[发明专利]基于注入式可调矩形谐振腔的自旋波共振线宽测试新方法

说明书

技术领域

本发明属于微波铁氧体材料高功率性能参数测试领域，涉及注入式可调矩形谐振腔。

背景技术

微波铁氧体材料(MWFM)的发展已有50多年历史，广泛应用于各个领域的电子设备中。而且，在雷达系统中常用的高功率铁氧体器件，如加外磁场使铁氧体工作在恒定磁化条件下的环形器和移相器等，其功率容量由材料的第一阶非稳定性限制，超过临阈功率值后自旋波在高功率下非线性激发会带走电磁场能量。同时，在高功率信号通过铁氧体材料时，由于自旋波的非线性激发产生的功率损耗是除打火和过热外，另一个不能忽视的问题。打火和过热可以通过简单的方法，如增大铁氧体材料的表面积、填充气体和增加液冷，风冷等散热措施来解决，而材料的非线性效应发生即在高功率下自旋波激发了将电磁场能量带走的现象，必须通过改进材料制备工艺以增大自旋波线宽来解决。所以自旋波线宽的测量对于高功率器件设计以及铁氧体材料的研究有着重要意义。同时，建立一套可靠性强、能测量大范围自旋波线宽的系统是非常实用的。

针对高功率铁磁材料自旋波共振线宽的测试，纵观国内外现有的测试系统，按照基本原理主要分为两类。第一类是采用功率和频率可变的高功率脉冲信号源，谐振腔谐振频率固定的方法；第二类是采用功率和频率可变的高功率脉冲信号源，谐振腔谐振频率可变的方法。这两类方法，都必须使谐振腔的谐振频率与信号源的频率相同。同时，两种方法都需要采用大功率可调衰减器调节注入腔体的功率P_in，并实现P_in的可连续性变化。基于这两类方法的测试系统都能计算出铁磁材料的自旋波线宽。但是，为了实现在注入谐振腔功率较小的情况下监测出自旋波共振现象，这两类测试系统都必须使谐振腔的谐振频率与信号源输出信号的频率相等。同时，系统对大功率衰减器有着很高的要求，即必须在可实现衰减范围内实现注入谐振腔的功率可连续性变化。同时，可调衰减器的动态范围对自旋波线宽测试范围起决定因素，即可调衰减器可调范围越大，可测试的自旋波线宽值范围越宽。本系统，采用新的测试方法和改进的测试系统，降低了成本，拓宽了测试范围，提高了测试精度。

发明内容

本发明采用输出功率和频率固定的信号源，将传统系统中不可调的谐振腔改进为谐振频率可调的注入式矩形谐振腔，同时用一般的反射式可调衰减器代替传统的高精密衰减器，构建了新型铁磁材料测试系统，此系统能够在较宽的自旋波共振线宽范围内，实现对铁氧体材料进行精确的测试。

本发明的技术方案如下：

见图1，测试系统包括磁控管信号源(1)、软波导(2)、隔离器(3)、双定向耦合器(4)、高斯计(5)、电磁铁(6)、功率计(7)、频谱仪(8)、示波器(9)、微波开关(10)、3dB功分器(11)、注入式可调矩形谐振腔(12)和反射式可调衰减器(13)。本系统中，在磁控管信号源(1)输出功率和频率固定的情况下，加载反射式可调衰减器(13)，同时采用注入式可调矩形谐振腔(12)，见图2，注入式可调矩形谐振腔(12)采用标准型号BJ100加耦合装置制成，工作频率为9364.6MHz，谐振模式为TE104，空腔有载品质因素Q_L＝3204；样品加载孔(15)位于矩形波导(16)1/2宽边，1/2腔长处，孔深为1/2腔高；调谐杆(14)为两根，分别由1/2宽边，腔长1/8和7/8处伸入，输入耦合孔(17)直径6.35mm，输出耦合孔(18)直径3.8mm。

该微波测试系统的具体工作过程是：磁控管信号源(1)输出固定功率(P＝30KW)和频率(f＝9362MHz)的信号，通过软波导(2)、隔离器(3)、反射式可调衰减器(13)和双定向耦合器(4)注入可调矩形谐振腔(12)，通过电磁铁，在矩形谐振腔的窄边加一个平行于微波磁场的静磁场，其磁场强度在铁磁共振场以下，把样品置于中心磁场最强的位置使得样品处于临界饱和磁化的状态。首先调节反射式可调衰减器(13)实现对注入谐振腔功率P_in的粗调，观察到现象之后，再调节注入式可调矩形谐振腔(12)的调谐杆(14)，实现对注入谐振腔的功率进行再调节，以致在示波器(9)或频谱仪(8)上观察到波形出现明显且较稳定的畸变为止。根据对谐振腔进行场分析，无论谐振腔的频率如何偏移，谐振腔中心处的磁场都是最大的。通过用频谱仪(8)和示波器(9)，可以监测谐振腔输出端口的功率和波形的变化，当波形后沿出现稳定的畸变时，通过此时注入谐振腔的功率推算出谐振腔中加载样品处的磁场，进而确定出样品发生非线性激发的临阈磁场。

有益效果：