GB T 9633-2012 微波频率应用的旋磁材料性能测量方法.pdf

1、ICS 29. 100. 10 L 19 中华人民共道雪和国国家标准GB/T 9633-20 12/IEC 60556: 2006 代替GBjT9633-1988 微波频率应用的旋磁材料性能测量方法Measuring methods for properties of gyromagnetic materials intended for application at microwave frequencies (lEC 60556: 2006 , IDT) 2012-12-31发布d慰。臼.3:倍， 中z1. 3 278 72.14 34.04 2 6 15 10 118.4 22.86 1

2、0.16 1 a 5 -30 36.9 8.636 4.318 0.5 1. 5 2.5 固11测量旋暗共振线宽和有效朗德因子用的腔体(见参考文献21J)作为一个例子，图11画出了传输型谐振腔，并给出了三种频率相应的三种尺寸，其有载品质因数(Q)均大于2000。球形样品放在微波磁场最大和电场最小处，图11中也标出了样品协正确位置。样品放在样品架上(熔凝石英棒插入样品的孔位于腔的窄壁上，其直径应不大于2mm(对于X波段的腔)，再附加一根微动词谱棒置于适当的位置，以便通过与腔内电场的相互作用达到调谐。借助于衰减器或隔离器使输入和输出电路与腔相匹配。这样设计的腔型对球形样品其工作频段范围可达3GHz

3、-30 GHz，若测量频率超过下式给出的数值sf=学主MSHH-. . . . . . ( 30 ) L 1: 那么观测到的D.H值将包括由多晶铁氧体的缺陷而激励的自旋波模式的贡献见参考文献20J)。然而在0.3GHz-3 GHz之间测量，圆片样品更合适，这时图12所推荐的谐振腔是两端开路的可谓带状线腔，从图12可明显看出，在波长接近2L、(2/3)L时，腔是奇次模共振，这里L是带状线内导体长度130样品粘在样品架上，样品架是金属插塞式的，通过外导体旋进，以使样品位于靠近内导体的中心。为保持整个样品内的微波场均匀，样品的直径应小于内导体宽度的三分之一，其有载品质因数(Qo)大于或等于400，调

4、谐棒是为了给腔一个附加的扰动，使腔达到调谐，以使可在预定的频率下进行测量。由圆片样品所测得的线宽不被自旋波损耗所加宽。样品制备过程中引入了应力，这将影响D.H的测量值，短时间退火可减小这种影响.1) 还是以使用电介质样品架为好z为了某一给定的灵敏度采用较大的样品是必要的，但是在外导体内的样品的位置则不是决定性的.16 GB/T 9633-2012/IEC 60556: 2006 样品架注z垫片是一块聚四氟乙烯板，典型尺寸为7mmX2 mmX25 mm，位置可微词.尺寸频率mm MHz d D h Ll L2 L3 Wl W2 300 2.0 39 7 470 510 21 60 20 1000

5、 2.0 28 7 140 180 10 60 20 固12低频下测量旋磁共振线宽和有效朗德国子的带钱谐振器6.5 测量装置图13是测量所需装置的方框图。一个适当的微波源A工作在元调制或幅度调制状态，但元频率调制，从它输出的功率经精密可变衰减器F至腔G，输出功率被检波并用一适当的仪表H作指示。人射到精密衰减器上的功率在E处借助于定向藕合器和晶体检波器来监视。测量过程中用可变衰减器C保持人射功率恒定。用B监测微波频率，它可保持不变，因为微扰棒可将腔调谐到同发生器频率一致，将足够稳定而且与微波磁场垂直的可调磁场加在样品上，外加磁场在样品范围内的不均匀性同被测样品线宽相比应可忽略。17 GB/T 9

6、633-20 12/IEC 60556:2006 B E A C F 衰减器或隔离器可变衰减糠精密可变衰减器H 功率计圄13副量旋暗共振线宽和有效朗德国子所需装置方框圄6.6 测量程序使发生器的频率尽可能接近测量频率，用调谐棒调谐使有最大的输出，给定一个在E处测量的输入电平，精密衰减器置于ao并在H测量到一个输出电平，以该输出电平作为参考值。将样品插入腔中，这一操作对输出电平的影响应可缸略。加磁场并调节它以得到最大的吸收(相应有最小输出)，调节精密衰减器使输出电平恢复到参考电平值，确定出新的读数aro测定微波频率10以及所加的静磁场强度Ho。旋磁共振线宽目前可用以下方法得到:为了在半功率点在得

7、参考输出电平，用式(28)计算衰减器的读数句。将精密衰减器置于该读数上，改变磁场得到参考输出电平，用调谐棒重新调节腔达最大输出。按要求反复调整磁场和调谐棒，记下最后的场强值H1。在另一个半功率点重复这一过程得到H20为了检验球形样品的球形度和各向同性，样品可以在腔中转动。对于球形度好的各向同性材料，Ho值和.H值应与样品的取向无关。允许变动的范围对H。为1%，对.H为5%，对于薄圆片样品，电磁镜象作用对测量数值的影响应在最后测量之前消除。这一点可以由相继测量厚度逐步变化(通过仔细研磨的同一样品而有效的实现2飞所得到的Ho和.H应与厚度无关。在这种情况下，允许Ho的变化范围为3%，.H为5%。6

8、. 7 计算有效朗德因子可从所测频率和共振场强度值按式(26)(球或式(27)(圆片计算出来。旋磁共振线宽按式(31)计算z.H=IH1-H21 ( 31 ) 2) 在多数实际情况下，对于具有某一特殊比值年=d/D)的给定材料，这一条件是可达到的，该条件可由描述过程的结果来确定，确定phc h，fhc h800A. m-1时，脉冲宽度为1已足够，但对.Hk0.1的材料，这一方法不适用。圆柱形谐振腔内装有同轴放置的圆柱形样品。样品的磁导率j近似等于1，同时介电常数的实数部分E用下式确定。Jl . 11 (b) = 11 ()No (a) -10 (a )N1 (b 飞L= ，、r、，1(51 )

9、 叫于.flb)11伊)No(;a)-10(子)No(子b10和11是零阶和第一阶贝塞耳(Bessel)函数，No和N1是零阶和第一阶诺埃曼(Neumann)函数，c为自由空间光速，a是腔的半径，b是样品的半径(图24)以及=2f的腔的共振角频率。引进空腔的谐振频率10和带有样品的腔的谐振频率元，用l/lo= (/0 -11) /10和b/a的升事将式(51)按级数展开，对于这些量中的较小值来讲，可以得到以下的近似关系(参考文献20J):， = (1一o.722纭，) a-I .( 52 ) 32 GB/T 9633- -2012/IEC 60556: 2006 式中f 1, I 0. 692

10、a2/b2 O. 78平ll+.vn_:1 f飞1-2f/ fo J EF=1+J飞HH. . ( 53 ) f.1 a/b 1十1.56 : ln2/14 假设元损耗样品(e=0)仍具有保持不变的E的实数部分，当用实际样品来代替元损耗样品时，Q的变化由以下体积分的商来确定(参考文献21J和参考文献22J):式中z1 1 fvJ|E|ZW Q也jvf|E|2dvQ2一带有元损耗样品的腔的负载Q;Ql一一带有实际样品的腔的负载Q;V.一一样品体积zVc一一带有样品的腔体积2E一一带有元损耗样品时的电场幅度。运用上述同样的近似方法得z.( 54 ) e = (1 -J = r平0町扩v-+e -l

11、l +e r 1 +1. 4;eb2 /a21 11俨/1，a/b 2 ， 1 1 , ， 2 2 1( 55 ) Ql Q2 J 1 (1 - U/ 1 (1十1.56 v: ln一，V，1 1 ,. LI + 1.钻出/a2JL fol飞fo2.141J L- .J 代人图25中的尺寸，式(52)、式(53)和式(55)变为z和e =e (1- 4. 0 10-元)fl(701 96.7 UJ (0. 78 + . ;: I 1 fo飞1-2 f/ fo 1 e =1+、一1 + 2. 86 f/ fo J叫吨=寸(主一主刮叫)卜叫叶=才(1 一更扫钉钊f川汗2f:?:二L:丰L2川川呼8

12、创呼叩6哨男按照文献毗舶臼2叫中Q2=也叫咛1旧+0呼l也为空腔的负载Qo本条的参考文献见口3J16Jo10.4 试验样品和腔. ( 52 ) . ( 53 ) 样品应是直径为1.60 mm士0.01mm和长度为22mm士0.5mm的圆柱A。把样品放到一个传输型TMo10圆柱形腔中，腔的尺寸如图25所示。样品的终端通过腔壁上的小孔，孔的直径为1.61 m士0.01 mm，适当地运用衰减器或隔离器使腔的输人和输出电路与腔匹配。腔的负载Q应超过2000。测试样品应很清洁和干燥，还应有一个足够强的轴向磁场，否则由于磁损耗的存在将得到的错误值参考文献20J)。33 GB/T 9633一2012/IEC

13、 60556: 2006 注z空腔共振频率为10.7GHz(参考文献20J 4.5 22 35 固25带有样晶的谐振腔的尺寸10.5 测量装置单位为毫米图26为测量装置的方框图。从一个适当的元调制或有幅度调制的微波源A来的功率通过可变衰减器D，借助于定向藕合器E，晶体检波器和功率计F，使功率在整个测量期间保持在一个稳定的电平上，这个稳定功率通过精密可变衰减器G到达腔H，腔的输出功率经过检波后在一个合适的功率计I上指示出来。C 图26副量复介电常数所需装置的方框圄10.6 测量程序用精密衰减器引人一个3dB的衰减，在腔中没有样品时，调整微波频率使腔谐振，这时腔输出功率最大。记下谐振时的输出功率电

14、平，并用一个波长计或其他相当的装置在B处测量谐振频率100除去GB/T 9633-2012/IEC 60556: 2006 衰减器上的3dB的衰减，定出两个频率点，在这两个频率上，腔的输出功率与存在3dB衰减腔谐振时的输出功事一样。通过利用频率稳定源C外差技术在B处确定这两个半功率点频率的问隔。腔的有载Q值由下式给出=Qo fo 一tll1/2 ( 56 ) 式中ztll1/2一一半功率点的频率间隔。把样品放人腔中并用同样的方法测量11和Q10测量时，样品应位于轴向磁场中。该磁场强度应足够高(正常为400kA. m-1以上)，以使测量结果与磁场进一步增加元关。测量最好在室温下完成。10.7 计

15、算用式(53)和式(55)计算和EF的值，以及介质损耗因子用tan，=/el给出。10.8 准确度用式(53)近似计算E的误差实际上可以忽略(参考文献20J用式(55)计算所给出的数字很高。若盯/100.17，即若1216，则该误差低于3%(参考文献20J)。搞合孔的影响是使E的测量值增加。当e16时，其误差低于1.5X10-o由于磁损耗的影响所产生的误差兑10.4和参考文献20J。样品直径2b(图24)的误差将导致在(/-1)和E产生相对误差，后者比前者大一倍，且符号相反自即:b=1.60 mm士0.01mm时，误差为士1.3%。由于腔壁上小孔样品仲出端通过的小孔)崎影响，的测量值也很小。由

16、此而引人的误差已发表了不同的结果(参考文献23J、24J和25J)。10.9 数据表示报告中应包括以下数据24、E和tan8.的值z测量时材料的温度z样品特有的标记。测量的估计精确度也应给出。11 表现密度p啊11. 1 51言材料的表现密度定义为标准试验样品的质量与体积之比，可用求积法或排水法测量。对多孔性材料(气孔率大于3%)求积法可达到足够的精确度(士1%)并且比排水法方便。对于低气孔材料气孔率小于3%)气孔率需要更精确地估计表现密度，因此推荐用排水法。11.2 表现密度求棋法)11. 2. 1 目的用求积法测量多孔的多晶旋磁材料的表现密度。本方法适用气孔率大于其体积3%的材料，对于35

17、 G/T 9633-2012/IEC 60556 : 2006 气孔率小于其体和、3%的材料也可应用，但从精确度和经济上考虑应优先用下面第11.3中给出的方法。本方法的测量精确度可优于士1%。11. 2. 2 试验样晶试验样品应是规则的，体积不小于5c旷的机制物体，形状可以是正圆柱体，也可以是直角平行六面体。若采用平行六面体则理想的应为立方体。因为对于一定体积，一定机械加工绝对公差的样品来说，立方体由机械加工精度引人的误差将最小。试样应在新鲜的二氯甲皖中煮沸3min进行清洗，接着在约1l0C下干燥30min.凡能达到同样效果的其他清洗方法都可采用。11.2.3 测量装置需要一架称重精确度达到士

18、0.02g的天平和一把读数达到士0.01mm经校准的千分尺。11.2.4 校准天平应按上面11.2. 3给出的精确度校准。11.2.5 测量程序清洗好去过油和干燥了的样品，称其质量并测它们的尺寸。应进行两次独立的称重且至少每个尺寸应获得两个独立的数据。11. 2. 6 计算试样的表现密度按式(57)计算zpapp =m/V . ( 57 ) 式中zm-一样品质量zV一一由线性尺寸计算的体积。11.2.7 精确度本方法各种固有的不精确性是由于样品形状的不规则的缺陷，尤其是沿边缘和角处的碎裂所引起的。若样品为一个体积比5cm3小得多的立方体，该误差变得严重并可能大于士1%。用增加立方体的体积或者选

19、用同样体积的圆柱形的方法，则可使因边缘碎裂所引起的误差减为最小值。在圆柱形的情况下，选用长度大于直径的样品，可使误差进一步减至最小。由于本测量方法假设所有的表面缺陷是试验样品的内在特性，所以本方法将总是低估了真实的表现密度。11.2.8 数据表示表现密度应如下表示z表观密度(求积法)=pO士1%)g/cm3n，这里p的值应给出三位有效数字。本报告亦应包括样品特有的标记。11.3 表现密度(排水法)11. 3. 1 目的测量致密的多晶旋磁材料的表现密度用排水法。本方法适用于不吸水的、致密的陶瓷材料，材料的GB/T 9633-2012/IEC 60556: 2006 气孔率低于体积的3%，精确度高

20、于士0.2%。11. 3. 2 原理因为密度的实际变化大于0.5%时，常常包含着材料其他性质的不可忽略的变化。若要使表现密度的测量值有实际意义就要具有士0.2%量数的精确度。由于称重精确度达到土0.02%没有多大困难，因此测量的精确度就取决于体积测量。对气孔率足够低且气孔不互相连接的材料，最精确最经济地测量体积以及密度的方法是排水法。在本方法中，样品的体积V由悬浮在空气中样品的质量和浸没在水中的样品的表观质量之差给出。IIP: V =(ml - W2)!(p, - p.) . ( 58 ) 式中zm一一悬浮在空气中的样品的厦量Fmz 悬浮在水中的样品的表现质量;如一一测量条件下水的密度zp.一

21、测量条件下空气的密度。表现密度为z主,&-9tu m-m 二一w-i M斗mm一p p a 4 . ( 59 ) 11. 3. 3 试验样晶试验样品是形状规则、体恕不小于1cm3的机制物体。样品应在新鲜的二氯甲烧煮沸3min进行清洗，然后在约110C下烘干30mino凡能达到同样敖果的其他清洗方法亦可选用。11. 3. 4 测量装置测量需要一架称重精确度达到士0.001g的天平，一个装有蒸锢水的容器，容器口径应不小于试样最大直径的三倍。11. 3. 5 校准天平应按上面11.3.4中给出的精确度校准。11.3.6 测量程序经清洗、去油的试样，在空气中称重(ml).然后样品完全浸设在蒸馆水中称重

22、(mz)，细心操作以确保样品的全部表面彻底弄湿，且没有气泡附着在上面。若需要可在水中加人少量湿润剂以及应记下水的温度。11.3.7 计算试样的表现密度由式(59)计算Pw和p.值从标准的表格中查出(参考文献20J)。11. 3. 8 精确度偶然误差的来源包括=a) 样品表面未能被水完全弄湿，从而引起表面附着气泡，由此引起的偶然误差使密度值偏低。b) 如果对上面所述的原因采取了适当预防措施之后，称重本身的不精确，将使偶然误差不大于0.1%。37 G/T 9633-2012/IEC 60556: 2006 最重要的系统误差的来源为zu 样品表面存在气孔。b) pw和p.值不准确，pw和p.分别为水

23、利空气的密度。没有考虑p.值会造成0.1%的系统误差以及当水的温度不为4.0c时，单位密度pw的偏离会造成大约每度0.02%的系统误差。假若使气孔率小于3%，由于暴露表面的气孔引起的误差可以忽略。气孔率超过大约3%时，由于气孔的相互连接，误差变得比较大，并且不常使用本方法。对于11.3.1所定义的致密的材料来说，由于完全避免了样品的宏观表面不规则而产生的误差，因此本方法优于求积法。测量同样尺寸的样品，与求积法的士1%的精确度相比，本方法典型的精确度可达0.2%。11. 3. 9 数据表示表现密度(排水法)pgXcm-3士0.2%飞p的值应给出三位有效数字。本报告亦应包括样品特有的标记。38 G

24、B/T 9633-2012/IEC 60556: 2006 参考文献下列参考文献是国内外专家对IEC60556标准的贡献，也是制定本标准的部分技术支持。1J D. O. Smith:Rev. Sci. Instr. 27. 26 1. 1956. 2J D. Dwight. N. Menyuk and D. O. Smith J. App1 Phys. 29 ,49 1. 1958. 3J W. E. Case and R. D. Harrington. JRes. NBS. 70C. 255.1966. 4J N. Frederick:Proc. IRE. , 49 , 1499 , 196

25、1. 5J S. Foner:Rev. Sci. Instr. ,30 ,548 ,1959. 6J M. Sparks:Ferromagnetic Re1axation Theory,Mcgraw Hil1. 1964. 7J C. E. Patton and JJ Green:Rev. Sci. Instr. , 42. No. 2. ,PP. 193-195 , Feb. 1971. 8J C. E. Patton: A Review of MW-Re1axation in Po1ycrystalline Ferrites IEEE Trans. Magn. 8,1972. 9J Q.

26、H. FVrehen:ourna1 of Applied Physics. Vol. 40. No. 4.15 March.1969. 口OJB. Vallantin et a1. Proceedings of the EMC. 1973. l1J L. Courtois. B. Lemarire. CR Acad. SC. 256. April1963. 口2JC. E. Patton. Physica1 Review. Vol. 1. No. 2. 10 March 1969. 口3JSchanda:Archiv der E1ektr. Ubertragung.20,501 ,1966.

27、14J Montgomery(Editor) : Technique of Microwave Measurements, N ew Y ork, 1947. 口5JBronwell and Beam: Theory and App1ication of Microwaves , New York, 1947. 口6JBothe and Verwe1:IEEE Trans. On Magnetics,Vol. MAG-5 , 474 , 1969. 17J Estin and Bussey:IRE Trans. MTT毡，650，1960.口8JA Hermosir(these) Contri

28、butiona 1eture de 1a mesure des caractristiques die1ectriq a 9 GHz. 口9JG. W. C. Kaye and P. H. Laby(Longmans 13 th edition): Tab1es of Physica1 and Chemica1 Constants and some Mathematica1 Functions. 20J 振动样品磁强计的设计与应用.中国科学院物理所，1974年2月.21J 李文锐.JDM-1型微振动样品磁强计的研制.吉林大学物理系，1975年10月.22J 周世昌等.旋磁铁氧体M-T曲线的自动

29、记录技术.华中工学院学报，第十卷第一期.23J 喻德琼.33GHz频率下旋磁材料H和geff的测量.西南应用磁学研究所研究报告，1985年11月.24J 石成玉.300、1000MHz频率下旋磁材料H和gefl的测量.西南应用磁学研究所研究报告，1986年10月.25J 喻德琼.10GHz频率下旋磁材料H10和glO的测量.西南应用磁学研究所研究报告，1980年5月.26J 韩世莹.自旋波线宽的测量.物理学报第30卷，第6期，1981年6月.27J 丘其俊.微波铁氧体材料自旋披共振线宽Hk的测量.物理第11卷第9期，1982年.28J 石成玉.3cm频段多晶铁氧体的Hk测量.第九届全国磁学磁性

30、材料会议，1996年10月.29J 石成玉.YgdCaGeIn材料在不同脉冲宽度下的Hk.第八届全国微学磁学会议，1996年6月.30J 马永昌等.退火对有效线宽的影响.全国第五届磁学和磁性材料会议论文集，1983年.39 GB/T 9633-20 12jIEC 60556: 2006 31J 马永昌.在TMno四端口谐振腔中测量微波铁氧体的有效线宽.电子科学，1982年.32J 马永昌.普通微扰理论在微波电磁小损耗测量中引起的方法误差.中国电子学会第三届年会论文集，1982年.33J 马永昌.微波下复介电常数的测量方法.磁性材料及器件，1981年第一期.34J 钱维维.表现密度的测量方法.四

31、川灌县四新会议，1977年.40 OON mmo国NFON-mgmH阁。中华人民共和国国家标准微波频率应用的旋磁材料性能测量方法GB/T 9633-2012/IEC 60556 ,2006 中国标准出版社出版发行北京市朝阳区和平里西街甲2号(100013)北京市西城区三里河北街16号(10004日网址总编室，(010)64275323发行中心，(010)51780235读者服务部，(010)68523946中国标准出版社秦皇岛印刷厂印刷各地新华书店经销 开本880X 1230 1/16 印张3字数81千字2013年5月第一版2013年5月第一次印刷* 书号，155066. 1-46872定价42.00元如有印装差错由本社发行中心调换版权专有侵权必究举报电话:(010)68510107打印日期:2013年5月171:1F002A