电调带通滤波器性能测量、温度实验自动化研究

胡文忠，张 芦

(中国电子科技集团公司第9研究所，四川 绵阳 621000)

0 引言

YIG电(或称磁)调谐带通滤波器广泛运用于电子情报接收机、雷达、电子战系统及各种军用、民用的宽带测试仪器中。因此，对它性能测量的要求很高，而且要求测量的性能指标项目多而复杂。

电子部部颁标准关于“微波铁氧体器件名词术语和定义”[1]中共有27项性能指标。从其定义标准可以看出，YIG电调带通滤波器性能测量的工作是十分复杂的。线性和磁滞特性的测量过程是繁琐的，要求也最为严格。即使是十分熟练的技术人员测量一只器件，记录、处理数据等也要花费1～2个小时。

电调滤波器都有磁路必有磁滞。测量时，首先要进行磁锻炼，然后，测量调谐线性，简称线性。一般要测量8～9个中心频率、电流的数据。将测量出的数据拟合出最佳直线，为得出线性的测量结果，其计算是非常繁琐的。

根据磁滞的定义，在磁锻炼之后，沿一定方向改变电流，每变一个电流值，测一组中心频率和电流值;测到频率端点后，再沿反方向改变电流，每变一个电流值，测一组中心频率和电流值;直测到频率另一端点。必须注意的是:沿反方向改变电流时，其电流值必须保证与正方向时的电流值相同，而且不能有电流回调现象。因为如果有回调，就可能附加磁滞而影响测量的准确。

按照国家军用标准《旋磁滤波器总规范》[2]要求(以下简称《总规范》)，测量磁滞时，沿一定方向改变电流，在频率到达整个工作频率范围的中央时，测滤波器的中心频率F01，读对应的电流值A01;然后，继续改变电流，直到频率端点。再沿反方向改变电流，用高精度电流表(一般用6位半数字电流表)监测，当电流达到A01时，测滤波器的中心频率F02;F02和F01之差的绝对值就作为测量的磁滞。这样的测量就是默认了“对应同一调谐电流处的最大频差”在频率范围中央，而实际上“对应同一调谐电流处的最大频差”不一定在频率范围中央，这就会带来较大测量误差。

仔细研究上述的定义后，对目前手动测量线性和磁滞的方法，可以提出以下3个问题。(1)测量线性时用增加电流的一组数据，还是用减少电流的一组数据，只在《总规范》中规定了电流从小到大。(2)磁锻炼后，先增加电流，后减少电流测量磁滞与先减少电流，后增加电流测量磁滞，《总规范》中规定电流从小到大，再从大到小。(3)温度对线性和磁滞是否有影响?影响程度如何?

对于滤波器的生产和使用者来讲，上述这3个问题都需要进一步深入研究。目前使用手动测量方法是建立在以下3点默认基础上的。

(a)测量线性，有两种改变电流测量线性的方式，这两种测量结果，拟合后算出的线性默认是相等的。按部颁标准磁滞的定义，没有规定电流改变方向，有四种改变电流测量线性的方式，也是默认它们相等。

(b)磁锻炼后，有两种测量磁滞的方法，二者的测量磁滞的结果是默认相等的，而且磁锻炼后，各次的测量结果都是相同的。

(c)手动调谐电流时，电流的过调和回调，对测量结果是无影响的。

1 YIG电调带通滤波器性能测量的自动化研究

1.1 自动测量软件

用 VB6.0 语言[3]、Agilent 87xx 系列矢量网络分析仪和数字多用表的专用函数编写代码文件。激励器使用12位二进制负码编制电调谐软件代码文件。测量软件的主要流程、软件使用方法、测量结果等，详见参考文献[4]。

1.2 用正、反方向调谐电流方法测量线性和磁滞

研究正、反方向调谐电流方法测量线性和磁滞及它们对结果的影响只能用自动测量软件，在相应语句上做相应改变来实现。

这里所说的正方向调谐电流方法指的是目前常用的手动方法:首先，进行磁锻炼。根据工作频率的上、下频限，电流从小到大，再从大到小进行磁锻炼，锻炼一定次数后，电流停在频段下限处。电流从小到大测量线性;电流从大到小测量磁滞，如图1(a)所示，用(+)代表，反之用(－)代表。

这里所说的反方向调谐电流方法指的是与目前常用的手工方法相反向改变电流的方法:首先，进行正常磁锻炼。磁锻炼一定次数后，电流停在工作频段的上限处。然后，电流从大到小测量线性;电流从小到大测量磁滞，在图1(b)中，分别用(正)、(逆)标示。

图1 正、反方向调谐电流，测量线性电流变化方向图

YIG滤波器的磁滞都很小，两条线基本重合在一起。为了看清器件的磁滞现象，将实际的磁滞现象放大;在实际测量的一组电流－频率数据上，叠加一个随电流按正弦函数改变的频率，适当选取正弦函数的振幅，即可绘出如图1的磁滞回线。图1中的(正)、(逆)、(+)、(－)符号和测量结果数据表1、表2中的符号是一一对应的。

YIG滤波器的线性和磁滞都很小，是中心频率的0.1%左右。为了明显看出线性和磁滞的变化情况，在软件绘制曲线图中，不仅画出各频率点的频率随电流的改变曲线，而且画出各频率点的频率测量值与拟合直线的偏差曲线;测量磁滞时，还画出上、下两条中心频率的差值与电流的关系曲线，正常情况下为“馒头”形，中间频率的差值最大，符合“磁滞定义”。

正方向调谐电流时，三次线性和磁滞测量结果的比较见表1，曲线图如图2、图3所示。

表1 线性和磁带测量表(电流正向调谐)

反方向调谐电流时，三次线性和磁滞测量结果的比较见表2，曲线图如图4、图5所示。

表2 线性测量和磁带测量表(电流反向调谐)

1.3 自动测量线性、磁滞的结果和手动测量的结果比较

手动调谐电流很难实现单方向增加或减少电流，常常出现电流的过调和回调现象，如图6(a)所示。为了研究电流的过调或回调对测量结果的影响，在程序中增加过调仿真语句来模仿手动调谐时的过调。

仿真过调段语句(VB6.0):

For j=0 To Jm1 Step tep

A00j=A0(i)+j*(A0(i+1)+Am－A0(i))/Jm1

PortCode=4095－K*A00j

Next j

仿真恢复段语句(VB6.0):

For j=0 To Jm2 Step tep

A00j=A0(i+1)+Am－j*Am/Jm2

PortCode=4095－K*A00j

Next j

其中tep是自动测量时的步长，比较测量时均保持不变。PortCode是数字激励器用的码值:它等于4095时，激励器的电流为零，等于0时电流最大。Jm1取值大时，升降速度较慢;Jm1取值小时，升降速度较快。实验时，Jm1分别等于300，10。Jm2取值大时，恢复速度较慢;Jm2取值小时，恢复速度较快。Am是过调电流值，实验时，Am分别等于0，10 mA，30 mA。等于0时，为没有电流的过调或回调，即正常自动调谐，如图6(b);Am＞0时，如图6(c)，它是严格过调，而没有手调时的回调现象。仿真数据见表3。

图6 自动调谐和手动调谐时的电流波形

表3 用软件仿真手调谐时电流过调时，不同过调电流对线性和磁滞结果的影响

从表3可以看出，电流的过调严重影响磁滞的测量结果;对线性度的影响较小。用手调谐时，尽量避免电流的过调或回调，但很难做到。

根据上述测量结果的分析，调整、修改了软件的相应语句及其相应参数，使调谐电流的升降速度变得较慢、过调电流为零，因此，测量的结果更为准确。

1.4 自动测量误差及其结果分析

(1)两种校准方法测量结果的比较及其重复测量误差

为了比较两种校准方法的异同和重复测量的误差，对同一器件，分别用两端口全校准(Full 2-Ports)和直通校准方法进行测量。在各个参数值都相同情况下，每种校准都重复测量三次，将三次测量的结果图进行存储。对相同频率下的三次测量结果数据求平均，并计算重复测量误差，将计算结果列于表4中。

表4 插损、3 dB带宽等参数重复测量的平均结果及其误差

对同一器件，分别进行3次线性和磁滞的测量。重复测量结果及其误差见表5。

表5 线性和磁滞的重复测量结果及其误差

(2)测量点数不同对线性、磁滞测量结果的影响

为了研究测量点数对线性和磁滞测量结果的影响，在相同频率范围(2～10 GHz)内分别取测量点数为 5、9、13，进行测量，结果见表 6。

表6 测量点数不同对线性和磁滞测量结果的影响

(3)测量的准确性研究

为了研究测量结果的准确性。在软件的自动测量中间暂停时，进行手动测量，自动测量结果和手动测量结果，见表7。可以看出二者结果相同。用软件测量时，计算机能够读取、记录仪器瞬时的测量结果;手动测量时，测量者读取、记录的是仪器测量的结果，二者的读数必有一定差异。严格讲，用软件测量不仅及时迅速，而且没有测量者之间操作技术上的差异，因而，结果更客观、更一致些。

表7 手动和自动测量结果的比较

2 温度试验的自动控制、自动测量研究

(1)温度试验的自动控制、自动测量软件

温度实验使用的仪器方框图，如图8所示。虚线框内的仪器组成YIG滤波器自动测量系统，已经连接好，实验时只需要将RS485电缆和高低温试验箱(型号:ET04070)(在本文简称温控箱)连接。温度实验自动测量的主要流程如图9所示。使用的软件是在YIG电调带通滤波器自动测量软件[4]基础上开发的。电调带通滤波器温度控制自动测量软件对各个仪器设备进行控制并在它们之间进行通讯、读取数据。

图8 电调器件温度实验仪器方框图

图9 温度实验自动测量主要流程图

测量分5步进行:前4步是做准备工作，第5步是只按一下键。

首先，接通温控箱的电源，将RS485电缆与温控箱连接;启动自动测量系统，运行YIG电调带通滤波器温度控制自动测量软件。

第2步是设定实验所需的各种参数:在“设定试验温度”框中有温度范围、每点保温时间和设定试验点数等参数的输入框。温度范围输入框内可以输入温控箱允许的任意值，在本例中，设为+65℃和－20℃;每点保温时间设定为60分钟;设定试验点数为3(最大可为7)。按【设定各点温度】键后，在右侧7个小框中将出现温度范围内的平均分配的3个温度值，分别为65，22.5，－20℃。如果不满意，这三个温度值可以更改，也可以不均分。正式进入温度实验后，就不能再改动。

“校准选择”有直通和双端口全校准两种，可任选一种。本文选直通校准。

“频率等参数”的设定输入方法同参考文献[4]，在此从略。

第3步是矢网的校准:按【校准】键后，计算机首先提示:请接SMA直通，“确定”后，计算机分别在各个设定的频率下，自动校准;如果是选“双端口全校准”，则逐步提示你在哪个端口接短路器、开路器或SMA直通等操作。校准完成后，计算机会提示操作者将被测器件放入温控箱，准备测量调谐灵敏度(Kf)。

第4步是测量调谐灵敏度(Kf):用待测器件取代SMA直通，并将待测器件放入温控箱内，按照图9接好主线包和加热器的供电线路。按【测Kf】键后，计算机会自动改变调谐电流，分别找到起、止频率(F01和 F02)对应的电流值(I01和 I02)，计算出:Kf=(I01+I02)/(F01+F02)，单位为 mA/MHz，存储在调谐灵敏度的文本框中(TxtKf.text)。这四步准备工作完成后，计算机会提示你按【测ILBW】键。

第5步是开始温度实验，计算机按照设定好的程序，控制各仪器、设备，测量不同温度下的插损(IL)、带宽(BW)等10种参数:按【测ILBW】键后，计算机依次启动温控箱，按照设定的温控箱工作模式(定值运行或程序运行，一般情况下，不需要升温速度选用定值运行)、设定的温度，改变温控箱的温度。计算机不断读取温控箱内的测量温度(T0)，并不断地与设定温度(T)进行比较。(温控箱测量的温度和保温已经过了多少时间等信息，在主界面上实时都有显示。)达到设定温度值后，温控箱开始保温，计算机开始计时;在达到预定保温时间后，就启动测量程序，分别自动测量出各个频率点下的插损(IL)、带宽(BW)等10种参数，并记录下来。测量完成后，自动进入下一个温度周期测量，如此重复操作，直到将设定的全部温度点测完。实验结束自动关闭温控箱电源。这时计算机还会提示你保存测量结果。有两种保存结果的方法:一种是屏幕拷贝法;另一种是按【存储数据】键，保存成文本格式，见表8。

表8 YIG电调带通滤波器温度实验自动测量结果

在此过程中，不需要人为干预。

(2)实验结果及讨论

为了看出器件性能随温度的改变规律，将插损、3 dB带宽和中心频率的测量数据绘成曲线，如图10～12所示。从这些图可以看出中心频率差值(FTi－F0i)随温度变化规律是明显的 (其中FTi是各温度下测得的中心频率，F0i是各频率点对应电流的中心频率)，插损和3 dB带宽的变化规律不明显，因为影响它们的因素较多。

由于采用全自动控制与测量，做好上述温度实验准备工作的前四步，将器件放进温控箱、连接好之后，只按一下【测ILBW】键，计算机就会自动按照程序工作，直到设定的各温度下的实验完成为止，不再装卸器件，这样就避免了装卸器件所带来的各种测量误差，自动测量结果最能反映器件性能随温度的改变规律和程度。不仅如此，由于温度实验时，无论测量仪器的控制，还是性能的测量都实现了全过程的自动化，改变了温度实验必须有人值班的现状，也避免了将器件拿出温度箱进行测量时温度急剧变化影响测量数据准确的毛病。自动控制与自动测量大大节省了时间，提高了仪器、设备的使用效率。

[4]中有关于自动测量、测量误差的详细介绍，在此不再累述。温度的测量精度全由温控箱决定。

因为Angilent 8720ES矢量网络分析仪输出的电平较低，本文没有测量YIG带通滤波器的限幅电平这个参数。自动测量软件是有这个功能的。

线性和磁滞随温度的变化曲线如图13所示。可以看出线性、磁滞随温度的升高而减少，在使用温度范围内的最低温度时，线性和磁滞最大。

图13 线性和磁滞随温度的变化曲线

从上述测量结果可看出线性和磁滞的测量与测量过程关系很大，直接影响结果的准确性。不同测量过程的线性结果不同，它们随测量方法和电流方向改变而变化。

正方向调谐电流法测得的线性最小，测得的磁滞也较小;通过各种可能的方法实验结果表明，目前常用的测量方法其结果都是偏小。使用者如果不是在磁锻炼后使用，其线性和磁滞有可能超出给定的性能指标。

使用自动测量方法时，有时会有偶然的脉冲干扰。从磁滞的曲线图可以看出。在正常情况下，磁滞的曲线应该是“馒头”形。当出现脉冲干扰时，“馒头”形不十分规则，再测量一次即可，经过大量测量，发现脉冲干扰都是偶然的，而且是很窄的脉冲，除磁滞外，对其它参数测量结果无影响。

4 结语

自动测量软件实现了温度实验的自动化与参数的自动测量，它对YIG调谐带通滤波器很有用，也十分必要，不仅测量结果准确、避免人为误差，而且操作方便、快捷，测完一只器件的全部参数只需几分钟。温度试验实现了无人值守的自动化，不仅测量结果准确，而且节省人力、物力。

电流的过调严重影响调谐带通滤波器磁滞的测量结果;对其线性的影响较小。用手调谐时，必须十分注意，尽量避免电流的过调或回调。要使测量结果准确，最好使用自动测量[5]方法。两端口全校准(Full 2-Ports)和直通校准方法对参数的测量结果，除驻波外，影响不大。

从实验结果可以看出无论“部颁标准”还是《总规范》中线性和磁滞的定义中应规定磁化过程，否则结果会有较大出入。

参考文献:

[1]中华人民共和国电子部部颁标准，SJ2916-88.微波铁氧体器件名词术语和定义[S].1988.

[2]中华人民共和国国家军用标准，FL5985.GJB3161-98旋磁滤波器总规范，1998.

[3]协同教育微软ATC教材编译室编著.开发工具专家Visual Basic 6.0[M].北京:电子工业出版社，2000.

[4]胡文忠.YIG带通滤波器自动测量软件及其测量误差[J].磁性材料与器件，2006(4):

[5]胡文忠.线性色散延迟线自动测量软件研究[C]//第12届全国微波磁学(南京)及其论文集，2004:175-179.