CN106707209A - 基于LabVIEW的短路微带线铁磁共振测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于LabVIEW的短路微带线铁磁共振测量系统及方法。该系统包括短路微带线夹具、高斯计、螺线管、矢量网络分析仪、电流源和程控计算机。程控计算机控制矢量网络分析仪给短路微带线提供单频的信号源，并控制电流源输出稳定的电流给螺线管，使得螺线管内部产生均匀稳定的磁场；改变磁性薄膜样品水平方向的磁场大小，程控计算机检测反射回来的微波信号S11参数，并做出S参数和磁场的关系曲线图，通过对曲线图进行数据处理，得到磁性薄膜样品的共振线宽、旋磁比以及朗德因子。本发明的测量系统不需要加入较高的测量磁场；同时，本发明提供的测量方法适用于宽频及微波低频段测量，并可以实现扫场、扫频测量。
Description
技术领域
本发明属于微波技术领域，涉及一种磁性薄膜材料的微波分析装置，具体为一种基于LabVIEW的短路微带线铁磁共振测量系统。
背景技术
铁磁共振(FMR)是20世纪40年代发展起来的一种研究物质宏观性能和微观结构的重要实验手段。它利用磁性物质从微波磁场中强烈吸收能量的现象，与核磁共振和顺磁共振一样在磁学和固体物理学研究中占有重要地位。
磁性薄膜的铁磁共振测量在高频磁学和自旋电子学中有非常重要的应用，例如硬盘的读取头，MRAM，自旋磁矩MRAM和自旋转矩振荡器等。铁磁共振实际上是磁性材料原子中电子的自旋顺磁共振，因此需要微波来提供电子跃迁所需要的能量。通过计算测量得到铁磁共振曲线可得到共振线宽，并通过公式：和可以计算出旋磁比γ和朗德因子g。其中f为共振频率，B0为共振磁场，μB为波尔磁子，为普朗克常量。
目前常用的铁磁共振测试方法是谐振腔法。但是其谐振腔的共振频率是由生产时的尺寸决定的，一般在9G附近，而且无法更改。根据共振频率与磁场的平方成正比可以知道，频率越高，对应的磁场强度也就越强。所以，传统的测试方法中的磁场需要加到几千奥斯特，而强磁场都是由电磁铁提供的，导致测试装置不仅笨重而且铁芯中的剩磁要考虑去掉，才不会影响下一次的测量。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的缺陷，提供了一种基于LabVIEW的短路微带线铁磁共振测量系统，不需要加入较高的测量磁场。同时，本发明提供一种利用该系统的测量方法，适用于宽频及微波低频段测量，同时可以实现扫场、扫频测量。
本发明装置的技术方案如下：
基于LabVIEW的短路微带线铁磁共振测量系统，包括短路微带线夹具、高斯计、螺线管、矢量网络分析仪、电流源和程控计算机，所述短路微带线夹具与矢量网络分析仪连接，并放入螺线管内部；所述螺线管与电流源连接，螺线管内部还放有高斯计的霍尔探头；所述程控计算机分别与矢量网络分析仪和电流源相连，程控计算机上装有使用LabVIEW语言编写的控制软件；磁性薄膜样品放置在短路微带线夹具上的信号线和地线之间。
本发明利用上述测量系统的测量方法，包括如下步骤：将装有磁性薄膜样品的短路微带线夹具放入到螺线管内部，程控计算机控制矢量网络分析仪给短路微带线提供单频的信号源，并控制电流源输出稳定的电流给螺线管，使得螺线管内部产生均匀稳定的磁场；改变磁性薄膜样品水平方向的磁场大小，程控计算机检测反射回来的微波信号S11参数，并做出S参数和磁场的关系曲线图，通过对曲线图进行数据处理，得到磁性薄膜样品的共振线宽、旋磁比以及朗德因子。
本发明提供了一种测量磁性薄膜铁磁共振线宽、旋磁比及朗德因子的装置，通过螺线管形成中心磁场，磁场控制简单。采用微带线适用于宽频的测量，可以在微波低频段测量，同时也可以实现扫场、扫频测量。相比现有技术，本发明对于磁场的要求也不高，只需加到一千奥斯特就能得到测试结果。另外，本发明装置简单易搭建，测量计算集成到一起，不用后期复杂的数据处理，方便高效。
附图说明
图1是本发明测量系统的结构示意图。其中1是短路微带线夹具、2是高斯计、3是螺线管、4是矢量网络分析仪、5是电流源、6是程控计算机。
图2是短路微带线夹具的结构示意图。其中7是SMA接口、8是信号线、9是接地线、10是磁性薄膜样品、11是样品基底、12是屏蔽盒。
图3是本发明测量方法的流程图。
图4是实施例中采用短路微带线测坡莫合金薄膜样品的铁磁共振的测试结果，曲线S11是从矢量网络分析仪读取的反射系数，纵坐标为任意单位，横坐标是磁场强度。
图5是实施例中测得的数据处理之后的结果，其中曲线S是对图4中曲线S11做了平滑处理之后的数据，曲线S′是对曲线S求导之后的数据。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
本发明的测量系统包括软件和硬件两部分。硬件部分如图1，包括：短路微带线夹具1，用于提供交变高频磁场；高斯计2，用于磁场检测；螺线管3，通电流后在其内部中心轴向产生均匀稳定的磁场，本实施例中螺线管3总长度为150mm，外径80mm，内径40mm，并且螺线管3中间有一个方形的载物台，方便微带线平稳的放入螺线管3内；同时螺线管3上方设置小孔，以便于放入霍尔探头，测量螺线管3内部的磁场强度；矢量网络分析仪4，通过安捷伦GPIB转USB接口与程控计算机连接，提供微波信号源和检测微波信号；电流源5，可以用作电流源同时也可以作为电表，实时监控螺线管的电压和电流变化情况，本实施例中的电流源采用北京东方晨景科技有限公司生产的电磁铁恒流电源，输出电流精度为0.1mA，其通过RS232与程控计算机交互；程控计算机6，控制各个仪器运行并实时显示测量结果，包括：控制矢量网络分析仪4给短路微带线提供单频的信号源，并且检测反射回来的微波信号S11参数；同时，控制电流源5输出稳定的电流给螺线管3。软件部分是利用LabVIEW编写的控制软件，提供整体系统的控制和数据的处理。它能够对数据进行平滑、求导，并且集成了旋磁比和朗德因子的算法。
如图2所示，短路微带线夹具1包括内部微带线，一个SMA接头7和外部屏蔽盒12。微带线是用texline计算得到50欧姆阻抗比配；图中，微带线和SMA接头7部分为焊接部分，SMA接头7用于微带线和同轴电缆的连接，从而可以跟矢量网络分析仪4连接；屏蔽盒12一方面提供微带线的地线，一方面将整个微带线包裹起来实现电磁屏蔽的效果。磁性薄膜样品10放置在信号线8和接地线9之间。
短路微带线夹具1的SMA端通过同轴线连接矢量网络分析仪4的测试端口，螺线管3的输入输出线分别连接电流源5的输出输入，螺线管3是采用漆包线绕成多层均匀的同心圆，在螺线管3内部中心位置处磁场是均匀稳定，而且随着电流值的增加，中心轴向磁场也对应线性增加。高斯计2通过螺线管3线圈上方的小孔放置于螺线管3内部。调制完成后，按照短路微带线测试薄膜复磁导率方法测试得到薄膜的复磁导率。仅在实际微波测试过程中开启电源，使螺线管3重心轴处产生均匀通向的磁场，调节磁场的大小到所需的磁场。
进一步地，本发明装置可根据短路微带线夹具1的尺寸进行调整，螺线管3的匝数可根据实际应用调整。
测量时，将装有磁性薄膜样品10的短路微带线夹具1放入到螺线管3内部，利用装有LabVIEW控制软件的程控计算机6对所有仪器进行初始配置，先控制矢量网络分析仪4通过同轴电缆向短路微带线输入固定频率的微波信号，本实施例中使用的是2GHz微波信号。然后控制电流源5向螺线管3输入稳定的电流，待螺线管3内部磁场稳定时，从矢量网络分析仪4读取反射信号即S11数据。程控计算机6收到数据后，改变磁性薄膜样品10水平方向的磁场大小，再利用程控计算机6控制电流源5变化到下一个电流值，重复之前的步骤。最后就可以做出S参数和磁场的关系曲线图。其中，高斯计2只需做一次定标，即在螺线管3内部固定位置处的磁场做几次测量，然后确定电流与磁场的比值关系；之后，再通过电流值来换算对应的磁场。因为电流稳定，样品放置位置固定，所以可以做到磁场的精确控制。
如图3所示，LabVIEW控制软件分为以下四个模块：仪器配置模块、电流源控制模块、数据显示模块、数据处理模块。仪器配置模块，用于初始化矢量网络分析仪和电流源，设置矢量网络分析仪的频率和功率，设置电流源的电流变化速率。电流源控制模块，控制电流依次递增并实时监测电流源输出的电流值和电压值。数据显示模块，将电压值和电流值，以及电流值对应的S11参数显示在屏幕上。数据处理模块，计算共振线宽，旋磁比和朗德因子。具体步骤：首先根据公式B＝KI，把所有的电流换算成磁场，其中K是一个常数，K的值跟线圈的匝数N，螺线管长度L有关。通过加电流然后读取高斯计，就可以得到I和B的测量数值，从而逆推然后对测得的S参数进行一次求导，遍历数据，找到最大值和最小值，将最大值Smax和最小值Smin对应的磁场强度做如下处理：ΔB＝|BSmax-BSmin|，进而得到磁性薄膜样品的共振线宽ΔB。再通过公式：和可以计算出旋磁比γ和朗德因子g。其中f为共振频率，B0为共振磁场，μB为波尔磁子，为普朗克常量，最后将测量的数据保存。
图4是在0～130Oe磁场下测得的S11参数。测量的样品是坡莫合金薄膜，样品大小为5mm*5mm。图5是对测得的数据处理之后的结果。根据图4中的数据，坡莫合金在2GHz下的共振磁场为B0＝53.929Oe，根据之前的公式γ＝2.33E+12，g＝27.7518，可以得到根据图5中数据，坡莫合金的共振线宽为ΔB＝|62.486-49.352|＝13.134Oe。
Claims (10)
1.基于LabVIEW的短路微带线铁磁共振测量系统，其特征在于，包括短路微带线夹具、高斯计、螺线管、矢量网络分析仪、电流源和程控计算机，所述短路微带线夹具与矢量网络分析仪连接，并放入螺线管内部；所述螺线管与电流源连接，螺线管内部还放有高斯计的霍尔探头；所述程控计算机分别与矢量网络分析仪和电流源相连，程控计算机上装有使用LabVIEW语言编写的控制软件；磁性薄膜样品放置在短路微带线夹具上的信号线和地线之间。
2.根据权利要求1所述的基于LabVIEW的短路微带线铁磁共振测量系统，其特征在于，所述短路微带线夹具包括内部微带线、SMA接头和外部屏蔽盒。
3.根据权利要求2所述的基于LabVIEW的短路微带线铁磁共振测量系统，其特征在于，所述短路微带线夹具的阻抗为50欧姆。
4.根据权利要求1所述的基于LabVIEW的短路微带线铁磁共振测量系统，其特征在于，所述电流源为电磁铁恒流电源，输出电流精度为0.1mA。
5.根据权利要求1所述的基于LabVIEW的短路微带线铁磁共振测量系统，其特征在于，所述螺线管是采用漆包线绕成多层均匀的同心圆，螺线管总长度为150mm，外径80mm，内径40mm。
6.根据权利要求1所述的基于LabVIEW的短路微带线铁磁共振测量系统，其特征在于，所述控制软件包括四个模块：仪器配置模块、电流源控制模块、数据显示模块和数据处理模块；所述仪器配置模块用于初始化矢量网络分析仪和电流源，设置矢量网络分析仪的频率和功率，并设置电流源的电流变化速率；所述电流源控制模块用于控制电流依次递增并实时监测电流源输出的电流值和电压值；所述数据显示模块将电压值和电流值、以及电流值对应的S11参数显示在屏幕上；所述数据处理模块用于计算共振线宽、旋磁比和朗德因子。
7.利用如权利要求1所述基于LabVIEW的短路微带线铁磁共振测量系统的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：将装有磁性薄膜样品的短路微带线夹具放入到螺线管内部，程控计算机控制矢量网络分析仪给短路微带线提供单频的信号源，并控制电流源输出稳定的电流给螺线管，使得螺线管内部产生均匀稳定的磁场；改变磁性薄膜样品水平方向的磁场大小，程控计算机检测反射回来的微波信号S11参数，并做出S参数和磁场的关系曲线图，通过对曲线图进行数据处理，得到磁性薄膜样品的共振线宽、旋磁比以及朗德因子。
8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，所述高斯计只需做一次定标，即在螺线管内部固定位置处的磁场做几次测量，然后确定电流与磁场的比值关系，之后，再通过电流值来换算对应的磁场。
9.根据权利要求7或8所述的测量方法，其特征在于，所述程控计算机上的控制软件接收到所有的数据后，首先根据公式B＝KI，把所有的电流I换算成磁场B，其中K是一个常数；然后对测得的S参数进行一次求导，遍历数据，找到最大值和最小值，将最大值Smax和最小值Smin对应的磁场强度做如下处理：ΔB＝|Bsmax-Bsmin|，进而得到磁性薄膜样品的共振线宽ΔB；再通过公式：和可以计算出旋磁比γ和朗德因子g，其中f为共振频率，B0为共振磁场，μB为波尔磁子，为普朗克常量。
10.根据权利要求9所述的测量方法，其特征在于，常数K的计算方法为：通过加电流然后读取高斯计，可以得到电流I和磁场B的测量数值，从而得到
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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