Радиоматериалы. Общие сведения.

Радиотехнические материалы (радиоматериалы) - это класс материалов, характеризуемых определёнными свойствами по отношению к электромагнитному полю и применяемых в радиотехнике с учётом этих свойств. Радиоматериалы необходимы для изготовления проводов, кабелей, волноводов, антенн, изоляторов, конденсаторов, резисторов, катушек индуктивности, трансформаторов, постоянных магнитов, полупроводниковых приборов, электронных ламп, устройств функциональной электроники. От свойств радиоматериалов зависит работа электрической схемы радиотехнического устройства. Основными физическими параметрами радиоматериалов являются: электропроводность, диэлектрическая и магнитная проницаемость. По физическим (электрическим и магнитным) свойствам все радиоматериалы принято подразделять на 4 класса. По электрическим свойствам выделяют проводниковые, диэлектрические и полупроводниковые материалы, а по магнитным - магнитные и немагнитные материалы.

В зависимости от области частот, в которой работают радиоматериалы, их подразделяют на низкочастотные и высокочастотные. Низкочастотные материалы предназначаются для работы при постоянном токе и в области звуковых частот, до 10-20 кГц. Высокочастотные материалы рассчитаны на работу при частотах выше 10-20 кГц.

Высокочастотные материалы в большинстве случаев работают неодинаково удовлетворительно во всем огромном спектре высоких частот. Поэтому высокочастотные материалы часто подразделяют на высокочастотные и ультравысокочастотные. Однако, такая разбивка не может быть произведена достаточно точно и однозначно. Отказываясь от нее, предпочитают при рассмотрении конкретных материалов указывать либо диапазон рабочих частот, либо свойства, позволяющие потребителю устанавливать целесообразность применения того или иного материала.

Низкочастотные материалы находят применение в усилителях низкой частоты, в цепях питания приемно-передающих устройств, в низкочастотных измерительных приборах. Высокочастотные материалы предназначаются для изготовления конденсаторов, катушек индуктивности, ламповых панелей, переключателей диапазонов, дросселей, трансформаторов и т.п., работающих при высоких частотах. С увеличением частоты возрастают требования, предъявляемые к качеству материалов. Высокочастотные материалы в большинстве случаев можно с успехом применять при низких частотах, однако, они дороги. Область применения низкочастотных материалов при высоких частотах более ограничена.

Влияние атмосферных условий на радиоматериалы и изделия из них определяется влажностью, температурой и давлением.

Поведение материалов в различных условиях влажности определяется водопоглощаемостью и гигроскопичностью. Так, все электроизолирующие материалы, имеющие водопоглощаемость, превышающую десятые доли процента, при повышенной влажности снижают удельное сопротивление в миллионы раз, и только материалы с нулевой водопоглощаемостью не меняют свои свойства при увлажнении. В качестве примера можно привести мрамор и битум. Водопоглощаемость мрамора 0,35%, битума — приближается к нулю. В сухом состоянии их удельное объемное сопротивление равно 10¹³ Ом*см; при увлажнении мрамора оно падает до 10⁷ Ом*см; при увлажнении битума — почти не изменяется.

Все электрические свойства радиоматериалов в той или иной степени изменяются от изменения температуры. С повышением температуры, как правило, увеличиваются диэлектрические потери, уменьшается пробивная прочность; удельное сопротивление электроизолирующих материалов уменьшается, проводников — увеличивается; изменяются диэлектрическая проницаемость (обычно возрастает) изоляционных материалов и магнитные свойства магнитных материалов. В области очень низких температур, близких к абсолютному нулю, сопротивление проводников становится неизмеримо малым — явление, получившее название сверхпроводимости.

Величину, на которую изменяется параметр данного материала при нагревании на 1 С°, указывает температурный коэффициент. Материалы с температурным коэффициентом порядка 10^-5 на 1 С° можно считать стабильными, порядка 10^-6 на 1С° - особо стабильными. Изделия из них в обычной практике не изменяют свои параметры при нагревании. Однако, в ряде элементов радиоаппаратуры, особенно работающей в диапазоне ультравысоких частот, к температурному коэффициенту предъявляются жесткие требования. Так, например, применение для контура задающего генератора передатчика ультравысоких частот деталей с температурным коэффициентом порядка 10^-5 не может обеспечить в ряде случаев требуемой стабильности частоты, тогда как для коротковолнового передатчика указанный коэффициент обычно достаточен.

Изменение давления оказывает большое влияние на пробивную прочность воздуха. Это имеет существенное значение, потому что воздух служит электроизолирующей средой для многих радиодеталей и монтажа

В заключение следует сказать, что при оценке радиотехнических материалов необходимо учитывать следующее:

· Помимо температуры, влажности и давления, на электрические свойства материалов оказывает влияние частота. У основной массы электроизолирующих материалов с увеличением частоты падает величина пробивной прочности, в то время как тангенс угла потерь и диэлектрическая проницаемость  могут изменяться как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения.

· Основными электрическими параметрами при оценке электроизолирующих радиоматериалов являются тангенс угла потерь и диэлектрическая проницаемость. Чем меньше тангенс угла потерь, тем лучше материал, так как потери мощности в нем уменьшаются с уменьшением тангенса угла потерь. Но помимо тангенса угла потерь увеличению потерь способствует наличие большой емкости, а емкость определяется величиной диэлектрической проницаемости: чем больше диэлектрическая проницаемость, тем больше емкость. Следовательно, при конструировании радиоаппаратуры материалы с большой диэлектрической проницаемостью необходимо ставить в конденсаторах, а во всех остальных случаях брать материалы с малой величиной диэлектрической проницаемости, чтобы не создавать паразитных емкостей. При высоких частотах материалы должны быть теплостойкими и иметь малый тангенс угла потерь, иначе от сильного нагрева за счет активных потерь детали разрушатся.

· При оценке магнитных материалов основными параметрами являются коэффициенты потерь на вихревые токи, перемагничивание и последействие. Для низкочастотных магнитных материалов решающее значение имеют потери,на перемагничивание и последействие, для высокочастотных — коэффициент потерь на вихревые токи.

Проводниковые материалы характеризуются относительно низким электрическим сопротивлением. Такие материалы применяют для изготовления проводов, кабелей, в качестве контактных материалов. Высокоомные проводниковые материалы с заданной величиной электрического сопротивления используют для изготовления резистивных элементов таких компонентов, как резисторы.

Диэлектрические материалы, напротив, характеризуются очень высоким удельным электросопротивлением и обычно применяются в качестве изоляционных материалов таких как различные установочные изделия, электроизоляционные подложки и печатные платы, каркасы катушек индуктивности и трансформаторов, пропиточные материалы. Диэлектрические материалы с заданной величиной диэлектрической проницаемости широко применяются в качестве электроизоляционных прокладок при изготовлении электрических конденсаторов.

Активные диэлектрики - сегнетоэлектрики - отличаются от электроизоляционных материалов заметной зависимостью диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля и температуры. В активных диэлектриках, как правило, наблюдается пьезоэффект, заключающийся в проявлении механических напряжений в диэлектриках под действием электрического поля. Такие диэлектрики называются пьезоэлектриками. Пьезоэлектрический фильтр (ПЭФ) – механическая колебательная система с распределенными параметрами, имеющая в своем составе один или более пьезоэлектрических резонаторов или вибраторов и служит для выделения или подавления определенного спектра колебаний.

Полупроводниковые материалы используют в радиотехнике и электронике, когда необходимо получить электрическое сопротивление материала, управляемое электрическим или магнитным полем, а так же температурой или освещённостью. Из полупроводниковых материалов изготавливают диоды, транзисторы, термисторы, фоторезисторы и другие полупроводниковые приборы.

Магнитные материалы обладают способностью намагничиваться под действием магнитного поля. Из магнитных материалов делают сердечники катушек индуктивности, магнитопроводы трансформаторов, магнитные элементы памяти. Некоторые разновидности магнитных материалов сохраняют свою намагниченность после воздействия магнитного поля и применяются для изготовления постоянных магнитов.

Таким образом в радиотехнике применяется разнообразные материалы, количество наименований которых превышает несколько тысяч.

Резистор (англ. resistor, от лат. resisto — сопротивляюсь) — пассивный элемент электрической цепи, в идеале характеризуемый только сопротивлением электрическому току, то есть для идеального резистора в любой момент времени должен выполняться закон Ома для участка цепи: мгновенное значение напряжения на резисторе пропорционально току проходящему через него.

Резисторы, составляющие до 35 - 40% общего количества элементов в схемах современной радиоэлектронной аппаратуры РЭА, разнообразны по конструктивным и электрическим характеристикам. Различают резисторы постоянного и переменного сопротивления, проволочные и непроволочные. Непроволочные резисторы наиболее распространены в РЭА, поскольку обладают меньшими размерами, незначительной индуктивностью, относительной стабильностью активного сопротивления в широком диапазоне частот, просты в производстве. Основными параметрами резисторов являются:

Номинальная мощность рассеивания (Р_ном),которую резистор может рассеивать при непрерывной нагрузке, нормальном давлении и температуре. В РЭА чаще всего используют непроволочные резисторы на номинальные мощности 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2; и 5 Вт. Выбор резистора по мощности производится по формуле: P=U²/R, где U - напряжение на резисторе в вольтах, R - сопротивление резистора в омах. С учётом повышения температуры резисторы выбирают с номинальной мощностью на 20 - 30% больше расчётной. Численное значение мощности обычно входит в обозначение резистора, например МЛТ-2, где Р_ном = 2 Вт. Обычно на корпусах непроволочных резисторов приводится мощность при Р_ном > = 2 Вт, а на корпусах резисторов меньшей мощности в таблицах.

Максимальное напряжение (U_макс) - наибольшее напряжение (постоянное или действующее переменное), которое можно приложить к токоотводам резистора с сопротивлением R_ном > = U²_макс/P_ном.

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) характеризует относительное изменение сопротивления при изменении температуры на 1°С. Если с увеличением температуры сопротивление резистора увеличивается, то ТКС положительный. А если с увеличением температуры сопротивление уменьшается, то ТКС отрицательный. ТКС непроволочных постоянных резисторов 0,03 - 0,1%/С°, а резисторов повышенной точности на порядок меньше.

Шумы резистора оценивают по величине их переменной эдс, возникающей на его зажимах и отнесённой к 1 В приложенного к резистору напряжения постоянного тока. Измеряют эдс шумов в полосе частот 50 Гц - 5 кГц при рассеивании резистором номинальной мощности.

Номинальное сопротивление резистора (R_ном) обычно обозначено на его корпусе. Действительное сопротивление резистора может отличаться от номинального, но не более допустимого значения.