CN101819262B

CN101819262B - 变频铁磁共振测量系统

Info

Publication number: CN101819262B
Application number: CN2010101843618A
Authority: CN
Inventors: 丁海峰; 孙亮; 游彪; 冯正
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Nanjing University
Priority date: 2010-05-27
Filing date: 2010-05-27
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2030-05-27
Also published as: CN101819262A

Abstract

变频铁磁共振测量系统，包括提供磁场的磁体，提供微波激励信号和拾取被测材料响应的测量仪表；确定被测材料在磁场中的位置并提供激励信号和响应信号接口的测量夹具；测量夹具设置在磁场中，测量夹具上设有共面波导和转换插头，共面波导通过印刷电路板技术加工在高频板材上，共面波导两端贴装转接插头，实现共面波导到同轴电缆的转换，共面波导通过同轴电缆与测量仪表连接，样品固定在测量夹具上，并与共面波导相贴合。本发明既可以改变外加磁场大小的方式，也可以采用固定外加磁场，提供不同频率微波场的方式，进行微波特性分析，避免测量时样品的磁结构被外加磁场改变，同时得到样品在不同频率和不同磁场下的微波响应。

Description

变频铁磁共振测量系统

技术领域

本发明属于微波技术领域，涉及磁导率的测量，为一种磁性材料的频率可调的微波特性分析装置，具体为一种变频铁磁共振测量系统。

背景技术

材料的磁导率是决定其微波特性的主要参数之一。磁导率是描述材料与磁场相互作用的一个量，它与频率相关，一般为复数。其实部表征外部磁场中存储于材料中的能量，虚部表征外部磁场在材料中消耗的能量。因此准确的测量材料的磁导率是对其进行微波特性分析的关键。

固体在恒定磁场和微波场的共同作用下，在某一频率附近会产生对微波场的共振吸收现象。在恒定外磁场作用下材料发生磁化，固体中的元磁矩要绕外磁场进动。由于存在阻尼，这种进动将会衰减。但若外加的微波场的频率与进动频率一致时，就会从微波场中吸收能量以维持其进动，固体对外加的微波场能量在上述频率处产生一个共振吸收峰。若磁矩为铁磁体中的电子自旋磁矩，则称为铁磁共振。铁磁共振能够准确测量材料的磁导率、磁性材料的磁各向异性等重要参数，因此是重要的磁性材料性质的测试手段。

通常，铁磁共振采用一个微波谐振腔为样品提供微波激励，这样的设计其微波频率由谐振腔确定，无法做出调整。这样，仅能获得样品在单一频率下的微波信息特性。对于其他频率的重要信息则无法获得。

发明内容

本发明要解决的问题是：铁磁共振是一种测量材料的磁导率等参数十分重要的手段，现有的铁磁共振测量无法对测量频率做出调整，测量结果单一，不能满足测量需求。

本发明的技术方案为：变频铁磁共振测量系统，包括提供磁场的磁体，提供微波激励信号和拾取被测材料响应的测量仪表；确定被测材料在磁场中的位置并提供激励信号和响应信号接口的测量夹具；测量夹具设置在磁场中，测量夹具上设有共面波导和转换插头，共面波导通过印刷电路板技术加工在高频板材上，共面波导两端贴装转接插头，实现共面波导到同轴电缆的转换，共面波导通过同轴电缆与测量仪表连接，样品固定在测量夹具上，并与共面波导相贴合。

共面波导由三根平行的宽导线组成，中间为信号线，两侧两根为地线，共面波导的特征阻抗在10MHz-20GHz频段内为50欧姆。

进一步的，测量夹具上设有屏蔽铜盒，用于屏蔽共面波导及其所在的高频板材部分，降低测试噪声。

测量夹具上的转换插头为SMP转换插头，测量仪表为矢量网络分析仪。

针对现有技术的缺陷，本发明提出变频铁磁共振系统，采用频率可调的矢量网络分析仪通过共面波导对样品提供各种频率的微波激励，通过测量仪表扫描频率的方式获得各种频率的铁磁共振及样品在各种频率的响应。其中测量仪表部分采用的是美国安捷伦公司的矢量网络分析仪，包含共面波导的测量夹具为本发明设计，并采用电磁铁提供一个数千奥斯特的磁场。

以往的铁磁共振系统都是采用定频扫场模式，即固定频率，改变外加磁场大小，这种方法一是仅能得到样品在该特征频率下的微波特性，其二，为了满足共振条件，通常需要加以较大的外加磁场，这样，所加外场容易改变被测样品的磁结构。本发明可以根据样品的具体情况，既可以改变外加磁场大小的方式，也可以采用固定外加磁场，提供不同频率微波场的方式，进行微波特性分析，可以避免测量时样品的磁结构被外加磁场改变，同时可以得到样品在不同频率和不同磁场下的微波响应。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明共面波导及转换插头示意图。

图3为本发明屏蔽铜盒示意图。

图4为本发明得到的材料在不同外加磁场下的共振吸收峰图谱。

具体实施方式

本发明提供了一种材料的各种频率微波特性测试系统，如图1，一个完整的铁磁共振测量系统包括：磁场；提供微波激励信号，并拾取被测材料响应的测量仪表；确定被测材料在磁场中的位置，并提供激励信号和响应信号接口的测量夹具；。本发明由矢量网络分析仪1、包含共面波导的测量夹具2和提供恒定磁场的电磁铁3三部分组成。

测量夹具2为测量时固定样品的装置，包含一个共面波导和两个SMP转换插头。共面波导由三根平行的宽导线组成，如图2中斜线部分所示，中间一根较窄的为信号线，两侧两根较宽的为地线。共面波导的特征阻抗Z_c由它的电感L、电容C决定：

Z_{c} = \sqrt{\frac{L}{C}}

而L、C由共面波导的参数决定，这些参数主要包括：衬底的介电常数ε_r，信号线宽度，信号线地线间宽度，衬底厚度，信号线厚度等。目前有多种电磁场仿真软件可精确计算共面波导的特征阻抗，如TxLine，AppCAD，Polar Si9000等，本发明采用PolarSi9000Transmission Line Field Solver，以共面波导的特征阻抗在10MHz-20GHZ频段内为50欧姆为目标，通过电磁场仿真软件的理论计算得到信号线和地线的宽度、厚度以及两端连接处的形状参数。

图2中，共面波导的两端区域为焊接部分，通过表面贴装技术贴装转接插头，即与SMP转接头相连。共面波导和转换接头通过印刷电路板技术加工在高频板材上。

本发明还设计了屏蔽铜盒，测量时用屏蔽铜盒将夹具密闭，从而降低测试噪声，屏蔽盒如图3所示，上方的两个孔为SMP转换插头出口，两侧翼用于固定屏蔽盒。

矢量网络分析仪为美国安捷伦公司产品，提供恒定磁场的电磁铁由测试人员自行搭建，此为公知技术，不再详述。测试时通过两根同轴电缆与测量夹具的SMP转换插头相连接，并将测量夹具放入磁场中。矢量网络分析仪提供可变频的微波激励信号并且拾取被测材料的响应进行处理，对处理结果进行分析可以得到材料的微波特性，如图4所示，为坡莫合金薄膜在不同的频率微波场和外加磁场下的吸收峰，横坐标代表微波场的频率，纵坐标代表样品对微波能量的吸收情况，1、2、3、4号曲线代表外加在样品上的固定磁场大小分别为215Oe、370Oe、475Oe、580Oe。固定磁场时，可以通过矢量网络分析仪改变频率，在不同频率微波场下测量样品对微波能量的吸收情况；也可以固定频率，改变磁场大小，采用定频扫场方式在不同外加磁场下测量样品对微波能量的吸收情况；由图我们可以看到在不同的外加磁场下，改变频率，样品对微波能量吸收最大值出现在不同频率处，克服了现有测量中不同外加磁场仅能得到样品在某一特征频率下的微波特性的局限性。

进行微波特性分析时，测量样品一般为镀在硅片上的薄膜，将硅片有薄膜的那一面面对夹具放置，用胶带从硅片另一面固定贴在夹具上。矢量网络分析仪可以测得材料的s参数，通过s参数可以计算出磁导率。如果改变外加磁场的方向测得不同的吸收峰，可以通过计算拟合出材料个各向异性能。

Claims

1.变频铁磁共振测量系统，其特征是包括提供磁场的磁体，提供微波激励信号和拾取被测材料响应的测量仪表；确定被测材料在磁场中的位置并提供激励信号和响应信号接口的测量夹具；测量仪表为矢量网络分析仪，测量夹具设置在磁场中，测量夹具上设有共面波导和转换插头，共面波导通过印刷电路板技术加工在高频板材上，共面波导两端贴装所述转换插头，实现共面波导到同轴电缆的转换，共面波导通过同轴电缆与测量仪表连接，被测材料固定在测量夹具上，并与共面波导相贴合；共面波导由三根平行的宽导线组成，中间为信号线，两侧两根为地线，共面波导的特征阻抗在10MHz-20GHz频段内为50欧姆。

2.根据权利要求1所述的变频铁磁共振测量系统，其特征是测量夹具上设有屏蔽铜盒，用于屏蔽共面波导及其所在的高频板材部分，降低测试噪声。

3.根据权利要求1或2所述的变频铁磁共振测量系统，其特征是测量夹具上的转换插头为SMP转换插头，测量仪表为矢量网络分析仪。