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铁氧体磁芯在数字用户线路(XDSL)上的运用

       为适应通讯网络变压器的需要,开发制作出具有宽温(-40℃~80℃)低磁滞损耗系数(ηb)特性的TH2Mn-Zn铁氧体材料及磁芯,以满足网络通讯变压器具有低信号失真特性的要求。从分析材料的微观结构着手,测试TH2材料的磁谱特性(μ~f)、比损耗因子(tanδ/μi~f)、比磁滞系数温度特性(ηB~f),从而说明TH2的典型磁性能。   

      1、 DSL技术(DSL=Digital Subscriber Line),即数字用户线技术,使用的是较宽的频率范围,所以在同一根同轴电缆的线路上就可能产生同时发生的声单和数据,但这往往会造成信号(声音和数据)的相互干扰。正是基于以上原因,人们使用分离器(splitters)来解决上述问题,在电话线接入住宅位置的附近,与电话线相连的一个小小分离器,将电话线分成了两半:一头与家中原来的电话线相连,另一头与DSL调制解调器相连。参见图1,除了将电话线“分离”之分,该分离器的另一重要作用就相当于是一个低通滤波器(low psaa filter),高频滤波器将数据信号分离出来,传输给ADSL MODEM。低频滤波器将低频段的语言信号分离出来传输给电话,从而保证普通电话不受ADSL影响。这样电话与DSL调制解调器产生的干扰就可以消除了。

      2、应用于XDSL技术的相应磁芯和器件在数字用户线路技术(XDSL)中的分离器中,通常使用的是锰锌铁氧体的磁芯,根据设计的需要选用的形状有RM、EP系列磁芯。

       3、技术论证数字用户线线路技术(XDSL)中的网络变压器,除了为电子电路提供阻抗匹配外,还要求进行信号的分离。为尽可能的延长信号传递的距离,这就要求变压器必须获得足够的带宽,也就要求变压器所使用的铁氧本磁芯在整个工作温度范围-40~85℃内具有低的信号失真特性。谐波失真系数K3(三次谐波)和通带内插入损耗αc(f)是SDSL网络变压器设计中的关键参数之一,失真系数K3的大小直接反映出信号失真程度。在雷利(Rayleigh)曲线模型条件下,在正弦励磁电流或正弦场下的磁滞损耗系数ηB和三次谐波失真系数K3具有直接关系(如公式1和2) K3=0.6?tanδh (1) tanδh=ηB?μe?△B (2)当参数tanδh表示低磁感应强度增量B时的磁滞损耗因子时,参数μe表示磁芯的有效磁导率(通常已经考虑了磁芯已经开了气隙)。在设计网络变压器时的磁芯选择基本标准是要求磁芯在-40~85℃的温度范围内具有低的磁滞损耗系数。另外绕组损耗和磁芯损耗都会限制传输带宽,因此在选择磁芯材料时必须考虑到这一点,先择最佳的磁性材料和磁芯形状是保证设计的变压器具有较小的信号失真和好的带宽特性的关键因素,衡量材料三次谐波失真系数的大小,通常用ηB来间接反映,K3与ηB成正比关系,由于ηB相对更易于测式,因此目前各磁芯材料生产厂家都倾向于用ηB来衡量材料谐波失真性能的好坏。

       4、磁性材料和磁芯的开发 4.1试验过程试验所用原材料为:日本Fe2O3(Fe2o3≥99.2%)、湖南Mn3O4(Mn≥71.0%)、上海ZnO(ZnO≥99.7%),采用传统的氧化物工艺方法,具体制作工艺流程如图3。工艺说明:将按组成配好的原材料砂磨半个小时,让原材料充分的混合均匀,一次喷雾成型后在空气中900℃预烧,然后将预烧料加入TiO2、Ca2O3、CaO等添加剂,再二次砂磨1.5h,加入浓度10%的聚乙烯醇(PVA)12wt%后再次喷雾造粒,成型生坏在钟罩式气氛烧结炉烧结,在1220℃,O2=3.0%保温4h,采用平衡氧分压法降温冷却。 4.2实验样品的测试用HP4284A频谱测试仪测量材料测试磁谱特性(μ~f)、比损耗因子(tanδ/μ~f、比磁滞系数温度特性(ηB~T等)。

       5、实验结果与分析 5.1材料的显微结构图4、5显示了两种不同组成的显微结构,结果表明在工艺过程中适当地添加一些有利杂质(如TiO2、Co2O3、CaO等),材料的显微结构有明显的改善,相应材料的磁滞损耗系数(ηB)也得到了控制。CaO的添加对提高于铁氧体的电磁性能有益,电子探针表明,Ca2+浓度富集于晶界,生成非晶质的中间相,从而可以增加晶界电阻率,降低损耗,提高Q值;TiO2、Ca2O3作为添加剂,在软磁铁氧体中可以使减落峰向低温区移动,对改善材料的温度特性有一定的作用。

      6、结论开发和制造出适用于通讯网络的磁芯器件,关键是要降低材料的磁滞系数ηB以及改善相应的宽温特性,只有这样的材料和产品才能符合通讯信号宽带低失真的要求。在材料开发过程中,微量元素的添加对改善材料的磁滞系数ηB起到关键的作用,同时对材质的μi~f、tanδ/μi~f、μi~f、ηB~T都有改善。


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