Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Микрополосковые резонаторы и СВЧ-устройства на их основе. Учебное пособие
.pdf
4
1
2
3
1
4
3
2
∆H
ФМР
/∆H
lg(d1/Å)
0
1 2
3
Рис. 3.37. Относительное уширение линии ФМР
от толщины магнитной пленки [48]
При ферромагнитном резонансе сильно возрастает омическое
сопротивление пленки, так как уменьшается ее скин-слой. Это приводит к отражению мощности от участка с пленкой, а следовательно,
и к уширению линии ферромагнитного резонанса.
3.7. С
ОСТАВНОЙ МИКРОПОЛОСКОВЫЙ РЕЗОНАТОР
ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МАГНИТНЫХ РЕЗОНАНСОВ
В ФЕРРОМАГНЕТИКАХ
Очевидно, что использовать диэлектрическую подложку микрополоскового резонатора в качестве подложки исследуемой магнитной
пленки не только крайне затруднительно, но и не всегда возможно.
Гораздо удобнее в экспериментах по исследованию магнитных резонансов применять составной полуволновой МПР (рис. 3.38), состоящий из двух идентичных металлизированных пластин диэлектрика,
припаянных на металлическое основание друг за другом вдоль одной
оси с некоторым воздушным зазором. Для определения спектра
собственных колебаний такого нерегулярного резонатора можно воспользоваться расчетом, представленным во второй главе настоящего
пособия.
151
Рассмотрим составной резонатор, включенный «на проход»
150
ε =
в несимметричную полосковую линию передачи, пластины которого
изготовлены из керамики Т-150 (
). Пусть толщина пластин
равна 1 мм, длина 12 мм и ширина 5 мм. Воздушный зазор между
пластинами резонатора сделаем длиной 15 мм, а ширину металлической полоски, соединяющей пластины резонатора, – 5 мм. Частотная
зависимость коэффициента прохождения СВЧ-мощности для такой
конструкции в случае, когда резонатор имеет гальваническую связь
с линией, представлена на рис. 3.39.
Рис. 3.38. Составной микрополосковый резонатор
для исследования магнитных резонансов в ферромагнетиках
На рис. 3.40 построены распределения высокочастотных электрических (Е) и магнитных (Н) полей по длине составного резонатора
для его первых трех мод колебаний. Изображенные на графиках распределения полей нормированы на амплитуды высокочастотного
электрического и магнитного полей в подводимой несимметричной
воздушной полосковой линии передачи с волновым сопротивлением
50 Ом, имеющей ширину полоскового проводника 5 мм и зазор между проводником и экраном 7 мм. Видно, что в воздушном зазоре между диэлектрическими пластинами резонатора находится пучность
магнитного поля для нечетных мод и пучность электрического поля
для четных мод колебаний. Кроме того, эти поля однородны в воздушном зазоре, так как длина зазора во много раз меньше длины
волны в воздухе в рассматриваемом диапазоне частот.
152
Как уже отмечалось, одной из основных особенностей МПР на
0.0
0.5
0.0
0.5
1.0
,
ГГц
1
2
подложках с большой диэлектрической проницаемостью, в том числе
и составных МПР, является значительное увеличение напряженности
высокочастотного магнитного поля в них. Из рис. 3.40 видно, что
в исследуемой конструкции для первых трех мод колебаний электрическое поле не превышает напряженности поля в подводимой
воздушной полосковой линии. Магнитное же поле для первой моды
имеет напряженность в 10 раз больше, чем в подводимой линии передачи, а для второй и третьей мод имеются точки в резонаторе, где эта
напряженность еще выше.
K
пр
F
1.0
Рис. 3.39. Частотная зависимость коэффициента прохождения
для составного МПР:
1
– гальваническая связь; 2 – слабая емкостная связь
с подводящими линиями
Метод исследования магнитных резонансов в пленочных и массивных материалах с помощью составного МПР в принципе ничем не
отличается от исследований обычными резонаторными методиками.
Образец помещается в воздушный зазор между диэлектрическими
пластинами в пучность высокочастотного магнитного поля. В нужном
направлении прикладывается постоянное магнитное поле. Например,
для наблюдения ферромагнитного резонанса оно должно быть направлено либо вдоль длинной оси резонатора, либо перпендикулярно
плоскости его полоскового проводника.
153
–
15
–
10
–
101520
–
5
10
–
15
–
10
–
5
10
15
20
–
5
0
10
–15–10–
5
51015
20
10
, мм
, мм
, мм
E, H
Д
иэлектрик
0
2
0
1
F03 = 1,15 ГГц
5
0
E, H
5
5
0 5
Воздушный зазор
F
= 1,02 ГГц
0 5
X
Диэлектрик
X
E, H
F
= 0,32 ГГц
5
0
X
0
Рис. 3.40. Распределение высокочастотных электрических (штриховые линии)
и магнитных (сплошные линии) полей по длине составного МПР
для первых трех мод колебаний
154
Резонатор с успехом может использоваться вместо колебатель-
D
, см
F
, МГц
0 246
8 101214
0
100
200
300
400
1
2
ных контуров в установках по наблюдению резонанса доменных
границ (РДГ) или ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Однако
в отличие от колебательного контура составной резонатор позволяет
проводить исследование различных спектров образцов на нескольких
разнесенных некратных частотах, соответствующих нечетным модам
колебаний в нем. В случае, когда для эксперимента требуется достаточно точно настраивать резонатор на заданную частоту, например,
при исследовании ядерного магнитного резонанса, это можно сделать,
изменяя величину воздушного зазора между пластинами составного
МПР. На рис. 3.41 (кривая 1) показана зависимость частоты первой
моды резонатора от величины воздушного зазора между пластинами.
При этом частоты второй и третьей моды изменяются совершенно
незначительно, так как их резонансы слабо зависят от воздушного зазора и определяются только геометрией диэлектрических пластин
и диэлектрической проницаемостью материала, из которого они изготовлены [23].
500
Рис. 3.41. Зависимость частоты первой моды составного МПР
от величины воздушного зазора
Кривая 2 на рис. 3.41 показывает зависимость первой моды
МПР на подложке из керамики Т-150, длина которого возрастает
155
на величину воздушного зазора. На начальном участке кривые 1 и 2
практически совпадают, подчеркивая тем самым, что изменение диэлектрической проницаемости материала в пучности магнитного поля
резонатора не влияет на его резонансную частоту. При необходимости чувствительность резонатора можно увеличить еще по крайней
мере на порядок, если включить его в линию со слабой емкостной
связью. При этом добротность резонатора возрастает до 200–250,
а усиление сигнала ФМР для малых образцов становится не менее
1 500. Частотная зависимость коэффициента прохождения СВЧ-мощности для резонатора, включенного через емкости связи величиной
2 пФ, показана на рис. 3.39 (кривая 2). Изменением емкостей связи
можно подстраивать собственную частоту резонатора в небольших
пределах [11].
В некоторых случаях для исследования материалов на СВЧ
удобно использовать щелевые или копланарные резонаторы, имеющие направление высокочастотного магнитного поля перпендикулярное плоскости резонатора. На рис. 3.42 показаны составные щелевой
(рис. 3.42, а) и копланарный (рис. 3.42, б) резонаторы, у которых
на краях использованы подложки с высокой диэлектрической проницаемостью, а в средней части – подложки с малой диэлектрической
проницаемостью (это может быть и воздух). Свойства таких резонаторов аналогичны свойствам составных МПР.
а б
Рис. 3.42. Щелевой (а) и копланарный (б) резонаторы со скачком
волнового сопротивления для исследования пленочных материалов
Очевидно, что рассмотренные составные резонаторы могут
с успехом применяться для исследования диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь материалов на СВЧ.
156
Эти исследования проводят обычным для резонаторной методики
способом, измеряя сдвиг резонансной частоты и изменение добротности резонатора под воздействием исследуемого образца, помещенного
в пучность высокочастотного электрического поля.
1.
Как показать, что в случае однородной среды электрическое и
магнитное взаимодействия между двумя параллельно связанными по
всей длине микрополосковыми резонаторами полностью компенсируют друг друга?
Контрольные вопросы и задания
2.
Частота какого из колебаний (четного или нечетного) для системы из двух связанных микрополосковых резонаторов больше по величине и почему?
3.
Объясните, в чем заключаются главные особенности эллиптической АЧХ фильтра.
4.
В связи с чем для повышения собственной частоты полуволнового микрополоскового резонатора следует подтравливать крайние
участки его полоскового проводника, а для понижения – центральный
(см. рис. 3.5)?
5.
Почему при изменении емкости варактора перестраиваются
по частоте только нечетные моды микрополоскового резонатора? Что
означает для варактора случай, когда Cв → ∞?
6.
Какую роль играют микрополосковые резонаторы в конструкциях генераторов? Каким образом осуществляется их перестройка по
частоте?
7.
Какие параметры на амплитудно-частотных характеристиках
характеризует «развязка» между каналами в диплексере?
8.
Дайте определения понятию «ферромагнитный резонанс».
9.
Почему для исследования спектра ФМР используются только
нечетные моды микрополоскового резонатора, представленного
на рис. 3.38?
10.
Почему в области воздушного зазора нерегулярного микрополоскового резонатора величины электрического и магнитного полей мало изменяются по величине (см. рис. 3.40)?
157
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В пособии приведены данные о микрополосковых резонаторах
различных конструкций и принципах конструирования СВЧ-устройств
на их основе. В первой главе рассмотрены основные сведения по регулярным микрополосковым резонаторам с разомкнутыми концами.
Исследовано влияние материала подложки и некоторых конструктивных
ротность. Рассмотрено несколько способов включения микрополоскового резонатора в линию передачи. Приведены исследования частотной
зависимости коэффициентов прохождения, отражения и затухания СВЧмощности на участке линии передачи, содержащем резонатор. Представлены формулы для добротности связи резонатора с линией передачи.
Для затухания и обратных потерь на частотах максимума и минимума
прохождения СВЧ-мощности приведены выражения через добротность
связи и собственную добротность.
Особое место в первой главе занимает исследование распространения СВЧ-мощности в линии передачи, внутри которой расположен
микрополосковый резонатор, расщепляющий линию на два канала прохождения мощности. Показано, что наблюдаемая в этом случае сложная
частотная зависимость коэффициентов прохождения и отражения связана с существованием на некоторых частотах циркуляции СВЧмощности по замкнутому контуру, образованному микрополосковым
резонатором и линией.
Следует отметить, что все результаты, представленные в пособии,
справедливы для микрополосковых резонаторов, в которых существуют
волны только основного типа. То есть выводы работы верны до частот,
при которых толщина подложки и ширина полоски микрополоскового
резонатора меньше половины длины волны в нем. Очевидно, что при
выполнении указанного условия описанные результаты справедливы
и для резонаторов других типов: коаксиальных с диэлектрическим заполнением, копланарных и щелевых. Кроме того, в ряде случаев резонаторы могут быть закорочены на одном или обоих концах.
Вторая глава пособия посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию нерегулярных микрополосковых резонаторов
со ступенчатым изменением волнового сопротивления. Представлены
исследования поведения спектра частот различного рода резонаторов
в зависимости от скачков волнового сопротивления, материала подложки и их геометрических размеров.
Показано, что для максимального понижения резонансной частоты
нерегулярного полуволнового МПР необходимо, чтобы электрическая
158
длина среднего высокоомного участка составляла половину электрической длины резонатора. Для максимального разрежения спектра частот
МПР с СВС требуется электрическую длину среднего участка выбрать
равной 1/3 от всей электрической длины полуволнового резонатора.
Показано также, что для более точного расчета резонансных частот
микрополосковых резонаторов со скачком волнового сопротивления
необходимо учитывать концевые емкости, образующиеся на стыке низ-
Особое значение во второй главе имеют представленные экспериментальные исследования, позволившие в свое время обнаружить эффект увеличения собственной добротности МПР со скачком волнового
сопротивления по сравнению с добротностью регулярного резонатора.
Долгое время этот эффект не мог найти объяснения. В литературе неоднократно высказывалось мнение (например, [59]), что для повышения
добротности полуволнового микрополоскового резонатора необходимо
среднюю часть его полоскового проводника сделать более широкой.
Действительно, в средней части резонатора расположена пучность СВЧтока, и поэтому, казалось бы, если увеличить площадь проводника
в этом месте, то потери на проводимость уменьшатся. Однако это абсолютно справедливо лишь для резонаторов закрытого типа, например,
коаксиальных. В резонаторах открытого типа, включая щелевые и копланарные, вопрос их собственной добротности усложняется наличием
излучения СВЧ-мощности и возникновением поперечных токов, особенно при использовании подложек с большой диэлектрической проницаемостью. На самом деле эффект увеличения собственной добротности
нерегулярных микрополосковых резонаторах имеет две причины.
Первой из них является уменьшение физической длины нерегулярного
резонатора по сравнению с регулярным, что сильнее проявляется с увеличением диэлектрической проницаемости подложки. Это приводит
к уменьшению эффективной площади излучения такого резонатора и,
соответственно, к уменьшению потерь на излучение. Второй причиной
здесь является структура силовых линий электрического поля в нерегулярном полуволновом резонаторе: с уменьшением физической длины
резонатора его противоположные края, где находятся противофазные
пучности электрического поля, становятся ближе друг к другу, и концентрация поля вблизи резонатора становится выше. Это также уменьшает эффект излучения и, соответственно повышает собственную добротность такого резонатора.
Третья глава пособия включает описание различных СВЧустройств на микрополосковых резонаторах, а также способы их изготовления и настройки. В ней также рассмотрены вопросы использования
159
планарных резонаторов для физических исследований магнитных и диэлектрических материалов методами радиоспектроскопии.
Одним из главных результатов, представленных в настоящем
пособии, не считая конструкции СВЧ-устройств, является полученная
зависимость коэффициента связи параллельных микрополосковых резонаторов от величины диэлектрической проницаемости подложки. По
существу, выяснение того факта, что с ростом ε связь между резонато-
чины диэлектрической проницаемости подложки, помогло в свое время
реализовать представленные в работе СВЧ-устройства с высокими электрическими характеристиками. Особое место здесь занимают полосовые
СВЧ-фильтры в интегральном исполнении на сплошной диэлектрической подложке, изготовленные методом гравировки по лаку [60]. К достоинствам рассмотренных фильтров на микрополосковых резонаторах
наряду с миниатюрностью и технологичностью их изготовления можно
отнести очень низкое волновое сопротивление МПЛ, из которых они изготовлены. Это обстоятельство обеспечивает слабую зависимость характеристик фильтров от волнового сопротивления подводимых линий.
Конечно же, объем пособия не позволяет описать все устройства,
реализуемые на МПР с использованием подложек с высокой диэлектрической проницаемостью. Но отталкиваясь от принципов построения
описанных устройств, нетрудно сконструировать режекторные фильтры,
делители мощности между каналами, селективные усилители и другие
устройства. Например, простейшим режекторным фильтром может быть
отрезок воздушной несимметричной полосковой линии, в которой МПР
включен «на режекцию». Эта конструкция теоретически и экспериментально исследована в первой главе настоящего пособия.
Говоря о методике исследования материалов на СВЧ, в первую
очередь следует отметить ее простоту и удобство процесса измерения
как ферромагнитных, так и диэлектрических образцов. Кроме того,
большой коэффициент усиления сигнала ФМР в микрополосковом
резонаторе позволил использовать его в конструкции спектрометра ферромагнитного резонанса МПР с измерительным отверстием для исследования параметров магнитных пленок с локальных участков диаметром
до 100 мкм [61]. Также следует отметить, что в данном учебном пособии
не представлен большой класс современных микрополосковых устройств, построенных также на микрополосковых резонаторах, с управляемыми характеристиками. Конструкции и характеристики этих
устройств рассмотрены в учебном пособии [62].
160
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]