磁芯应力对移相器移相特性影响的实验研究

zgjxcad

　　【关键词】移相器,磁芯,应力,移相特性,稳定性



　　【论文摘要】对磁芯因受外部压力产生应力时对铁氧体移相器移相特性影响进行了初步实验研究。实验结果表明，只要磁芯内部残存着应力敏感性，当磁芯受力大到一定程度后，其不良影响就会逐渐地表现出来。因此，我们的工作首先要使磁芯的磁致伸缩系数λs尽量趋于零，其次是在确定磁芯与壳体之间的公差配合以及进行移相器装配时，仍然要考虑到磁芯内可能残存的应力敏感性。



　　1前言



　　有关铁氧体移相器方面的文献几乎无一例外地提到要降低铁氧体磁芯对应力的敏感性，以消除应力对移相特性的稳定性和一致性等方面的不良影响。工程上常采取的措施是在材料的配方中添加适量的锰以及热处理退火等。在移相器中，磁芯可能受到的应力有竖直方向、水平方向的压力，纵向方向的压力或拉力以及壳体发生形变时引起的扭力等几种(图1)。



　　为了描述移相器的特性，我们常将差相移与脉冲激励电流的关系称为移相特性，将由此形成的曲线称为移相特性曲线。稳定性是相对于单只移相器而言的，一致性是相对于使用于同一天线阵面的多个移相器而言的。



　　有关应力对移相器特性影响的测试，国内少有报道。我们在这方面做了一次尝试性的初步实验。实验是通过对矩形管状磁芯的窄边竖直加压使其内部产生应力，以模拟磁芯存在类似应力的情况，然后测试移相器在不同压力下的移相特性。探求磁芯受到不同压力时，移相特性的变化规律，增加感性认识，指导实际工作，最终提高工程铁氧体移相器性能的稳定性和一致性。



　　实验前，我们做了充分的准备工作：为了获得准确可信的实验结果，使用高档矢量网络分析仪测量差相移、采用计算机控制自动采集实验数据、存储和绘制移相特性曲线，对实验移相器(磁芯和壳体)进行了精加工、精装配、精匹配。2磁芯应力的来源



　　铁氧体移相器磁芯应力的来源主要有以下几个方面：2.1来自装配和安装的应力



　　如果磁芯与壳体的公差配合不当，磁芯竖直或水平方向上的尺寸偏大，装配时就可能使磁芯受到如图1、图2所示来自壳体竖直或水平方向上的压力而引起应力；若移相器在传输线上存在安装位置不完全吻合，可能会引起扭曲应力。



　　2.2热胀冷缩引起的应力



　　在移相器工作温度变化较大时，由于金属壳体与磁芯的热膨胀系数不一致，可能导致磁芯在竖直和水平方向受到压力、纵向方向受到压力或拉力而引起应力。当微波通过磁芯时，由于能量损耗而发热，磁芯与波导接触的地方比其内部的温度低，导致内外膨胀程度不同而引起应力。2.3磨加工后的残余应力



　　铁氧体磁芯在移相器装配前必须进行六个面的磨加工，并达到要求的尺寸和形位公差。磨加工后，磁芯在表面存在着因加工而产生的收缩性应力。这种应力会随着时间等因素逐渐变小，从而影响移相特性的稳定性。工程上为了消除这种应力，一般采用退火处理。3测试系统和实验移相器



　　测试系统如图3所示，主要由矢量网络分析仪、计算机、移相器激励器、实验移相器等几部分组成。测试时先对移相器进行复位激励，校零后再由计算机控制激励器向移相器自动依次从小到大、均匀递增地发出255个置位脉冲激励电流，与此同时计算机还控制矢量网络分析仪自动依次分别测出对应的255个差相移的值，并对测试结果自动采集。为了便于观察和比较，实验中还利用计算机将每次实验采集的结果绘成对应的移相特性曲线。



　　实验移相器是一只能够在竖直方向上施加压力的X波段移相器，如图4所示。它的壳体是用黄铜经过精密加工而成的，它的主要部位均采用了精密线切割工艺，其刚性和精度都能很好地满足实验的要求。



　　4实验方法



　　根据现有的实验条件，对实验移相器在磁芯的竖直方向上进行定量和非定量加压，模拟磁芯在工程移相器内竖直受力引起应力的情况。实验时，压力由小到大逐渐增加，同时观察和比较在不同压力下得到的每条移相特性曲线之间的差异和变化趋势。实验流程如图5所示。



　　4.1磁芯选择



　　实验移相器内需要三只磁芯，为了保证实验中三只磁芯受力的一致性，本实验从现有的石榴石磁芯中用千分尺精心挑选出了三只，竖直方向的尺寸基本一致，偏差≤0.01mm。4.2实验移相器装配



　　将选出的磁芯安装在实验移相器壳体内，穿入激励线固定后与激励器连接。4.3实验移相器匹配



　　为了尽量减小微波反射对差相移ΔΦ测试准确度的不良影响，实验采用相对介电常数约为5的陶瓷匹配块对实验移相器进行了双向精心匹配，使其在测试频率点±3%的带宽内VSWR≤1.17，测试频率点的VSWR≤1.06。4.4定量加压实验



　　首先，按图3进行必要的准备和预运行，正常后进行实验。根据现有的加压条件，在实验移相器上依次按0kg、20kg、40kg、60kg、80kg、93kg逐步加压。每加一次压力，就测一次移相特性，即测255个脉冲激励电流对应的ΔΦ。我们用d0、d20、d40、d60、d80、d93依次表示在以上对应压力下的移相特性或移相特性曲线；下标表示压力的大小。4.5非定量加压实验



　　非定量加压实验过程与定量加压实验相似，差别在于定量加压实验采用法码加压，而非定量加压实验则是采用小型台虎钳加压。采用非定量实验的目的是为了获得远大于定量实验的压力。台虎钳每旋紧一次，压力增加一次，同时也测一次移相特性。在这里我们用f0、f1、f2……、f13依次表示在对应旋紧次序下的移相特性或移相特性曲线；下标表示旋紧操作的序号。例如f2表示第二次旋紧加压条件下测的移相特性或移相特性曲线。5实验结果



　　5.1定量加压



　　定量加压实验依照压力从小到大的顺序进行了六次。为了便于观察和比较，我们把测得的结果d0、d20、d40、d60、d80、d93在图6a中分别绘成对应的六条移相特性曲线。



　　实验使用的脉冲激励电流序号从1～255。在实验条件下，若第255个脉冲激励电流为I255，能够将移相器从复位状态置位到满足要求的相对最大差相移ΔΦ255，则第100个脉冲激励电流的强度可近似为100 I255/255。其余同理。



　　观察图6a，我们看到六条曲线几乎完全重叠，这表明至少在不超过93kg压力的情况下，实验移相器的移相特性是基本稳定的。那么在更大的压力下移相特性还稳定吗？非定量加压实验给出了问题的答案。5.2非定量加压



　　与定量加压实验的方式相似，非定量加压实验也是依照压力从小到大依次进行的，共进行了十三次。对应的十三个实验结果也可以绘成十三条移相特性曲线。为了便于观察，在此只均匀地选择了f0、f4、f8、f13四个结果，它们的曲线如图6b所示。



　　观察图6b中曲线，我们能看出随着压力的不断加大，移相特性曲线之间开始出现分离现象。为了便于进一步弄清非定量加压的影响，我们从f0、f4、f8、f13四条曲线中均匀地选出一部分典型数据，列于表1。ΔΦ0表示磁芯没受力时的差相移，ΔΦ4表示通过台虎钳第四次加压时的差相移，其余同理；Φ4-0表示在脉冲激励电流相同的条件下，ΔΦ4与ΔΦ0的差，以此类推。



　　6讨论



　　在图6a中，当压力从零逐步增至93kg(磁芯竖直受力面积约为3.3cm2)时，所得到的6条移相特性曲线基本重合，这现象表明：至少在压力不超过93kg的情况下，磁芯内应力的增加对移相特性几乎没有影响。与图6a不同，图6b中移相特性曲线的分离现象显示了磁芯内残存的应力敏感性：当压力过大时，移相特性开始随压力的增大逐渐发生变化。综合图6a和图6b，我们不难看出，起初移相特性几乎没有发生变化，呈现出对来自外界的压力不敏感性；但是，当压力大到一定程度后，移相特性曲线开始呈现出这样一种变化趋势——在第120个脉冲激励电流前后一段区域内，随着压力的逐渐增大，差相移增大，曲线向上偏移；差不多所有的曲线都是在第220个脉冲激励电流附近交叉，之后的变化规律是压力越大差相移越小，曲线向下偏移。



　　我们知道移相器的差相移依赖于磁芯的剩余磁化强度Mr，而Mr又由脉冲激励电流激励和控制，所以，从本质上说，移相特性是剩余磁化强度Mr与脉冲激励电流之间的对应关系。由于磁芯中的应力是通过λsσ影响应力各向异性能Fσ(Fσ∝λsσ，λs为磁滞伸缩系数，σ为应力)的，而Fσ影响着Ms的易磁化方向[1]，以致最终影响Ms的大小、Mr的稳定和ΔΦ的稳定。如果λs为零，则λsσ和Fσ就等于零，应力对Mr影响也就不存在了[2]。因此，工程上我们通常加适量的锰，利用两种材料的λs正负号不同相互抵消，使磁芯材料的λs趋于零[3]。



　　从以上实验结果可以看出，涡街流量计磁芯的Mr是在承受了较大的压力后才出现变化的。曲线中部随着压力的增大向上偏离说明此时磁芯的剩磁Mr随着压力的加大而增大；曲线后部向下偏离说明Mr随着压力的加大而变小。造成这种现象的原因可能是随着压力的加大一方面Ms下降，另一方面剩磁比R却上升，到了曲线的后部终因Ms变小使Mr下降。



　　在工程上，如果磁芯与移相器壳体在常温下配合较紧，就会在磁芯内产生应力；当移相器工作在-40～0℃时，由于金属壳体的热胀系数比磁芯大，会导致磁芯受到很大的压力，从而引起更大应力。一部相控阵天线要用许多移相器，受到加工工艺水平的限制，不可能使所有的磁芯和壳体的公差配合都做到绝对的合理和一致，这样一来，各个移相器内磁芯受力的大小就不可能一致，有的受力大，有的受力小。如果磁芯的Mr对应力存在敏感性，那么在一定的条件下就可能影响移相器移相特性的稳定性和一致性。很显然，要彻底消除应力的不良影响，理想情况就是要使λs等于零。



　　实际上，由于磁芯材料λs是温度的函数等原因，使磁芯的λs在工作温度范围内恰好等于零和始终等于零是很困难的，大多数情况只能做到趋近于零，即磁芯内总是或大或小残存着应力敏感性。从定量的角度看，λs趋近于零至什么程度才算是合格，必然要结合移相器对移相精度、稳定性的要求来综合考虑。



　　实验结果还告诉我们，尽管磁芯内残存着应力的敏感性，但只在压力大到一定程度才表现出来。并且这种敏感性越小，磁芯能承受的压力就越大。所以，磁芯承受的压力只要控制在其应力不敏感区，就不会对移相特性的稳定造成不良影响。7结束语



　　综上所述，为了消除应力的不良影响，我们的工作首先是在磁芯的成分中添加适量的锰，尽量使λs等于或趋于零，这是解决问题的根本所在；第二是对磨加工后的磁芯进行退火热处理；第三是考虑磁芯与壳体之间公差配合以及进行移相器装配时，仍然不能忽略磁芯内可能残存着对应力的敏感性。



　　虽然本次初步实验只考虑了磁芯在竖直方向上应力对移相特性的影响，也不是完全的定量实验，未涉及所有类型的应力的问题，但它的实验结果却能大大加深我们对应力影响移相特性的感性认识和理性认识，对今后做好相关工作有着很现实的意义。



　　参考文献



　　[1]宛德福，罗世华.磁性物理[M].北京：电子工业出版社，1987. 121～135[2]宛德福，罗世华.磁性物理[M].北京：电子工业出版社，1987. 239～241.[3]张有纲，等.磁性材料[M].成都：成都电讯工程学院出版社，1998.212.



　　【关键词】移相器,磁芯,应力,移相特性,稳定性



　　【论文摘要】对磁芯因受外部压力产生应力时对铁氧体移相器移相特性影响进行了初步实验研究。实验结果表明，只要磁芯内部残存着应力敏感性，当磁芯受力大到一定程度后，其不良影响就会逐渐地表现出来。因此，我们的工作首先要使磁芯的磁致伸缩系数λs尽量趋于零，其次是在确定磁芯与壳体之间的公差配合以及进行移相器装配时，仍然要考虑到磁芯内可能残存的应力敏感性。



　　1前言



　　有关铁氧体移相器方面的文献几乎无一例外地提到要降低铁氧体磁芯对应力的敏感性，以消除应力对移相特性的稳定性和一致性等方面的不良影响。工程上常采取的措施是在材料的配方中添加适量的锰以及热处理退火等。在移相器中，磁芯可能受到的应力有竖直方向、水平方向的压力，纵向方向的压力或拉力以及壳体发生形变时引起的扭力等几种(图1)。



　　为了描述移相器的特性，我们常将差相移与脉冲激励电流的关系称为移相特性，将由此形成的曲线称为移相特性曲线。稳定性是相对于单只移相器而言的，一致性是相对于使用于同一天线阵面的多个移相器而言的。



　　有关应力对移相器特性影响的测试，国内少有报道。我们在这方面做了一次尝试性的初步实验。实验是通过对矩形管状磁芯的窄边竖直加压使其内部产生应力，以模拟磁芯存在类似应力的情况，然后测试移相器在不同压力下的移相特性。探求磁芯受到不同压力时，移相特性的变化规律，增加感性认识，指导实际工作，最终提高工程铁氧体移相器性能的稳定性和一致性。



　　实验前，我们做了充分的准备工作：为了获得准确可信的实验结果，使用高档矢量网络分析仪测量差相移、采用计算机控制自动采集实验数据、存储和绘制移相特性曲线，对实验移相器(磁芯和壳体)进行了精加工、精装配、精匹配。2磁芯应力的来源



　　铁氧体移相器磁芯应力的来源主要有以下几个方面：2.1来自装配和安装的应力



　　如果磁芯与壳体的公差配合不当，磁芯竖直或水平方向上的尺寸偏大，装配时就可能使磁芯受到如图1、图2所示来自壳体竖直或水平方向上的压力而引起应力；若移相器在传输线上存在安装位置不完全吻合，可能会引起扭曲应力。



　　2.2热胀冷缩引起的应力



　　在移相器工作温度变化较大时，由于金属壳体与磁芯的热膨胀系数不一致，可能导致磁芯在竖直和水平方向受到压力、纵向方向受到压力或拉力而引起应力。当微波通过磁芯时，由于能量损耗而发热，磁芯与波导接触的地方比其内部的温度低，导致内外膨胀程度不同而引起应力。2.3磨加工后的残余应力



　　铁氧体磁芯在移相器装配前必须进行六个面的磨加工，并达到要求的尺寸和形位公差。磨加工后，磁芯在表面存在着因加工而产生的收缩性应力。这种应力会随着时间等因素逐渐变小，从而影响移相特性的稳定性。工程上为了消除这种应力，一般采用退火处理。3测试系统和实验移相器



　　测试系统如图3所示，主要由矢量网络分析仪、计算机、移相器激励器、实验移相器等几部分组成。测试时先对移相器进行复位激励，校零后再由计算机控制激励器向移相器自动依次从小到大、均匀递增地发出255个置位脉冲激励电流，与此同时计算机还控制矢量网络分析仪自动依次分别测出对应的255个差相移的值，并对测试结果自动采集。为了便于观察和比较，实验中还利用计算机将每次实验采集的结果绘成对应的移相特性曲线。



　　实验移相器是一只能够在竖直方向上施加压力的X波段移相器，如图4所示。它的壳体是用黄铜经过精密加工而成的，它的主要部位均采用了精密线切割工艺，其刚性和精度都能很好地满足实验的要求。



　　4实验方法



　　根据现有的实验条件，对实验移相器在磁芯的竖直方向上进行定量和非定量加压，模拟磁芯在工程移相器内竖直受力引起应力的情况。实验时，压力由小到大逐渐增加，同时观察和比较在不同压力下得到的每条移相特性曲线之间的差异和变化趋势。实验流程如图5所示。



　　4.1磁芯选择



　　实验移相器内需要三只磁芯，为了保证实验中三只磁芯受力的一致性，本实验从现有的石榴石磁芯中用千分尺精心挑选出了三只，竖直方向的尺寸基本一致，偏差≤0.01mm。4.2实验移相器装配



　　将选出的磁芯安装在实验移相器壳体内，穿入激励线固定后与激励器连接。4.3实验移相器匹配



　　为了尽量减小微波反射对差相移ΔΦ测试准确度的不良影响，实验采用相对介电常数约为5的陶瓷匹配块对实验移相器进行了双向精心匹配，使其在测试频率点±3%的带宽内VSWR≤1.17，测试频率点的VSWR≤1.06。4.4定量加压实验



　　首先，按图3进行必要的准备和预运行，正常后进行实验。根据现有的加压条件，在实验移相器上依次按0kg、20kg、40kg、60kg、80kg、93kg逐步加压。每加一次压力，就测一次移相特性，即测255个脉冲激励电流对应的ΔΦ。我们用d0、d20、d40、d60、d80、d93依次表示在以上对应压力下的移相特性或移相特性曲线；下标表示压力的大小。4.5非定量加压实验



　　非定量加压实验过程与定量加压实验相似，差别在于定量加压实验采用法码加压，而非定量加压实验则是采用小型台虎钳加压。采用非定量实验的目的是为了获得远大于定量实验的压力。台虎钳每旋紧一次，压力增加一次，同时也测一次移相特性。在这里我们用f0、f1、f2……、f13依次表示在对应旋紧次序下的移相特性或移相特性曲线；下标表示旋紧操作的序号。例如f2表示第二次旋紧加压条件下测的移相特性或移相特性曲线。5实验结果



　　5.1定量加压



　　定量加压实验依照压力从小到大的顺序进行了六次。为了便于观察和比较，我们把测得的结果d0、d20、d40、d60、d80、d93在图6a中分别绘成对应的六条移相特性曲线。



　　实验使用的脉冲激励电流序号从1～255。在实验条件下，若第255个脉冲激励电流为I255，能够将移相器从复位状态置位到满足要求的相对最大差相移ΔΦ255，则第100个脉冲激励电流的强度可近似为100 I255/255。其余同理。



　　观察图6a，我们看到六条曲线几乎完全重叠，这表明至少在不超过93kg压力的情况下，实验移相器的移相特性是基本稳定的。那么在更大的压力下移相特性还稳定吗？非定量加压实验给出了问题的答案。5.2非定量加压



　　与定量加压实验的方式相似，非定量加压实验也是依照压力从小到大依次进行的，共进行了十三次。对应的十三个实验结果也可以绘成十三条移相特性曲线。为了便于观察，在此只均匀地选择了f0、f4、f8、f13四个结果，它们的曲线如图6b所示。



　　观察图6b中曲线，我们能看出随着压力的不断加大，移相特性曲线之间开始出现分离现象。为了便于进一步弄清非定量加压的影响，我们从f0、f4、f8、f13四条曲线中均匀地选出一部分典型数据，列于表1。ΔΦ0表示磁芯没受力时的差相移，ΔΦ4表示通过台虎钳第四次加压时的差相移，其余同理；Φ4-0表示在脉冲激励电流相同的条件下，ΔΦ4与ΔΦ0的差，以此类推。



　　6讨论



　　在图6a中，当压力从零逐步增至93kg(磁芯竖直受力面积约为3.3cm2)时，所得到的6条移相特性曲线基本重合，这现象表明：至少在压力不超过93kg的情况下，磁芯内应力的增加对移相特性几乎没有影响。与图6a不同，图6b中移相特性曲线的分离现象显示了磁芯内残存的应力敏感性：当压力过大时，移相特性开始随压力的增大逐渐发生变化。综合图6a和图6b，我们不难看出，起初移相特性几乎没有发生变化，呈现出对来自外界的压力不敏感性；但是，当压力大到一定程度后，移相特性曲线开始呈现出这样一种变化趋势——在第120个脉冲激励电流前后一段区域内，随着压力的逐渐增大，差相移增大，曲线向上偏移；差不多所有的曲线都是在第220个脉冲激励电流附近交叉，之后的变化规律是压力越大差相移越小，曲线向下偏移。



　　我们知道移相器的差相移依赖于磁芯的剩余磁化强度Mr，而Mr又由脉冲激励电流激励和控制，所以，从本质上说，移相特性是剩余磁化强度Mr与脉冲激励电流之间的对应关系。由于磁芯中的应力是通过λsσ影响应力各向异性能Fσ(Fσ∝λsσ，λs为磁滞伸缩系数，σ为应力)的，而Fσ影响着Ms的易磁化方向[1]，以致最终影响Ms的大小、Mr的稳定和ΔΦ的稳定。如果λs为零，则λsσ和Fσ就等于零，应力对Mr影响也就不存在了[2]。因此，工程上我们通常加适量的锰，利用两种材料的λs正负号不同相互抵消，使磁芯材料的λs趋于零[3]。



　　从以上实验结果可以看出，磁芯的Mr是在承受了较大的压力后才出现变化的。曲线中部随着压力的增大向上偏离说明此时磁芯的剩磁Mr随着压力的加大而增大；曲线后部向下偏离说明Mr随着压力的加大而变小。造成这种现象的原因可能是随着压力的加大一方面Ms下降，另一方面剩磁比R却上升，到了曲线的后部终因Ms变小使Mr下降。



　　在工程上，如果磁芯与移相器壳体在常温下配合较紧，就会在磁芯内产生应力；当移相器工作在-40～0℃时，由于金属壳体的热胀系数比磁芯大，会导致磁芯受到很大的压力，从而引起更大应力。一部相控阵天线要用许多移相器，受到加工工艺水平的限制，不可能使所有的磁芯和壳体的公差配合都做到绝对的合理和一致，这样一来，各个移相器内磁芯受力的大小就不可能一致，有的受力大，有的受力小。如果磁芯的Mr对应力存在敏感性，那么在一定的条件下就可能影响移相器移相特性的稳定性和一致性。很显然，要彻底消除应力的不良影响，理想情况就是要使λs等于零。



　　实际上，由于磁芯材料λs是温度的函数等原因，使磁芯的λs在工作温度范围内恰好等于零和始终等于零是很困难的，大多数情况只能做到趋近于零，即磁芯内总是或大或小残存着应力敏感性。从定量的角度看，λs趋近于零至什么程度才算是合格，必然要结合移相器对移相精度、稳定性的要求来综合考虑。



　　实验结果还告诉我们，尽管磁芯内残存着应力的敏感性，但只在压力大到一定程度才表现出来。并且这种敏感性越小，磁芯能承受的压力就越大。所以，磁芯承受的压力只要控制在其应力不敏感区，就不会对移相特性的稳定造成不良影响。7结束语



　　综上所述，为了消除应力的不良影响，我们的工作首先是在磁芯的成分中添加适量的锰，尽量使λs等于或趋于零，这是解决问题的根本所在；第二是对磨加工后的磁芯进行退火热处理；第三是考虑磁芯与壳体之间公差配合以及进行移相器装配时，仍然不能忽略磁芯内可能残存着对应力的敏感性。



　　虽然本次初步实验只考虑了磁芯在竖直方向上应力对移相特性的影响，也不是完全的定量实验，未涉及所有类型的应力的问题，但它的实验结果却能大大加深我们对应力影响移相特性的感性认识和理性认识，对今后做好相关工作有着很现实的意义。



　　参考文献



　　[1]宛德福，罗世华.磁性物理[M].北京：电子工业出版社，1987. 121～135[2]宛德福，罗世华.磁性物理[M].北京：电子工业出版社，1987. 239～241.[3]张有纲，等.磁性材料[M].成都：成都电讯工程学院出版社，1998.212.







文章关键词： 移相器