магнитных свойств микропровода на £ и | измерения проводились также в статическом внешнем магнитном поле напряженностью до 4 х 105 А/м.
Показано, что дисперсия магнитной проницаемости микропровода наблюдается в мегагерцовом диапазоне частот, при этом СВЧ магнитная проницаемость исследуемых образцов близка к единице. В то же время доменная структура провода обусловливает нелинейную зависимость длины волны максимума диэлектрического поглощения образца от длины волокон, несвойственную для композиций с немагнитными электропроводящими волокнами. Ферромагнетизм провода также приводит к зависимости диэлектрической проницаемости образца от статического магнитного поля.
Полученные дисперсионные зависимости £ и | смесей можно напрямую связать с СВЧ-парамет-
рами микропровода. Эти зависимости также представляют интерес для оценки перспективности использования микропровода в композиционных материалах для СВЧ-применений. Обсуждение микроструктуры и связанных с ней внутренних свойств магнитного сердечника провода выходят за рамки данной работы.
1. ПРИГОТОВЛЕНИЕ ОБРАЗЦОВ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИИ
Исследовались композиции, наполненные остеклованным микропроводом с жилой из сплава на основе железа (Ре^В^^М^ и Ре83Вх813С3). Диаметр металлической жилы составляет С ~ 14 мкм, диаметр стеклянной оболочки 17.. .20 мкм. Связующим композиций является парафин.
Для измерений СВЧ-свойств в коаксиальной ячейке образцы изготавливались в форме полого цилиндра с высотой 2.16 мм. По структуре исследуемые образцы можно разделить на три группы: образцы с длинными (1/С > 1000, где I - длина провода) отрезками провода, расположенными вдоль волнового вектора; образцы с длинным микропроводом, ориентированным вдоль вектора магнитного поля; образцы с хаотично ориентированными короткими (1/С < 100) отрезками микропровода.
Для получения образцов с проводом, ориентированным вдоль волнового вектора, плоский жгут из микропровода пропитывали парафином. Полученную ленту разрезали на отрезки длиной 10.15 мм, которые укладывали вдоль центрального стержня пресс-формы, имеющей размеры стандартного (10 х 4.4 мм) коаксиального волновода. Образец с длинным проводом был получен навивкой провода на центральный стержень пресс-формы. В обоих случаях заполненную пресс-форму нагревали до температуры плавления парафина и охлаждали под давлением 500 кг/см2 для устранения пористости. Для получения требуемой высоты образца торцы полученного полого цилиндра сошлифовывались. Сошлифованная смесь (порошок) парафина с отрезками микропровода длиной 0.1.0.5 мм использовалась для прессования образцов с хаотической ориентацией проводов. Пикнометрическое определение концентрации микропровода в образцах показало, что объемное наполнение составляет около 0.6.0.7, что близко к плотной упаковке цилиндров.
При измерениях исследуемые образцы рассматривались как однородная среда. В полосе частот 0.1.10 ГГц комплексные проницаемости £ = е' - г'е" и ц = ц' - г'ц" образцов определялись методом параметрического восстановления дисперсионных зависимостей по скалярным спектрам отражения образца, закороченного через воздушный зазор заданной толщины [9, 10]. Сущность метода заключается в описании частотных зависимостей е и ц некото-
рым законом дисперсии и подборе параметров этого закона таким образом, чтобы обеспечить наилучшее согласие расчетной и измеренной частотной зависимости модуля коэффициента отражения. Для описания зависимости е и ц от частоты / была использована формула Гавриляка-Негами [11], описывающая разнообразные формы линий минимальным числом эмпирических параметров. Для магнитной проницаемости эта формула записывается в виде
ц( f) = 1+ (цо- 1) /
1 + 1; 4-
рез/ -I
вп
(1)
Для диэлектрической проницаемости вид формулы Гавриляка-Негами аналогичен. Параметры, входящие в выражение (1), определяют форму, положение и интенсивность линии магнитного или диэлектрического поглощения: ц0 соответствует статической магнитной проницаемости (соответственно е0 для диэлектрического спектра), ^„ез является резонансной частотой, а а и в - коэффициенты асимметрии и ширины линии. Все параметры положительны, кроме того, 0 < а < 2, 0 < в < 2 и ав < 2 (ограничения следуют из условия неотрицательности потерь). Ширина линии А^рез обратно пропорциональна произведению ав, при ав < 1 поглощение имеет релаксационный характер (близко к набору линий Дебая), а при 1 < ав < 2 - резонансный (близко к набору линий Лоренца).
Для оценки погрешности определения материальных параметров были проведены измерения близкого по структуре, наполнению и размерам немагнитного образца с углеродными волокнами, наполненными вдоль волнового вектора. Измерения показали, что метод имеет погрешность определения величины магнитной восприимчивости порядка 0.1. Эта погрешность проявляется в виде ложного пика поглощения, расположенного в полосе частот 3.5 ГГц и имеющего интенсив-
ность цм
0.1.
На частотах ниже 100 МГц комплексная магнитная проницаемость определялась по изменению величины индуктивности измерительной ячейки при внесении в нее исследуемого образца [12]. Измерения проводились в высокочастотном поле, как параллельном, так и перпендикулярном оси образца. В первом случае ячейка представляла собой цилиндрическую катушку, а во втором - П-образную петлю с экраном между ее плечами, т.е. образец надевался на одиночный проводник с током. Индуктивность катушки и проводника с током определялась с помощью измерителя добротности.
Для оценки влияния магнитной проницаемости микропровода на свойства смеси были также проведены измерения диэлектрического и магнитного спектров в однородном статическом по-
Рис. 1. Дисперсионные зависимости диэлектрической (а) и магнитной (б) проницаемостей образца с отрезками микропровода длиной 10.5 мм, расположенными параллельно оси коаксиала. Кривые 1 соответствуют измерениям в нулевом внешнем поле, кривые 2 - измерениям в статическом поле 4 х 105 А/м, параллельном оси коаксиала, сплошные кривые - £', ц', штриховые - е", ц".
ле напряженностью 4 х 105 А/м, параллельном оси образца.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 представлены дисперсионные зависимости диэлектрической и магнитной проницаемости образца с отрезками микропровода, расположенными параллельно оси коаксиала. Несмотря на ориентацию волокон поперек электрического поля, образец имеет интенсивное диэлектрическое поглощение релаксационного типа с максимумом, расположенным в области частот 5.6 ГГц. Поперечная к оси провода магнитная восп
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.