Рефераты - Афоризмы - Словари
Русские, белорусские и английские сочинения
Русские и белорусские изложения
 

Определение оптимальных размеров датчика СВЧ поверхностных волн на основе меандровой линии замедления

Работа из раздела: «Радиоэлектроника»

   Определение оптимальных размеров датчика СВЧ поверхностных волн (П.В.)
                на основе меандровой линии замедления (Л.З.)

   Датчик ПВ сигнала на основе меандровой ЛЗ  (плоская линейная спираль)
характеризуется следующими размерами (рис. 1):


            рис. 1. Меандровая линия замедления
h - ширина,
L - длина,
2D - период,
D - ячейка ( шаг ) системы ,
[pic]- зазор между проводниками,[pic] и  [pic] - ширина и толщина
проводника,
[pic] и [pic] - расстояние от центра системы до экранов.

   Составляющие полей получены в [1] при использовании следующих
приближений
     1) вдоль проводников распространяется ТЕМ волна;
     2) проводимость проводников и экранов бесконечна;
     3) [pic]<< h , т.е. краевыми полями пренебрегаем;
     4) система неограниченна в направлении z и проводники имеют
               квадратное сечение.
   Полагая, дополнительно, что система погружена в непроводящий диэлектрик
с проницаемостью [pic] и электрическое поле однородно, нормально к
проводникам и не зависит от толщины проводника [pic] получаем выражения для
составляющих магнитных полей в виде (в системе единиц СИ).

                              I область [pic] :
[pic],  (1) [pic].

                             II область   [pic]:

[pic],      (2)

[pic]

                             III область [pic]:

[pic],  (3) [pic][pic].

где [pic],    [pic], [pic],[pic].  (4)

[pic] ; m - номер проводника, [pic],

 [pic]и [pic] -  волновые числа n-й

пространственной гармоники с набегом фазы на ячейку[pic]и[pic]

соответственно, коэффициенты [pic], [pic], [pic], [pic]и [pic] аналогичны
(4) с заменой [pic] на [pic], [pic] - волновое сопротивление свободного
пространства, [pic]-постоянная.. Компоненты электрического поля имеют
аналогичный вид, если в квадратных скобках sin kx и cos kx заменить на
cos kx    и  sin kx соответственно.
     В датчиках ПВ можно использовать как составляющую поля [pic] так и
[pic], которые при удаленных экранах равны. Амплитуду магнитного поля
находим из выражения для потока энергии переносимого вдоль системы
( выраженного через групповую скорость и энергию запасенную в ячейке):

[pic],  где                    (5)

[pic],
[pic]
                 [pic]
                 [pic],
[pic],     (6)
[pic],
[pic], [pic].
аналогичны[pic], [pic] и [pic] с заменой [pic] на [pic].
[pic] - мощность СВЧ, подаваемая к ЛЗ.
   Из (5) следует, что амплитуда магнитного поля определяется суммой двух
функций [pic] и [pic].Функция [pic] описывает поле в поперечной плоскости
XOY и дает среднее значение магнитного поля над поверхностью системы.
Причем когда [pic]  ([pic], широкий меандр, короткие волны) преобладает
синусная составляющая поля, когда [pic] ([pic], узкий меандра длинные
волны) преобладает косинусная составляющая поля. Функция [pic] описывает
периодическую часть поля вдоль координаты Z .
   Сигнал датчика ПВ пропорционален среднеквадратичному значению
напряженности магнитного поля в образце, который можно выразить через
коэффициент преобразования мощности в поле (6)
   [pic] ([pic]-объем образца). В случае меандровой ЛЗ он равен (при
[pic]):
            [pic], где                                   (7)
         [pic][pic]
[pic] аналогично [pic] с заменой [pic] на [pic], t- толщина образца.

[pic]

Рис. 2. Зависимость коэффициента преобразования мощности в поле для
объемного образца от параметра kh/2 .Кривые 1,2 и 3 соответствуют толщинам
образца t = 0, D/4 и D/2 .Здесь [pic] - в [pic], D - в мм.

Зависимость [pic], от параметра спирали kh/2 представлена на рис.2 ([pic]-в
э2/вт, [pic]- в мм) и была вычислена при следующих предположениях
                  1) экраны удалены;
                  2) система симметрична, т.е. [pic].

Поскольку про [pic] ряды (7) сходятся, как [pic], в расчете учитывались
только члены с [pic] (члены ряда с n= ±2 не превышали 5% от нулевого).
Функция [pic]и [pic] рассчитывалась с учетом дисперсионной характеристики
системы (5), построенной в координатах kh/2, [pic]. Из рис.2 , в частности,
следует, что при D=0,4 мм, [pic]=2,6 , [pic]=3,2 см коэффициент
преобразования (в точке максимума [pic]) равен ~5 э2/вт для образца
толщиной 0,1мм и примерно 9 э2/вт на поверхности системы.
      Для определения оптимальных геометрических размеров датчика найдем его
чувствительность в зависимости от параметров спирали и толщины образца.
Полагая детектирование линейным и что спираль и детектор идеально
согласованны с СВЧ трактом образец находится с одной стороны спирали и
равен ее длине и ширине и мощность СВЧ , поглощаемая в момент резонанса ,
мала в сравнении с подводимой .приходим к выражению :
[pic],                 (8)

[pic]

   Рис.3. Зависимость чувствительности датчика от параметров меандровой ЛЗ
           (kh/2) и отношения толщины образца t к шагу спирали D.

Где [pic],[pic],[pic]– коэффициенты преобразования и сопротивление
детектора, [pic] - мощность СВЧ, подводимая к датчику, [pic]- изменение
напряжения на детекторе СВЧ при резонансе, [pic] - мнимая часть магнитной
восприимчивости, [pic]-меандровая ЛЗ. График выражения (8), для
симметричной меандровой ЗС, представлен на рис.3, из которого находим
оптимальную ширину датчика. Максимальную толщину образца и,следовательно,
шаг спирали можно оценить из расстояния s ,на котором поле ослабляется в
'е' от поверхности системы (7)

   [pic],где коэффициент замедления [pic] является, полагая, геометрическим
[pic].
   Определенная таким образом величина t может в [pic] раз отличается от
истинного значения поскольку, в данном случае, не учитывается двуволновый
характер системы (система 'меандр' является двухступенчатой структурой
[2]). Более точное значение t можно найти , построив по рис.3 зависимость
чувствительности датчика от объема образца (при заданном D и kh/2).
   Оптимальная длина спирали при наличии потерь, равна [pic], где
постоянная затухания [pic] находится экспериментально (расчет [pic] не дает
удовлетворительного численного совпадения с экспериментальными данными).



           КОНСТРУКЦИЯ ДАТЧИКА ПВ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

   На рис.4 приведена конструкция датчика, изготовленная следующим образом.
На заготовку из оркстекла ([pic]) наносят параллельные канавки с шагом D и
глубиной равной диаметру провода. Затем на заготовке вырезают пластинки (5)
шириной h и поверх канавок накладывается медная пластинка. В образовавшееся
отверстие продевается зигзагообразный медный провод, пластинка прогревается
(до размягчения оргстекла) и удаляется.
   Изготовленные меандровые ЛЗ имели размеры L=10 мм, [pic]мм с шагом D =
0,4 мм и 0.6 мм. Подвод и отвод мощности СВЧ осуществлялся с помощью
радиочастотного кабеля (3) РК-75-2-26 , КСВ(Н) датчиков с [pic] мм не
превышал 2,5 в диапазоне [pic] ГГц при наличии согласующего экрана в виде
усеченного конуса (4).Датчики с размерами h = 9 мм и 9,5 мм имели граничную
частоту в области 8 ГГц хорошо совпадающего со значением, найденным по
дисперсионным характеристикам. Измеренные методом замещения постоянные
затухания датчика (на [pic] см) равны 3,6 дб/см (h = 4,5 мм, D = 0,4 мм)
и 6,2 дб/см  (h = 6 мм, D = 0,4 мм).

   Полоса пропускания, определенная   по частотной характеристике датчика
ПВ, превышает 1500 МГц для датчиков с [pic]мм , что позволяет использовать
их при контроле структуроскопии и дефектоскопии .
   Измеренная зависимость сигнала датчика ЭПР (рис.5) от объема образца и
высоты его расположения над поверхностью спирали (образец толщиной 0,07 мм)
показывает, что для датчика с h = 4,5 мм и h = 6 мм и шагом D = 0,6 мм
предельный объем образца равен 7 мм3 и 17 мм3 соответственно (при
одностороннем расположении образца), а амплитуда сигнала датчика ПВ
уменьшается в 'е' раз на высоте ~0,1 мм и ~0,17 мм для меандровых линий с h
= 4,5 мм и h = 6 мм соответственно. Большая скорость спадания поля с
высотой для меандровой ЛЗ с меньшей шириной, по-видимому, является
следствием двухступенчатой структуры 'меандра'. Это подтверждается тем, что
экспериментальные зависимости достаточно хорошо совпадают с вычисленными по
данным рис.3, который был построен с учетом двуволного характера системы.
Масштаб экспериментальных кривых и расчетных точек на рис.4 выбран так,
чтобы найденные и рассчитанные значения для ЛЗ с h= 4,5 мм совпадали при
Vo=21 мм3 для ЛЗ с h = б мм при t/D = 0,5.
     Измеренная чувствительность датчиков (при направлении постоянного
магнитного поля [pic] ортогонально плоскость XZ 'меандра ') с h = 4,5 мм и
h = 6 мм примерно совпадает (с учетом потерь ) с чувствительностью
объемного резонатора     ([pic]) для образцов объемом 3,3 мм3 и 4,3 мм3.
Расчетное значение получается в ~ 2,5 раза завышенным, что по-видимому,
связанно с тем, что при расчете не учитывались краевые поля и, кроме того,
у изготовленных спиралей проводники не были строго параллельны.
     На датчике с меандров ой ЛЗ были проведены предварительные измерения
на дефектоскопе диапазона (площадь образца при двухстороннем расположении
составляла ~ 90 мм2 при толщине 0,05 мм) и показана возможность его
использования в диапазоне волн меньше 1 см. Это открывает перспективы
использования этого датчика для структуроскопических работ в 8 мм
диапазоне, т.к. система является полностью открытой.
     Интересной особенностью датчика на основе меандровой ЛЗ является
изменение интенсивности сигнала ПВ (примерно в 9 раз на изготовленных
датчиках) при изменении направления постоянного магнитного поля [pic],
когда последние перпендикулярно плоскости XY 'меандра'. Это связанно с
наличием круговой поляризации магнитного СВЧ поля в этой плоскости, причем
, как показывает расчет (уравнения (1) и (4)) и эксперимент , направление
вращения магнитного вектора противоположно по разные стороны от поверхности
'меандра', что в свою очередь позволяет выделить чистый сигнал от образца и
подавлять сигнал от подложки .
     Из полученных данных следует, что меандровые ЛЗ могут служить
датчиками сигнала ПВ для плоских образцов толщиной ~ 0,1 - 0,2 мм в 3 см
диапазоне волн, объемов ~ 30 мм3 и площади ~ 300 мм2 ( в отсутствии
диэлектрика ). Для сравнения укажем, что в случае объемного резонатора Vo ~
500 мм3 и So ~ 300 мм2. При этом, однако, следует отметить важные
преимущества датчиков плоской конструкции:
             1) плоские ЛЗ являются полностью открытыми;
             2) в противоположность объемным резонаторам , когда образец
                помещается внутрь датчика , в случае плоских ЛЗ можно
                помещать датчик на образец;
             3) использовать датчики в качестве объемного зонда;
             4) упростить термостатирование образца в широком диапазоне
                температур (от высоких до сверхнизких) при одновременном
                облучении образца;
             5) исследовать не только ровные плоские поверхности, но и
                поверхности с гладкой кривизной;
             6) использовать интегральные СВЧ схемы, что особенно
                перспективно при низкотемпературных измерениях и при
                создании  малогабаритных структуроскопов  на основе
                интегральных схем.

   Существенным недостатком датчиков на основе ЛЗ, по сравнению с объемными
резонаторам, является наличие электрического поля в объеме образца. Однако,
их использование, наряду с объемными резонаторами, позволяет  значительно
расширить   экспериментальные   возможности структуроскопии.



                                 Литература

   1. Г.Л. Соболев, А.А. Хоркина, Вопросы электроники сверхвысоких частот,
      1969, 6, 152. Изд. Саратовского ун-та.
   2. Р.А. Силин, В.П. Сазонов, Замедляющие системы, Изд. “Сов. радио”,
      1960.


ref.by 2006—2019
contextus@mail.ru