Определение оптимальных размеров датчика СВЧ поверхностных волн (П.В.)
на основе меандровой линии замедления (Л.З.)
Датчик ПВ сигнала на основе меандровой ЛЗ (плоская линейная спираль)
характеризуется следующими размерами (рис. 1):
рис. 1. Меандровая линия замедления
h – ширина,
L – длина,
2D – период,
D – ячейка ( шаг ) системы ,
– ширина и толщина проводника,
– расстояние от центра системы до экранов.
Составляющие полей получены в [1] при использовании следующих
приближений
1) вдоль проводников распространяется ТЕМ волна;
2) проводимость проводников и экранов бесконечна;
<< h , т.е. краевыми полями пренебрегаем;
4) система неограниченна в направлении z и проводники имеют
квадратное сечение.
получаем выражения для составляющих магнитных полей в виде (в системе
единиц СИ).
:
.
:
, (2)
:
.
. (4)
,
– волновые числа n-й
-постоянная.. Компоненты электрического поля имеют аналогичный вид,
если в квадратных скобках sin kx и cos kx заменить на cos kx и sin
kx соответственно.
, которые при удаленных экранах равны. Амплитуду магнитного поля
находим из выражения для потока энергии переносимого вдоль системы
( выраженного через групповую скорость и энергию запасенную в ячейке):
, где (5)
,
,
, (6)
,
.
.
– мощность СВЧ, подаваемая к ЛЗ.
описывает периодическую часть поля вдоль координаты Z .
Сигнал датчика ПВ пропорционален среднеквадратичному значению
напряженности магнитного поля в образце, который можно выразить через
коэффициент преобразования мощности в поле (6)
):
, где (7)
, t- толщина образца.
, D – в мм.
– в мм) и была вычислена при следующих предположениях
1) экраны удалены;
.
) равен ~5 э2/вт для образца толщиной 0,1мм и примерно 9 э2/вт на
поверхности системы.
Для определения оптимальных геометрических размеров датчика найдем его
чувствительность в зависимости от параметров спирали и толщины образца.
Полагая детектирование линейным и что спираль и детектор идеально
согласованны с СВЧ трактом образец находится с одной стороны спирали и
равен ее длине и ширине и мощность СВЧ , поглощаемая в момент резонанса
, мала в сравнении с подводимой .приходим к выражению :
, (8)
Рис.3. Зависимость чувствительности датчика от параметров меандровой ЛЗ
(kh/2) и отношения толщины образца t к шагу спирали D.
-меандровая ЛЗ. 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 расстояния s ,на котором поле ослабляется в “е” от поверхности
системы (7)
.
раз отличается от истинного значения поскольку, в данном случае, не
учитывается двуволновый характер системы (система “меандр” является
двухступенчатой структурой [2]). Более точное значение t можно найти ,
построив по рис.3 зависимость чувствительности датчика от объема образца
(при заданном D и kh/2).
не дает удовлетворительного численного совпадения с экспериментальными
данными).
КОНСТРУКЦИЯ ДАТЧИКА ПВ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.
) наносят параллельные канавки с шагом D и глубиной равной диаметру
провода. Затем на заготовке вырезают пластинки (5) шириной h и поверх
канавок накладывается медная пластинка. В образовавшееся отверстие
продевается зигзагообразный медный провод, пластинка прогревается (до
размягчения оргстекла) и удаляется.
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).
мм , что позволяет использовать их при контроле структуроскопии и
дефектоскопии .
Измеренная зависимость сигнала датчика ЭПР (рис.5) от объема образца и
высоты его расположения 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 объем образца равен 7 мм3 и 17 мм3 соответственно (при
одностороннем расположении образца), а амплитуда сигнала датчика ПВ
уменьшается в “е” раз на высоте ~0,1 мм и ~0,17 мм для меандровых линий
с h = 4,5 мм и h = 6 мм соответственно. Большая скорость спадания поля с
высотой для меандровой ЛЗ с меньшей шириной, по-видимому, является
следствием двухступенчатой структуры “меандра”. Это подтверждается тем,
что экспериментальные зависимости достаточно хорошо совпадают с
вычисленными по данным рис.3, который был построен с учетом двуволного
характера системы. Масштаб экспериментальных кривых и расчетных точек на
рис.4 выбран так, чтобы найденные и рассчитанные значения для ЛЗ с h=
4,5 мм совпадали при Vo=21 мм3 для ЛЗ с h = б мм при t/D = 0,5.
) для образцов объемом 3,3 мм3 и 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 были проведены предварительные измерения на
дефектоскопе диапазона (площадь образца при двухстороннем расположении
составляла ~ 90 мм2 при толщине 0,05 мм) и показана возможность его
использования в диапазоне волн меньше 1 см. Это открывает перспективы
использования этого датчика для структуроскопических работ в 8 мм
диапазоне, т.к. система является полностью открытой.
, когда последние перпендикулярно плоскости XY “меандра”. Это связанно
с наличием круговой поляризации магнитного СВЧ поля в этой плоскости,
причем , как показывает расчет (уравнения (1) и (4)) и эксперимент ,
направление вращения магнитного вектора противоположно по разные стороны
от поверхности “меандра”, что в свою очередь позволяет выделить чистый
сигнал от образца и подавлять сигнал от подложки .
Из полученных данных следует, что меандровые 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 в случае объемного резонатора Vo ~ 500 мм3 и
So ~ 300 мм2. При этом, однако, следует отметить важные преимущества
датчиков плоской конструкции:
плоские ЛЗ являются полностью открытыми;
в противоположность объемным резонаторам , когда образец помещается
внутрь датчика , в случае плоских ЛЗ можно помещать датчик на образец;
использовать датчики в качестве объемного зонда;
упростить термостатирование образца в широком диапазоне температур (от
высоких до сверхнизких) при одновременном облучении образца;
исследовать не только ровные плоские поверхности, но и поверхности с
гладкой кривизной;
использовать интегральные СВЧ схемы, что особенно перспективно при
низкотемпературных измерениях и при создании малогабаритных
структуроскопов на основе интегральных схем.
Существенным недостатком датчиков на основе ЛЗ, по сравнению с объемными
резонаторам, является наличие электрического поля в объеме образца.
Однако, их использование, наряду с объемными резонаторами, позволяет
значительно расширить экспериментальные возможности
структуроскопии.
Литература
Г.Л. Соболев, А.А. Хоркина, Вопросы электроники сверхвысоких частот,
1969, 6, 152. Изд. Саратовского ун-та.
Р.А. Силин, В.П. Сазонов, Замедляющие системы, Изд. “Сов. радио”, 1960.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
