无线电电子学元件材料的新成就

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(一)

十多年来,无线电电子学技术设备的应用范围越来越广阔了。在新领域里,它们受到很多新的考验;它们要满足很多新的要求,其中重要的几项就是:精确度高,稳定度大,体积小,重量轻,能够适应越来越高的频率和经得住恶劣的工作条件。这些新的要求逼迫得一天比一天紧,经过人们继续不断的努力,确实做出了不少的成绩。

无线电电子学的一个最新应用,可说是导弹了。它是一种最新式的武器。若把弹头(即装炸药或原子爆炸物的部分)去掉,装上各种测量仪器,能变成研究高空现象的最先进工具,我们常常把较简单的一类叫做火箭——火箭还是发射人造卫星不可缺少的设备。导弹技术的80%是指引技术,指引技术中绝大部分是无线电电子学技术。若是用来进行科学研究,还要装上量测和传递数据的设备,那么无线电电子学占的比重更大。人造卫星的情形差不多也是这样。

就导弹说,最重要的是必须迅速和准确。当导弹用几倍于声音的速度飞行时,还要随时精确地掌握它本身和目标的位置和动向,指引它本身命中目标,丝毫也不能发生错误。因此,在整个导弹体系里,装有极复杂的雷达、电子计算机、无线电控制器、发射和接收设备等。对于这些设备的每一个元件,要求都非常严格,原因是:

1.当导弹在起飞、转弯和飞到高空时,会遭受很大的加速度,每一元件所受的力量是它本身重量的几倍到几十倍。这样剧烈的加速度会使元件性能改变或损坏。

2.从地面到高空,温度是先变得极冷,然后又变得极热。弹体和空气的高速度摩擦,使弹体表面温度高达几千度。自然弹体内部的温度也是极热的;不仅如此,有时一部分电子学设备还要在喷出的燃气中工作。温度的急剧变化(几秒内相差几十度到几百度),可见使普通玻璃破裂。有人试做了简单的双管电子线路,在樱红色(摄氏800度)的温度下工作,使用了几千小时,每个零件和电子管都能照常工作。

3.高空的气压是很低的,一万米(公尺)处只有200毫米(公厘)汞高(即水银柱压力),到二万米处,就只有50毫米汞高了;如果再高,气压可以比电子管里的真空还要低。气压低时,会发生电晕,甚至电弧,这时,有些绝缘材料就会渗出或蒸发。空气稀薄了,散热也变得困难了。

归根到底,一个元件性能的改变或损坏,就会使整个导弹归于无用,全部指引设备也就徒劳无功。

另外,导弹的体积既小,要求它的重量也轻,因此弹上的电子学设备自然也要又轻又小。

也许我们可以这样想,导弹的要求固然高,但是对其它设备不见得有同样苛刻的要求吧!自然情况是有些两样,不过十多年来,也有很大的变化。例如现代的多路通信,一根同轴电缆上可以通数百路以至数千路的电信;还有人试验在波导管上通几万路电信。这样多的信号混杂在一起,要用很多极精密的滤波器和振荡器来把它们分清。一点误差就会造成串音,稍大的参数漂移就会把一路信号错送到别的用户去。这里,各种设备就要求制造得极其精密和稳定。还有海底电缆中所装载波放大器里的电子管,预期寿命要达到40年,以免经常取出换新。

无线电电子学设备还有一个特点,就是不管把它拿到冰天雪地的寒带,潮湿酷热的热带,以及沙漠和海岸,都得照常工作;就是不在这种极端的气候条件下工作,也不能避免在这种条件下运输。高温、低温、剧烈的温度变化、灰尘、潮湿、霉烂、腐蚀、低气压,剧烈的震动和冲击,都可能成为它致命的敌人。

有人把普通电子学设备会遭遇到的气候分成9种典型。在9种典型中,高空的温度会冷到摄氏-70度,变化的幅度达摄氏90度,气压可能低到200毫米汞高到50毫米汞高,热带大陆气候会热到摄氏85度,原始森林里的湿度会长时期停留在90%上下。实际上做出的设备,常常能在比这更坏的环境下工作。

超小型化是很重要的发展。元件的体积缩小了,不但使用方便,也有可能降低成本。象现代步兵用的携带式通信机,体积小,重量轻,可以搁在钢盔里,因此就可以把手腾出来携带更多的武器弹药。还有极小型的助听器,直接挂在耳朵上就行了。

在20世纪60年代的今天,导弹、超多频道的通信设备等等,不管要求的条件怎样高,都已经变成了现实,能够经受严重的考验,满足严格的要求,不能不说是这年代中无线电电子学设备的新成就。

(二)

这些新成就是怎样达到的呢?具体地说,不能不归功于:一些结构措施的采取,各种新元件的发明和新的优质材料的采用。下面叙述一下最重要的几项。

晶体管 它现在已能代替普通的收信放大管了,频率也可到100兆周。试验室里有人做出了可在500兆周使用的样品。在音频范围里,晶体管已能发出数十瓦的功率,晶体管在它适用的最高频率下,也能发出数十毫瓦的功率了。

晶体管的贡献,不只是它本身上比普通电子管小得多。实在说,晶体管内真正发生作用的部分,比它的外壳还要小得多,所以还有缩小的潜力。可是,更要紧的是它的电源电压很低(几伏到几十伏),不需要热丝电源,它所需要的电流也小,所匹配的阻抗比电子管也低得多。因此,配用的其他元件都可以大大缩小。如电容器的额定电压,3伏到30伏就够了。电阻可用1/20瓦的,变压器里线圈的圈数可比减少数倍,电源可用普通的小型干电池,或超小型的银锌电池,可见不用振动子,甚至可用其他更简化的方法取得电源供给。

晶体管不是十分耐热的元件。但是锗三极管已有在摄氏75度环境中使用的了,硅三极管大约可以达到摄氏100度以上。虽说它们的效能会随着环境温度的变化而变化,可是从线路上设法补偿,也不是不可能的。它的寿命也极长。

极小型瓷封电子管 体积和一个普通的晶体三极管差不多,但是能用到数千兆周频率,极其耐震,并且在樱红色的温度下还能工作。在这种温度下工作时,不需用热丝电流,它的阴极就能正常地发射电子。为了能用到这样高的频率,它的极间距离极小,结构很精细;可是它的构造却极简单,比普通电子管还便于大量生产,甚至可采用机械来装配(图1)。

图1
图1 🔍原图 (876×1181)

密封和灌封措施 把元件密封起来,是隔绝潮湿,腐蚀和霉烂的最有效的办法。一种是封在金属壳内,在引出线的地方用一个密封绝缘子。密封绝缘子是用特别的玻璃和金属(可伐玻璃和可伐金属)熔接成的像一个玻璃珠一样。电容器、变压器、电表和继电器等,都可采用这方法。有的元件也可以封在像电子管一样的玻璃泡里。

另一个构造是在瓷管的两端烧上银,或渗上铁,再焊上金属帽或金属圈。它可以当作密封绝缘子用,如小型电容器和电阻,都可用它。

用塑料密封的方法有两种。一种是灌在金属壳内,另一种是没有壳子的,而是在模型里灌好,在凝固后取出,就更经济轻小。灌封不但可用来隔潮,还能用来把组合在一起的元件固定起来,形成极为耐震的结构。这几年,环氧树脂的引用对灌封技术有很大的推动作用。它比过去的任何类似材料都好。优点是:

1.几乎和所有的固体材料都能坚固地粘合在一起,因此不留一点能使潮气侵入的孔隙(在以前,引入线总是灌封的弱点)。它的强度也好,有的还能耐摄氏150度的高温。

2.生料是流体的,加上促凝剂,可以在室温凝固。

3.凝固过程中收缩标很小,约为0.5—4%。

4.能做成密度很低的泡沫体,介质损耗和电容量的变化都很小,合乎防震灌封使用。

图2
图2 🔍原图 (857×1201)

散热措施 过去几乎限于采用辐射、自然对流和强制风冷的方法,目下开始引用传导、液体循环和蒸发等效率高的办法。例如图2所示,电子管发的热由金属卡圈传到散热板上,再用液体带走。还有的用液体直接喷到电子管和其他发热的部件上,利用蒸发带去热。在有利条件下,蒸发散热所得到的温度差可比合并使用辐射和自然对流低40倍。

在元件中合并使用蒸发和传导,也可以大大地减少体积。有人做过这样的变压器:线圈中衬了铜块,把内部的热传出;线圈外层衬上玻璃绒,再把变压器半浸在液体氟化合物中。液体氟化合物由于毛细管作用渗到表面上,在表面上蒸发再在外壳内表面间凝结流下。这样就把热带到了外壳上。用这方法冷却,减小了体积数倍(图3)。

图3
图3 🔍原图 (858×1354)

在热电偶中通过电流,就会使一个结连点的温度升高而另一个则降低,有人正在研究用这方法达到散热的目的。

电阻 用热分解法制造炭膜电阻,精确度可达0.5-1%,温度系数摄氏每度为0.025-0.05%,有的可到0.01%。最小型可到1/20瓦,阻值仍可达150千欧以上,尺寸约径1.5毫米,长7毫米。

用热分解法把硼和炭一并淀积,可以得到稳定十倍的电阻,并且把膜体工作温度从摄氏120度提高到摄氏150度。

把贵金属被在玻璃上做电阻,有的膜体工作温度可达摄氏220度。它的阻值可达100千欧。一般说温度系数也可达到摄氏每度0.02%,还可混用不同的成分,做出不同的温度系数。金属膜的超小型电位器,只有13公厘直径,可耐3瓦。试验室中有人还做出了可用在摄氏600度的膜层电阻。

线绕电阻也有各种不同的温度系数。由于线不能过细,它的阻值不能过高。两年前有人用到20微米(0.02公厘)的细线,目下估计可能细到10微米(0.01公厘)了。

简螺纹体的线绕电位器,可有1.25米长的线绕阻体。它的角度误差可达到0.025%以下。

电容器和介电材料

正在推广的是采用聚乙烯苯二甲酯的合成介质。它的机械强度极高,能做到2.5微米的薄膜,还能像纸一样,用蒸发法被上金属,因而省去了金属箔。它的持续介电强度达每毫米30千伏(6微米厚),并且能在摄氏125度使用。它宜于做超小型电容器,例如220伏0.1微法的电容器,它的直径只有9毫米,长度是22毫米。它很有发展到代替大部分纸介电材料的可能。

聚苯乙烯膜电容器,可做到0.5%的精确度,损耗正切极小(0.0002),温度系数为摄氏每度100-150×10\(^{-6}\)。漏电极小,可保持电荷数十小时。最高温度是摄氏60度,但是有希望能生产出更耐热的品种来。

采用氟乙烯膜的电容器,能在摄氏200度时使用,介质损耗也仅只0.0005。

在纸介电容器中,使用新的固体浸渍材料,可以把工作温度提高摄氏40度,因此体积也可以缩小。

采用这样的工艺,在纸上喷了漆再被上金属,最后把带有金属的漆膜揭下,可做成供极低电压用的电容器。

铝极电介质电容器新型的能用于摄氏-60度到+85度。新式的钽极电解电容器,能用到摄氏200度,体积更小,10伏,100微法的只有13毫米长(图4)。

图4
图4 🔍原图 (580×316)

钛酸锶钡类的瓷介电质,介电系数可超过10000,制成250伏,0.04微法的电容器,体积只有2立方厘米。含锆或钢的可制成温度电容系数为0或一个更小的负数(-50至-150×10\(^{-}\)6)的,用来抵偿温度影响最有用。

云母经过特别处理,可以做成在摄氏800度时用的电容器。

电感器和磁性材料 用瓷或玻璃筒被上筒螺纹金属层,可见制成极稳定的高频电感,温度系数摄氏每度可达6×10\(^{-}\)6。

配合晶体管用的铁心变压器,有的只有小指头大小(图5)。做超小型变压器可用尼龙线圈框,用聚乙烯苯二甲酯做绝缘,用极细的线,有人用到25微米的线。

图5
图5 🔍原图 (430×470)

试验室里有人做出能在摄氏520度连续工作的变压器。磁心是低硅铁的,居里点(即导磁系数在弱磁场内随温度变化达一峰值突然下降的转折点——编者注)在摄氏500度以上。线是包银铜线,外面涂上瓷质绝缘。

软磁性材料中,坡莫合金的初导磁系数已可达到140000。铁淦氧磁体用作软磁材料,有的可以用到250兆周以上,还可从制成高频的可饱和电感和铁磁放大器。利用铁淦氧磁体在微波频率的磁谐振现象。在数千兆周和更高的频率时,可做成一种前所未有的元件——微波逆止器,这种元件能让电波在一个方向传播容易,另一方向则被吸收,开辟了微波线路上的新领域。此外用铁淦氧磁体还可作成计算装置、控制装置的储藏元件,和延迟线、滤波器等,其使用前途是非常广阔的。

硬磁性材料中,十多年来从最早制成的铝镍钴合金起,已把单位体积的磁能积由1.6×10\(^{6}\)厄提高到5.7×106厄。在试验室会达到11×10\(^{6}\)厄的世界纪录。最重要的发展是:(1)用B\(_{a}\)0.6(Fe2O\(_{3}\))烧结成晶体排向的材料,可得每立方厘米3×106厄;(2)用铋化锰达到4.5×10\(^{6}\)有时达到8×106、内矫顽力7000;(3)用超细铁粉达到1.1×10\(^{6}\)。这些都是为了节约镍而发展起来的。

以上仅叙述了一些突出的方面和突出的例子。要列举所有方面的成就是不可能的。还必须强调一下,新的元件和材料常常是补足了某些旧元件和旧材料的不足,因而推动技术的发展,而不是代替它们。因此,无数旧的,但是长期证明是优越的材料,不管怎样,极大部分还是要存在下去。

从这一些例子中还可看出,元件是无线电技术发展的重要基础,而材料又是基础的基础。(罗霈霖)