基于VNA的铁磁共振参数测量方法研究

梁琼崇，赵敏

（工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610）

0 引言

微波铁磁器件是一种利用磁场和微波共同作用下产生的旋磁效应、铁磁共振效应和非线性效应而制成的各种非互易和互易微波/毫米波器件，能实现信号产生、选频滤波、级间隔离、系统去耦、天线共用、通道切换、相位控制和极化变换等功能，广泛地应用于雷达、通信、导航、电子对抗、导弹制导和航空航天，以及深空探测、精密测量等系统中，是现代微波电子设备不可缺少的基本元器件。

为满足整机小型轻量化的要求，微波铁磁器件与其他微波器件一样，正向小型化、轻量化、平面化、薄膜化和集成化，以及多功能化等方向发展，并与单片微波集成电路 （MMIC）实现技术兼容。

开发这些新型微波磁性材料需要良好的检测工具。目前，虽然已研究并提出了多种测量共振线宽的方法[1-3]，对其试验方法也有详细的论述[4]，但是都未形成商品。生产商品化检测工具的主要有两家国外生产商；一家是专注于谱仪开发的德国布鲁克 （Bruker）公司，另一家是日本电子株式会社（JEOL），其产品是JES-FA系列。两类产品皆是基于谐振腔式系统，设备昂贵、操作复杂，且测量用时很长。此外，这两类产品最大的缺点是必须把样品做成小球状才能对样品进行测量，无法直接测量小型化的薄膜样片。在国内，商品化的铁磁共振谱仪尚未面市。

因此，作者申请了相关的研究项目，采用不同于以往的研究的方法，研发了基于矢量网络分析仪的扫频式铁磁共振测试系统。该系统能够快速、准确地测量薄膜型铁磁物质的共振参数，基本满足我国研发新型微波磁性材料与器件的需求。

1 系统的组成

整个系统由网络分析仪、磁场发生器和共面波导测试夹具，以及个人电脑组成，其中磁场发生器包含电磁铁、驱动电源和高斯计，如图1所示。

磁场发生器产生测试所需的磁场，磁感应强度高达0.8 T，稳定性优于1%/10 min，分辨力为0.1 mT，测量不确定度为0.5% （k=2），工作区均匀度为1%。

测试夹具用于放置铁磁薄膜样片。由于薄膜样片的厚度只有3～20 nm，对磁场和微波信号所产生的旋磁效应极其微弱，因此必须研制合适的夹具形态，才能使得传输函数S21有足够大的变化。

网络分析仪用于测量夹具的传输函数S21，只要分辨力达到0.001 dB，动态准确度达到0.02 dB即可达到要求。

个人电脑用于控制场发生器得到规定的磁场感应强度，并控制网络分析仪测量设定频率下的S21值。

得到S21值之后，经拟合分析，得到共振波形曲线，并计算各种参数，包括：不同频率下的共振峰值、共振线宽等。

图1 测试系统框图

2 硬件设计

2.1 共面波导测试夹具的设计

能否得到足够的灵敏度，共面波导夹具的设计是关键。作者采用电磁仿真软件HFSS对各种形态的夹具进行分析，最终决定采用特征阻抗为50 Ω的共面波导微带线。它具有较高的加工精密度、优良的宽带阻抗匹配特性，因此，可以获得较高的灵敏度，其结构如图2所示。

图2 共面波导的结构示意图

在共面波导的设计中，影响性能的主要是波导的中段以及两端接头。为了减小这种影响，作者所采用的设计方案如下所述。

a）为了保证夹具在测试小尺寸样品时其灵敏度不会明显地降低，在设计共面波导的中段时，结合共面波导传输线特性阻抗与几何尺寸的解析表达式，使用共面波导计算软件Polar来计算出中段的阻抗值，以保证阻抗匹配。使共面波导中心信号线的宽度w，以及中心信号线与接地线间的距离g尽量地小，以增强信号强度。中间段做成S型以增加灵敏度。

b）为了保证微波接头与信号线阻抗匹配良好，共面波导两端与微波接头的过度需采用适当的方式进行加宽处理。首先，采用电磁仿真软件HFSS初步确定3种加宽方式，如图3所示，从左到右的加宽方案分别是：直线、圆弧，以及多次平滑加宽；然后，进行实验测试比较；最后，选取了多次平滑加宽方案。

图3 共面波导接头处信号线加宽方案

c）采用磁控溅射工艺制备传输线薄膜，采用微细加工工艺制备共面波导，选用高阻GaAs作为基片。

d）制备的共面波导装配于微波承载台的铜制腔体中，这样既可以保证微波通路和微波屏蔽，同时也不影响测试磁场。

e）为了保证磁感应强度的测量精度，使用了高精度高斯计进行监测和反馈控制。波导夹具留有精确定位的测试孔。

经测试，加工完成后的波导夹具驻波比在4（0.1～20）GHz以下，满足项目要求。

2.2 电磁铁磁路的设计

本项目设计的磁场由螺线管和铁芯组成，为了便于程控磁场及调节磁场的大小与方向，电磁铁磁路将采用如图4所示的结构。

图4 电磁铁的结构示意图

2.3 样片放置台

为了方便控制样片的三维位置和旋转角度，样片放置台上安装了带有角度显示的微调装置4、精准升降调节2及低微波损耗的样片夹持器6等，如图5所示。

图5 电磁铁、测试夹具及样片放置台

3 软件编程

3.1 测试控制及数据采集

采用GPIB总线结构来搭建测量系统，功能模块采用虚拟仪器技术设计，具备设备控制、数据采集、参数提取和数据保存处理，以及结果显示等功能。

需要控制的设备包括：矢量网络分析仪、驱动电流源和高斯计。它们都支持GPIB总线通讯。程序要达到的功能包括：设定电流值、检测磁感应强度进行闭环控制，设定矢量网络分析仪的频率，测量S21值和数据输出，以及设置与显示其他必要的参数，如图6所示。

图6 测试控制及数据采集流程图

磁场设定精度与测量速度是相互矛盾的。磁场发生器是感性负载，稳定时间很长，而S21测量值曲线的变化幅度只有0.1 dB，任何干扰或磁场不稳定都会导致S21测量值分散，曲线吸收峰不明显或者偏离正确位置，从而使不确定度变大，因此要想达到设计精度，每个频点的测量时间都需要在30 min以上，这将会严重地影响测量效率。因此，为了解决这一问题，作者设计了两种工作模式：无反馈的电流设定模式和高斯计监控反馈调整模式。前者用于快速测量，后者用于高精度测量，但时间较长。为了提高无反馈的电流设定模式的磁场设定精度，编程时增加了预先校准程序，获得电流与磁场的对应关系，基本解决了速度与精度的问题。

3.2 功能与程序界面的介绍

a）固定部分界面

包括菜单部分和测量显示条。

1）菜单部分包括：文件菜单、编辑菜单、操作菜单、工具菜单、窗口和帮助菜单等；

2）测量显示条包括：当前测试频率、磁感应强度和已用时间等。

b）输入界面

在输入界面中，可以设定输出文件名称、扫场开始值和结束值，以及步距和测试频率；可以选择需要测量的S参数、场控制模式或电流控制模式，软件执行后是否要刷新等。

c）参数设置界面

在参数设置界面中，可以设定输出文件存放目录，矢量网络分析仪、高斯计和电流源的GPIB地址，场灵敏度和校准因子，以及两次扫场测量间的等待时间等。

d）测量界面

在测量界面中，可以观察到4个S参数的幅度和相位的当前测量值，以及相应的曲线图。曲线图可以让人一目了然地看到测量结果是否符合要求，有无吸收峰，以及吸收峰的位置和线宽。

3.3 数据分析与处理

测量得到的数据用Matlab进行处理，并绘成曲线。测量得到的是传输函数S21值的幅度和相位随磁场强度变化的曲线，如图7、8所示，图9是虚部面积归一化后的曲线。

从图7-9看到，在谐振位置，S21幅值有明显的吸收峰，且相位变化急速，虚部随磁场的变化规律符合洛伦茨函数[5]。为了提高测量结果的重复性，使测量结果量值有溯源性，作者提出用归一化洛伦茨函数来描述铁磁共振参数的方案。曲线拟合采用最小二乘法原理，其处理机理可以看做一种测量平均的处理，从而极大地提高了测量结果的重复性和可靠性。

得到归一化洛伦茨函数后，可以从中提取出谐振点场强 （峰值对应的）和半宽度 （共振线宽）。洛伦茨函数归一化表达如下：

图7 S21值幅度随外磁感应强度变化曲线

图8 S21值相位随外磁感应强度变化曲线

图9 S21值虚部 （归一化）随外磁感应强度变化曲线

把测量结果用Matlab软件进行洛伦茨函数拟合，得到的结果如图10所示。

为提高测量效率，把上述的拟合和数据分析写成分析软件，只需读入测量数据，即可得到最终结果，这些结果包括：谐振峰位置、线宽和斜率，以及拟合误差等。

图10 利用洛伦茨函数拟合的结果

4 结束语

作者研发了基于矢量网络分析仪的扫场式铁磁共振测量系统，经理论分析与实验数据验证发现，该系统结构简单、造价低廉、精度高。从而解决了谐振腔法系统造价昂贵、且不能测量薄膜样片的难题，该系统具有较好的应用前景。

[1]尹光俊，廖绍彬，周丽年.利用铁磁共振微分曲线测量铁磁共振线宽 [J].北京大学学报，1984，20（1）：74-79.

[2]郭锡福.微波铁磁共振 [J].河北师范大学学报，1989， 13 （1）： 65-68.

[3]王合英，孙文博，张慧云，等.频闪效应对铁磁共振曲线的影响 [J].实验技术与管理，2007，24（11）：28-30.

[4]侯碧辉，李志伟.铁磁共振实验中值得注意的几个问题[J].波谱学杂志， 2000， 17 （1）： 83-86.

[5]陈仁恩.洛伦茨曲线原理的统计学思考 [J].厦门大学学报 （哲社版）， 1996 （4）： 8-12.