Элементы и устройства магнитоэлектроники

№ 1100

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Кафедра технологии материалов электроники

Д.Г. Крутогин

Элементы и устройства
магнитоэлектроники

Лабораторный практикум

Рекомендовано редакционноиздательским
советом университета

2е издание, переработанное и дополненное

Москва  Издательство ´УЧЕБАª
2008

УДК 621.38 
 
К84 

Р е ц е н з е н т  
канд. физ.-мат. наук, доц. М.Д. Малинкович 

Крутогин Д.Г. 
К84  
Элементы и устройства магнитоэлектроники: Лаб. практикум. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: МИСиС, 2008. – 81 с. 

Лабораторный практикум по курсу «Элементы и устройства магнитоэлектроники» имеет целью обеспечить формирование у студентов навыков 
радиофизических методов определения магнитных параметров ферритовых 
материалов, обработки экспериментальных результатов с использованием 
компьютера, численного моделирования зависимости динамических параметров ферритов от напряженности и частоты магнитного поля. 
По сравнению с предыдущим практикумом предусмотрены возможности 
индивидуализации и усложнения задач лабораторных работ, использования 
более современных измерительных приборов, дополнительные задания метрологического характера по оценке точности и анализу источников погрешностей измерений. 
Предназначен для студентов, обучающихся по специальности 210104 
«Микроэлектроника и твердотельная электроника». 

© Государственный технологический  
университет «Московский институт 
стали и сплавов» (МИСиС), 2008 

CОДЕРЖАНИЕ 

Введение................................................................................................4 
Методические указания к выполнению лабораторных работ..........4 
Лабораторная работа 1. Измерение коэффициента отражения 
и прямых потерь ферритовых приборов сверхвысоких частот........7 
Лабораторная работа 2. Исследование и моделирование 
явлений ферромагнитного резонанса в намагниченных 
ферритах ..............................................................................................20 
Лабораторная работа 3. Исследование и моделирование 
магнитных спектров ферритов..........................................................34 
Лабораторная работа 4. Изучение компонент тензора 
магнитной и комплексной диэлектрической проницаемости 
ферритов..............................................................................................50 
Лабораторная работа 5. Измерение магнитных потерь в 
ферритах при высокой индукции переменного магнитного 
поля ......................................................................................................64 
Лабораторная 
работа 
6. 
Исследование 
зависимости 
коэффициента отражения феррита от химического состава и 
толщины слоя......................................................................................73 
 

Введение 

Лабораторный практикум по специальному курсу «Элементы и 
устройства магнитоэлектроники» имеет целью сформировать у студентов навыки измерения электромагнитных параметров ферритовых 
материалов и элементов, магнитной и диэлектрической проницаемости и потерь на радиочастотах и СВЧ, параметров ферромагнитного 
резонанса. 
Обработка результатов некоторых работ ориентирована на использование ПЭВМ, при этом студентам может быть предложено 
провести компьютерное моделирование зависимости измеренного 
параметра от частоты поля или намагниченности феррита. 
В настоящем варианте лабораторного практикума по сравнению с 
предыдущим расширено число лабораторных работ, отобраны наиболее эффективные и наглядные схемы измерительных установок. 
Индивидуализация задач практикума обеспечивается набором образцов различных типоразмеров и марок ферритов, возможностью 
изменения условий эксперимента (частота сигнала, напряженности 
поля, температура, амплитуда сигнала и т.д.). В лабораторных работах 2–4 студенты получают для измерений индивидуальные образцы. 
В работах 1 и 5 задания индивидуализированы за счет изменения 
частоты или смены ферритового прибора. 
Проблемные ситуации студент анализирует в работах 1, 3 и 6, где 
ставится задача сохранения высокой точности измерения при снижении чувствительности прибора в узле стоячей волны. В работах 2, 4, 
5 проблемная ситуация связана с выбором критерия приемлемости 
образца или его положения в измерительной системе для сохранения 
достаточной чувствительности. 
Лабораторные работы выполняются в спецлаборатории, на готовых измерительных стендах, бригадами по два человека в течение 
двух учебных часов, из которых время непосредственного эксперимента составляет 35…50 мин. 

Методические указания к выполнению 
лабораторных работ 

1. Лабораторное занятие включает процедуру допуска к проведению работы, выполнение эксперимента, представление результатов и 
защиту оформленной работы. Допуск, предъявление результатов выполненной работы и защита проводятся индивидуально. 

2. Оформление лабораторной работы и выполнение расчетных заданий осуществляются во время самостоятельной работы студентов. 
3. Конспект лабораторной работы, необходимый для допуска к 
ней, должен включать: цель работы, блок-схему установки и кратко 
изложенный принцип ее работы, основные расчетные формулы, требования к образцам, в том числе сведения об их форме и размерах, 
таблицы для регистрации результатов. 
4. Допуск проводится преподавателем в виде короткого опроса. 
Ориентировочный перечень контрольных вопросов приведен в описании каждой работы. 
5. Эксперимент проводится под контролем лаборанта или преподавателя. 
6. Перед проведением экспериментов необходимо ознакомиться с 
общими и дополнительными указаниями по безопасности труда по 
каждой работе. Эти указания следует неукоснительно выполнять. 
Далее следует действовать в полном соответствии с указаниями 
раздела каждой лабораторной работы «Порядок проведения работы», 
обращаясь к лаборанту или преподавателю в случае, если желаемый 
результат не достигнут. 
7. Заканчивать эксперимент и выключать измерительные установки следует только после предъявления преподавателю записанных 
результатов эксперимента, в противном случав восстановить или повторить результаты можно только после длительного прогрева измерительных приборов. 
8. Общие указания по охране труда при выполнении лабораторных работ по курсу «Элементы и устройства магнитоэлектроники»: 
– все установки работают от сети напряжением 220 В; 
– к проведению работы допускаются студенты, прошедшие инструктаж по технике безопасности. Инструктаж проводится на первом 
лабораторном занятии для всей группы; 
– студентам запрещается проводить ремонт или вскрывать генераторы, индикаторы, блоки питания и другие приборы; 
– при неисправности электрической схемы и приборов следует 
прекратить работу, обесточить установку и сообщить об этом преподавателю; 
– при появлении дыма, искрения, запаха горячей изоляции следует немедленно отключить установку от сети и сообщить об этом преподавателю; 
– дополнительные указания по охране труда, если они необходимы, приводятся в описании лабораторных работ. 

9. Указания по обработке результатов и форме их представления 
приведены в описаниях лабораторных работ. Следует при всех измерениях и обработке данных максимально использовать точность измерений, обеспечиваемую приборами. 
Указания по порядку обращения к ЭВМ для выполнения расчетной части лабораторных работ студенты получают у преподавателя 
после выполнения соответствующей работы. 
10. Защита работы проводится после соответствующего оформления. Форма защиты – собеседование с преподавателем. Список ориентировочных вопросов для защиты работы приводится в описании 
каждой из работ. 
11. Защита всех работ, предусмотренных учебным планом дисциплины, является основанием для получения зачета по данному курсу. 

Лабораторная работа 1 

ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ 
И ПРЯМЫХ ПОТЕРЬ ФЕРРИТОВЫХ ПРИБОРОВ 
СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ 

(2 часа) 

1.1 Цель работы 

Освоить основные СВЧ приборы и сформировать навыки измерения коэффициента стоячей волны напряжений, коэффициента отражения и прямых потерь в СВЧ ферритовых приборах. 

1.2. Теоретическое введение 

Электромагнитные волны с длиной от 1 м до 0,1 мм образуют 
сверхвысокочастотный диапазон (СВЧ). В этом диапазоне работают 
многие радиотехнические средства навигации, обнаружения, сверхдальней, в том числе космической, радиосвязи, радиоастрономические приборы. Радиотехника СВЧ имеет ряд особенностей, отличающих её от радиотехники низких частот. Длина волны СВЧ, как 
правило, сравнима с размерами передающей линии. При этом двухпроводная линия передачи, характерная для низких частот, становится эффективным излучателем и по этой причине потери энергии из 
двухпроводной линии весьма велики. В СВЧ радиотехнике применяются закрытые передающие линии: коаксиальная, полосковая или 
волноводная (рис. 1.1). 
В коаксиальной и симметричной полосковой линиях распространяется поперечная электромагнитная волна, в которой электрическая 
и магнитная составляющие электромагнитного поля ортогональны 
направлению распространения волны. Волны такого типа называются НЕ-волнами (прежнее обозначение ТЕМ). 
В волноводах тип волны определяется конфигурацией и размерами волновода, условиями возбуждения, параметрами среды, заполняющей волновод и т.д. Размеры волноводов простых конфигураций 
(круглые и прямоугольные трубы) унифицированы. В частности, для 
трехсантиметрового диапазона СВЧ наиболее употребительным является прямоугольный волновод с размерами 23×10 мм. 

Рис. 1.1. Основные типы применяемых на практике передающих 
линий СВЧ: а – прямоугольный волновод; б – круглый волновод; 
в, г – волноводы сложного профиля; д – коаксиальный волновод; 
е – двухпроводная линия; ж, з – полосковые линии 

Основным типом волны в таком волноводе будет волна Н10 (поперечная электрическая волна). Структура электрического и магнитного поля волны Н10 описывается следующими выражениями: 

 
sin
;
ihy
z
E
Ce
gx
=
 

 
sin
,
hy
X
h
H
Ce
gx
k
=
 
(1.1) 

 
cos
,
ihy
Y
ig
H
Ce
gx
k
=
 

где 
2
k
π
= λ  – волновой вектор волны в свободном пространстве; 

С – амплитудный множитель, зависящий от мощности сигнала; 

в

2
h
π
= λ  – постоянная распространения волны в волноводе; 

g
a
π
=
 – собственное значение волновода; 

λв – длина волны в волноводе; 
a – размер широкой стенки волновода. 

Отсюда ясно, что направление электрической составляющей волны ортогонально направлению распространения волны, а также магнитным составляющим поля НX и НY. Все три составляющие электромагнитного поля изменяются по гармоническому закону по координатам Х и Y. 
Длина электромагнитной волны в волноводе λв отличается от 
длины волны в свободном пространстве λ, причем может быть как 
больше, так и меньше λ. Постоянная распространения h имеет смысл 
волнового вектора k для волны, распространяющейся в волноводе. 
Пользуясь приведенными выражениями, получим формулу, выражающую λв через λ, k, ε, μ, a: 

 
h2 = k2ε μ – g2. 

Из приведенных соотношений видно, что условия распространения волны в волноводе зависят от материальных параметров среды, ε 
и μ. При построении ферритовых приборов СВЧ обычно имеет место 
частичное заполнение волновода слоями феррита и диэлектрика. 
Следовательно, можно сформулировать два вывода: 
– меняя параметры ε и μ среды, полностью или частично заполняющей волновод, можно управлять условиями распространения 
электромагнитной волны (эта возможность используется при создании СВЧ ферритовых приборов); 
– изучая параметры распространения волны известного типа в передающей линии или электромагнитных колебаний в СВЧ колебательном контуре, можно определить в некоторых случаях материальные параметры ε и μ (эта возможность реализуется при измерениях электромагнитных параметров ферритов и диэлектриков в СВЧ 
диапазоне). 
С помощью формул (1.1) для магнитных компонент поля можно 
определить токи на стенках волновода, используя соотношение 

 
[ ,
],
4
s
c
j
n H
=
π
 
(1.2) 

где с – электродинамическая постоянная, с = 3.1010 см/с; 

n  – единичный вектор нормали к плоскости, на которой определяется ток.