Введение к работе
Актуальность темы. Частотно-селективные устройства и, в частности, фильтры являются важнейшими компонентами в системах связи, радиолокации и радионавигации, в специальной аппаратуре Часто ими определяются габариты, масса и цена прибора в целом В этой связи широкое распространение нашли микрополосковые фильтры (МПФ) -самые миниатюрные среди фильтров на электродинамических резонаторах Они отличаются высокой надежностью в работе, технологичны и дешевы в производстве Хорошо моделируются с помощью известных программных средств Sonnet, Touchstone. Microwave Studio, Microwave Office Кроме того, довольно высокая точность анализа микрополоско-вых конструкций с использованием одномерных моделей и квазистатического приближения позволили создать экспертные системы по скоростному проектированию МПФ, такие, например, как Filtex и ее усовершенствованную версию Filtex32
Прогресс в области микрополосковой техники, а это в первую очередь улучшение электрических характеристик фильтров и их миниатюризация, долгие годы осуществлялся в основном благодаря интуитивному поиску новых конструкций, а их математическое описание основывалось на моделях, в которых фильтры представлялись в виде системы связанных контуров Очевидно, что исследовать селективные свойства МПФ в зависимости от их конструктивных параметров на такой основе не представляется возможным Благодаря появлению достаточно производительных компьютеров, программ анализа, основанных на моделях, более приближенных к реальным конструкциям, и концепции частотно-зависимых коэффициентов связи появились реальные возможности исследовать селективные свойства различных микрополосковых фильтров в зависимости от их конструктивных параметров Важность подобных исследований обусловлена тем, что на основе полученных знаний можно проектировать устройства, удовлетворяющие конкретным техническим заданиям, на минимальном количестве резонаторов Микрополосковые резонаторы (МПР) имеют сравнительно невысокую собственную добротность, что не позволяет повышать избирательность фильтра простым увеличением числа звеньев в нем, т к при этом довольно быстро растут потери в полосе пропускания
Уровень подавления сигнала в полосе заграждения является важной составляющей селективных свойств фильтра Часто требуется обеспечить высокий уровень заграждения в какой-либо достаточно узкой частотной полосе В этой связи выявление закономерностей
формирования полюсов затухания на амплитудно-частотных характеристиках (АЧХ) МПФ является важной задачей Успешному ее решению способствует упоминавшаяся выше концепция частотно-зависимых коэффициентов связи, изучение которых также является важным аспектом в улучшении селективных свойств МПФ
Поиск новых конструкций МПФ (топологий полосковых проводников), направленный на улучшение селективных свойств и уменьшение размеров, привел к появлению большого их разнообразия Вместе с тем, оставалось огромной проблемой разработка узкополосных (<5%) и наоборот сверхширокополосных (>50%) МПФ на частоты менее 2 ГГц, а, кроме того, миниатюрных фильтров на частоты менее 500 МГц
Исследования МПФ на основе высокотемпературных сверхпроводящих материалов показали их большую перспективность, но вместе высветили ряд проблем, одна из которых - нелинейность характеристик при сравнительно низких уровнях мощности обрабатываемого сигнала Одним из путей ее решения является использование МПР, полосковые проводники которых не имеют углов и выступов В этой связи возникает вопрос о применимости одномерных моделей и квазистатического приближения для анализа подобных конструкций
Традиционным способом изготовления микрополосковых структур является оптическая фотолитография, изготовление фотошаблонов для которой - дорогой и длительный процесс, от которого во многом зависит цена и сроки разработки МПФ Поэтому актуальной также является задача разработки способа и устройства, заменяющих фотолитографию в изготовлении микрополосковых структур
Развитие СВЧ-техники всегда шло «рука об руку» с развитием методов и техники измерений электромагнитных характеристик материалов на СВЧ, во многом способствуя друг другу в этом процессе В качестве датчиков в резонансных измерениях используются, как правило, объемные резонаторы По вполне очевидным причинам они неприменимы на частотах ниже 2 ГГц Поэтому диапазон примерно от 200 МГц, где заканчивается применимость методов на сосредоточенных элементах, до примерно 2000 МГц является трудным для подобных измерений В последнее время интенсивно развивается ближнеполевая микроволновая микроскопия, где в качестве датчика используется коаксиальный резонатор Здесь также диапазон ограничен снизу, частотой примерно 1 5 ГГц В этой связи развитие методов и устройств микроволновых измерений в указанном диапазоне частот является важной задачей, одним из путей решения которой является использование микрополосковых резонаторов и структур
Электромагнитные измерения на СВЧ являются основой построении и функционирования датчиков во множестве устройств диагностики материалов и контроля параметров жидкостей Здесь также открываются широкие перспективы для применения микрополосковых резонаторов и структур, тем более что их намного удобнее интегрировать в различные конструкции
Цель работы. Достижение предельно возможных параметров полосно-пропускающих МПФ «традиционных» конструкций, создание миниатюрных конструкций, позволяющих реализовывать узкополосные и сверхширокополосные фильтры в «низкочастотной» части СВЧ диапазона, создание новых микрополосковых датчиков для диагностики материалов, уменьшение сроков и цены разработки микрополосковых конструкций Для достижения этой цели были поставлены и решались следующие задачи
1. Исследовать особенности частотно-зависимых коэффициентов связи параллельно-связанных полуволновых микрополосковых резонаторов и селективные свойства полосно-пропускающих фильтров на полуволновых параллельно-связанных и четвертьволновых шпильковых резонаторах
2 Исследовать возможности создания узкополосных (~1%), сверхширокополосных (>50%) и фильтров с расширенной высокочастотной полосой заграждения на частотный диапазон 500 2000 МГц в микрополосковом исполнении
3. Исследовать возможности создания миниатюрных фильтров на частоты менее 500 МГц
Исследовать применимость одномерных моделей и квазистатического приближения для анализа фильтров на нерегулярных МПР с плавным изменением ширины полоско-вого проводника
Исследовать применимость микрополосковых резонаторов-датчиков для низкотемпературных исследований и локальных измерений электромагнитных параметров материалов
Исследовать возможности создания на основе МПР высокочувствительных датчиков магнитного поля
Исследовать метод измерения электромагнитных характеристик материалов на СВЧ на основе взаимодействующих МПР
Исследовать возможности создания датчиков для диагностики материалов и контроля параметров жидкостей на основе взаимодействующих МПР
Разработать способ и устройство для изготовления микрополосковых структур
Научная новизна. Сформулировано более точное определение частотно-зависимых коэффициентов связи микрополосковых резонаторов, позволившее точно сопоставить полюсам затухания на АЧХ фильтров нули полного коэффициента связи Выявлены закономерности поведения частотно-селективных свойств МПФ на полуволновых параллельно-связанных и четвертьволновых шпильковых резонаторах в зависимости от конструктивных параметров Обнаружен факт немонотонной зависимости ширины полосы пропускания от величины зазоров между МПР в некоторых конструкциях МПФ благодаря чему на каждой из таких конструкций можно реализовать три фильтра, имеющие одинаковые полосы пропускания, но существенно отличающиеся зазорами между резонаторами Предложены новые конструкции МПР, позволяющие разрабатывать миниатюрные фильтры с улучшенными характеристиками Доказана применимость одномерных моделей и квазистатического расчета для анализа МПФ на резонаторах с плавным изменением ширины полоскового проводника Исследованы возможности использования МПР в качестве датчиков для электромагнитных измерений характеристик различных материалов при низких температурах и на локальных участках Разработан новый способ неразрушающего контроля магнитных материалов На основе взаимодействующих МПР разработаны новые методы и датчики для измерения физических величин и диагностики материалов на СВЧ Разработан новый способ и устройство для оперативного изготовления микрополосковых структур
Практическая значимость Закономерности, выявленные в результате исследований частотно-зависимых коэффициентов связи МПР и селективных свойств МПФ, способствуют выбору оптимальной конструкции при проектировании фильтра. Разработаны оригинальные конструкции МПФ на многомодовых МПР, позволяющие конструировать узкополосные и сверхширокополосные фильтры в диапазоне 500 2000 ГГц Разработана оригинальная конструкция полоскового резонатора на подвешенной подложке, позволяющая конструировать миниатюрные фильтры на частоты менее 500 МГц Применимость одномерных моделей и квазистатического расчета для анализа МПФ на резонаторах с плавным изменением ширины полоскового проводника, показанная в работе, позволяет «подключать» такие конструкции к системам автоматизированного проектирования Показана возможность использования микрополосковых резонаторов в качестве датчиков для измерения различных физических величин, например, магнитного поля, и создания на их основе приборов для диагностики материалов при низких температурах и для локальных измерений электромагнитных характеристик материалов В частности, сканирующий спектро-
метр ферромагнитного резонанса позволяет измерять основные магнитные характеристики тонких пленок на локальных участках, а на его основе предложен способ неразрушающего контроля магнитных материалов Разработан высокочувствительный метод измерения диэлектрических констант материалов на основе взаимодействующих МПР. позволяющий освоить «трудный», 200 2000 МГц, диапазон частот На основе этого метода разработаны датчики для измерения диэлектрических констант различных материалов, а также датчики устройств диагностики материалов, в частности контроля влажности и содержания солей в нефтепродуктах Разработанный автоматизированный координатограф для изготовления рисунков полосковых проводников позволяет в несколько раз снизить временные и материальные затраты на разработку микрополосковых устройств Ряд устройств, разработанных на основе результатов диссертационной работы, внедрены на предприятиях оборонной промышленности, а также используются в учебном процессе и научных исследованиях ряда университетов, что подтверждается соответствующими актами Положения, выносимые на защиту.
Уточненное определение частотно-зависимых коэффициентов связи микрополосковых резонаторов, позволившее точно сопоставить полюсам затухания на АЧХ фильтров нули полного коэффициента связи
Закономерности поведения частотно-селективных свойств МПФ на полуволновых параллельно-связанных и четвертьволновых шпилькових резонаторах в зависимости от их конструктивных параметров
Зффеїсг немонотонной зависимости ширины полосы пропускания от величины зазоров между МПР в конструкциях МПФ на параллельно-связанных резонаторах
4 Конструкции МПР, позволяющие разрабатывать миниатюрные узкополосные,
сверхширокополосные и фильтры с расширенной высокочастотной полосой заграждения в
диапазоне частот 500 2000 МГц
Конструкция резонатора на подвешенной подложке, позволяющая конструировать миниатюрные фильтры на частоты менее 500 МГц
Микрополосковые резонаторы-датчики для устройств низкотемпературной, до 77 К, и локальной диагностики электромагнитных характеристик материалов на СВЧ, а также способ неразрушающего контроля магнитных материалов
Двухкомпонентный датчик магнитных полей
Микрополосковый метод исследования диэлектрической проницаемости материалов на СВЧ
9 Датчики на основе взаимодействующих МНР для исследования диэлектрических
свойств материалов на СВЧ и диагностики жидких продуктов
10 Способ и устройство для оперативного изготовления микрополосковых структур
Апробация работы. Результаты работы докладывались на следующих Всероссийских
и Международных конференциях, Симпозиумах и Школах-семинарах Российская Конференция по Физике Диэлектриков, Санкт-Петербург, 1993, «Новые магнитные материалы микроэлектроники», Москва, 1996, 2000, 2002, «Спутниковые системы связи и навигации», Красноярск, 1997, «Application of the Conversion Research Results for International Cooperation», Tomsk, 1999, Международный Научный Семинар «Инновационные Техноло-гии-2001», Красноярск, 2001, «Microwave Electronics Measurements, Identification, Applications», Novosibirsk, 2001. «Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных конденсированных сред», Барнаул, 2001, Международный Сибирский Авиакосмический Салон, Красноярск, 2001, 2002, «Физика радиоволн», Томск, 2002, «Проблемы современной радиоэлектроники и систем управления», Томск, 2002, «Современные проблемы физики и высокие технологии», Томск, 2003, «Электронные средства и системы управления», Томск, 2004, 2005, «Trends in Magnetism», Krasnoyarsk, 2004. «Актуальные Проблемы Электронного Приборостроения», Новосибирск, 1998, 2000. 2002, 2004, 2006 Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», Севастополь, 2000, 2001, 2002, 2004, 2005. 2006
Публикации По теме диссертации опубликовано 25 статей в рецензируемых отечественных и зарубежных журналах. 18 статей в сборниках трудов Всероссийских и Международных конференций, получено 9 патентов
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения списка цитируемой литературы и приложения Общий объем составляет 287 страниц, включая 136 рисунков, 7 таблиц Список цитированной литературы состоит из 262 наименований
Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цели и задачи работы Приведены основные положения, выносимые на защиту Рассмотрена научная и практическая значимость работы
Первая глава диссертации, носящая обзорный характер, посвящена анализу тенденций развития микрополосковых устройств частотной селекции сигналов Рассмотрены наиболее распространенные конструкции МПФ на параллельно-связанных полуволновых и четвертьволновых резонаторах, регулярных и со скачком волнового сопротивления,
шпильковых полуволновых и четвертьволновых, спиральных, двухмодовых и т д Кратко описаны их основные свойства частотная область применимости, возможность получения узких или, наоборот, широких полос пропускания, ширина высокочастотной полосы заграждения и тд Изложена концепция частотно-зависимых коэффициентов связи микрополосковых резонаторов, на основе которой находят свое логичное и последовательное объяснение такие особенности АЧХ МПФ, как ее асимметрия в области полосы пропускания и полюса затухания Сделаны выводы о недостаточной изученности селективных свойств МПФ, что затрудняет выбор конструкции при проектировании конкретного фильтра, а также об отсутствии конструкций, на основе которых можно разрабатывать миниатюрные, узкополосные или, наоборот, сверхширокополосные фильтры нижней части СВЧ диапазона Отмечена высокая стоимость разработки микрополосковых устройств при использовании фотолитографии Рассмотрены примеры использования микрополосковых резонаторов в качестве датчиков для измерения электромагнитных свойств веществ на СВЧ Сделан вывод о том, что, несмотря на то, что с их помощью можно освоить «трудный» для традиционных методов диапазон частот ~200 2000 МГц, что они просты в изготовлении, легко интегрируются в измерительные цепи и т д, они получили недостаточно широкое применение в силу недостаточной изученности Кратко перечислены основные методы и средства исследований
Вторая глава посвящена исследованию частотно-зависимых коэффициентов связи регулярных и со скачком волнового сопротивления (СВС) полуволновых резонаторов
Частотно-зависимые коэффициенты индуктивной, емкостной и полной связи пары взаимодействующих микрополосковых резонаторов определяются на основе энергетического подхода
Ш) = 2Jm і, (і)
E\l + Ец + ^1С + Etc К
W—^x -' <2)
Kf)-MfkMU, о)
^2/=~JVl2(*)4W*
это энергия запасаемая магнитным полем каждого из резонаторов.
(4)
Е,ж =1 'fc ВД Ui, существенно увеличивающие крутизну склонов АЧХ Для выяснения природы этих резонансов было рассчитано распределение высокочастотных полей по длине полосковых проводников фильтра на соответствующих частотах С этой целью была рассмотрена упрощенная модель конструкции фильтра, состоящая из двух регулярных
полуволновых резонаторов с четвертьволновыми связями, к центрам полосковых провод-
ников которых были подключены регулярные невзаимодействующие друг с другом шлейфы
Рис 11 На рис 11 представлены распределения амплитуд высокочастотного напряжения и тока по длине полосковых проводников резонаторов U(x), 1(х) и шлейфов U(y), 1{у), построенные для частот всех минимумов обратных потерь в полосе пропускания fx -ft,, а также для низкочастотного ft и высокочастотного fh полюсов затухания Распределения получены при условии, что входным является верхний резонатор, а выходным - нижний Из рисунка видно, что на частотах f2 и /3 распределение полей в проводниках обоих резонаторов соответствует обычной полуволновой моде колебаний На частотах /|И /4 аналогичное распределение наблюдается только у входного резонатора Структура полей во втором резонаторе, благодаря шлейфу, соответствует четной моде при коротком замыкании на экран середины полоскового проводника В результате высокочастотный ток в центре выходного резонатора скачком изменяет знак, а знак напряжения остается неизменным по всей длине проводника
На частоте полюса затухания ft на той половине полоскового проводника выходного резонатора, к которой подключена выходная линия передачи, электромагнитные колебания отсутствуют, а на частоте полюса fi,, колебания отсутствуют во всех проводниках выходного резонатора, а также в той половине входного резонатора, которая связана с выходным Поэтому на частотах^ nfh высокочастотная мощность почти полностью отражается на входе фильтра.
Исследование селективных свойств фильтра показало, что величина коэффициентов крутизны склонов АЧХ главным образом зависит ширины шлейфа в месте его подключения к резонатору чем она меньше, тем выше крутизна склонов, при этом, однако, уменьшается уровень заграждения на «крыльях» АЧХ, и наоборот Оценки показали, что на резонаторах подобной конструкции можно разрабатывать фильтры с относительными полосами пропускания 2 30% в частотном диапазоне 0 2 12 ГГц на подложках с диэлектрической проницаемостью от 3 до 80
Следует отметить что соответствующим подбором размеров шлейфов оба полюса затухания можно поместить на один из склонов полосы пропускания, и тем самым значительно увеличить его крутизну
L дБ
300 400 500 600 700 800/МГц Рис 12
Подобные двухзвенные конструкции, хотя и обладают высокой крутизной склонов АЧХ, значительно превышающей крутизну даже четырехзвенных микрополосковых фильтров традиционных конструкций, например, на параллельно связанных резонаторах, однако проигрывают по уровню затухания СВЧ мощности в полосах заграждения Увеличение же числа звеньев в таком фильтре сопровождается большими трудностями при настройке устройства Поэтому при необходимости обеспечения высоких уровней затухания в полосах заграждения наиболее простым и перспективным решением, является каскадное соединение пары двухзвенных конструкций, имеющих одинаковую полосу пропускания
В качестве примера реализации такого устройства на рис 12 показана амплитудно-частотная характеристика фильтра 21-го телевизионного канала, изготовленного на подложках из керамики ТБНС размерами 24x30x2 мм Фильтр имеет относительную ширину полосы пропускания менее 5% и образован каскадным соединением посредством емкостной связи пары идентичных двухзвенных микрополосковых конструкций Видно, что при
этом уровень затухания в полосах заграждения фильтра достигает величины не менее -60 дБ, а крутизна склонов его АЧХ соответствует девятирезонаторной конструкции.
Рис 13
Сверхширокие (>50%) полосы пропускания фильтров реализуются традиционно за счет предельного уменьшения зазоров между резонаторами, что снижает электрическую прочность устройства. На рис. 13 изображена конструкция гребенчатого фильтра, в котором благодаря введению в его структуру полосковых проводников, соединяющих между собой проводники резонаторов у короткозамкнутых концов, осуществляется дополнительная, гальваническая, связь между ними Поэтому на такой конструкции реализуются сверхширокополосные фильтры
і, дБ
с достаточно большими зазорами между проводниками на тех их участках, на которые приходятся пучности электрического поля В принципе такой фильтр можно рассматривать как один многомодовый резонатор
03 06 09 12 15 Рис 14
/ГГц
На рис 14 изображены АЧХ двух трехзвенных фильтров с относительными полосами пропускания 20% и 100%, изготовленных на подложках из керамики ТБНС толщиной 1 мм с габаритами подложки 12x7 мм2 и 24x5 мм2 соответственно Сплошная линия - расчет в квазистатическом приближении, точки -измеренные АЧХ
,/
Об' 0 9 12 15 /.ГГЦ Рис 15
Исследование селективных свойств гребенчатого фильтра показало, что крутизна склонов АЧХ растет с увеличением числа звеньев, при этом всегда, однако, высокочастотный склон круче низкочастотного Имеется практически линейная зависимость между длиной полосковых проводников, объединяющих резонаторы фильтра у короткозамкнутых концов, и шириной полосы пропускания
Открытие высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) стимулировало поиск новых топологий микрополос-ковых фильтров Одним из побудительных мотивов к этому было увеличение устойчивости фильтра к повышенным мощностям обрабатываемого сигнала А одним из путей ре-
шения проблемы представлялось использование резонаторов, полосковые проводники которых не имеют резких изломов или углов Так резонаторы МПФ, изображенного на рис 46, стали бы выглядеть как на рис 15 При этом возникает вопрос о применимости одномерных моделей и квазистатического приближения для анализа подобных структур, так как только в этом случае возможно их автоматизированное проектирование Такое исследование было проведено В модели полосковые проводники резонаторов разбивались на 15-20 отрезков одиночных и связанных линий И, несмотря на то, что «длина» таких отрезков бьша меньше «ширины», а за величину последней бралось ее среднее значение на отрезке, согласие расчета с экспериментом в области первой полосы пропускания получилось более чем удовлетворительное Это демонстрируется рисунком 15, где сплошной линией изображена расчетная АЧХ, а точками - измеренная В области второй паразитной полосы пропускания наблюдается сильное расхождение, однако для практических целей это не имеет существенного значения
Большой проблемой является разработка миниатюрных фильтров на частоты ниже 500
МГц На рис 16 изображена конструкция трехзвенного фильтра на подвешенной подложке на основе которой можно проектировать фильтры с хорошими электриче-
Подложка
Проводники скими характеристиками на частоты до 100 МГц и ниже резонатора
с использованием подложек стандартных размеров В
Рис 16
ней каждый из резонаторов образован двумя полоско-выми проводниками, сформированными на противоположных сторонах подложки строго напротив друг друга Одним концом каждый из проводников замкнут на экран, причем на противоположных краях подложки Подложка фильтра подвешивается в металлическом корпусе, либо в углублении металлического основания, на котором монтируется схема
всего СВЧ устройства Сверху конструкция также закрывается металлическим экраном
Как показали исследования собственная добротность таких резонаторов выше, чем у обычных микрополосковьгх, настроенных на ту же частоту, а размеры подложки почти в два раза меньше Более того, их добротность растет с уменьшением толщины подложки Кроме того, отношение час-
тоты второй моды колебаний в нем, образующей паразитную полосу пропускания, к частоте первой моды более 4 и может быть еще увеличено Все это связано со значительным вкладом в колебательную систему взаимных индуктивностей и емкостей полосковых проводников, образующих резонатор
Конструкция очень хорошо моделируется отрезками одномерных линий, погонные параметры которых рассчитываются в квазистатическом приближении На рис 17 приведены рассчитанные (сплошные линии) и измеренные (кружки) АЧХ четырехзвенного фильтра, изготовленного на подложке из керамики ТБНС толщиной 0 5 мм и габаритами 25x17 5 мм Ширина всех полосковых проводников одинакова и равна w=2 мм Размеры полосковых проводников и зазоров между ними были предварительно получены параметрическим синтезом конструкции с использованием программы анализа для следующих характеристик полосы пропускания Центральная частота ^=280 МГц ширина полосы пропускания по уровню -3 дБ от уровня минимальных потерь Д/з=30 МГц, уровень максимумов обратных потерь в полосе пропускания —14 дБ После изготовления фильтра размеры проводников определялись на цифровом измерительном микроскопе, а затем эти размеры использовались в расчете для сравнения теории с экспериментом На вставке рис 17 видно, что результаты измерений частотных зависимостей прямых и обратных потерь хорошо согласуются с расчетом Видно также, что фильтр, имея всего четыре звена, обеспечивает заграждение более -70 дБ. при этом минимальные потери в полосе пропускания всего лишь L(f-l 2 дБ, а ширина полосы заграждения составляет 800 МГц
Применяя сворачивание полосковых проводников резонатора и скачки их ширины можно существенно уменьшить размеры фильтра и еще более расширить полосу заграждения Как показали исследования, конструкция применима в частотном диапазоне 50 3000 МГц и обеспечивает относительные полосы пропускания 1 100%
В пятой главе описаны датчики, основанные на микрополосковых резонаторах, для устройств низкотемпературных измерений электромагнитных характеристик материалов, локальных измерений поверхностного сопротивления и двухкомпонентный датчик магнитного поля
На рис 18а изображено продольное сечение микрополоскового резонатора и структура СВЧ полей в нем на частоте первой моды колебаний Если часть подложки, выделенную более светлым фоном удалить, то в образовавшемся таким образом воздушном зазоре генерируется сравнительно однородное магнитное поле на частоте первой моды, а резона-
тор можно использовать как датчик для измерения электромагнитных характеристик па соответствующей частоте.
(а) (б)
и*.
К!
к.
і :,...
Рис. 18 Как оказалось, резонаторы, выполненные с использованием подложек из керамики ТБ-S и по ли кора, выдерживают многократные циклы охлаждения до Т=77 К, а температурные изменении их резонансных частот при этом невелики и монотонны. Температурные зависимости частоты и интенсивности резонанса первой моды такого резонатора с образцом ВТСП-п ленки ведут себя и обпасти фазового перехода в сверхпроводнике состояние подобно температурным зависимостям мнимой и действительной частей поверх і гост кого импеданса ВТСП-пленок, температурные измерения которого являются тестовыми ддя последних. На основе подобного датчика был разработан прибор для оперативной диагностики Ш СП-пленок.
А/,, дБ
рх10*,Ом-м Рис 14
На рис. IS6 изображено поперечное сечение МПР с отверстием н экране, которое является локальным источником СВЧ магнитного поля, а сам резонатор, таким образом, может ЯВЛЯТЬСЯ датчиком для локальных измерений электромагнитных характеристик материалов: исследуемый материал располагается в непосредственной близости отверстия и по добротности резонанса первой моды можно судить о его поверхностном сопротивлении. На рис. 19 приведены измеренная и рассчитанная зависимости изменения интенсивности резонанса такого датчика от удельного сопротивления образцов, в stccss% которых жлчьмлгавйіжд» їШйЯжйхя ys "^стадгтов к ошввбв с известными значениями удельного сопротивления, которому проіюрционально поверхностное сопротивление. Датчик был изготовлен на подложке из керамики ТБКС толщиной 2 мм, дайна тякюс-кового проволника резонатора 19 мм. а ширина 3.5 мм, диаметр измерительного отверстия
2 мм Резонансная частота 1 ГГц Достоинством подобных датчиков является простота изготовления, а также то, что они хорошо моделируются с помощью известных программных средств
Если в состав МПР интегрировать тонкую магнитную пленку (ТМП), например, напылить ее с нижней стороны подложки под экран, то при наличии магнитного поля, напряженность которого удовлетворяет условиям ферромагнигного резонанса (ФМР) в пленке на частоте резонанса МПР его добротность упадет Последнее связано с тем, что в этих условиях возрастает мнимая часть высокочастотной магнитной проницаемости р. ТМП (энергия электромагнитного поля резонатора расходуется на поддержание прецессии магнитного момента в пленке) Поэтому по интенсивности резонанса МПР можно регистрировать, в определенных пределах, напряженность магнитного поля При этом сдвиг резонансной частоты МПР за счет изменения действительной компоненты ц пленки незначителен в силу малости ее толщины На этом принципе действует разработанный двухком-понентный датчик магнитного поля Он представляет собой МПР, полосковый проводник которого имеет форму прямоугольной рамки, в котором могут возбуждаться две ортогональные моды С нижней стороны подложки напылена ТМП из пермаллоя В соответствии с вышесказанным, по интенсивности резонансов этих мод определяются компоненты магнитного поля, параллельные сторонам рамки Чувствительность и диапазон измеряемых полей зависит от свойств ТМП В работе исследовались датчики на подложке из ТБНС толщиной 1 мм с размерами полоскового проводника-рамки резонатора 20x22 мм и ширинами сторон 1 мм и і 6 мм соответственно Частоты рабочих мод 520 МГц и 602 МГц Толщина пермаллоевой пленки 50 нм, ширина линии ФМР в ней Д#=4 Э на частоте 1 ГГц При таких параметрах рабочий диапазон датчика составил 0 5 Э, а оценочная чувствительность -10"6 Э Показано, что работа датчика с высокой точностью может быть проанализирована с использованием программ, основанных на одномерных моделях, состоящих их одиночных и связанных линий, погонные параметры которых вычисляются в квазистатическом приближении
В шестой главе описаны спектрометр ферромагнитного резонанса локальных участков магнитных пленок и способ неразрушающего контроля магнитных материалов на его основе
Основу спектрометра составляет МПР с отверстием в экране (см рис 186), вмонтированный в измерительную головку, рис 20 в которой размещены работающий в авто-
J^Uim
-Детектор
Генератор
"Корпус
\3<
7"
динном режиме генератор, стабилизируемый этим же МПР, и
детектор Измерительное отверстие является источником СВЧ
магнитного поля на резонансной частоте МПР и каналом связи с
исследуемым образцом Сигнал ФМР регистрируется как обыч
но по изменению добротности резонатора при развертке посто
янного магнитного поля и достижению им резонансных величин
Рис 20 для исследуемого образца Образец ТМП помещается под изме-
Рис 21
рительным отверстием на столике, в котором предусмотрено перемещение образца по двум взаимно-перпендикулярным направлениям и поворот на 360 вокруг оси, проходящей через центр измерительного отверстия Благодаря этому с помощью прибора можно измерять распределение по площади пленки такие ее характеристики, как величина поля одноосной и однонаправленной магнитной анизотропии, направление их осей, эффективной намагниченности насыщения, резонансного поля ФМР и ширины линии ФМР. коэрцитивной силы Набор из тридцати сменных головок, настроенных на различные частоты в диапазоне от 100 МГц до 6 ГГц, существенно расширяет возможности прибора Работа прибора управляется с помощью персонального компьютера В качестве иллюстрации на рис 21 приведено распределение эффективной намагниченности по площади пермаллоевой пленки, в которой специальным образом были наведены механические напряжения, измеренное с помощью описанного спектрометра
Основные характеристики спектрометра диапазон частот накачки 0 1 6 0 ГГц. диаметр измерительного отверстия (локальность измерений) 0 3 2 5 мм, отношение сигнал/шум при локальности измерения 1 0 мм для пермаллоевой пленки толщиной 100 А не менее 10, интервал магнитных полей развертки 0 500 Э, размеры площади, с которой снимается распределение магнитных параметров ТМП, до 45x45 мм, точность определения резонансного поля для пермаллоевых пленок толщиной 500 А ±0 02 Э, а ширины линии ФМР ±0 04 Э, погрешность определения угла поворота столика не более ±0 5
На основе вышеописанного спектрометра ФМР был разработан способ неразрушакмде-го контроля дефектов или упругих напряжений магнитных материалов, который заключается в следующем Как известно магнитные методы неразрушающего контроля основаны на регистрации магнитных полей рассеяния, создаваемых испытуемым объектом, картина
которых зависит в том числе от наличия и распределения в нем дефектов, механических
напряжений и тд В разработанном способе чувствительным элементом служит тонкая магнитная пленка с известными магнитными свойствами, закрывающая измерительное отверстие головки спектрометра Если приложить внешнее магнитное поле Я0 к образцу из ферромагнитного материала, то напряженность магнитного поля вблизи поверхности образца будет равна Н0-Нв, где Ив - напряженность магнитного поля рассеяния, создаваемого образцом Пусть на используемой в головке спектрометра ФМР частоте накачки резонансное поле в пленке равно Нц Поместив головку спектрометра над исследуемым участком образца, из условия tfR=#o-#B можно определить поле рассеяния вблизи него Точность определения Нв многократно повышается, если в измерениях регистрировать не ферромагнитный резонанс, а поле перемагничивания пленки - фактически коэрцитивную силу Нс на ее локальном участке Тогда поле рассеяния определяется из условия Нс ~Щ-НЯ Если выбрать пленку, на локальном участке которой перемагничивание осуществляется одним скачком Баркгаузена и в поле Н0, близком к нулю, то такая пленка фактически будет играть роль нуль-индикатора в описанном методе Преимуществом метода является то, что в нем, в отличие, например, от магнитооптического, фиксируется тангенциальная компонента поля рассеяния, которая, как известно, более чувствительна к наличию поверхностных деформаций, возникающих в деталях при их механической обработке
Седьмая глава посвящена микрополосковым методам и устройствам диагностики материалов на основе взаимодействующих резонаторов Основу метода составляет двухзвенная микрополосковая структура (ДМС) (по существу двухрезонаторный МПФ), на АЧХ которой имеется полюс затухания, рис 22, обу-
"0 200 400 600 S00 /МГц
словленный компенсацией индуктивного и емкостного р ,~
взаимодействий между резонаторами Частота полюса
зависит от их соотношения (см Гл. 2) и, вследствие этого, чрезвычайно чувствительна к изменению диэлектрической проницаемости подложки, т к последняя определяет величину емкостного взаимодействия между МПР Для иллюстрации на рис 23 приведены температурные зависимости относительного сдвига частоты полюса на АЧХ двухзвенных микрополосковых структур, выполненных на подложках из разтачиых термостабильных материалов, применяемых в СВЧ технике 1 - керамика Т-150, 2 - ТБНС, 3 - ТБ-8, 4 -плавленый кварц, 5 - поликор Оценки показывают, что относительная чувствительность метода к изменению s материала подложки не хуже 0 0001
На частоте полюса затухания, которая гораздо ниже резонансной (на рис 22 это 240 МГц против 840 МГц) распределение амплитуд напряжений и токов в полосковых про-
(Л/р//р) иг
ґ С
Рис 23
водниках ДМС таково, что максимум электрического поля приходится на свободные концы полосковых проводников, а магнитного поля - находится на концах, к которым подключены внешние линии передачи 960 Поэтому, помещая исследуемый образец между свободными концами полосковых проводников, по часто-9 63 те полюса затухания можно судить о его диэлектрической проницаемости, а между противоположными концами - о магнитной проницаемости т к б первом случае образец меняет емкостное взаимодействие между проводниками ДМС, а во втором - индуктивное «Глубина» полюса будет характеризовать соответственно диэлектрические и магнитные потери в образце Таким образом, двухзвенная микрополосковая структура может выполнять функцию датчика для измерения электромагнитных характеристик исследуемого материала, а сигналами датчика являются частота полюса и уровень прохождения сигнала на его частоте
Проведены исследования чувствительности такого датчика, которые показали, что для ее увеличения по s исследуемого материала необходимо уменьшить расстояние между полосковыми проводниками в зоне размещения образца и увеличить ею в области под-
Зона помещения образца
ключения ДМС к линиям передачи, как показано на рис 24 Этот
Рис 24
результат находится в полном соответствии с закономерностями поведения частотно-зависимых коэффициентов связи МПР, описанными в Гл 2 Для проверки работоспособности датчика был проведен эксперимент с образцом KDP (дигидрофосфат калия), в котором измерялась частота полюса затухания в зависимости от температуры в области структурного фазового перехода KDP (-160 -120 С) Датчик был выполнен на подложке из ТБ-8 (є=35) толщиной 1 мм и размерами 30x12 мм Полученная зависимость полностью коррелирует с литературными данными о поведении диэлектрической проницаемости образца в указанном температурном диапазоне
Если скомпенсировать индуктивное и емкостное взаимодействия на резонансной час
тоте двухзвенной микрополосковой структуры (см кривая 4 на рис 3), выбрав соответст
вующую конфигурацию ее полосковых проводников, то коэффициент прохождения сигна
ла на этой частоте становится чрезвычайно чувствительным к величине диэлектрической
проницаемости материала, располагаемого поверх полосковых проводников структуры
Действительно, в этом случае частота полюса затухания становится равной резонансной
частоте, а его положение, как говорилось выше, чрезвычайно чувствительно к изменению
соотношения между емкостным и индуктивным взаимодействиями МПР, поэтому смеще
ние полюса приводит к колоссальному изменению коэффициента прохождения ДМС на
резонансной частоте Исследования показали, что, например, коэффициент прохождения
д^ Б датчика, выполненного на подложке из поликора, меняется
на 30 дБ при изменении є жидкого образца от 7 95 до 8 35
В конкретных устройствах подобные датчики могут монтироваться в проем кюветы или трубопровода
Аналогичная по конфигурации полосковых проводни-
1 2 3 4 Но Э ков Двухзвенная микрополосковая структура, т е со ском-
Рис 25 пенсированными связями на резонансной частоте, но в со-
став которой интегрирована тонкая магнитная пленка, например, с нижней стороны подложки, является чрезвычайно чувствительным датчиком слабых магнитных полей На рис 25 приведена зависимость изменения коэффициента передачи на ее резонансной частоте в
зависимости от напряженности магнитного поля Видно, что изменение поля всего на 1 Э приводит к изменению уровня прошедшего структуру сигнала на 60 дБ Оценки показывают, что на подобном датчике можно достичь чувствительности в 10"7 Э
На рис 26 изображена конструкция трубчатого датчика для контроля состава жидкостей в трубопроводе По своей сути он также представляет собой двухзвенную микрополосковую структуру, но подложка которой свернута в трубу, а полосковые проводники расположены диаметрально противоположно на внутренней поверхности диэлектрической трубы Их подключение к внешним линиям осуществляется либо через емкости связи, либо кондуктивно через отверстия в стенке диэлектрической трубы Амплитудно-
частотная характеристика такой сірукгурьі подобна изображенной на рис. 22, и она может служить как дагчнклм для диэлектрических азмереннй жидкостей, так и датчяк-ом в системах оперативного контроля за составом жидкостей и разного рода технологических процессах, например солености воды, влажности нефтепродуктов и т.д. Для иллюстрации од рис. 2ft приведена гаадсимость уровня прошедшей мощности на частоте полюса затухания такого датчика от солености воды. Датчик представляй собой диэлектрическую трубу из керамики ТЛ-75 с внешним и внутренним диаметрами 64 мм и 53 мм соответственно, дли^ на полосковых проводников 66 мч, их ширима 8 мм. Частота полюса затухания пустого датчика 33.72 Ш'Ч Эксперименты на образцах влажной нефти показали, что частота полюса меняется линейно С увеличением содержания воды (до 20 %). при этом изменение влажности на 1%приводит к изменению частоты полюса на ].5%
На ос но не микрополоокового датчика, представляющего собой систему взаимодействующих резонаторов, разработан измеритель содержания жира и белка в молоке. І Ірел-ставлень) результаты, позволяющие оценить точность определения этих компонентов молока, которая оказалась не хуже 0.1%.
Восьмая глава посвящена спіканню автемагазяровшнвге координатографа «Скяль-пое>-9», управляемого компьютером, позволяющего практически чоянсешо заменить фотолитографию іфи изготовлении микрополосковых структур во всех случаях, когда не требуется высокого разрешения, С помощью JTuro прибора было изготовлено подавляющее число устройств, описанных в настоящей работе.
Управляющая координатографом программа считывает файл с координатами вершин рисунка полоско-вых проводников устройства. Тонкое микролетвис, закрепленное на резаке аппарата, прорезает сдой пластичного лака, которым предварительно покрыта метал лиз про на иная подложка. С удаляемых участков металлизации лак снимается под микроскопом, а затем проводится обычное химическое травление структуры, такое же, как и в фотолитографии.
Координатограф изготовлен в виде настольного блока, фотография которого показана на рис. 27. Работа прибора основана на использовании четырех шаговых приводов, два из которых приводят в движение столик с закрепленным на нем держателем
подложки по координатам Xи Y Третий привод осуществляет поворот резака вокруг своей оси так, чтобы его лезвие всегда было ориентировано вдоль направления реза Четвертый привод поднимает и опускает предметный столик на заданную величину на изломах линий рисунка проводников, исключая тем самым контакт подложки с резаком во время поворота лезвия
Координатограф имеет рабочее поле 60x48 мм2, погрешность в размерах структур не хуже ± 5 мкм, максимальная скорость резания 120 мм/мин, габариты 280x300x350 мм3
Разработанный прибор не только значительно сокращает время изготовления микропо-лосковых структур, а тем самым и время разработки устройства, но и удешевляет их производство в мелких сериях В настоящее время он является составной частью комплекса для автоматизированного проектирования и мелкосерийного производства микрополоско-вых фильтров Кроме того, с его помощью можно изготавливать электроды на образцах для исследования эффекта Холла и встречно-штыревые структуры для возбуждения поверхностных акустических волн и т д
В приложении приведены копии актов внедрения на устройства, разработанные на основе результатов исследований, изложенных в диссертации
Похожие диссертации на Микрополосковые устройства частотной селекции сигналов и диагностики материалов на сверхвысоких частотах
