胡文忠，張 蘆

(中國電子科技集團公司第9研究所，四川 綿陽 621000)

0 引言

YIG電(或稱磁)調(diào)諧帶通濾波器廣泛運用于電子情報接收機、雷達、電子戰(zhàn)系統(tǒng)及各種軍用、民用的寬帶測試儀器中。因此，對它性能測量的要求很高，而且要求測量的性能指標項目多而復雜。

電子部部頒標準關于“微波鐵氧體器件名詞術語和定義”[1]中共有27項性能指標。從其定義標準可以看出，YIG電調(diào)帶通濾波器性能測量的工作是十分復雜的。線性和磁滯特性的測量過程是繁瑣的，要求也最為嚴格。即使是十分熟練的技術人員測量一只器件，記錄、處理數(shù)據(jù)等也要花費1～2個小時。

電調(diào)濾波器都有磁路必有磁滯。測量時，首先要進行磁鍛煉，然后，測量調(diào)諧線性，簡稱線性。一般要測量8～9個中心頻率、電流的數(shù)據(jù)。將測量出的數(shù)據(jù)擬合出最佳直線，為得出線性的測量結果，其計算是非常繁瑣的。

根據(jù)磁滯的定義，在磁鍛煉之后，沿一定方向改變電流，每變一個電流值，測一組中心頻率和電流值;測到頻率端點后，再沿反方向改變電流，每變一個電流值，測一組中心頻率和電流值;直測到頻率另一端點。必須注意的是:沿反方向改變電流時，其電流值必須保證與正方向時的電流值相同，而且不能有電流回調(diào)現(xiàn)象。因為如果有回調(diào)，就可能附加磁滯而影響測量的準確。

按照國家軍用標準《旋磁濾波器總規(guī)范》[2]要求(以下簡稱《總規(guī)范》)，測量磁滯時，沿一定方向改變電流，在頻率到達整個工作頻率范圍的中央時，測濾波器的中心頻率F01，讀對應的電流值A01;然后，繼續(xù)改變電流，直到頻率端點。再沿反方向改變電流，用高精度電流表(一般用6位半數(shù)字電流表)監(jiān)測，當電流達到A01時，測濾波器的中心頻率F02;F02和F01之差的絕對值就作為測量的磁滯。這樣的測量就是默認了“對應同一調(diào)諧電流處的最大頻差”在頻率范圍中央，而實際上“對應同一調(diào)諧電流處的最大頻差”不一定在頻率范圍中央，這就會帶來較大測量誤差。

仔細研究上述的定義后，對目前手動測量線性和磁滯的方法，可以提出以下3個問題。(1)測量線性時用增加電流的一組數(shù)據(jù)，還是用減少電流的一組數(shù)據(jù)，只在《總規(guī)范》中規(guī)定了電流從小到大。(2)磁鍛煉后，先增加電流，后減少電流測量磁滯與先減少電流，后增加電流測量磁滯，《總規(guī)范》中規(guī)定電流從小到大，再從大到小。(3)溫度對線性和磁滯是否有影響?影響程度如何?

對于濾波器的生產(chǎn)和使用者來講，上述這3個問題都需要進一步深入研究。目前使用手動測量方法是建立在以下3點默認基礎上的。

(a)測量線性，有兩種改變電流測量線性的方式，這兩種測量結果，擬合后算出的線性默認是相等的。按部頒標準磁滯的定義，沒有規(guī)定電流改變方向，有四種改變電流測量線性的方式，也是默認它們相等。

(b)磁鍛煉后，有兩種測量磁滯的方法，二者的測量磁滯的結果是默認相等的，而且磁鍛煉后，各次的測量結果都是相同的。

(c)手動調(diào)諧電流時，電流的過調(diào)和回調(diào)，對測量結果是無影響的。

1 YIG電調(diào)帶通濾波器性能測量的自動化研究

1.1 自動測量軟件

用 VB6.0 語言[3]、Agilent 87xx 系列矢量網(wǎng)絡分析儀和數(shù)字多用表的專用函數(shù)編寫代碼文件。激勵器使用12位二進制負碼編制電調(diào)諧軟件代碼文件。測量軟件的主要流程、軟件使用方法、測量結果等，詳見參考文獻[4]。

1.2 用正、反方向調(diào)諧電流方法測量線性和磁滯

研究正、反方向調(diào)諧電流方法測量線性和磁滯及它們對結果的影響只能用自動測量軟件，在相應語句上做相應改變來實現(xiàn)。

這里所說的正方向調(diào)諧電流方法指的是目前常用的手動方法:首先，進行磁鍛煉。根據(jù)工作頻率的上、下頻限，電流從小到大，再從大到小進行磁鍛煉，鍛煉一定次數(shù)后，電流停在頻段下限處。電流從小到大測量線性;電流從大到小測量磁滯，如圖1(a)所示，用(+)代表，反之用(－)代表。

這里所說的反方向調(diào)諧電流方法指的是與目前常用的手工方法相反向改變電流的方法:首先，進行正常磁鍛煉。磁鍛煉一定次數(shù)后，電流停在工作頻段的上限處。然后，電流從大到小測量線性;電流從小到大測量磁滯，在圖1(b)中，分別用(正)、(逆)標示。

圖1 正、反方向調(diào)諧電流，測量線性電流變化方向圖

YIG濾波器的磁滯都很小，兩條線基本重合在一起。為了看清器件的磁滯現(xiàn)象，將實際的磁滯現(xiàn)象放大;在實際測量的一組電流－頻率數(shù)據(jù)上，疊加一個隨電流按正弦函數(shù)改變的頻率，適當選取正弦函數(shù)的振幅，即可繪出如圖1的磁滯回線。圖1中的(正)、(逆)、(+)、(－)符號和測量結果數(shù)據(jù)表1、表2中的符號是一一對應的。

YIG濾波器的線性和磁滯都很小，是中心頻率的0.1%左右。為了明顯看出線性和磁滯的變化情況，在軟件繪制曲線圖中，不僅畫出各頻率點的頻率隨電流的改變曲線，而且畫出各頻率點的頻率測量值與擬合直線的偏差曲線;測量磁滯時，還畫出上、下兩條中心頻率的差值與電流的關系曲線，正常情況下為“饅頭”形，中間頻率的差值最大，符合“磁滯定義”。

正方向調(diào)諧電流時，三次線性和磁滯測量結果的比較見表1，曲線圖如圖2、圖3所示。

表1 線性和磁帶測量表(電流正向調(diào)諧)

反方向調(diào)諧電流時，三次線性和磁滯測量結果的比較見表2，曲線圖如圖4、圖5所示。

表2 線性測量和磁帶測量表(電流反向調(diào)諧)

1.3 自動測量線性、磁滯的結果和手動測量的結果比較

手動調(diào)諧電流很難實現(xiàn)單方向增加或減少電流，常常出現(xiàn)電流的過調(diào)和回調(diào)現(xiàn)象，如圖6(a)所示。為了研究電流的過調(diào)或回調(diào)對測量結果的影響，在程序中增加過調(diào)仿真語句來模仿手動調(diào)諧時的過調(diào)。

仿真過調(diào)段語句(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

仿真恢復段語句(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是自動測量時的步長，比較測量時均保持不變。PortCode是數(shù)字激勵器用的碼值:它等于4095時，激勵器的電流為零，等于0時電流最大。Jm1取值大時，升降速度較慢;Jm1取值小時，升降速度較快。實驗時，Jm1分別等于300，10。Jm2取值大時，恢復速度較慢;Jm2取值小時，恢復速度較快。Am是過調(diào)電流值，實驗時，Am分別等于0，10 mA，30 mA。等于0時，為沒有電流的過調(diào)或回調(diào)，即正常自動調(diào)諧，如圖6(b);Am＞0時，如圖6(c)，它是嚴格過調(diào)，而沒有手調(diào)時的回調(diào)現(xiàn)象。仿真數(shù)據(jù)見表3。

圖6 自動調(diào)諧和手動調(diào)諧時的電流波形

表3 用軟件仿真手調(diào)諧時電流過調(diào)時，不同過調(diào)電流對線性和磁滯結果的影響

從表3可以看出，電流的過調(diào)嚴重影響磁滯的測量結果;對線性度的影響較小。用手調(diào)諧時，盡量避免電流的過調(diào)或回調(diào)，但很難做到。

根據(jù)上述測量結果的分析，調(diào)整、修改了軟件的相應語句及其相應參數(shù)，使調(diào)諧電流的升降速度變得較慢、過調(diào)電流為零，因此，測量的結果更為準確。

1.4 自動測量誤差及其結果分析

(1)兩種校準方法測量結果的比較及其重復測量誤差

為了比較兩種校準方法的異同和重復測量的誤差，對同一器件，分別用兩端口全校準(Full 2-Ports)和直通校準方法進行測量。在各個參數(shù)值都相同情況下，每種校準都重復測量三次，將三次測量的結果圖進行存儲。對相同頻率下的三次測量結果數(shù)據(jù)求平均，并計算重復測量誤差，將計算結果列于表4中。

表4 插損、3 dB帶寬等參數(shù)重復測量的平均結果及其誤差

對同一器件，分別進行3次線性和磁滯的測量。重復測量結果及其誤差見表5。

表5 線性和磁滯的重復測量結果及其誤差

(2)測量點數(shù)不同對線性、磁滯測量結果的影響

為了研究測量點數(shù)對線性和磁滯測量結果的影響，在相同頻率范圍(2～10 GHz)內(nèi)分別取測量點數(shù)為 5、9、13，進行測量，結果見表 6。

表6 測量點數(shù)不同對線性和磁滯測量結果的影響

(3)測量的準確性研究

為了研究測量結果的準確性。在軟件的自動測量中間暫停時，進行手動測量，自動測量結果和手動測量結果，見表7?？梢钥闯龆呓Y果相同。用軟件測量時，計算機能夠讀取、記錄儀器瞬時的測量結果;手動測量時，測量者讀取、記錄的是儀器測量的結果，二者的讀數(shù)必有一定差異。嚴格講，用軟件測量不僅及時迅速，而且沒有測量者之間操作技術上的差異，因而，結果更客觀、更一致些。

表7 手動和自動測量結果的比較

2 溫度試驗的自動控制、自動測量研究

(1)溫度試驗的自動控制、自動測量軟件

溫度實驗使用的儀器方框圖，如圖8所示。虛線框內(nèi)的儀器組成YIG濾波器自動測量系統(tǒng)，已經(jīng)連接好，實驗時只需要將RS485電纜和高低溫試驗箱(型號:ET04070)(在本文簡稱溫控箱)連接。溫度實驗自動測量的主要流程如圖9所示。使用的軟件是在YIG電調(diào)帶通濾波器自動測量軟件[4]基礎上開發(fā)的。電調(diào)帶通濾波器溫度控制自動測量軟件對各個儀器設備進行控制并在它們之間進行通訊、讀取數(shù)據(jù)。

圖8 電調(diào)器件溫度實驗儀器方框圖

圖9 溫度實驗自動測量主要流程圖

測量分5步進行:前4步是做準備工作，第5步是只按一下鍵。

首先，接通溫控箱的電源，將RS485電纜與溫控箱連接;啟動自動測量系統(tǒng)，運行YIG電調(diào)帶通濾波器溫度控制自動測量軟件。

第2步是設定實驗所需的各種參數(shù):在“設定試驗溫度”框中有溫度范圍、每點保溫時間和設定試驗點數(shù)等參數(shù)的輸入框。溫度范圍輸入框內(nèi)可以輸入溫控箱允許的任意值，在本例中，設為+65℃和－20℃;每點保溫時間設定為60分鐘;設定試驗點數(shù)為3(最大可為7)。按【設定各點溫度】鍵后，在右側(cè)7個小框中將出現(xiàn)溫度范圍內(nèi)的平均分配的3個溫度值，分別為65，22.5，－20℃。如果不滿意，這三個溫度值可以更改，也可以不均分。正式進入溫度實驗后，就不能再改動。

“校準選擇”有直通和雙端口全校準兩種，可任選一種。本文選直通校準。

“頻率等參數(shù)”的設定輸入方法同參考文獻[4]，在此從略。

第3步是矢網(wǎng)的校準:按【校準】鍵后，計算機首先提示:請接SMA直通，“確定”后，計算機分別在各個設定的頻率下，自動校準;如果是選“雙端口全校準”，則逐步提示你在哪個端口接短路器、開路器或SMA直通等操作。校準完成后，計算機會提示操作者將被測器件放入溫控箱，準備測量調(diào)諧靈敏度(Kf)。

第4步是測量調(diào)諧靈敏度(Kf):用待測器件取代SMA直通，并將待測器件放入溫控箱內(nèi)，按照圖9接好主線包和加熱器的供電線路。按【測Kf】鍵后，計算機會自動改變調(diào)諧電流，分別找到起、止頻率(F01和 F02)對應的電流值(I01和 I02)，計算出:Kf=(I01+I02)/(F01+F02)，單位為 mA/MHz，存儲在調(diào)諧靈敏度的文本框中(TxtKf.text)。這四步準備工作完成后，計算機會提示你按【測ILBW】鍵。

第5步是開始溫度實驗，計算機按照設定好的程序，控制各儀器、設備，測量不同溫度下的插損(IL)、帶寬(BW)等10種參數(shù):按【測ILBW】鍵后，計算機依次啟動溫控箱，按照設定的溫控箱工作模式(定值運行或程序運行，一般情況下，不需要升溫速度選用定值運行)、設定的溫度，改變溫控箱的溫度。計算機不斷讀取溫控箱內(nèi)的測量溫度(T0)，并不斷地與設定溫度(T)進行比較。(溫控箱測量的溫度和保溫已經(jīng)過了多少時間等信息，在主界面上實時都有顯示。)達到設定溫度值后，溫控箱開始保溫，計算機開始計時;在達到預定保溫時間后，就啟動測量程序，分別自動測量出各個頻率點下的插損(IL)、帶寬(BW)等10種參數(shù)，并記錄下來。測量完成后，自動進入下一個溫度周期測量，如此重復操作，直到將設定的全部溫度點測完。實驗結束自動關閉溫控箱電源。這時計算機還會提示你保存測量結果。有兩種保存結果的方法:一種是屏幕拷貝法;另一種是按【存儲數(shù)據(jù)】鍵，保存成文本格式，見表8。

表8 YIG電調(diào)帶通濾波器溫度實驗自動測量結果

在此過程中，不需要人為干預。

(2)實驗結果及討論

為了看出器件性能隨溫度的改變規(guī)律，將插損、3 dB帶寬和中心頻率的測量數(shù)據(jù)繪成曲線，如圖10～12所示。從這些圖可以看出中心頻率差值(FTi－F0i)隨溫度變化規(guī)律是明顯的 (其中FTi是各溫度下測得的中心頻率，F(xiàn)0i是各頻率點對應電流的中心頻率)，插損和3 dB帶寬的變化規(guī)律不明顯，因為影響它們的因素較多。

由于采用全自動控制與測量，做好上述溫度實驗準備工作的前四步，將器件放進溫控箱、連接好之后，只按一下【測ILBW】鍵，計算機就會自動按照程序工作，直到設定的各溫度下的實驗完成為止，不再裝卸器件，這樣就避免了裝卸器件所帶來的各種測量誤差，自動測量結果最能反映器件性能隨溫度的改變規(guī)律和程度。不僅如此，由于溫度實驗時，無論測量儀器的控制，還是性能的測量都實現(xiàn)了全過程的自動化，改變了溫度實驗必須有人值班的現(xiàn)狀，也避免了將器件拿出溫度箱進行測量時溫度急劇變化影響測量數(shù)據(jù)準確的毛病。自動控制與自動測量大大節(jié)省了時間，提高了儀器、設備的使用效率。

[4]中有關于自動測量、測量誤差的詳細介紹，在此不再累述。溫度的測量精度全由溫控箱決定。

因為Angilent 8720ES矢量網(wǎng)絡分析儀輸出的電平較低，本文沒有測量YIG帶通濾波器的限幅電平這個參數(shù)。自動測量軟件是有這個功能的。

線性和磁滯隨溫度的變化曲線如圖13所示?？梢钥闯鼍€性、磁滯隨溫度的升高而減少，在使用溫度范圍內(nèi)的最低溫度時，線性和磁滯最大。

圖13 線性和磁滯隨溫度的變化曲線

從上述測量結果可看出線性和磁滯的測量與測量過程關系很大，直接影響結果的準確性。不同測量過程的線性結果不同，它們隨測量方法和電流方向改變而變化。

正方向調(diào)諧電流法測得的線性最小，測得的磁滯也較小;通過各種可能的方法實驗結果表明，目前常用的測量方法其結果都是偏小。使用者如果不是在磁鍛煉后使用，其線性和磁滯有可能超出給定的性能指標。

使用自動測量方法時，有時會有偶然的脈沖干擾。從磁滯的曲線圖可以看出。在正常情況下，磁滯的曲線應該是“饅頭”形。當出現(xiàn)脈沖干擾時，“饅頭”形不十分規(guī)則，再測量一次即可，經(jīng)過大量測量，發(fā)現(xiàn)脈沖干擾都是偶然的，而且是很窄的脈沖，除磁滯外，對其它參數(shù)測量結果無影響。

4 結語

自動測量軟件實現(xiàn)了溫度實驗的自動化與參數(shù)的自動測量，它對YIG調(diào)諧帶通濾波器很有用，也十分必要，不僅測量結果準確、避免人為誤差，而且操作方便、快捷，測完一只器件的全部參數(shù)只需幾分鐘。溫度試驗實現(xiàn)了無人值守的自動化，不僅測量結果準確，而且節(jié)省人力、物力。

電流的過調(diào)嚴重影響調(diào)諧帶通濾波器磁滯的測量結果;對其線性的影響較小。用手調(diào)諧時，必須十分注意，盡量避免電流的過調(diào)或回調(diào)。要使測量結果準確，最好使用自動測量[5]方法。兩端口全校準(Full 2-Ports)和直通校準方法對參數(shù)的測量結果，除駐波外，影響不大。

從實驗結果可以看出無論“部頒標準”還是《總規(guī)范》中線性和磁滯的定義中應規(guī)定磁化過程，否則結果會有較大出入。

參考文獻:

[1]中華人民共和國電子部部頒標準，SJ2916-88.微波鐵氧體器件名詞術語和定義[S].1988.

[2]中華人民共和國國家軍用標準，F(xiàn)L5985.GJB3161-98旋磁濾波器總規(guī)范，1998.

[3]協(xié)同教育微軟ATC教材編譯室編著.開發(fā)工具專家Visual Basic 6.0[M].北京:電子工業(yè)出版社，2000.

[4]胡文忠.YIG帶通濾波器自動測量軟件及其測量誤差[J].磁性材料與器件，2006(4):

[5]胡文忠.線性色散延遲線自動測量軟件研究[C]//第12屆全國微波磁學(南京)及其論文集，2004:175-179.