基于VNA的鐵磁共振參數(shù)測量方法研究

梁瓊崇，趙敏

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

0 引言

微波鐵磁器件是一種利用磁場和微波共同作用下產(chǎn)生的旋磁效應(yīng)、鐵磁共振效應(yīng)和非線性效應(yīng)而制成的各種非互易和互易微波/毫米波器件，能實現(xiàn)信號產(chǎn)生、選頻濾波、級間隔離、系統(tǒng)去耦、天線共用、通道切換、相位控制和極化變換等功能，廣泛地應(yīng)用于雷達(dá)、通信、導(dǎo)航、電子對抗、導(dǎo)彈制導(dǎo)和航空航天，以及深空探測、精密測量等系統(tǒng)中，是現(xiàn)代微波電子設(shè)備不可缺少的基本元器件。

為滿足整機小型輕量化的要求，微波鐵磁器件與其他微波器件一樣，正向小型化、輕量化、平面化、薄膜化和集成化，以及多功能化等方向發(fā)展，并與單片微波集成電路 （MMIC）實現(xiàn)技術(shù)兼容。

開發(fā)這些新型微波磁性材料需要良好的檢測工具。目前，雖然已研究并提出了多種測量共振線寬的方法[1-3]，對其試驗方法也有詳細(xì)的論述[4]，但是都未形成商品。生產(chǎn)商品化檢測工具的主要有兩家國外生產(chǎn)商；一家是專注于譜儀開發(fā)的德國布魯克 （Bruker）公司，另一家是日本電子株式會社（JEOL），其產(chǎn)品是JES-FA系列。兩類產(chǎn)品皆是基于諧振腔式系統(tǒng)，設(shè)備昂貴、操作復(fù)雜，且測量用時很長。此外，這兩類產(chǎn)品最大的缺點是必須把樣品做成小球狀才能對樣品進(jìn)行測量，無法直接測量小型化的薄膜樣片。在國內(nèi)，商品化的鐵磁共振譜儀尚未面市。

因此，作者申請了相關(guān)的研究項目，采用不同于以往的研究的方法，研發(fā)了基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的掃頻式鐵磁共振測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地測量薄膜型鐵磁物質(zhì)的共振參數(shù)，基本滿足我國研發(fā)新型微波磁性材料與器件的需求。

1 系統(tǒng)的組成

整個系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)分析儀、磁場發(fā)生器和共面波導(dǎo)測試夾具，以及個人電腦組成，其中磁場發(fā)生器包含電磁鐵、驅(qū)動電源和高斯計，如圖1所示。

磁場發(fā)生器產(chǎn)生測試所需的磁場，磁感應(yīng)強度高達(dá)0.8 T，穩(wěn)定性優(yōu)于1%/10 min，分辨力為0.1 mT，測量不確定度為0.5% （k=2），工作區(qū)均勻度為1%。

測試夾具用于放置鐵磁薄膜樣片。由于薄膜樣片的厚度只有3～20 nm，對磁場和微波信號所產(chǎn)生的旋磁效應(yīng)極其微弱，因此必須研制合適的夾具形態(tài)，才能使得傳輸函數(shù)S21有足夠大的變化。

網(wǎng)絡(luò)分析儀用于測量夾具的傳輸函數(shù)S21，只要分辨力達(dá)到0.001 dB，動態(tài)準(zhǔn)確度達(dá)到0.02 dB即可達(dá)到要求。

個人電腦用于控制場發(fā)生器得到規(guī)定的磁場感應(yīng)強度，并控制網(wǎng)絡(luò)分析儀測量設(shè)定頻率下的S21值。

得到S21值之后，經(jīng)擬合分析，得到共振波形曲線，并計算各種參數(shù)，包括：不同頻率下的共振峰值、共振線寬等。

圖1 測試系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計

2.1 共面波導(dǎo)測試夾具的設(shè)計

能否得到足夠的靈敏度，共面波導(dǎo)夾具的設(shè)計是關(guān)鍵。作者采用電磁仿真軟件HFSS對各種形態(tài)的夾具進(jìn)行分析，最終決定采用特征阻抗為50 Ω的共面波導(dǎo)微帶線。它具有較高的加工精密度、優(yōu)良的寬帶阻抗匹配特性，因此，可以獲得較高的靈敏度，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 共面波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖

在共面波導(dǎo)的設(shè)計中，影響性能的主要是波導(dǎo)的中段以及兩端接頭。為了減小這種影響，作者所采用的設(shè)計方案如下所述。

a）為了保證夾具在測試小尺寸樣品時其靈敏度不會明顯地降低，在設(shè)計共面波導(dǎo)的中段時，結(jié)合共面波導(dǎo)傳輸線特性阻抗與幾何尺寸的解析表達(dá)式，使用共面波導(dǎo)計算軟件Polar來計算出中段的阻抗值，以保證阻抗匹配。使共面波導(dǎo)中心信號線的寬度w，以及中心信號線與接地線間的距離g盡量地小，以增強信號強度。中間段做成S型以增加靈敏度。

b）為了保證微波接頭與信號線阻抗匹配良好，共面波導(dǎo)兩端與微波接頭的過度需采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加寬處理。首先，采用電磁仿真軟件HFSS初步確定3種加寬方式，如圖3所示，從左到右的加寬方案分別是：直線、圓弧，以及多次平滑加寬；然后，進(jìn)行實驗測試比較；最后，選取了多次平滑加寬方案。

圖3 共面波導(dǎo)接頭處信號線加寬方案

c）采用磁控濺射工藝制備傳輸線薄膜，采用微細(xì)加工工藝制備共面波導(dǎo)，選用高阻GaAs作為基片。

d）制備的共面波導(dǎo)裝配于微波承載臺的銅制腔體中，這樣既可以保證微波通路和微波屏蔽，同時也不影響測試磁場。

e）為了保證磁感應(yīng)強度的測量精度，使用了高精度高斯計進(jìn)行監(jiān)測和反饋控制。波導(dǎo)夾具留有精確定位的測試孔。

經(jīng)測試，加工完成后的波導(dǎo)夾具駐波比在4（0.1～20）GHz以下，滿足項目要求。

2.2 電磁鐵磁路的設(shè)計

本項目設(shè)計的磁場由螺線管和鐵芯組成，為了便于程控磁場及調(diào)節(jié)磁場的大小與方向，電磁鐵磁路將采用如圖4所示的結(jié)構(gòu)。

圖4 電磁鐵的結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 樣片放置臺

為了方便控制樣片的三維位置和旋轉(zhuǎn)角度，樣片放置臺上安裝了帶有角度顯示的微調(diào)裝置4、精準(zhǔn)升降調(diào)節(jié)2及低微波損耗的樣片夾持器6等，如圖5所示。

圖5 電磁鐵、測試夾具及樣片放置臺

3 軟件編程

3.1 測試控制及數(shù)據(jù)采集

采用GPIB總線結(jié)構(gòu)來搭建測量系統(tǒng)，功能模塊采用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計，具備設(shè)備控制、數(shù)據(jù)采集、參數(shù)提取和數(shù)據(jù)保存處理，以及結(jié)果顯示等功能。

需要控制的設(shè)備包括：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、驅(qū)動電流源和高斯計。它們都支持GPIB總線通訊。程序要達(dá)到的功能包括：設(shè)定電流值、檢測磁感應(yīng)強度進(jìn)行閉環(huán)控制，設(shè)定矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的頻率，測量S21值和數(shù)據(jù)輸出，以及設(shè)置與顯示其他必要的參數(shù)，如圖6所示。

圖6 測試控制及數(shù)據(jù)采集流程圖

磁場設(shè)定精度與測量速度是相互矛盾的。磁場發(fā)生器是感性負(fù)載，穩(wěn)定時間很長，而S21測量值曲線的變化幅度只有0.1 dB，任何干擾或磁場不穩(wěn)定都會導(dǎo)致S21測量值分散，曲線吸收峰不明顯或者偏離正確位置，從而使不確定度變大，因此要想達(dá)到設(shè)計精度，每個頻點的測量時間都需要在30 min以上，這將會嚴(yán)重地影響測量效率。因此，為了解決這一問題，作者設(shè)計了兩種工作模式：無反饋的電流設(shè)定模式和高斯計監(jiān)控反饋調(diào)整模式。前者用于快速測量，后者用于高精度測量，但時間較長。為了提高無反饋的電流設(shè)定模式的磁場設(shè)定精度，編程時增加了預(yù)先校準(zhǔn)程序，獲得電流與磁場的對應(yīng)關(guān)系，基本解決了速度與精度的問題。

3.2 功能與程序界面的介紹

a）固定部分界面

包括菜單部分和測量顯示條。

1）菜單部分包括：文件菜單、編輯菜單、操作菜單、工具菜單、窗口和幫助菜單等；

2）測量顯示條包括：當(dāng)前測試頻率、磁感應(yīng)強度和已用時間等。

b）輸入界面

在輸入界面中，可以設(shè)定輸出文件名稱、掃場開始值和結(jié)束值，以及步距和測試頻率；可以選擇需要測量的S參數(shù)、場控制模式或電流控制模式，軟件執(zhí)行后是否要刷新等。

c）參數(shù)設(shè)置界面

在參數(shù)設(shè)置界面中，可以設(shè)定輸出文件存放目錄，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、高斯計和電流源的GPIB地址，場靈敏度和校準(zhǔn)因子，以及兩次掃場測量間的等待時間等。

d）測量界面

在測量界面中，可以觀察到4個S參數(shù)的幅度和相位的當(dāng)前測量值，以及相應(yīng)的曲線圖。曲線圖可以讓人一目了然地看到測量結(jié)果是否符合要求，有無吸收峰，以及吸收峰的位置和線寬。

3.3 數(shù)據(jù)分析與處理

測量得到的數(shù)據(jù)用Matlab進(jìn)行處理，并繪成曲線。測量得到的是傳輸函數(shù)S21值的幅度和相位隨磁場強度變化的曲線，如圖7、8所示，圖9是虛部面積歸一化后的曲線。

從圖7-9看到，在諧振位置，S21幅值有明顯的吸收峰，且相位變化急速，虛部隨磁場的變化規(guī)律符合洛倫茨函數(shù)[5]。為了提高測量結(jié)果的重復(fù)性，使測量結(jié)果量值有溯源性，作者提出用歸一化洛倫茨函數(shù)來描述鐵磁共振參數(shù)的方案。曲線擬合采用最小二乘法原理，其處理機理可以看做一種測量平均的處理，從而極大地提高了測量結(jié)果的重復(fù)性和可靠性。

得到歸一化洛倫茨函數(shù)后，可以從中提取出諧振點場強 （峰值對應(yīng)的）和半寬度 （共振線寬）。洛倫茨函數(shù)歸一化表達(dá)如下：

圖7 S21值幅度隨外磁感應(yīng)強度變化曲線

圖8 S21值相位隨外磁感應(yīng)強度變化曲線

圖9 S21值虛部 （歸一化）隨外磁感應(yīng)強度變化曲線

把測量結(jié)果用Matlab軟件進(jìn)行洛倫茨函數(shù)擬合，得到的結(jié)果如圖10所示。

為提高測量效率，把上述的擬合和數(shù)據(jù)分析寫成分析軟件，只需讀入測量數(shù)據(jù)，即可得到最終結(jié)果，這些結(jié)果包括：諧振峰位置、線寬和斜率，以及擬合誤差等。

圖10 利用洛倫茨函數(shù)擬合的結(jié)果

4 結(jié)束語

作者研發(fā)了基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的掃場式鐵磁共振測量系統(tǒng)，經(jīng)理論分析與實驗數(shù)據(jù)驗證發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、精度高。從而解決了諧振腔法系統(tǒng)造價昂貴、且不能測量薄膜樣片的難題，該系統(tǒng)具有較好的應(yīng)用前景。

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[4]侯碧輝，李志偉.鐵磁共振實驗中值得注意的幾個問題[J].波譜學(xué)雜志， 2000， 17 （1）： 83-86.

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