YIG頻率測(cè)量電路及其補(bǔ)償技術(shù)

摘 要:為了實(shí)現(xiàn)YIG頻率測(cè)量的自動(dòng)化，設(shè)計(jì)了一種計(jì)算機(jī)控制YIG頻率測(cè)量電路，針對(duì)YIG頻率測(cè)量電路中非線性問(wèn)題及磁性材料中磁滯現(xiàn)象對(duì)頻率測(cè)量精度的影響，給出了軟件補(bǔ)償方法。根據(jù)具體型號(hào)中YIG濾波器組成頻率測(cè)量電路的測(cè)量結(jié)果表明，該軟件補(bǔ)償方法可以提供滿足精度要求的測(cè)量。

關(guān)鍵詞:YIG; 頻率測(cè)量; 磁滯; 非線性; 補(bǔ)償

中圖分類號(hào):TP316 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)13-0114-03

YIG Frequency-measuring Circuit and Its Compensation Technology

ZONG Hui， YUAN Jing

(Nanjing Institute of Technology， Nanjing， 210013， China)

Abstract: In order to realize the automation of YIG frequency measurement， a YIG frequency- measuring circuit controlled by computer is designed. Aiming at the effect of non-linear factor in YIG frequency- measuring circuit and hysteresis phenomenon of the magnetic materials on the accuracy of the frequency measurement， some software compensation methods， are presented. The measured results of a specific YIG frequency-measuring circuit indicate that the software compesation methods can meet the requirement of the measuring accuracy.

Keywords: YIG; frenqency measurement; hysteresis; non-linear; compensation

0 引 言

YIG諧振器[1]是一種借助改變直流偏置磁場(chǎng)而實(shí)現(xiàn)寬帶調(diào)諧的高Q值鐵氧體諧振器，它的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)諧范圍寬，調(diào)諧速度快，無(wú)機(jī)械活動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)緊湊，其頻率范圍約為500 MHz~50 GHz，廣泛應(yīng)用于微波測(cè)量領(lǐng)域[2-3]。由于YIG諧振器的諧振頻率與偏置磁場(chǎng)的強(qiáng)度成正比，因此可以通過(guò)控制電路來(lái)改變磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)線性調(diào)諧，達(dá)到頻率測(cè)量的目標(biāo)[4]。

1 計(jì)算機(jī)控制YIG頻率測(cè)量電路的基本組成

計(jì)算機(jī)技術(shù)[5]的發(fā)展為提高測(cè)量精度和自動(dòng)化程度提供了條件。自動(dòng)測(cè)量[6]的關(guān)鍵是信號(hào)的檢測(cè)與測(cè)量電路的控制。信號(hào)檢測(cè)電路包括檢波器、計(jì)算機(jī)中斷控制電路以及音響電路;測(cè)量控制電路包括YIG濾波器磁場(chǎng)控制電路和電調(diào)衰減器。工作中，計(jì)算機(jī)根據(jù)掃頻程序控制YIG線圈的電流，以改變YIG濾波器的中心頻率;信號(hào)檢測(cè)電路根據(jù)檢測(cè)出的信號(hào)向計(jì)算機(jī)提請(qǐng)中斷;中斷服務(wù)程序記錄對(duì)應(yīng)此時(shí)的YIG中心頻率。同時(shí)還可以通過(guò)電調(diào)衰減器和門限電路對(duì)信號(hào)電平和比較門限進(jìn)行調(diào)整，以提高測(cè)量精度[7]。YIG測(cè)頻控制電路的組成如圖1所示。

圖1 YIG測(cè)頻控制電路的組成

磁場(chǎng)控制電路包括補(bǔ)償數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、D/A轉(zhuǎn)換器、線性放大器及其調(diào)整電路以及壓控電流源等。其中，補(bǔ)償數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)對(duì)YIG的非線性及溫度特性進(jìn)行補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)提供;D/A轉(zhuǎn)換器可將數(shù)字控制量變換成模擬電壓;線性放大器則對(duì)該模擬電壓再進(jìn)行放大，用于驅(qū)動(dòng)壓控電流源;而壓控電流源則將控制電壓變化為驅(qū)動(dòng)YIG線圈所需的電流。理想的YIG濾波器其通帶的中心頻率與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度(H)存在線性關(guān)系，而磁場(chǎng)強(qiáng)度(H)又與驅(qū)動(dòng)電流(nI)成正比。也就是說(shuō)，對(duì)于理想的壓控電流源，其輸出電流與輸入電壓成正比，因此可以進(jìn)一步推斷，YIG濾波器的中心頻率與D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬電壓成正比。YIG濾波器的磁場(chǎng)控制電路如圖2所示。對(duì)于不同材料不同規(guī)格的YIG濾波器，其中心頻率與控制電壓的比例不同，電路中設(shè)有W1和W2兩個(gè)電位器，用于調(diào)試驅(qū)動(dòng)電流的最大值和最小值，以滿足YIG線圈驅(qū)動(dòng)電流的需要，從而適應(yīng)不同頻段的YIG調(diào)諧器件。

圖2 YIG濾波器磁場(chǎng)控制電路原理圖

中斷控制電路由門限電路、比較器、微分電路及電平轉(zhuǎn)換電路組成，用于在信號(hào)由小到大高過(guò)門限和由大到小低于門限時(shí)產(chǎn)生中斷信號(hào)，其原理圖如圖3所示。

圖3 中斷控制電路原理圖

2 YIG頻率測(cè)量原理

計(jì)算機(jī)控制YIG頻率測(cè)量的原理如下:

程序按規(guī)定的時(shí)序向D/A轉(zhuǎn)換器輸出設(shè)定好的掃描電壓數(shù)據(jù)，YIG濾波器的中心頻率隨掃描電壓的增加對(duì)波段內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行掃描，由于YIG濾波器有一定的帶寬，當(dāng)信號(hào)進(jìn)入濾波器通帶，檢波器輸出信號(hào)高于門限電平時(shí)，產(chǎn)生中斷1，中斷服務(wù)程序記錄當(dāng)前YIG的中心頻率f1;當(dāng)YIG中心頻率隨掃描電壓繼續(xù)增加，檢波器輸出信號(hào)低于門限電平，產(chǎn)生中斷2，中斷服務(wù)程序記錄此時(shí)的YIG中心頻率f2，同時(shí)對(duì)兩次測(cè)量的頻率進(jìn)行平均，即可得到信號(hào)頻率f0=(f1+f2)/2。測(cè)量原理如圖4所示。

圖4 YIG測(cè)頻控制電路的測(cè)量原理

為了保證測(cè)量靈敏度，信號(hào)電平應(yīng)保持在一定的水平，信號(hào)電平的調(diào)整通過(guò)電調(diào)衰減器實(shí)現(xiàn)。此外，還可以通過(guò)調(diào)整比較器的門限電平來(lái)提高測(cè)量靈敏度。

3 YIG頻率測(cè)量的軟件補(bǔ)償

3.1 非線性補(bǔ)償

如前所示，理想的YIG器件調(diào)諧曲線是一條直線，YIG的中心頻率的變化與線包電流的變化成正比，但是，由于受磁性材料磁特性的影響，實(shí)際的調(diào)諧曲線是非線性的[8]。此外，由于磁場(chǎng)控制電路的半導(dǎo)體器件也有非線性，從而使YIG濾波器的調(diào)諧特性呈現(xiàn)非線性[9]。

在工程上，通常采用多段直線逼近的方法對(duì)上述曲線進(jìn)行線性化處理，就是將各控制量曲線進(jìn)行分段，在段內(nèi)認(rèn)為控制量曲線是一條直線。只要各線段分段點(diǎn)位置選取合適，可以保證YIG濾波器在整個(gè)頻段隨頻率測(cè)量的線性度。

通過(guò)計(jì)算各段控制量的起始值、步進(jìn)值與終止值就可以表征本段的補(bǔ)償量。計(jì)算機(jī)根據(jù)理想狀態(tài)下的D/A數(shù)據(jù)及補(bǔ)償分段的起始值，將理想狀態(tài)的控制數(shù)據(jù)加上補(bǔ)償量作為D/A轉(zhuǎn)換器的實(shí)際輸出數(shù)據(jù)，從而消除非線性誤差。劃分的線段越多，逼近效果越好，測(cè)量精度也就越高。

3.2 磁滯補(bǔ)償

由于磁滯現(xiàn)象的存在，線包電流從低端調(diào)到高端和由高端調(diào)回低端，YIG濾波器的中心頻率是不重合的，也就是說(shuō)電流從最小到最大和從最大到最小的掃描過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)諧振頻率差。磁滯被定義為線包電流從兩個(gè)方向調(diào)至同一電流處時(shí)的最大頻率偏差。YIG頻率測(cè)量電路在實(shí)際工作時(shí)是采用鋸齒控制電壓對(duì)YIG線圈電流進(jìn)行控制，可以利用程序控制回掃電壓對(duì)磁滯偏差進(jìn)行補(bǔ)償，從而達(dá)到提高測(cè)量精度的目的。某型號(hào)的YIG濾波器特性[10]如表1所示，磁滯補(bǔ)償后的掃描電壓如圖5所示。

表1 典型YIG濾波器參數(shù)表

工作頻率 /GHz調(diào)諧線性度 /MHz磁滯 /MHz調(diào)諧靈敏度 /(MHz/mA)頻漂 /(MHz/℃)

4~8±1.577.313.10.16

圖5 磁場(chǎng)補(bǔ)償掃描電壓示意圖

經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后的頻率測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。

經(jīng)過(guò)補(bǔ)償?shù)念l率測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差為2.061 MHz。

對(duì)于溫度特性的補(bǔ)償通常采用的方法包括:恒溫槽處理，溫度補(bǔ)償電路和軟件補(bǔ)償方式。本測(cè)量方案中采用了恒溫槽處理技術(shù)，較好地解決了測(cè)量精度隨溫度的變化問(wèn)題。

4 結(jié) 語(yǔ)

計(jì)算機(jī)測(cè)量控制技術(shù)和誤差的軟件補(bǔ)償技術(shù)已經(jīng)在各種測(cè)量工程中得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的模擬補(bǔ)償電路[9]只能對(duì)于某種特性規(guī)律的非線性進(jìn)行補(bǔ)償，而軟件補(bǔ)償技術(shù)則可根據(jù)各種不同的非線性特性進(jìn)行分段補(bǔ)償，大大提高了測(cè)量精度，同時(shí)軟件補(bǔ)償技術(shù)大大降低了測(cè)量補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。測(cè)量結(jié)果表明，對(duì)于多路信號(hào)，所設(shè)計(jì)的測(cè)量電路可以自動(dòng)顯示測(cè)量結(jié)果，其測(cè)量精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。通過(guò)定期對(duì)測(cè)量電路進(jìn)行標(biāo)校，修訂補(bǔ)償數(shù)據(jù)，可以保證測(cè)量電路的有效性。

參考文獻(xiàn)

[1][ 美] Bara L，Bhartia P.微波固態(tài)電路設(shè)計(jì)[M].鄭新，趙玉潔，劉永寧，等譯.2版.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

[2]周一宇，安瑋，郭福成，等.電子對(duì)抗原理[M].北京:電子工業(yè)出版社，2009.

[3]Merrill I Skolnik.雷達(dá)手冊(cè)[M].王軍，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2003.

[4]李挺，吉小軍.瞬時(shí)測(cè)頻新技術(shù)研究[J].電子測(cè)量技術(shù)，2009，32(4):1-4.

[5]史新福.微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社，2009.

[6]胡文忠.YIG調(diào)諧帶通濾波器自動(dòng)測(cè)量軟件及測(cè)量誤差[J].磁性材料及器件，2006，37(4):38-41，54.

[7]王新穩(wěn)，李萍.微波技術(shù)與天線[M].北京:電子工業(yè)出版社，2005.

[8]安諾電子在線.掃頻接收機(jī)中數(shù)字掃描控制器設(shè)計(jì)[ EB/OL] .[ 2009-04-09] .http://www.analogcn.com/Article/wz1/200904/20090409104125.html.

[9]鄒丹.YIG濾波器的補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)[J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2006，8(4):356-358.

[10]綿陽(yáng)西磁科技有限公司.YIG濾波器產(chǎn)品手冊(cè)[ EB/OL] .[ 2008-02-23] .http://www.chinawestmag.com/cn/yig-filter.