基于磁反馈的磁调谐器件激励方法_吴江.pdf

磁性材料及器件 第 54 卷 第 3 期 2023 年 5 月 35 基于磁反馈的磁调谐器件激励方法吴江 1，赵勇 1，马金龙 2，李晟 1，王玲巧 2(1.西南应用磁学研究所，四川绵阳 621000；2.西北工业集团有限公司，陕西西安 710043)摘要：磁调谐器件激励电路主要通过采样电流形成恒流源，从而获得稳定磁场，但是此方法容易出现器件频率漂移。针对现有技术存在的问题，提出一种基于磁反馈的磁调谐器件激励电路，通过采用磁传感电路检测磁场的感应电压形成反馈回路，将应力、温度、磁滞等因素的影响纳入闭环控制，从而减小甚至消除磁调谐器件的频率漂移，同时可减小器件的温升，提高可靠性。关键词：磁调谐器件；激励电路；频率漂移；磁反馈；电路中图分类号：TN74文献标识码：A文章编号：1001-3830(2023)03-0035-04DOI:10.19594/ki.09.19701.2023.03.006著录格式：吴江,赵勇,马金龙,等.基于磁反馈的磁调谐器件激励方法J.磁性材料及器件,2023,54(3):35-38./WU Jiang,ZHAO Yong,MA Jin-long,et al.Magnetic tuning device excitation method based on magnetic feedback J.Journal of Magnetic Materials and Devices,2023,54(3):35-38.Magnetic tuning device excitation method based on magnetic feedbackWU Jiang1,ZHAO Yong1,MA Jin-long2,LI Sheng1,WANG Ling-qiao21.Southwest Institute of Applied Magnetics,Mianyang 621000,China;2.Northwest Industries Group Co,Ltd,Xian 710043,ChinaAbstract:The current magnetic tuning device excitation circuit mainly forms a constant current source by sampling the current to obtain a stable magnetic field,but this method is prone to the frequency drift of the device.This paper proposes a magnetic feedback-based excitation circuit for magnetic sensing circuit to detect the induced voltage of the magnetic field to form a feedback loop and incorporates the effects of stress,temperature and hysteresis into closed-loop control.So as to reduce or even eliminate the frequency drift of the magnetotuned device,and at the same time reduce the temperature rise of the device and improve reliability.Key words:magnetic tuning device;excitationcircuit;frequencydrift;magneticfeedback;circuit1 引言YIG磁调谐器件是基于旋磁材料的铁磁共振原理实现超宽带调谐的一系列器件，包括带通滤波器、带阻滤波器、振荡器等。磁调谐器件具有调谐频带宽、调谐线性度好等优点，广泛应用于各类电子对抗设备、高精度测试仪器中1-3。磁调谐器件受到磁滞、温度、应力等因素的影响，频率会发生偏移，严重影响仪器设备的性能。针对现有技术方案的缺点，提出了一种基于磁场反馈的磁调谐器件激励方法和电路，以期减小、消除由于应力、磁滞等因素带来的长期困扰磁调谐器件的频率漂移问题。2 基于电流反馈的磁调谐器件激励方法YIG磁调谐器件的频率特性主要取决于YIG材料的铁磁共振特性，一般采用球形谐振子，则其谐振频率f和外加磁场H0可近似表示为线性关系4-5：f=H0(1)其中，为旋磁比，其值为2.8 MHz/Oe。可见，要实现磁调谐器件的宽频工作，除了需提供高精度、宽范围可调谐的磁场外，必须保持磁场稳定，避免产生频率漂移现象。收稿日期：2022-10-16 修回日期：2022-11-06通讯作者：赵 勇 E-mail:磁性材料及器件 第 54 卷 第 3 期 2023 年 5 月 36 通常采用线圈和磁心材料的组合实现所需恒稳磁场，即在线圈中施加恒定电流，在磁路气隙结构中产生所需的均匀、恒定磁场。在不考虑各部分漏磁的理想情况下，工作气隙中的磁场强度Hg=0lmr+lgNI(2)式中，lm为磁路有效长度，lg为气隙长度，N为线圈匝数，I为线圈中通过的电流，0为真空磁导率，r为磁心材料的相对磁导率。通常采用高磁导率的软磁金属磁心形成磁路，则lm/r远小于lg，一般将其忽略。对于确定结构的器件，线圈匝数N和气隙长度lg是固定不变的，气隙内的磁感强度 Hg和电流呈线性关系，则由(1)、(2)式可得：f=0lgNI(3)改变电流即可改变工作频率，这也是磁调谐器件实现电调的基础。一般采用单级线性恒流源实现可控的稳定电流6-7。图1为常规单级线性恒流电路原理简图。工作原理简述如下：电阻取样电路产生取样电压，取样电压和通过磁调谐器件线圈的电流值呈线性关系，该取样电压与设定电压进行比较，通过V/I放大电路控制三极管进行电流放大，从而改变施加于磁调谐器件绕组上的电流，在磁调谐器件的磁路气隙中产生出所需的磁场。通过采用高精度元件、温度补偿等技术手段，可获得高稳定电流，在磁路特性不变的前提下，获得可调谐的高稳定磁场。现有技术可简单描述为：电阻采样电流至闭环反馈环路形成恒流源，获得稳定磁场。但现有技术存在如下问题：(1)由稳定电流得到稳定磁场的前提条件是磁路参数稳定不变，有的情况下难以满足该条件。比如磁性材料的磁导率在温度、应力等作用下会发生较大变化，其影响不能忽略。比如安装螺钉后形成的应力、温度变化带来的热胀冷缩效应等，会导致磁路气隙长度发生变化，尽管激励电流未变，但磁路气隙中的磁场会发生变化，从而导致磁调谐器件频率漂移。(2)磁心材料的磁滞效应可能导致频率漂移。激励电流阶跃变化时，磁滞效应产生的剩磁会叠加在气隙磁场上，对于相同的激励电流，气隙间的磁场强度偏离所需磁场强度值，导致磁调谐器件的频率漂移。(3)取样电阻功耗大，温升高。为了保证反馈环路的稳定，一般采用阻值较大的取样电阻，激励电流较大，电阻功耗大、温升高，影响其可靠性。综上所述，现有技术的根本问题在于：激励电路的闭环反馈环路只能保证电流的精度，而磁场变化在电流闭环反馈环路外。除了主要取决于电流外，还受磁滞、应力等其它因素的影响，导致的磁场变化无法被检测到，也就无法通过闭环反馈环路进行修正，从而形成磁调谐器件的频率漂移。3 基于磁反馈的磁调谐器件激励方法图2为磁反馈的磁调谐器件激励方法的原理框图。主要由磁传感电路、功率放大电路，误差放大电路等组成。其中，磁传感电路置于磁路采样气隙中，用于产生与所检测磁场强度线性相关的感应电压。一般由霍尔传感器集成电路及相关滤波电路构成，或者由单独的霍尔传感芯片配合相关的驱动、滤波等分离器件构成，也可由各向异性磁电阻(AMR)、隧道磁电阻(TMR)等传感器及相关滤波电路构成。磁路采样气隙和工作气隙一般选择二者重合，即空间足够的情况下，磁传感电路优先置于工作气隙，以达到最佳的磁场传感效果。如果空间不足，或需传感磁场强度超过磁传感电路的工作范围，则可以单独设置磁路采样气隙，或将磁传感电路放置在工作气隙附近。此时，传感的是杂散磁场，其和图1 常规单级线性恒流源电路原理简图图2 基于磁反馈的磁调谐器件激励电路原理框图吴江等：基于磁反馈的磁调谐器件激励方法 37 工作磁场大小之间具有一定的比例关系，杂散磁场的数值较小且可能存在由于不对称结构导致的不均匀性，因此，置于磁极附近的效果会不如放置于磁极中心处，需进行补偿修正。功率放大电路一般包括功率管和外围电路。功率管可用达林顿管、MOSFET、三极管或这些管的组合构成，外围电路包括限流电阻补偿电容等分离元件。功率放大电路也可采用压控线性恒流源、DC/DC变换器等实现，只要能由控制电压改变电流即可。误差放大电路具有积分环节，用于使误差电路输出电压固定为特定的值，以保持放大电路的输出稳定。本激励方法工作原理如下：(1)初始状态时，功率放大电路控制端无电压，不导通，绕组中没有电流，不产生磁场，磁传感电路感应电压为零。(2)设定电压发生电路产生设定电压，即设定所需工作磁场，设定电压作用于误差放大器的正向输入端，误差放大器的负向输入端为磁传感电路的输出电压，即为零，则误差放大器输出最大，该电压作用于功率放大电路的控制端，使得功率放大电路等效电阻最小。(3)绕组电感阻碍电流突变，气隙内的磁场随电流增大而增大，磁传感电路的输出电压相应增大，施加于误差放大器的反向输入端，误差放大器的输出减小，误差电压将使功率放大电路的等效电阻增大，即电流减小，由于误差放大器的积分作用，误差电压输出将恒定为某个特定值；(4)以上动态调整过程将自动持续进行，直到磁传感电路的输出电压和设定电压相等，此时，磁调谐器件的工作频率f=1GVr(4)式中，Vr为设定电压，G为磁传感器灵敏度，特定的磁传感器的灵敏度是恒定的，因此，磁调谐器件的工作频率将只取决于设定电压的精度和稳定度。(5)当改变设定电压或由于温度、应力导致气隙磁场变化时，该控制环路将自动调整，最终使得气隙间的磁场恒定为所需值，即工作频率始终为设定值，也就解决了频率漂移的问题。下面将分别描述解决应力、磁滞问题的调整过程：安装应力或温度变化导致工作气隙长度发生变化时，在相同的绕组电流下，气隙间的磁场强度将发生变化，直接反映到磁传感电路的输出电压中。当气隙长度减小，气隙磁场强度增大，大于所需磁场，磁传感电路输出电压增大，误差放大电路的输出增大，控制功率放大电路等效电阻增大，则绕组电流减小，即气隙间的磁场减小，通过环路积分反馈作用，最终将使气隙间的磁场与所需磁场相等；同理，当气隙长度增大，误差放大电路将控制功率放大电路增大绕包电流，使气隙间的磁场与所需磁场相等。以上过程的最终结果是不管工作气隙距离如何受应力、温度等影响而变化，工作气隙内的磁场始终维持在设定大小，则磁调谐器件的工作频率始终保持设定值。当电流阶跃减小时，磁心材料磁滞效应产生的剩磁叠加在气隙磁场上，在相同电流下的气隙磁场将大于所需磁场，即磁传感电路的感应电压将增大，误差放大电路的误差输出电压将减小，放大电路控制极的电压减小，使得放大电路的等效电阻增大，绕组电流减小，即气隙间的磁场减小，通过环路的积分反馈作用，使气隙间的磁场与所需磁场一致，最终结果将使得工作气隙内的磁场始终维持在设定的大小，则磁调谐器件的工作频率始终保持设定值。本文提出的基于磁反馈方法与现有基于电流反馈的技术相比优点在于：(1)采用磁传感电路检测磁场代替采样电阻检测电流，将磁传感器输出的感应电压作为反馈量接入反馈环路，使得应力、温度、磁滞等因素的影响也被纳入闭环控制，从而有利于解决频率偏移问题。(2)磁传感电路工作电流一般为mA级，功耗仅为数十mW，是现有技术方案的几十分之一，功耗和发热可忽略，可避免大功率采样电阻导致的发热、可靠性降低问题。4 基于磁反馈的磁调谐器件激励实现图4为基于磁反馈的激励电路的主要原理图，其中，U3型号MAX5541为高精度16位DAC，通过单片机、FPGA等器件控制产生设定电压，即设置所需磁场。Vref为DAC的参考电压，通过温度系数为1 PPM/的电压基准源MAX6325产生(基准源和其外围电路图中未绘出)。U4为双运算放大器OPA2134，U4B构成电压跟随器，作为 U3 的输出缓冲器，U4A 和 R1、R2、R3、C1等构成误差放大电路，通过放大设定电压和磁性材料及器件 第 54 卷 第 3 期 2023 年 5 月 38 磁场传感器输出的感应电压的差值产生误差电压，控制功率放大电路实现对电流的调整功能。磁传感电路由U1、C2、C3、C4、R4等构成，U1为线性霍尔传感器芯片A1318，输出电压与磁场强度线性相关，灵敏度为0.5 mV/G，则可测量磁场范围为4000 G。C3、C4为旁路/滤波电容，R4和C2构成低通滤波器，滤除高频干扰。功 率 放 大 电 路 采 用 N_MOSFET 功 率 管IRF120N，误差电压作用于Q1的栅极改变等效内阻实现恒流输出。为了突出重点，这里没有绘出MCU等数字接口电路、运放/DAC等芯片的电源滤波/去耦电容、保护二极管、环路补偿电阻、泄放电阻等元件，在实际电路中应按需设计。图4为磁路结构示意图。其中，磁路1材料为精密合金1J50，形状为上下对称的罐型结构，中柱之间为长度1.5 mm的工作气隙4，工作气隙中放置磁传感电路3，即U1、C2等，以及YIG谐振子、支撑杆、介质腔等结构，即采用工作气隙和磁场检测气隙重合设计，线圈2采用漆包铜线绕制。另外，磁路上还有磁传感电路的输入输出线的出口，安装固定螺孔等附加结构未绘出。5 结论现有技术方案采样电流的激励方法，不能将磁滞、应力等因素的影响纳入反馈环路修正，导致磁调谐器件发生频率漂移，而通过直接采样磁感应强度的激励方法，可以减小、消除由于应力、磁滞等因素带来的频率漂移问题。参考文献：1袁强.基于ADuc812单片机的数控调谐YIG激励器J.兵工自动化,2012,46(6):78-80.2张卫,张菊艳.基于LTCC/LTCF的数控YIG调谐激励器设计与实现J.磁性材料及器件,2016,47(1):32-34.3冯辉煜,王津丰,靳乃昌,等.多倍频程数控高扫速YIG滤波器组件技术研究A.第十五届全国微波磁学会议论文集C.浙江金华,2011,253-257.4刘进,隋明明,郭亮,等.基于FPGA的YIG数字激励器设计与实现J.第十五届全国微波磁学会议论文集C.浙江金华,2011.283-287.5邹丹.YIG 滤波器的补偿电路设计A.第十四届全国化合物半导体、微波器件和光电器件学术会议论文集C.广西北海,2006.757-761.6赵勇,代中华,张弛.基于电压跟踪的高效率YIG调谐激励器原理与设计J.磁性材料及器件,2018,49(2):34-38.7赵勇,张弛,何大鹏,等.高效率YIG调谐激励器驱动电路设计J.磁性材料及器件,2018,49(1):31-34.作者简介：吴 江(1965)，男，苗族，毕业于重庆大学，高级工程师，研究方向为压电与声光技术及磁性材料与器件技术。图3 基于磁反馈的激励电路的主要原理图图4 磁调谐器件的磁路结构示意图