微波铁氧体材料铁磁共振线宽测试新方法
【专利摘要】一种用于微波铁氧体材料参数测试的矩形谐振腔系统，属于铁磁共振线宽测试领域，涉及矩形微扰谐振腔。针对以往系统的操作繁琐程度，测量结果的不确定度，测试准确度降低等缺点，本发明提出了新的测试方法。系统包括准矩形谐振腔、高斯计、电磁铁、矢量网络分析仪、程控计算机、直流电源六部分。将系统连接校准后，测试样品放置矩形谐振腔，测试出半功率点对应的Q值或者S21参数即可计算出测试样品的铁磁共振线宽。
【专利说明】微波铁氧体材料铁磁共振线宽测试新方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微波铁氧体材料参数测试领域，涉及铁磁共振线宽参数测试。
【背景技术】
[0002]微波铁氧体材料按照结构可以分为单晶和多晶材料，采用单晶材料制作的微波铁氧体器件称为单晶器件，常见的比如YIG电调谐滤波器、限幅器、谐波发生器等。而应用铁氧体多晶材料的微波器件称为多晶器件，比如移相器、环形器和隔离器等，这一类微波器件的应用领域也是最广泛、用量也是最大的。
[0003]上述这些微波器件的工作频率覆盖了从米波、厘米波到毫米波频段，是微波、毫米波通信设备及电子系统中不可或缺的器件。长期以来应用于雷达、电子对抗以及高能物理粒子加速器、移动通信、人造卫星、电视等军用和民用的各方面。上面所述的微波铁氧体器件对铁氧体材料的要求一般都是铁磁(旋磁)共振线宽△ H小、饱和磁化强度符合要求、微波介电损耗tan 66小、居里温度高等特性。其中铁磁共振线宽ΛΗ用来度量磁损耗的大小，即线宽大，材料损耗大；线宽小，材料的损耗小。因此在决定工作在或者接近于旋磁共振的器件的性能时，铁磁共振线宽是基本的重要参数之一。因此准确的测量出微波铁氧体材料的铁磁共振线宽对于铁氧体微波器件的设计有着很重要的意义。
[0004]微波铁氧体材料铁磁共振线宽测试技术经过几十年的发展，已经形成一套比较完整的科学体系。目前，在国内外铁磁共振线宽测试技术按测试原理主要分为两大类:波导短路法和谐振腔微扰法。本发明采用的是传输式矩形微扰腔的方法对铁磁共振线宽测量。
[0005]目前，这些方法都存在一些问题，比如采用多个微波测量仪器，如功率计、频率计等来完成整个测量过程，同时还需要用到多个可调衰减器、隔离器以及耦合器等微波器件来控制源的输出功率以及分离监测用的信号。这样多种器件和测量仪器既增大了测试人员操作的繁琐程度，又增加测量结果的不确定度，使测试准确度降低。本测试系统包括矩形谐振腔(I)、高斯计(2)、电磁铁(3)、矢量网络分析仪(4)、程控计算机(5)、直流电源￠)，通过采用矢量网络分析仪测试已经放入被测材料后的矩形谐振腔的品质因素Q值，同时可以利用峰值功率变化值测试半功率点处的S21值，方便快捷准确的计算出被测微波铁氧体的铁磁共振线宽，可以在一定程度上解决这些问题。
【发明内容】
[0006]本发明采用了微波实验室中常见的矢量网络分析仪作为测量仪器通过测试Q值方法，这种测试方法可以实现减小测试系统系统误差，保持测试过程中腔体的稳定性，更有利于在放入样品后的一键式自动测量，同时可以利用峰值功率变化值进行测试，大大提高了测量效率和测试精度。
[0007]本发明的技术方案如下:
[0008]测试系统包括矩形谐振腔(I)、高斯计(2)、电磁铁(3)、矢量网络分析仪(4)、程控计算机(5)、直流电源￠)。在谐振腔内放置一个很小的样品时，除了样品加载位置外，整个腔内的电磁场分布是保持不变的，即把样品看作是个微扰。则有
(I )
[0009]Δ ——=4Αμ" (I)
\Ql )
[0010]δ f = fs-f0 (2)
(\ λ I I
[0011]Δ — =--- (3)
[Q1) Qs Qo
[0012]分别是加载样品前后腔体的谐振频率。μ "为磁导率张量元的虚部。A是一个常数，其值由腔体的体积和样品的体积有关。半功率点对应的腔体品质因数值为:
(I 1、
[0013]Qy2 =2! —⑷
[0014]测试时，找到Q1/2对应的外加磁场值，就可以计算出线宽ΛΗ。
[0015]该微波测试系统的具体工作过程是:矢量网络分析仪(4)通过电缆与矩形谐振腔(I)进行连接，用网线将程控计算机(5)的网卡接口和矢网(4)的网卡接口相连，使用RS232串口线将程控计算机(5)的串口跟高斯计(2)的串口相连接，同时将矩形谐振腔置入电磁铁磁场区域中。对该系统进行校准，然后将被测材料样品放入矩形谐振腔(I)中。再测试品质因素Q，然后根据相应的软件对材料样品进行测试分析。
[0016]有益效果:
[0017]一、矢量网络分析仪作为一种可以准确测量的精密仪器，本身就完全可以替代原理图中的微波源、频率计、功率计等仪器以及可调衰减器、隔离器和耦合器等微波器件。而且在测量之前，通过简单的对仪器测量端口进行校准，便可以排除掉大部分的系统误差，从而提高测量的准确度。
[0018]二、本发明中的矩形谐振腔品质因数较高，在使用矢量网络分析仪进行Q值的测试时,测试分辨率较高，即使样品有微弱小的共振吸收时也能通过Q值的变化体现出来,从而准确的计算并找到半功率点，因此该方法在测量吸收较小的样品时远优于通过测量S参数的功率法。
[0019]三、本测试系统中矢网支持SCPI命令集，可以通过计算机和GBIP接口方便的控制仪器进行测试，并且读取矢网中的测量数据到计算机中进行处理。这样，通过编写一个自动化的测试软件，配合外购的程控电源和程控高斯计等仪器就可以实现置入样品后的一键式自动测量，大大提高了测量效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是本系统的结构示意图。
[0021]其中I是矩形谐振腔、2是高斯计、3是电磁铁、4是矢量网络分析仪、5是程控计算机、6是直流电源。
[0022]图2腔体Q值与外加恒磁场H的关系曲线。
【具体实施方式】
[0023]将高斯计探头校准后放置在电磁铁磁极中间磁场均匀的位置，矢量网络分析仪(4)通过微波电缆与矩形谐振腔⑴连接起来，用网线将程控计算机(5)的网卡接口和矢网
(4)的网卡接口相连，使用RS232串口线将计算机(5)的串口跟高斯计(2)的串口相连接。开启各仪器设备的电源。
[0024]一、矢量网络分析仪测试微波铁氧体铁磁共振线宽的具体步骤是:
[0025]步骤1:选定测试频率范围，用SOLT对矢量网络分析仪和电缆进行校准。
[0026]步骤2:将样品小球放入样品夹具顶端的细槽内，并用少量真空脂将顶端密封，防止小球被磁极吸出掉入谐振腔内。将夹具旋入谐振腔内，让谐振腔的中部位于电磁铁磁极的正中央。
[0027]步骤3:用编写的自动测试软件测得Q值，通过上述公式计算出样品的铁磁共振线宽。
【权利要求】
1.一种微波铁氧体材料铁磁共振线宽测试新方法，其特征在于:包括矩形谐振腔(I)、高斯计(2)、电磁铁(3)、矢量网络分析仪(4)、程控计算机(5)、直流电源(6)。
2.根据权利要求1所述的用于微波铁氧体材料铁磁共振线宽测试系统，其特征在于，所述矩形谐振腔(I)的中部放在电磁铁(3)正中央，将待测样品放入矩形谐振腔(1)，并通过微波电缆与矢量网络分析仪(4)连接起来，用网线将程控计算机(5)的网卡接口和矢网(4)的网卡接口相连，使用RS232串口线将计算机(5)的串口跟高斯计(2)的串口相连接，测试半功率点对应的矩形谐振腔(I)的腔体品质因素，找到对应的外加磁场值，即可计算出线宽ΛΗ。
3.根据权利要求1所述的微波铁氧体铁磁共振线宽测试新方法，其特征在于矩形谐振腔品质因数较高，在使用矢量网络分析仪进行Q值的测试时，测试分辨率较高，即使样品有微弱小的共振吸收时也能通过Q值的变化体现出来，从而准确的计算并找到半功率点，因此该方法在测量吸收较小的样品时远优于通过测量S参数的功率法。
【文档编号】G01R33/12GK104237813SQ201310247357
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年6月21日 优先权日:2013年6月21日
【发明者】李恩, 童超, 卢宪俊, 郑虎, 高源慈, 陶冰洁 申请人:电子科技大学