Реферат: Определение оптимальных размеров датчика СВЧ поверхностных волн на основе меандровой линии замедления
Определение оптимальных размеров датчика СВЧ поверхностныхволн (П.В.) на основе меандровой линии замедления (Л.З.)
Датчик ПВ сигнала на основе меандровой ЛЗ (плоскаялинейная спираль)
характеризуется следующимиразмерами (рис. 1):
/>
рис. 1. Меандровая линия замедления
h — ширина,
L — длина,
2D — период,
D — ячейка ( шаг ) системы ,
/> — зазор междупроводниками,/> и /> - ширина и толщинапроводника,
/> и /> - расстояние от центрасистемы до экранов.
Составляющие полей полученыв [1] при использовании следующих приближений
1)вдоль проводников распространяется ТЕМ волна;
2)проводимость проводников и экранов бесконечна;
3)/><< h, т.е.краевыми полями пренебрегаем;
4)система неограниченна в направлении z и проводники имеют
квадратноесечение.
Полагая, дополнительно, что системапогружена в непроводящий диэлектрик с проницаемостью /> и электрическое полеоднородно, нормально к проводникам и не зависит от толщины проводника /> получаем выражения длясоставляющих магнитных полей в виде (в системе единиц СИ).
I область /> :
/>, (1) />.
IIобласть />:
/>, (2)
/>
IIIобласть />:
/>, (3) />/>.
где />, />, />,/>. (4)
/> ;m — номер проводника, />,
/>и /> - волновые числа n-й
пространственнойгармоники с набегом фазы на ячейку/>и/>
соответственно,коэффициенты />, />, />, />и /> аналогичны (4) с заменой /> на />, /> - волновое сопротивлениесвободного пространства, />-постоянная…Компоненты электрического поля имеют аналогичный вид, если в квадратных скобках sin kxи cos kx заменить на cos kx и sin kx соответственно.
В датчиках ПВ можно использовать каксоставляющую поля /> так и />, которые при удаленныхэкранах равны. Амплитуду магнитного поля находим из выражения для потокаэнергии переносимого вдоль системы
( выраженного через групповую скорость и энергию запасенную вячейке):
/>, где (5)
/>,
/>
/>
/>,
/>, (6)
/>,
/>, />.
аналогичны/>, /> и /> с заменой /> на />.
/> - мощность СВЧ, подаваемая к ЛЗ.
Из (5) следует, что амплитудамагнитного поля определяется суммой двух функций /> и />.Функция /> описывает поле в поперечнойплоскости XOY и дает среднее значение магнитногополя над поверхностью системы. Причем когда /> (/>, широкий меандр, короткие волны)преобладает синусная составляющая поля, когда /> (/>, узкий меандра длинные волны)преобладает косинусная составляющая поля. Функция /> описывает периодическую часть полявдоль координаты Z .
Сигнал датчика ПВ пропорционален среднеквадратичномузначению напряженности магнитного поля в образце, который можно выразить черезкоэффициент преобразования мощности в поле (6)
/> (/>-объем образца). В случае меандровойЛЗ он равен (при />):
/>, где (7)
/>/>
/> аналогично /> с заменой /> на />, t — толщина образца.
/>
Рис. 2. Зависимость коэффициентапреобразования мощности в поле для объемного образца от параметра kh/2.Кривые1,2 и 3 соответствуют толщинам образца t = 0, D/4 и D/2.Здесь /> - в />, D — в мм.
Зависимость />, от параметра спиралиkh/2 представлена на рис.2 (/>-вэ2/вт, /> — в мм) и была вычисленапри следующих предположениях
1) экраныудалены;
2) системасимметрична, т.е. />.
Поскольку про /> ряды (7) сходятся, как />, в расчете учитывалисьтолько члены с /> (члены ряда с n= ±2 не превышали 5% от нулевого). Функция />и /> рассчитывалась с учетомдисперсионной характеристики системы (5), построенной в координатах kh/2, />. Из рис.2, в частности,следует, что при D=0,4мм, />=2,6, />=3,2 смкоэффициент преобразования (в точке максимума />) равен ~5 э2/вт для образца толщиной 0,1мми примерно 9 э2/вт на поверхности системы.
Для определенияоптимальных геометрических размеров датчика найдем его чувствительность взависимости от параметров спирали и толщины образца. Полагая детектированиелинейным и что спираль и детектор идеально согласованны с СВЧ трактом образецнаходится с одной стороны спирали и равен ее длине и ширине и мощность СВЧ,поглощаемая в момент резонанса, мала в сравнении с подводимой.приходим квыражению :
/>, (8)
/>
Рис.3.Зависимость чувствительности датчика от параметров меандровой ЛЗ (kh/2) иотношения толщины образца t к шагу спирали D.
Где />,/>,/>–коэффициенты преобразования и сопротивление детектора, /> - мощность СВЧ, подводимаяк датчику, /> — изменение напряжения надетекторе СВЧ при резонансе, /> - мнимаячасть магнитной восприимчивости, />-меандроваяЛЗ. График выражения (8), для симметричной меандровой ЗС, представлен на рис.3,из которого находим оптимальную ширину датчика. Максимальную толщину образца и, следовательно, шаг спирали можно оценить из расстоянияs, на котором поле ослабляется в «е» отповерхности системы (7)
/>, где коэффициент замедления /> является, полагая,геометрическим />.
Определенная таким образом величина t может в /> разотличается от истинного значения поскольку, в данном случае, не учитываетсядвуволновый характер системы (система «меандр» являетсядвухступенчатой структурой [2]). Более точное значение t можно найти, построивпо рис.3 зависимость чувствительности датчика от объема образца (при заданном D и kh/2).
Оптимальная длина спирали при наличиипотерь, равна />, где постояннаязатухания /> находится экспериментально(расчет /> не дает удовлетворительногочисленного совпадения с экспериментальными данными).
КОНСТРУКЦИЯДАТЧИКА ПВ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.
На рис.4 приведенаконструкция датчика, изготовленная следующим образом. На заготовку из оркстекла(/>) наносят параллельныеканавки с шагом D и глубиной равной диаметру провода. Затем на заготовкевырезают пластинки (5) шириной h иповерх канавок накладывается медная пластинка. В образовавшееся отверстие продеваетсязигзагообразный медный провод, пластинка прогревается (до размягченияоргстекла) и удаляется.
Изготовленные меандровые ЛЗ имелиразмеры L=10 мм, />ммс шагом D = 0,4 мм и 0.6 мм. Подвод и отвод мощности СВЧ осуществлялся спомощью радиочастотного кабеля (3) РК-75-2-26, КСВ(Н) датчиков с /> мм не превышал 2,5 в диапазоне/> ГГц при наличиисогласующего экрана в виде усеченного конуса (4).Датчики с размерами h = 9 мм и9,5 мм имели граничную частоту в области 8 ГГц хорошо совпадающего созначением, найденным по дисперсионным характеристикам. Измеренные методомзамещения постоянные затухания датчика (на /> см)равны 3,6 дб/см (h = 4,5 мм, D =0,4 мм)
и 6,2 дб/см (h = 6 мм, D = 0,4 мм).
Полоса пропускания, определенная по частотнойхарактеристике датчика ПВ, превышает 1500 МГц для датчиков с />мм, что позволяетиспользовать их при контроле структуроскопии и дефектоскопии .
Измереннаязависимость сигнала датчика ЭПР (рис.5) от объема образца и высоты егорасположения над поверхностью спирали (образец толщиной 0,07 мм) показывает,что для датчика с h = 4,5 мм и h = 6 мм и шагом D = 0,6 мм предельный объемобразца равен 7 мм3 и 17 мм3 соответственно (приодностороннем расположении образца), а амплитуда сигнала датчика ПВ уменьшаетсяв «е» раз на высоте ~0,1 мм и ~0,17 мм для меандровых линий с h = 4,5мм и h = 6 мм соответственно. Большая скорость спадания поляс высотой для меандровой ЛЗ с меньшей шириной, по-видимому, является следствиемдвухступенчатой структуры «меандра». Это подтверждается тем, чтоэкспериментальные зависимости достаточно хорошо совпадают с вычисленными поданным рис.3, который был построен с учетом двуволного характера системы.Масштаб экспериментальных кривых и расчетных точек на рис.4 выбран так, чтобынайденные и рассчитанные значения для ЛЗ с h= 4,5 ммсовпадали при Vo=21 мм3 для ЛЗ с h = б мм при t/D =0,5.
Измеренная чувствительность датчиков(при направлении постоянного магнитного поля /> ортогонально плоскость XZ «меандра „) с h = 4,5 мм иh = 6 мм примерно совпадает (с учетом потерь ) с чувствительностью объемногорезонатора (/>) для образцов объемом 3,3 мм3и 4,3 мм3. Расчетное значение получается в ~ 2,5 раза завышенным,что по-видимому, связанно с тем, что при расчете не учитывались краевые поля и,кроме того, у изготовленных спиралей проводники не были строго параллельны.
На датчике с меандров ой ЛЗ былипроведены предварительные измерения на дефектоскопе диапазона (площадь образцапри двухстороннем расположении составляла ~ 90 мм2 при толщине 0,05мм) и показана возможность его использования в диапазоне волн меньше 1 см. Этооткрывает перспективы использования этого датчика для структуроскопическихработ в 8 мм диапазоне, т.к. система является полностью открытой.
Интересной особенностью датчика наоснове меандровой ЛЗ является изменение интенсивности сигнала ПВ (примерно в 9раз на изготовленных датчиках) при изменении направления постоянного магнитногополя />, когда последниеперпендикулярно плоскости XY“меандра». Это связанно с наличием круговой поляризации магнитногоСВЧ поля в этой плоскости, причем, как показывает расчет (уравнения (1) и (4))и эксперимент, направление вращения магнитного вектора противоположно поразные стороны от поверхности «меандра», что в свою очередь позволяетвыделить чистый сигнал от образца и подавлять сигнал от подложки .
Из полученных данных следует, чтомеандровые ЛЗ могут служить датчиками сигнала ПВ для плоских образцов толщиной~ 0,1 — 0,2 мм в 3 см диапазоне волн, объемов ~ 30 мм3 и площади ~300 мм2 ( в отсутствии диэлектрика ). Для сравнения укажем, что вслучае объемного резонатора Vo ~ 500мм3 и So ~ 300 мм2.При этом, однако, следует отметить важные преимущества датчиков плоскойконструкции:
1) плоские ЛЗ являются полностьюоткрытыми;
2) впротивоположность объемным резонаторам, когда образец помещается внутрьдатчика, в случае плоских ЛЗ можно помещать датчик на образец;
3) использовать датчики в качествеобъемного зонда;
4) упроститьтермостатирование образца в широком диапазоне температур (от высоких досверхнизких) при одновременном облучении образца;
5) исследовать нетолько ровные плоские поверхности, но и поверхности с гладкой кривизной;
6) использоватьинтегральные СВЧ схемы, что особенно перспективно при низкотемпературныхизмерениях и при создании малогабаритных структуроскопов на основе интегральныхсхем.
Существеннымнедостатком датчиков на основе ЛЗ, по сравнению с объемными резонаторам,является наличие электрического поля в объеме образца. Однако, ихиспользование, наряду с объемными резонаторами, позволяет значительно расширить экспериментальные возможности структуроскопии.
Литература
1. Г.Л. Соболев, А.А. Хоркина,Вопросы электроники сверхвысоких частот,
1969, 6, 152. Изд. Саратовского ун-та.
2. Р.А. Силин, В.П. Сазонов,Замедляющие системы, Изд. “Сов. радио”,1960.