Лабораторные работы 5 симестр / Распределительные системы / UMP_FVP_1

Рис. 2.17. Блок-схема экспериментальной установки для измерения коэффициента стоячей волны: I – генератор качающейся частоты (ГКЧ), II – индикатор, 1 – коаксиально-волноводный переход, 2 – направленный детектор падающей волны, 3 – направленный детектор отраженной волны, 4 – согласованная нагрузка, 5 – соединительный кабель, 6 – исследуемый образец, 7 – выходы АРМ индикатора и ГКЧ, 8 – гнездо падающей волны, 9 – гнездо отраженной волны, 10 – выход ГКЧ, 11 – гнездо ГКЧ, 12 – гнездо индикатора.

81

1. Приведите органы управления в исходное положение.

Индикатора:

-тумблер сеть - нижнее (выключено);

-переключатель ПРЕДЕЛЫ - ПАД.;

-ручки КАЛИБР., ПАД., МЕТКА - крайнее левое;

-ручка ОТСЧЕТ – положение, соответствующее значению 2mV по шкале

mV индикатора;

-кнопки нажата;

-кнопки КОРРЕК., ЛОГ. - 10 dB - отжаты;

-тумблер СМЕЩЕНИЕ - в верхнем положении (+);

-регулятор КОНТР. УРОВЕНЬ - крайнее левое положение;

Генератор:

-тумблер СЕТЬ - нижнее (выключено);

-переключатель АМ - ВНУТР.;

-переключатель ВР. ПЕРЕСТРОЙКА S -0,08;

-переключатель РЕЖИМ ПЕРЕСТРОЙКИ - F1 - F2;

-переключатель ВНЕШ. - АМ;

-ручка F1, F0 - крайнее левое положение;

-F2, ΔF - крайнее правое;

-ручки M1, M2, АМПЛИТУДА M1 и M2 - среднее;

-ручка УРОВЕНЬ - крайнее правое;

-переключатель отсчетный - любое;

-тумблер СВЧ - нижнее (выключено).

Положение остальных органов управления – произвольное

2. Проведите предварительную регулировку измерителя следующим образом:

-убедитесь, что блоки и узлы СВЧ соединены согласно структурной схеме (рис. 2.16).

-включите генератор и индикатор, дайте им прогреться в течение 15 минут;

-отрегулируйте поворотом осей потенциометров ↔, ☼, ↕, Ọ, УСИЛЕНИЕ Х яркость, фокусировку, положение и длину линии развертки так, чтобы линии по горизонтали занимали полностью рабо-

83

чую часть экрана, а по вертикали нижняя линия развертки на 5 - 10 мм выше нижней границы рабочей части экрана ЭЛТ;

-нажмите кнопки F1, F0 переключателя отсчетного и ручкой F1, F0 установите по табло ГКЧ нижнюю частоту полосы качания;

-нажмите кнопки F2, ΔF переключателя отсчетного и ручкой F2, ΔF установите по табло ГКЧ верхнюю частоту полосы качания;

3. Установите уровень мощности ГКЧ следующим образом: - установите ручкой ОТСЧЕТ визир по шкале mV на 2 мВ;

- совместите ручками УРОВЕНЬ в ГКЧ и ПАД. В индикаторе линию падающей мощности, наблюдаемой на экране ЭЛТ, с линией электронного визира. Получите на экране ЭЛТ ровную линию без резких выбросов.

4. Отрегулируйте амплитуды и положения частотных меток:

- убедитесь, поворачивая поочередно ручки АМПЛИТУДА М1, М2 и МЕТКА, в возможности регулирования амплитуды меток в пределах 0-5 мм, после чего установите удобную для работы амплитуду (2-3 мм);

- совместите ручками М1 и М2 метки с началом и концом наблюдаемой на экране ЭЛТ линии развертки.

5. Откалибруйте прибор в полосе частот:

-установите ручкой ОТСЧЕТ визир на отметку 0 по верхней шкале dВ;

-установите переключатель ПРЕДЕЛЫ в положение 0;

-совместите ручкой КАЛИБР. Наблюдаемую на экране линию калибровки с отчетной линией так, чтобы отчетная линия проходила по середине линии калибровки;

-добейтесь наиболее равномерной, без резких выбросов, линии калибровки перемещением короткозамыкающего плунжера в канале ОТРАЖЕННАЯ направленного детектора, а если этого недостаточно, то и плунжера ДН в канале ПАДАЮЩАЯ;

-измерьте неравномерность линии калибровки, для этого ручкой ОТСЧЕТ совместите линию электронного визира с максимальными отклонениями линии калибровки в обе стороны. Отклонения линии калибровки, отсчитанные по верхней шкале индикатора, не должны превышать ±0,3 дБ в рабочем диапазоне частот.

84

2.4.3 Порядок измерений

1.Ознакомьтесь с принципом работы приборов.

2.Выполните калибровку. Для этого установить переключатель

ПРЕДЕЛЫ в положение 0. Ручкой ОТЧЕТ установить значение КСВН= . Установить в волновод высокоотражающую пластинку. На генераторе качающейся частоты тумблер СВЧ поставить в положение

ВКЛ. При помощи ручки КАЛИБР совместить полученное изображение на индикаторе с верхним пределом (КСВН= ). Выключить СВЧтумблер. Снять высокоотражающую пластинку.

3.Установить в волновод одну из диафрагм. Включить СВЧ– тумблер. Установить на генераторе качающейся частоты одну из меток (кнопки М1 или М2). Определить при помощи меток частоту и КСВН не менее чем в 10 точках полученного изображения. Повторить измерения для двух других диафрагм.

4.Рассчитать для всех диафрагм коэффициент отражения по формуле (2.29) и построить частотную зависимость коэффициента отражения.

5.Для резонансной диафрагмы рассчитать резонансную частоту

f0 , воспользовавшись формулой (2.30) для резонансной длины волны

го окна. Сравнить рассчитанную резонансную частоту f0 с резонанс-

ной частотой, полученной в эксперименте.

6. Определить погрешность для всех полученных величин.

85

2.5 Лабораторная работа №2 “Исследование электродинамических свойств тонких металлических пленок в СВЧ поле”

2.5.1 Методика и техника эксперимента

Вработе исследуются СВЧ-свойства тонких высокопроводящих пленок толщиной 6 - 250 нм, которые были получены с помощью термического вакуумного осаждения на диэлектрическую полимерную подложку, толщиной 0,5 мм [10, 12, 17-28, 30, 60]. Рентгеноструктурный анализ показал, что для всех исследуемых образцов характерна аморфная структура.

Для исследования электромагнитных свойств тонких пленок использовалась установка, блок-схема которой представлена в работе 1 (рис. 2.17).

Она включает в себя: генератор качающейся частоты ГКЧ 61, индикатор КСВН, модуль ослабления Я2Р-67 и волноводный комплект рефлектометров - выделителей сигналов. СВЧ сигнал, падающий на исследуемый образец, промодулирован с частотой 100 КГц. На выходах приемных детекторов, возникает напряжение, пропорциональное мощности отраженной и падающей волн. В индикаторе осуществляется усиление напряжений падающей и отраженной волн (на частоте модуляции СВЧ сигнала), деление, детектирование, визуальная индикация на экране ЭЛТ и непосредственный отсчет по шкальному устройству.

Коэффициент отражения исследуемого образца определяется по формуле (2.29)

Аналогично определяется и коэффициент пропускания, посредством значений коэффициента, снимаемых со шкалы индикатора и характеризующих ослабление сигнала, прошедшего через образец.

Вданной работе надлежащий учет толщиной зависимости проводимости тонких пленок сделаем при помощи функции Больцмана

[12, 22]

где A1 и A2 – некоторые константы, зависящие от материала ( Ом 1 м 1 ), d0 – начальная точка отсчета, соответствующая мини-

мальной толщине слоя ( м ), dx – некоторый интервал, соответствующий шагу отсчета ( м ).

Рассмотрим различные тонкие металлические слои, проводимость которых изменяется с толщиной как (2.31). Значения параметров для всех металлических пленок взяты с учетом экспериментальных данных [12, 22]:

серебро (Ag) –

A1 0, A2 1.968 107 , d0 149.17 10 10 , dx 67.828 10 10 ,

медь (Cu) –

A1 0, A2 1.108 107 , d0 109.5 10 10 , dx 30.436 10 10 ,

золото (Au) –

A1 0, A2 8.06 106 , d0 101.1 10 10 , dx 12.26 10 10 ,

железо (Fe) –

A1 105 , A2 1.108 106 , d0 328.74 10 10 , dx 129.05 10 10 .

Результаты измерений удельной проводимости пленок Ag,

Cu, Au и Fe в вакууме при 10 5 Торр и комнатной температуре показаны на рис. 2.19 (для пленок железа значения удельной проводимости увеличены в пять раз). Экспериментальные данные аппроксимированы функцией Больцмана.

87

Рис. 2.19. Зависимость удельной проводимости от толщины пленок различных металлов: 1 – серебро; 2 – медь; 3 – золото; 4 – железо (для пленок железа значения удельной проводимости увеличены

впять раз).

2.5.2Порядок измерений

1.Ознакомьтесь с принципом работы приборов.

2.Выполните калибровку. Для этого установить переключатель ПРЕДЕЛЫ в положение 0. Ручкой ОТЧЕТ установить значение КСВН

–бесконечность. Установить в волновод высокоотражающую пластинку. На генераторе качающейся частоты тумблер СВЧ поставить в положение ВКЛ. При помощи ручки КАЛИБР совместить полученное

изображение на индикаторе с верхним пределом (КСВН= ). Выключить СВЧ – тумблер. Снять высокоотражающую пластинку.

3. Установить в волновод одну из предложенных тонких пленок. Включить СВЧ – тумблер. Установить на генераторе качающейся частоты одну из меток (кнопки М1 или М2). Определить при помощи меток частоту и КСВН не менее, чем в 10 точках полученного изображения. Повторить измерения для оставшихся пленок.

88

4.Рассчитать для всех пленок коэффициент отражения и построить экспериментальные зависимости коэффициента отражения от толщины пленки и частотную зависимость коэффициента отражения.

5.По формулам (1.128), (1.152) (см. раздел 1, п. 1.4.2) рассчитать теоретические зависимости коэффициента отражения от толщины пленки и частоты электромагнитной волны. Привести на одной координатной плоскости, полученные теоретические и экспериментальные зависимости. Проводимость пленок в зависимости от толщины определить из рис. 2.19.

2.6 Лабораторная работа №3 “Изучение отражающих свойств тонких металлических пленок при наклонном падении СВЧ волн”

2.6.1Модернизация экспериментальной установки

Целью данной работы является исследование зависимости коэффициента отражения от угла падения электромагнитных волн. В работе используются дополнительные модули к основной экспериментальной установке, которые представляют собой металлические конструкции, удовлетворяющие следующим требованиям:

Конструкция должна подключатся к используемой в исследованиях измерительной установке (иметь крепежные механизмы позволяющие прикручивать, деталь к волноводу и заглушку к детали);

Внутренняя поверхность детали, проводящая СВЧ-волну, должна быть, по возможности, наиболее гладкой. Грани внутренней поверхности детали (четырехгранные трубки) должны быть симметричны и продолжать одна другую;

Необходимо избежать возникновения препятствий внутри конструкции для прохождения и отражения волны;

Подключаемое устройство должно наименьшим образом влиять на распространяющуюся волну внутри волновода;

Деталь должна быть глухо закрыта для избежания выхода СВЧ-волны в окружающее пространство, что так же может вызвать неточность в измерениях;

Устройство должно позволять устанавливать исследуемую металлическую пленку под определенными углами;

89

Необходим механизм для закрепления исследуемых пле-

нок.

2.6.2Описание сменного модуля №1

Сменный модуль №1 разработан выпускником кафедры радиофизики и электроники Лисицыным Д.Н. в 2006 году (под руководством автора).

Основой частью данной конструкции является цилиндрическая область в центре механизма. Внутри ее располагается исследуемая пленка, прикрепленная к градуированному вращательному механизму. Градуировка позволяет получить угол поворота в 360 градусов (т.е. можно исследовать угол падения от 0 до 90 градусов с любой стороны намыленной пленки). К цилиндрической области подводятся трубки прямоугольного сечения. Они являются продолжением волновода измерительной установки. Вся конструкция детали прикручивается к волноводу болтами и имеет стандартные крепежные размеры. С другого конца к механизму можно подсоединить заглушку. При необходимости можно снять измерительный механизм, на внутренней стороне которого есть зажим для установи исследуемого образца. Замеры снимаются с измерительного механизма, путем совмещения градуированной шкалы с меткой начального уровня.

Конструкция выполнена из металла с соблюдением основных размеров. Цилиндр и крышки механизма выточены на фрезерном станке. Отдельные детали соединены между собой холодной сваркой. Внешний вид готовой конструкции и чертежи основной сборки модуля представлены на рис. 2.20-2.23.

При угле падения более 70 градусов проекция площади на поперечное сечение волновода будет меньше самого сечения волновода, что может вызвать неточность в измерениях. Установка позволяет проводить измерения при нормальном падении на пленку сечением 25х10 мм2 и до 700 при сечении пленки 30х26 мм2.

90