Содержание к диссертации
Введение
1 Аназиз современного состояния исследования фотонных структур с запрещенной зоной, их характеристик и возможностей применения в ближнеполевой СВЧ-микроскопии 14
2 Исследование электродинамических характеристик резонаторов ближнеполевого свч-микроскопа на основе фотонных кристаллов 34
2.1 Математическая модель взаимодействия электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с одномерными волноводными фотонными кристаллами 34
2.2 Особенности спектров отражения и прохождения электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, взаимодействующего с фотонными кристаллами, содержащими равное и различное число периодически повторяющихся элементов 37
2.2.1 Результаты компьютерного моделирования частотных характеристик коэффициентов отражения и прохождения одномерных волноводных СВЧ фотонных кристаллов без нарушения периодичности структуры 37
2.2.2 Результаты компьютерного моделирования частотных характеристик коэффициентов отражения и прохождения одномерных волноводных СВЧ фотонных кристаллов с нарушением периодичности структуры 48
2.3 Экспериментальное исследование амплитудно-частотных характеристик
коэффициентов отражения и прохождения электромагнитного излучения,
взаимодействующего с резонаторами на основе фотонных кристаллов 50
3 Исследование свч-устройств, созданных на основе рамочных элементов и характеризующихся наличием запрещенной и разрешенной зон для распространения электромагнитного излучения 59
3.1 Модель СВЧ-устройства на основе диафрагмы и системы связанных рамочных элементов 59
3.2 Компьютерное моделирование СВЧ-характеристик устройства на основе диафрагмы и связанных рамочных элементов, характеризующегося наличием запрещённой и разрешённой зон 61
3.2.1 Волноводная структура на основе диафрагмы и связанных рамочных элементов с неоднородностью типа «штырь с зазором» и при её отсутствии 61
3.2.2 Электрически управляемая неоднородность в виде n–i–p–i–n-структуры 65
3.2.3 СВЧ-характеристики устройства на основе диафрагмы и связанных рамочных элементов с n–i–p–i–n-структурой в качестве управляющего элемента 68
3.3 Экспериментальное исследование СВЧ-устройства на основе диафрагмы и системы связанных рамочных элементов, характеризующегося наличием запрещённой и разрешённой зон 70
3.3.1 Результаты экспериментального исследования СВЧ-устройства на основе диафрагмы и системы связанных рамочных элементов, характеризующихся наличием разрешённой зоны 70
3.3.2 Результаты экспериментального исследования СВЧ-устройства на основе диафрагмы и системы связанных рамочных элементов, характеризующихся наличием разрешённой зоны 71
3.4 Волноводное устройство на основе диафрагмы и системы рамочных элементов с n–i–p–i–n-структурой для управления выходной мощностью генератора на диоде Ганна 76
4 Исследование амплитудно-частотных характеристик зондов ближнеполевого свч-микроскопа 79
4.1 Компьютерное моделирование амплитудно-частотных характеристик микрокоаксиального зонда ближнеполевого СВЧ-микроскопа с резонатором в виде отрезка волновода 79
4.2 Исследование ближнеполевого СВЧ-микроскопа на основе полупроводникового автодинного генератора на диоде Ганна с использованием микрокоаксиально-волноводного перехода, центральный проводник микрокоаксиала которого выступает за пределы внешнего проводника, в качестве ближнеполевого зонда 88
4.2.1 Теоретическое описание эффекта автодинного детектирования в многоконтурном генераторе на диоде Ганна 88
4.2.2 Конструкция и принцип действия ближнеполевого СВЧ-микроскопа на основе полупроводникового автодинного генератора на диоде Ганна 94
4.2.3 Визуализация электрофизических характеристик микро- и наноструктур с использованием ближнеполевого СВЧ-микроскопа на основе генератора на диоде Ганна 97
4.3 Компьютерное моделирование амплитудно-частотных характеристик микрокоаксиального зонда ближнеполевого СВЧ-микроскопа, центральный проводник микрокоаксиала которого выступает за пределы внешнего проводника, с резонатором в виде фотонного кристалла с нарушением периодичности структуры 103
4.4 Экспериментальное исследование ближнеполевого СВЧ-микроскопа с резонатором на основе фотонного кристалла и регулируемым элементом связи в качестве зонда 111
4.4.1 Конструкция ближнеполевого СВЧ-устройства с резонатором на основе фотонного кристалла и регулируемым элементом связи в качестве зонда 111
4.4.2 Зондовые измерения диэлектрических пластин 113
4.4.3 Зондовые измерения нанометровых металлических плёнок 118
Заключение 126
Список литературы
- Особенности спектров отражения и прохождения электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, взаимодействующего с фотонными кристаллами, содержащими равное и различное число периодически повторяющихся элементов
- Компьютерное моделирование СВЧ-характеристик устройства на основе диафрагмы и связанных рамочных элементов, характеризующегося наличием запрещённой и разрешённой зон
- Экспериментальное исследование СВЧ-устройства на основе диафрагмы и системы связанных рамочных элементов, характеризующегося наличием запрещённой и разрешённой зон
- Теоретическое описание эффекта автодинного детектирования в многоконтурном генераторе на диоде Ганна
Особенности спектров отражения и прохождения электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, взаимодействующего с фотонными кристаллами, содержащими равное и различное число периодически повторяющихся элементов
Фотонные кристаллы относятся к классу метаматериалов и представляют собой искусственно созданные периодические структуры с периодом, сравнимым с длиной распространяющегося в них электромагнитного излучения [25, 26]. Для этих структур свойственно периодическое изменение, как диэлектрической проницаемости слоев, так и их геометрических размеров. При взаимодействии электромагнитного излучения с такого рода структурами в спектрах отражения и прохождения наблюдается ярко выраженное чередование разрешенных и запрещенных для распространения электромагнитного излучения частотных диапазонов [27, 28]. По аналогии с реальными кристаллами, частотная область, запрещенная для распространения электромагнитной волны, получила название фотонной запрещенной зоны. При внесении нарушения («неоднородности») в периодичность структуры фотонного кристалла, которое может быть представлено в виде изменения геометрических размеров и/или электрофизических параметров одного или нескольких слоев, в запрещенной зоне фотонного кристалла возникает резонансная особенность – узкое «окно прозрачности», также называемая «примесной модой колебаний». Положение и форма «окна прозрачности» определяется геометрией и электрофизическими параметрами вносимого нарушения периодичности.
Фотонные кристаллы по типу пространственной структуры делятся на одномерные [29–31], двумерные [32–40] и трехмерные [41–48]. Изменение электрофизических параметров и геометрических размеров в таких структурах происходит в одном, двух и трех пространственных направлениях соответственно. Двумерные и трехмерные фотонные кристаллы являются объектами активного исследования, так как обладают большими возможностями по изменению пространственной структуры и управлению электрофизическими свойствами. Однако сложность двумерной и трехмерной электродинамической конфигурации фотонного кристалла зачастую значительно затрудняет расчет взаимодействия такого рода структур с распространяющимся в них электромагнитным излучением. Для решения поставленных задач в таком случае привлекаются возможности аппарата электродинамического моделирования распределения трехмерного электромагнитного поля, в основе которого лежит ряд численных методов [49– 54], таких как метод функций Грина, метод конечных элементов, метод конечных разностей во временной области и т.д. Одномерные фотонные кристаллы [55–58] представляют особый интерес для исследования, так как обладают сравнительной простотой в аналитическом описании взаимодействия электромагнитной волны с периодической структурой и технологичностью создания периодической электродинамической системы.
Фотонные кристаллы могут быть изготовлены для работы в различных частотных диапазонах электромагнитного спектра: оптическом [59–61], инфракрасном [62, 63], ультрафиолетовом [64–66], СВЧ-диапазоне [67–69]. При переходе в более высокочастотные диапазоны происходит повышение трудоемкости и стоимости процессов изготовления и контроля параметров периодических структур. Из-за того, что в СВЧ-диапазоне фотонные кристаллы обладают высокой технологичностью производства, состоят из макроскопических объектов и в некоторых случаях могут быть собраны непосредственно руками человека, данный диапазон выгодно отличается от других.
Благодаря свойствам фотонных кристаллов, а именно наличию запрещенных и разрешенных зон в спектрах прохождения и отражения данных структур, на их основе возможно изготовление различных типов фильтров с управляемыми характеристиками [70–76]. Управление может осуществляться как на стадии производства структур [77–79], так и при помощи внешних воздействий на уже созданную периодическую структуру и отдельные ее составные части [80, 81]. Также возможно полное или частичное изменение физических, химических и электрофизических свойств каждого компонента. Внешнее воздействие может осуществляться посредством воздействия на специально введенные в периодическую структуру фотонного кристалла управляющие слои и ячейки, содержащие, например, жидкие кристаллы и p–i– n-диоды [82–84].
Высокая чувствительность частотного положения «окна прозрачности» к параметрам нарушения периодичности фотонного кристалла является одним из важнейших свойств фотонных кристаллов. Изменение электрофизических параметров и геометрии нарушения периодичности приводит к частотному сдвигу и изменению формы «окна прозрачности» в фотонной запрещенной зоне фотонного кристалла. Данная особенность представляется чрезвычайно перспективной при использовании фотонных кристаллов для создания резонаторов на их основе.
Создание периодических фотонных структур СВЧ-диапазона и исследование их свойств имеют важное практическое значение в связи с возможностью их использования в современных системах связи и телекоммуникации, при создании антенн, радарной техники, измерительного оборудования и различного рода датчиков [3, 85, 86].
Помимо того, что для различных частотных диапазонов физические особенности взаимодействия электромагнитного излучения с периодической структурой фотонного кристалла носят схожий характер, СВЧ фотонные кристаллы обладают рядом важных преимуществ, а именно:
1 технологичность изготовления периодических структур; 2 хорошее совпадение результатов математического моделирования с экспериментальными данными; 3 простота в использовании и модификации структуры фотонного кристалла в силу того, что его составные части имеют макроскопические размеры;
Компьютерное моделирование СВЧ-характеристик устройства на основе диафрагмы и связанных рамочных элементов, характеризующегося наличием запрещённой и разрешённой зон
Замена воздушных ячеек на композитные, в виде полимерной матрицы, содержащей ферромагнитные нановолокна, а диэлектрика – на чистый композит, позволяет получить в спектре прохождения СВЧ-излучения две частотные области, одна из которых связана с явлением ферромагнитного резонанса, а другая с образованием фотонной запрещенной зоны.
Работы [95–98] посвящены проблеме создания и исследования свойств унипланарных фотонных кристаллов. Данный тип периодических структур представляет собой массив плоских металлических элементов сложной формы, образующих двумерную периодическую структуру фотонного кристалла. Обычно такой массив помещается на одну из сторон диэлектрической подложки и часто выступает в роли земляной пластины микрополосковой линии передачи.
Необходимо отметить, что фотонные кристаллы могут использоваться не только как независимые системы (фильтры, переключатели и т. д.), но и как элементы и составные части различных устройств, улучшающие их характеристики или придающие им новые свойства [99–104].
Разработка новых и совершенствование существующих устройств СВЧ-электроники связаны с созданием методов электрического управления характеристиками таких устройств, как полосовые или селективные фильтры, антенны с перестраиваемой апертурой, перестраиваемые генераторы и т. п. [105-107].
Как отмечалось в работе [108], в современных телекоммуникационных системах используются перестраиваемые фильтры, с помощью которых можно осуществлять селекцию различных частот в результате внешнего воздействия. Большое число исследований посвящено проблеме переключения полосы пропускания селективных фильтров с использованием p - i - n-диодов [109].
В работах [10—12] изучаются характеристики микрополосковых СВЧ-фильтров с кольцевым элементом, обладающих свойствами структур с фотонной запрещенной зоной. Конструкция, изображенная на рисунок 1.9, представляет собой микрополосковую структуру, выполненную на СВЧ-ламинате, в которой кольцевой элемент — полосковый проводник, замкнутый в круглое кольцо, снабжен входным и выходным интерфейсом в виде регулярных микрополосковых линий, а также имеет разрыв для монтажа дискретного элемента цепи — конденсатора или катушки индуктивности.
Микрополосковый СВЧ-фильтр с кольцевым элементом [10] Описанная структура обладает характерной частотной зависимостью коэффициента прохождения, содержащей полосу заграждения, центральная частота которой зависит от геометрических размеров кольцевого элемента, а также от электрических параметров дискретного элемента, установленного в разрыве кольца.
Авторы [11, 12] исследовали также возможность изменения ширины полосы заграждения за счет изменения размеров и формы кольцевого элемента, например, рассматривались квадратные и узкие U-образные схемы топологии. Полученные результаты позволяют авторам говорить о перспективности использования рассмотренной структуры в компактных СВЧ-схемах, таких как перестраиваемые фильтры, выключатели и переключатели.
Как было отмечено в [111] при конструировании устройств твердотельной микро- и наноэлектроники важно контролировать наличие дефектов в используемых при их создании материалах и локализацию дефектов с возможно более высокой точностью и в короткое время. Такие возможности открываются, в частности, при использовании ближнеполевой СВЧ-микроскопии [112]. Многие СВЧ-методы измерения параметров материалов и структур позволяют получить результат измерений, усредненный по размеру, сравнимому с длиной волны излучения. Вследствие такого усреднения на результат измерения могла существенно влиять флуктуация параметров в сравнительно малой части исследуемого объекта, а при измерении параметров одного из слоев сложных структур могли влиять параметры других слоев.
От подобного рода ограничений свободны измерители (микроскопы), основанные на использовании эффекта ближнего поля и позволяющие проводить количественные измерения с высоким разрешением.
Ключевым элементом ближнеполевого СВЧ-микроскопа является зонд с размером апертуры намного меньшим длины волны СВЧ-излучения. В ближнеполевых СВЧ-микроскопах в качестве зондирующего используют поле нераспространяющихся типов волн [113–115]. Именно такое поле образуется, если центральный проводник коаксиальной линии выходит за пределы внешнего проводника. Достоинством использования нераспространяющихся типов волн является их затухание на малом расстоянии, что позволяет получить высокое пространственное разрешение.
Возмущение исследуемой неоднородностью структуры ближнего поля в окрестности апертуры приводит к изменению импеданса зонда, которое регистрируется с помощью измерительной схемы. Таким образом, фиксируется интегральный отклик от некоторой, сравнительно небольшой, области пространства, в которой сосредоточено ближнее поле. Разрешающая способность устройства в двухмерном пространстве определяется размером апертуры зонда и расстоянием между зондом и исследуемым образцом, а соответствующее изображение получается сканированием по поверхности объекта.
Авторами [112] была предложена классификация пяти основных типов ближнеполевых СВЧ-микроскопов, схематическое изображение которых приведено на рисунок 1.10: а) СВЧ резонатор с отверстием в одной из стенок. Сдвиг частоты f и добротность фиксируются на мониторе; b) метод измерения по коэффициенту отражения R и прохождения Т на конце или в линии передачи; с) метод измерения с использованием сканирующего резонатора; d) метод, основанный на использовании зонда с заостренным концом; е) SQUID-метод (сканирующий сверхпроводящий квантовый интерферометр).
Схематическое изображение пяти основных классов ближнеполевой микроскопии; a) показан СВЧ резонатор с маленьким отверстием в одной из стенок, b) показан метод определения коэффициентов отражения (R) и пропускания (T) в передающей линии; c) показана методика сканирующего резонатора на отрезке линии передачи, в которой измеряются f и Q; d) показан метод заострённого кантилевера, в котором измеряются сила (F) или другие параметры; e) показан метод СКВИДа [112].
Экспериментальное исследование СВЧ-устройства на основе диафрагмы и системы связанных рамочных элементов, характеризующегося наличием запрещённой и разрешённой зон
Как следует из полученных результатов изменение величины протекающего тока от 0.0 до 300.0 мА при изменении напряжения смещения от 0.0 В до 0.9 В, соответствующее изменению удельной электропроводности высокоомных областей п і-р і-«-структуры в диапазоне значений от 10–2 См/м до 103 См/м, приводит к изменению коэффициента прохождения от -25,0 дБ до -1,5 дБ на частоте 9.644 ГГц, при этом положение пика запирания изменялось от 10.079 ГГц до 9.644 ГГц.
Таким образом, из полученных результатов следует, что экспериментально полученный динамический диапазон изменения коэффициента пропускания на резонансной частоте составляет 23.5 дБ, что хорошо согласуется с результатами компьютерного моделирования динамического диапазона, составляющего 26.0 дБ, при изменении удельной электропроводности /-слоёв п і pi-«-структуры в диапазоне значений от 10–2 См/м до 103 См/м. Рассматриваемый диапазон изменения удельной электропроводности соответствует электрическим характеристикам n-i-p-i-n-структуры (типа 2А505), используемой в эксперименте.
СВЧ-устройство на основе диафрагмы и системы связанных рамочных элементов с разными длинами
Экспериментально была реализована конструкция СВЧ-устройства на основе диафрагмы и системы связанных рамочных элементов (обладающих разной длиной) с отличной друг от друга длиной (см. рисунок 3.13). Условно разобьем систему связанных рамочных элементов на две части. Первая часть имеет длину / равную Лв /4. Длина второй части равна трем четвертям длины волны данного типа (Н10).
Данная конструкция обеспечивает возникновение разрешённой зоны в диапазоне частот 8-11.5 ГГц.
Неоднородность типа «штырь с зазором» с электрически управляемым элементом в виде п і pi-«-структуры, размещенным в зазоре между рамочным элементом и штырем, располагалась на расстоянии 20 мм справа от плоскости диафрагмы (см. рисунок 3.13). Рисунок 3.13 Конструкция СВЧ-устройства на основе диафрагмы и системы связанных рамочных элементов, с неоднородностью типа «штырь с зазором» и полупроводниковой n–i–p–i–n-структурой, расположенной в зазоре между штырем и рамочным элементом
На рисунке 3.14 представлены экспериментальные амплитудно-частотные характеристики коэффициента прохождения вблизи пика запирания разрешенной зоны исследуемого СВЧ-устройства для различных значений тока, протекающего через n–i–p–i–n-структуру.
На вставке рисунка 3.14 представлены экспериментальные амплитудно-частотные характеристики коэффициента прохождения исследуемого СВЧ-устройства в диапазоне частот 8–12 ГГц.
Таким образом, теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность создания волноводных структур, обладающих как запрещенной, так и разрешённой зоной пропускания, на основе диафрагмы и системы связанных рамочных элементов, помещенных в волноведущую секцию.
Теоретически и экспериментально показано, что введение в конструкцию неоднородностей типа «штырь с зазором» обеспечивает создание в запрещенной частотной зоне резонансной особенности типа окна прозрачности, а в разрешённой зоне резонансной особенности типа пика заграждения.
Экспериментально полученная величина динамического диапазона регулировки коэффициента пропускания в резонансной особенности, с помощью n–i–p–i–n-структуры, помещённой в зазоре между штырем и рамочным элементом, для «симметричной» конструкции (длины рамочных элементов равны 30 мм) достигает 23.5 дБ при уровне потерь пропускания от 1.5 дБ. Для «несимметричной» конструкции величина динамического диапазона регулировки коэффициента пропускания в резонансной особенности, с помощью n–i–p–i–n-структуры, помещённой в зазоре между штырем и рамочным элементом, составляет 66 дБ при уровне потерь пропускания от 3 дБ.
Следует отметить, что некоторое количественное расхождение результатов расчета и эксперимента может быть связано с отклонением формы диафрагмы и рамочных элементов от используемых при численном моделировании, а также с отсутствием при моделировании низкочастотных элементов конструкции, обеспечивающих подключение источника питания к n– i–p–i–n-структуре. 3.4 Волноводное устройство на основе диафрагмы и системы рамочных элементов с n–i–p–i–n-структурой для управления выходной мощностью генератора на диоде Ганна
Экспериментально исследовался СВЧ-генератор на основе короткозамкнутого отрезка волновода (сечение канала 2310 мм2). В качестве активного элемента генератора использовался диод Ганна типа 3А703, помещенный в зазор стержневого держателя. Частота и мощность СВЧ-генератора составляли 9,3 ГГц и 5 мВт соответственно.
К выходу СВЧ-генератора было присоединено волноводное устройство (см. рисунок 3.13) в виде системы из двух связанных рамочных элементов, соединённых между собой через отверстие в диафрагме. Длина рамочных элементов выбиралась равной 10 мм и 30 мм. Рамочные элементы содержали неоднородность в виде штыря с зазором и n–i–p–i–n-структуры.
Штырь с зазором был расположен на расстоянии 20 мм справа от плоскости диафрагмы. Полупроводниковая n–i–p–i–n-структура механически зажималась между контактными площадками штыря и рамочного элемента. Подключение источника питания к n–i–p–i–n-структуре осуществлялось с помощью тонкого проволочного вывода через отверстие в узкой стенке волновода.
На рисунке 3.15 представлены мощностно-частотные характеристики выходного сигнала генератора на диоде Ганна при различных значениях тока, протекающего через n–i–p–i–n-структуру.
Теоретическое описание эффекта автодинного детектирования в многоконтурном генераторе на диоде Ганна
В эксперименте использовался цилиндрический резонатор 1, в котором в качестве элемента, возбуждающего электромагнитные колебания, использовался рамочный элемент связи 4 (см. рисунок 4.24).
Рисунок 4.24 Зонд ближнеполевого СВЧ-микроскопа на основе цилиндрического СВЧ-резонатора с рамочным элементом связи и одномерным фотонным кристаллом. Вставка A. Рамочный элемент связи. Вставка B. Цилиндрический СВЧ-резонатор с рамочным элементом связи и измеряемым образцом 10.
Общий вид зонда ближнеполевого СВЧ-микроскопа на основе цилиндрического СВЧ-резонатора с рамочным элементом связи и одномерным фотонным кристаллом представлен на рисунок 4.24 [15, 18, 22, 24]. В корпус цилиндрического резонатора 1 впаян отрезок волновода 2 сечением 2310 мм таким образом, чтобы между полостью волновода и внутренней стенкой корпуса резонатора оставалась диафрагма 3 толщиной 0,5 мм. В диафрагме 112 изготовлено отверстие диаметром 6 мм, через которое проходит рамочный элемент 4, выполненный из медной проволоки диаметром в сечении 0,6 мм и предназначенный для связи цилиндрического резонатора и волновода. Со стороны волновода рамка закреплена в пластине пенопласта 5. Размеры рамки выбраны для оптимальной передачи электромагнитных волн в диапазоне частот от 8 до 12 ГГц [126]. Под углом 120 к первому рамочному элементу 4 относительно центра окружности цилиндрического резонатора расположен второй рамочный элемент 6, который проходит сквозь отверстие в резонаторе и его конечная часть выступает в роли иглы зонда. Конец зонда выполнялся заостренным с постепенно уменьшающимся диаметром до величины 2,0 мкм. Второй рамочный элемент 6 также изготовлен из медной проволоки диаметром в сечении 0,6 мм. Закрепляется он в цилиндрической фторопластовой втулке 7, которая позволяет изменять положение рамочного элемента путем изменения угла , плоскости рамки вокруг оси иглы зонда. Корпус цилиндрического резонатора (диаметр цилиндра 65,1мм, высота – 18.3мм) с двух сторон закрывается крышками 8.
Магнитные силовые линии поля электромагнитных колебаний в резонаторе, пересекая площадь рамочного элемента связи, наводят в нём переменный ток. Таким образом, осуществляется передача энергии электромагнитных колебаний из объёма резонатора в малый объём в окрестности острия зонда.
Зонд на основе цилиндрического резонатора с рамочным элементом связи был соединён с отрезком волноводного фотонного кристалла 9 с нарушением периодичности (см. рисунок 4.24). Использовался одномерный волноводный фотонный кристалл, состоящий из одиннадцати слоев, в диапазоне частот 8-12 ГГц. Нечетные слои были выполнены из поликора (Al2O 3, є = 9,6), четные -из фторопласта (е=2,1). Длина нечетных отрезков - 1 мм, четных отрезков варьировалась в диапазоне от 7 мм до 14 мм. Нарушение периодичности создавалось посредством изменения длины шестого, центрального, слоя, длина нарушенного шестого слоя (фторопласт) варьировалась в диапазоне от 3 мм до 4 мм. Зондовые измерения диэлектрических пластин Высокочастотные характеристики исследуемого зонда в виде резонатора с рамочным элементом связи, соединенного с отрезком волноводного фотонного кристалла с нарушением периодичности, исследовались с помощью векторного анализатора цепей Agilent PNA-L Network Analyzer N523 0A , который подключался через отрезок волновода.
На рисунке 4.25 представлены результаты измерений частотной зависимости коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты зонда в виде резонатора с рамочным элементом связи, соединенного с отрезком волноводного фотонного кристалла с нарушением периодичности (кривая 1). На этом же рисунке представлены частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты зонда в виде резонатора с рамочным элементом связи без фотонного кристалла 114 (кривая 2) и частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны фотонного кристалла вблизи его окна прозрачности (кривая 3). Рисунок 4.25 Частотные зависимости коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты зонда в виде резонатора с рамочным элементом связи, соединенного с отрезком волноводного фотонного кристалла с нарушением периодичности (кривая 1), с рамочным элементом связи без фотонного кристалла (кривая 2), от отдельно взятого волноводного фотонного кристалла с нарушением периодичности (кривая 3).
При приближении к острию зонда исследуемого образца происходит резкое изменение входного импеданса зонда и изменяется коэффициент отражения СВЧ-волны от измерительного зонда. Величина его изменения зависит от параметров исследуемого образца, таких как электропроводность, диэлектрическая проницаемость, толщина.
Вращением рамочного элемента связи измерительного зонда, изменяющим эффективную площадь сечения рамки, пронизываемую магнитными силовыми линиями поля электромагнитных колебаний в резонаторе, и приводящим к изменению входного импеданса зонзда, можно добиться максимальной чувствительности коэффициента отражения СВЧ 115 волны к изменению электрофизических характеристик исследуемого образца. При этом несколько изменяется резонансная частота зонда.
На рисунке 4.26 представлены результаты измерений частотных зависимостей коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и исследуемыми образцами с различной диэлектрической проницаемостью при угле поворота рамки измерительного зонда = 178.
Рисунок 4.26 Частотные зависимости коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и образцами с различной диэлектрической проницаемостью. Кривая 1 соответствует отсутствию измеряемого образца (s = 1), 2 - фторопласт (s = 2,0), 3 - гетинакс (s = 2,5), 4 -текстолит (s = 3,4), 5 - поликор (s = 9,6), 6– кремний (s = 11,7).
Как следует из представленных результатов увеличение относительной диэлектрической проницаемости образцов от 1 до 11,7 приводит к частотному сдвигу резонансной кривой на -3,0 МГц, при этом величина коэффициента отражения в минимуме резонансной кривой изменяется от -60,8 дБ до -31,1 дБ.
На вставке рисунка 4.26 представлены зависимости коэффициента отражения СВЧ-волны, измеренные на различных фиксированных частотах в окрестности минимума коэффициента отражения, от величины диэлектрической проницаемости образцов, размещаемых на фиксированном расстоянии вблизи острия зонда, /,ГГц: 1- 10,2411 ГГц, 2 - 10,2398 ГГц, 3 -10,2384 ГГц.
Как следует из представленных результатов, выбором частоты зондирующего излучения могут быть получены как монотонно возрастающая (кривая 1 на вставке рисунка 4.26) или монотонно убывающая (кривая 3) зависимости коэффициента отражения СВЧ-волны от величины диэлектрической проницаемости исследуемых образцов, так и немонотонная зависимость (кривая 2).
При выборе частоты измерений, соответствующей минимуму коэффициента отражения в отсутствии измеряемого образца, диапазон изменений коэффициента отражения при изменении величины диэлектрической проницаемости максимален и составляет 39,6 дБ. Измеренная чувствительность dSJde монотонно убывает с ростом величины є / в диапазоне значений от 1 до 11,7. При этом в диапазоне значений е=1-=-2 величина dSJde составляет `29,7дБ/є, а разрешающая способность Ає/є Также были исследованы частотные зависимости коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при приложении к 117 острию зонда исследуемых образцов с различной диэлектрической проницаемостью.
Результаты измерений частотных зависимостей коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при приложении к острию зонда исследуемых образцов с различной диэлектрической проницаемостью при угле поворота рамки измерительного зонда = 166представлены на рисунке 4.27.
