Микрополосковые устройства частотной селекции сигналов и диагностики материалов на сверхвысоких частотах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

Лексиков Александр Александрович

МШСРОПОЛОСКОВЫЕ УСТРОЙСТВА ЧАСТОТНОЙ СЕЛЕКЦИИ СИГНАЛОВ И ДИАГНОСТИКИ МАТЕРИАЛОВ НА СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ

Специальность 01.04.03 -радиофизика

>

У

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

□03066132

Красноярск - 2007

003066132

Работа выполнена в Институте физики им Л В Киреносого СО РАН

Научный консультант доктор технических наук, профессор,

заслуженный изобретатель РФ Беляев Борис Афанасьевич

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук,

профессор Слабко Виталий Васильевич

доктор физико-математических наук, профессор Найден Евгений Петрович

доктор технических наук Разинкин Владимир Павлович

Ведущая организация Томский государственный университет

Зашита состоится «8» ноября 2007 г в 14 часов в аудитории Б-121 на заседании диссертационного совета Д 212.099 04 при Политехническом институте Сибирского Федерального Университета по адресу 660074, Красноярск, ул Киренского, 26

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Политехнического института Сибирского Федерального Университета

Автореферат разослан сентября 2007 г

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212 099 04 К.Т н, доцент

Саломатов Ю П

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 сверхширокоиолосных (>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

4 Исследовать применимость одномерных моделей и квазистатического приближения для анализа фильтров на нерегулярных МПР с плавным изменением ширины полоско-вого проводника

5 Исследовать применимость микрополосковых резонаторов-датчиков для низкотемпературных исследований и локальных измерений электромагнитных параметров материалов

6 Исследовать возможности создания на основе МПР высокочувствительных датчиков магнитного поля

7 Исследовать метод измерения электромагнитных характеристик материалов на СВЧ на основе взаимодействующих МПР

8 Исследовать возможности создания датчиков для диагностики материалов и контроля параметров жидкостей на основе взаимодействующих МПР

9 Разработать способ и устройство для изготовления микрополосковых структур

5

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 мевду 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-

6

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, чю подтверждается соответствующими актами

Положения, выносимые на защиту.

1 Уточненное определение частотно-зависимых коэффициентов связи микрополосковых резонаторов, позволившее точно сопоставить полюсам затухания на АЧХ фильтров нули полного коэффициента связи

2 Закономерности поведения частотно-селективных свойств МПФ на полуволновых параллельно-связанных и четвертьволновых щпильковых резонаторах в зависимости от их конструктивных параметров

3 Эффект 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

5 Конструкция резонатора на подвешенной подложке, позволяющая конструировать миниатюрные фильтры на частоты менее 500 МГц

6 Микрополосковые резонаторы-датчики для устройств низкотемпературной, до 77 К, и локальной диагностики электромагнитных характеристик материалов на СВЧ, а также способ неразрушающего контроля магнитных материалов

7 Двухкомпонентный датчик магнитных полей

8 Микрополосковый метод исследования диэлектрической проницаемости материалов на СВЧ

9 Датчики на основе взаимодействующих МПР 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 m 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,

8

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 микро-полосковых 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

2 Р

(1)

*сСО =

<2)

Еи+^+Цс+Егс к

(3)

где

о

это энергия запасаемая магнитным полем каждого из резонаторов.

Щх = \& их2(х) и;2(х) ск+]7^ +с;2) ца(х) и"]2(х) ск

- о ~0

- энергия запасаемая электрическим полем каждого из резонаторов,

(5)

(6)

(7)

*с А к

41=йп|г12/1(х) Г2(х)ск

о

- энергия магнитног поля, запасаемая резонаторами совместно, и

г, о

- энергия электрического поля, запасаемая резонаторами совместно Здесь и С1 -погонные индуктивность и емкость линий, образующих резонатор, Ьп и С[2 - их взаимные индуктивность и емкость, К - коэффициент передачи по напряжению, /ь /2, и1 и 112 -распределения амплитуд токов и напряжений по длине резонаторов, вычисляемые на каждой частоте, 1Г - длина резонатора 4 - длина области взаимодействия резонаторов, звездочкой, как обычно, обозначено коплексное сопряжение

В отличие от прежнего, в настоящей работе для определения коэффициентов связи используется мнимая часть энергии, запасаемой резонаторами совместно - (6) и (7) Это позволило получить более точные зависимости коэффициентов связи от частоты, причем нулям полного коэффициента связи довольно точно соответствуют полюса затухания на АЧХ двухзвенного фильтра В качестве иллюстрации на рис 1 приведены частотные зависимости коэффициентов индуктивной (штрихованная линия), емкостной (точки) и полной (сплошная линия) связи пары регулярных резонаторов на подложке с 5=80 толщиной 1 мм, связанных по всей длине Длина резонаторов 1Г=30 мм, их ширина ^=2 мм, зазор между ними ¿'=0 5 мм Здесь же изображена АЧХ структуры, сравнение которой с частотными зависимостями коэффициентов связи показывает, что действительно, нулям полного коэффициента связи соответствуют полюса затухания Кроме того, видно, что асимметрия АЧХ в области полос пропускания обусловлена также и тем, что более пологим склонам соответствуют большие величины полного коэффициента связи

Исследовалось также поведение коэффициента связи на частотах первой и второй полосы пропускания в зависимости от длины области связи Как оказалось, при определенной относительной длине области связи д=/ДяО 6 коэффициент емкостной связи в первой полосе пропускания становится равным нулю, и взаимодействие между резонаторами, определяющее ширину полосы пропускания, становится чисто индуктивным На частотах второй полосы пропускания имеется интервал величин д, в котором наблюдается немонотонная зависимость полного коэффициента связи от зазора между резонаторами, рис 2, благодаря чему можно создать три фильтра, имеющих одинаковую ширину полосы пропускания на второй моде отличающихся величиной зазора между резонаторами Кроме того, можно подобрать такое значение д, при котором О 2 4 6 8 -У, мм полный коэффициент связи на частоте второй моды Рис 2 будет равен нулю, тем самым аннулируя паразитную

полосу пропускания, что позволяет в ряде случаев разрабатывать фильтры на полуволновых регулярных резонаторах с расширенной высокочастотной полосой заграждения

Исследование частотно-зависимых коэффициентов связи нерегулярных резонаторов с СВС (топология показана на вставке рис 3) показало что в этом случае эффект немонотонной зависимости полного коэффициента связи от величины зазора между резонаторами (как на рис 2) наблюдается на частотах первой полосы пропускания Благодаря этому

дБ

можно теперь уже лолучить три фильтра, существенно отличающихся зазорами между резонаторами, но с одинаковой шириной полосы пропускания, на первой моде колебаний На рис 3 приведены АЧХ таких фильтров на подложках из поликора (8=9 8) толщиной 1 мм со следующими параметрами топологии длина резонаторов 1Г=45 5 мм, ширина низкоомного участка -»>¿=2 мм, высокоомного м>,=0 5 мм, при его длине 15 2 мм Величина зазоров 5 указана на вставке рис 3 Все фильтры имели

относительную ширину полосы пропускания Д/%=3%. однако их АЧХ существенным об-

11

разом различаются вне полосы пропускания Последнее связано с тем, что существенным образом для них различаются и частотные зависимости полного коэффициента связи Качественно эффект немонотонной зависимости полного коэффициента связи резонаторов от зазора между ними объясняется следующим образом Коэффициенты индуктивной и емкостной связи пары резонаторов, связанных по все длине, имеют противоположные знаки При малых зазорах 5 превалирует емкостное взаимодействие на фоне индуктивного того же порядка, однако при увеличении зазора емкостное взаимодействие убывает быстрее индуктивного, и при некоторой величине зазора суммарное взаимодействие становится прежним, но уже превалирует индуктивное, на фоне емкостного того же порядка Дальнейшее увеличение зазора приводит к тому, что емкостное взаимодействие становится исчезающе малым, а величина индуктивного взаимодействия равна полному взаимодействию в двух первых ситуациях Очевидно, что должен существовать такой зазор, при котором взаимодействие на частотах полосы пропускания равно нулю Действительно, это так На рис 3 кривая 4 соответствует такому случаю, а величина зазора при этом ¿'=0 41 мм Вышесказанное справедливо не только для двухзвенных фильтров, но и для фильтров с большим количеством резонаторов Очевидно, что выявление подобных эффектов имеет большое значение с точки зрения автоматизированного проектирования фильтров

Знание закономерностей поведения частотно-зависимых коэффициентов связи МНР позволяет достичь глубокого понимания особенностей формирования АЧХ МПФ и на этой основе более осмысленно подходить к выбору конструкции фильтра при его проектировании

В третьей главе приведены результаты исследований селективных свойств некоторых, хорошо зарекомендовавших себя, конструкций МПФ Это фильтры на регулярных МПР (рис 4а), на МПР с СВС (рис 46), и на четвертьволновых шпильковых МПР (рис 4в,г)

Критерием селективности были выбраны коэффициенты крутизны склонов АЧХ К/ и К)п низкочастотного и высокочастотного соответственно, определяемые как

К Д/з/2 , к А/з/2 (8)

' А//-А/з/2 А А/, -Д/з/2

где А/3 - ширина полосы пропускания фильтра по уровню -3 дБ, а А/ =/0 -/ и Д/, ~/0 -ширины полос частот, измеренные от центра полосы пропускания /> ДО соответственно низкочастотного / и высокочастотного ^ склонов АЧХ на уровне -30 дБ от уровня мини-

мальных потерь Равенство коэффициентов крутизны К/ и К/, говорит о симметричной форме амплитудно-частотной характеристики

(а) (б) (в) (г)

Рис

КиКк

К[, Кь

Рис 5

Фильтры с числом звеньев от 2 до б исследовались с помощью экспертной системы РЛЕех, предназначенной для автоматизированного синтеза широкого ряда МПФ различных конструкций и в которой предусмотрена функция исследования селективных и ряда других свойств МПФ в зависимости от основных параметров конструкции, которые не изменяются в процессе синтеза фильтра, но влияют на его селективные свойства К таким параметрам относятся, в первую очередь, толщина подложки и ее диэлектрическая проницаемость е, высота экранирующей крышки над подложкой ка, ширина полосковых проводников резонатора если это МПФ на регулярных МПР, рис 4а, или части полосковых проводников, образующих МПР, в более сложных, как на рис 46,в,г, случаях В программе задавались центральная частота полосы пропускания фильтра, ее ширина по заданному уровню, пределы изменения параметра, в зависимости от которого исследуются свойства фильтра, и шаг, с которым он изменяется На каждом шаге Гчкех синтезировал фильтр под техническое задание, и получившиеся результаты - величины коэффициентов крутизны

склонов АЧХ, зазоров между резонаторами, поправки к размерам внутренних резонаторов, в случае многозвенных фильтров, и тд записывались в файл-отчет Естественно, что предварительно приводилась экспериментальные проверки точности расчета АЧХ, показавшие достаточно хорошее согласие

На рис 5 представлено поведение коэффициентов крутизны склонов АЧХ шестизвен-ного фильтра на подложке из поликора толщиной 1 мм при варьировании длины области связи (/¡Д-) резонаторов и одновременно либо ширины полосы пропускания для не-экранированного фильтра, либо высоты экранирующей крышки (А/А^) над подложкой для фильтра с фиксированной полосой пропускания Л/3$>= 10 % Подключение фильтра - диагональное /</4=1 соответствует решетчатому фильтру, а 4//г<1 лестничному фильтру с подключением по малой диагонали Видно, что длина области связи резонаторов, при которой наблюдается симметричная форма АЧХ почти не зависит от варьируемых параметров Более того, уменьшение высоты экранирующей крышки вплоть до двух толщин подложки практически не влияет на величину коэффициентов крутизны склонов АЧХ для любой выбранной длины области связи резонаторов Однако увеличение ширины полосы пропускания фильтра приводит к существенному росту Кк при /<Д. < 0 1 и к росту К[ при 1а/1г>0 5 Эти факты обусловлены приближением полюсов затухания к полосе пропускания фильтра, соответственно справа или слева от нее

Варьирование г подложки показало, что ее влияние на коэффициенты крутизны склонов становится заметным лишь при величинах менее 20, и то только в случае «отрицательных» значений У1„ т е соответствующих подключению фильтра по большой диагонали

Исследование селективных свойств лестничных фильтров на нерегулярных МПР (рис 46) показало, что они сильно зависят от способа подключения по большой или малой диагонали При подключении по малой диагонали крутизна низкочастотного склона всегда существенно выше, чем высокочастотного при любом числе звеньев, а также независимо от величины диэлектрической проницаемости подложки, скачка ширины почоскового проводника и других конструктивных параметров

1 0

80 ® ^ мм

Рис 6

При подключении фильтра по большой диагонали асимметрия АЧХ фильтра существенно меньше, при этом, меняя конструктивные параметры, можно асимметрией «управлять» На рис 6 для фильтра, состоящего из шести резонаторов и подключенного к линиям передачи по большой диагонали, показаны зависимости крутизны склонов АЧХ от диэлектрической проницаемости подложки и от ширины среднего, высокоомного, участка полос-кового проводника МПР w, Зависимости были рассчитаны при относительной длине высокоомного участка проводника лу=0 4, так как с практической точки зрения наиболее оптимальным является интервал значений _х?=0 3 0 5 Именно в этом интервале, как известно, имеет место не только максимальное различие резонансных частот первой (рабочей) и второй (паразитной) мод колебаний, но и предельное уменьшение суммарной длины по-лоскового проводника МПР Из рисунка видно, что с увеличением s и w, крутизна низкочастотного склона растег, а высокочастотного уменьшается При этом каждому значению диэлектрической проницаемости подложки соответствует определенная величина ширины внутреннего участка колоскового проводника, при которой имеет место равенство Кг и К/„ т е симметричная форма АЧХ

У фильтров на четвертьволновых шпильковых МПР (рис 4в,г) симметрия АЧХ в основном определяется относительной шириной полосы пропускания чем шире полоса пропускания, тем больше асимметрия, причем низкочастотный склон круче Лишь у сравнительно узкополосных фильтров (-10%) можно получить симметричную АЧХ. причем здесь имеется слабая зависимость от s подложки чем она выше, тем более широкополосный фильтр можно получить с симметричной АЧХ У более узкополосных фильтров асимметрия АЧХ обратная - высокочастотный склон круче низкочастотного Связано такое поведение с тем, что у «широкополосных» фильтров связь между резонаторами определяется емкостным взаимодействием, ввиду малости зазоров между ними, а, значит, коэффициент полной связи падает с понижением частоты В целом же, АЧХ фильтров на сонаправленных «шпильках» (рис 4г) более симметрична, а коэффициенты крутизны склонов выше, чем у фильтров на встречно-направленных (рис 4в) Исследовалось также поведение коэффициентов крутизны склонов АЧХ от отношения v/\lw0 — ширин свободного отрезка полоскового проводника МПР и замкнутого на экран, внутреннего зазора S между полосковыми проводниками, образующими резонатор, толщины подложки hj, высоты экранирующей крышки ha Все эти параметры тем или иным образом влияют на коэффициенты крутизны склонов АЧХ МПФ на четвертьволновых шпильковых резонаторах, тем

и дБ

4 /ГГц

самым предоставляя широкие возможности конструирования фильтров с заданной симметрией или асимметрией АЧХ

Большим достоинством фильтров на четвертьволновых шпильковых МПР является широкая высокочастотная полоса заграждения, которую можно делать еще шире, увеличивая отношение м.у'и>0 На рис 7 представлены амплитудно-частотные характеристики шестизвен-ных фильтров на подложке ЮТЛЗигшс! толщиной 1г<!=0 6 мм, имеющей диэлектрическую проницаемость е=102 Фильтры настраивались на центральную частоту полосы пропускания/0= 1 ГГц и относительную ширину полосы пропускания 4/з%=20% в этом исследовании у всех устройств ширина регулярного участка полоскового проводника, соединенного с экраном, равна половине толщины подложки юо^ОЗ мм. а ширина н', изменялась от 0 3 мм (кривая до 2 4 мм (кривая 4) Из рисунка видно, что в случае одинаковой ширины всех участков полоскового проводника (кривая 1) вторая, паразитная полоса пропускания находится в области

~2 5 ГГц Однако с увеличением скачка ширины проводника она перемещается в область высоких частот вплоть до 5 ГГц при •и'1/'и/о = 8 Амплитудно-частотные характеристики в области полосы пропускания фильтров почти не отличаются вплоть до уровня -30 дБ А это означает что для всех фильтров остается почти неизменной ч крутизна склонов АЧХ Вместе с тем, рост отношения и^/туо существенно увеличивает уровни затухания в полосах заграждения

Необходимо отметить что в фильтрах на «шпильках» с четным числом звеньев все резонаторы одинаковые, а с нечетным центральные резонаторы имеют ширину почти вдвое большую, по сравнению с остальными, в силу сохранения зеркальной симметрии топологии их проводников (см рис 4в,г) В результате трехзвенный фильтр имеет габариты подложки почти как четырехзвенный, а пятизвенный почти как шестизвенный Поэтому фильтры с нечетным числом звеньев на первый взгляд кажутся неэффективными, учитывая тот факт, что крутизна склонов АЧХ в конструкциях с большим количеством резонаторов существенно выше Однако устройства с меньшим числом звеньев значительно проще в настройке, а главное они имеют заметно меньшие потери СВЧ мощности в полосе

пропускания Поэтому в ряде случаев, когда требования к селективности и размерам уст-

16

ройства не слишком высокие, трехзвенный фильтр может оказаться предпочтительнее четырехзвенного, а пятизвенный - предпочтительнее шестизвенного

В четвертой главе описаны фильтры оригинальных конструкций, которые отличаются каким-либо достоинством, позволяющим расширить применимость полосковых конструкций

На вставке рис 8 приведена конструкция МПФ на двухмодовых резонаторах и показано направление токов мод, возбуждаемых в них, резонансы которых формируют полосу пропускания фильтра. Поэтому полосу пропускания двухзвенного фильтра на таких резонаторах формируют четыре резонанса Благодаря последнему обстоятельству такой фильтр объединяет в себе такие полезные качества двухзвенных и многозвенных фильтров, как малые потери в полосе пропускания и более высокую селективность Опять же. благодаря замыканию резонаторов на экран паразитная полоса пропускания фильтра сдвигается на октаву в более высокие частоты, и, как следствие, он имеет более широкую, по сравнению с другими типами многомодовых конструкций, полосу заграждения на верхних частотах По той же причине они каскадируются тривиальным способом - перемычкой Также на рис 8 приведена АЧХ конструкции, полученной каскадированием двух таких фильтров, настроенных на одинаковую полосу пропускания и выполненных на подложке из ТБНС (г=80) толщиной 1 мм. размерами 23x9 мм2 у первого из них и 17x10 мм2 у второго Благодаря применению скачка волнового сопротивления у второго фильтра частоты их вторых, паразитных

полос пропускания «разошлись», в результате центральная частота паразитной полосы пропускания каскадированной конструкции более чем в шесть раз превышает центральную частоту рабочей полосы пропускания

На вставке рис 9 представлены конструкции фильтров на двухмодовых резонаторах, в которых благодаря обратному скачку волнового сопротивления

г. ив # Ц| и

■Ш

О 05 1 15 2 26 /ГГц Рис 8

Рис 9

(сужению свободных отрезков полоскового проводника МПР) частоты двух первых мод колебаний сближены, и, как и в предыдущем случае, полосу пропускания двухрезонатор-ного фильтра формируют четыре резонанса. Коэффициенты индуктивной и емкостной связи в таких конструкциях имеют одинаковые знаки на частотах полосы пропускания, а обратный скачок дает еще и увеличение емкостного взаимодействия Поэтому на таких конструкциях можно проектировать сверхширокополосные фильтры На том же рисунке приведена АЧХ фильтра, конструкция которого изображена слева. Фильтр имеет относительную ширину полосы пропускания по уровню -3 дБ 70% Сплошная линия - расчет на одномерных моделях в квазистатическом приближении, точки - эксперимент АЧХ фильтра, изображенного справа, отличается от приведенной на рис 9 тем, что имеет более пологий высокочастотный склон полосы пропускания Оценки показывают, что на таких конструкциях можно проектировать фильтры с относительной шириной полосы пропускания до 100%

Одним из известных приемов повышения селективности МПФ является подключение режектирующего шлейфа к полосковому проводнику резонатора Однако, как оказалось, это является одним из способов превращения его в многомодовый, в том смысле, что в формировании полосы пропускания фильтра на подобных резонаторах участвуют резонан-сы двух или более мод

На рис 10 приведена конструкция и АЧХ подобного фильтра, выполненного на подложке из ТБНС толщиной 1 мм, размерами 19x22 мм2 точки - эксперимент, сплошная линия - расчет в квазистатическом приближении Видно, что в формировании полосы пропускания двухзвенного фильтра участвуют четыре резонанса /ь _/•>, /з ч/а, кроме того, имеются полюса затухания на частотах // и //, 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-

18

Рис 10

ников которых были подключены регулярные невзаимодействующие друг с другом шлейфы

На рис 11 представлены распределения амплитуд высокочастотного напряжения и тока по длине полосковых проводников резонаторов С'(х), 1(х) и шлейфов Щу), 1{у), построенные для частот всех минимумов обратных потерь в полосе пропускания/х-Д, а также для низкочастотного ^ и высокочастотного полюсов затухания Распределения получены при условии, что входным является верхний резонатор, а выходным - нижний Из рисунка видно, что на частотах /2 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

Рис 11

На частоте полюса затухания // на той половине полоскового проводника выходного резонатора, к которой подключена выходная линия передачи, электромагнитные колебания отсутствуют, а на частоте полюса //,, колебания отсутствуют во всех проводниках выходного резонатора, а также в той половине входного резонатора, которая связана с выходным Поэтому на частотах/¡и/1г 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 значи-

Подобные двухзвенные конструкции, хотя и обладают высокой крутизной склонов АЧХ, значительно превышающей крутизну даже четырехзвенных микро-полосковых 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

20

тельно увеличить его крутизну

£ дБ

Рис 12

£,дБ

этом уровень затухания в полосах заграждения фильтра достигает величины не менее -60 дБ, а крутизна склонов его АЧХ соответствует девятирезонаторной конструкции.

Сверхширокие (>50%) полосы пропускания фильтров реализуются традиционно за счет предельного уменьшения зазоров между ре-Рис ^ зонаторами, 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

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

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

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-

21

03 06 09 1 2 1 5 Рис 14

¿ГГц

0 -10 -20 -30 -40

1

1 \ :

V 1 \ >

/ 1 !

Об' 0 9 12 1 5 /.ГГЦ Рис 15

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 была 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 7 ^ ^ МГц На рис 16 изображена конструкция трехзвенного / 4Кш) Лъш/ ^ШшК/ / фильтра на подвешенной подложке на основе которой ¿(г ¿КГ можно проектировать фильтры с хорошими электриче-

у- проводники скими характеристиками на частоты до 100 МГц и ниже

Подложка 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

о

всего СВЧ устройства Сверху конструкция также закрывается металлическим экраном

200

400 600 800 / МГц

Ю яП°Оп о

-10

-30

-20

250 270 290 ЗК^

Рис 17

Как показали исследования собственная добротность таких резонаторов выше, чем у обычных микрополосковых, 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 у/=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 _/о=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 Ьсг-1 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 на соответствующей частоте.

(а)

е_

2

* • •

"к.

у

« « « Ш

е.

Ш

ям

Рис. 18.

Как оказалось, резонаторы, выполненные с использованием подложек из керамики ТБ-8 и поликора, выдерживают многократные циклы охлаждения до Т-77 К, а температурные изменении № резонансных частог при этом невелики и монотонны. Температурные зависимости частоты и интенсивности резонанса первой моды такого резонатора с образцом ВТСП-пленки ведут себя в области фазового перехода в сверхпроводящее состояние подобно температурным зависимостям мнимой и действительной частей поверхностного импеданса ВТСП-плепок. температурные измерения которого являются тестовыми дня последних. На основе подобно! "О датчика был разработан прибор для оперативной диагностики ВI СП-пленок.

На рис. 186 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 качества шторък "плгетонта ув ъигвдлов и сплавов с известными значе-

ниями удельного сопротивлении, которому пропорционально поверхностное сопротивление. Датчик был изготовлен на подложка из керамики ТШС толщиной 2 мм, длина полос -кового проводчика.резонатора 19 мм. а ширина 3.5 мм. диаметр измерительного отверстия

24

р*10 , Ом-м

Рис !Ч

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 ¡а 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 1 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-

^ипит

-Детектор

•Генератор Корпус МПР

-7"

тмп

данном 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 обычно по изменению добротности резонатора при развертке постоянного магнитного поля и достижению им резонансных величин Рис 20 для исследуемого образца Образец ТМП помещается под изме-

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 неразрушающе-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

26

Рис 21

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 Нв - 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 ЯК=Я0-ЯВ 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 -Яо-Яв Если выбрать пленку, на локальном участке которой перемагничивание осуществляется одним скачком Баркгаузена и в поле На, 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, обусловленный компенсацией индуктивного и емкостного 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 в материала подложки не хуже 0 0001

Рис 22

На частоте полюса затухания, которая гораздо ниже резонансной (на рис 22 это 240 МГц против 840 МГц) распределение амплитуд напряжений и токов в полосковых проводниках ДМС таково, что максимум электрического поля приходится на свободные концы полосковых проводников, а магнитного поля - находится на концах, к которым подключены внешние линии передачи Поэтому, помещая исследуемый образец между свободными концами полосковых проводников, по частоте 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 е исследуемого материала необходимо уменьшить расстояние между полосковыми проводниками в зоне размещения образца и увеличить ею в области подключения ДМС к линиям передачи, как показано на рис 24 Этот Зона помещения г г

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 КХ)Р (дигидрофосфат калия), в котором измерялась частота полюса затухания в зависимости от температуры в Рис 24

области структурного фазового перехода КОР (-160 -120 С0) Датчик был выполнен на подложке из ТБ-8 (г=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 частоте двухзвенной микрополосковой структуры (см кривая 4 на рис 3), выбрав соответствующую конфигурацию ее полосковых проводников, то коэффициент прохождения сигнала 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 смещение полюса приводит к колоссальному изменению коэффициента прохождения ДМС на резонансной частоте Исследования показали, что, например, коэффициент прохождения

ЛА,дБ

датчика, выполненного на подложке из поликора, меняется на 30 дБ при изменении 8 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-4 Но Э ков двухзвенная микрополосковая структура, т е со скомпенсированными связями на резонансной частоте, но в состав 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-

29

0 8 % г/л

частотная характеристика такой структуры подобна изображенной на рис. 22, и она может служите как датчиком для диэлектрических измерений жидкостей, тик и датчиком в системах оперативного контроля за составом жидкостей в разного ¡»да технологических процессах. например солености воды, влажности нефтепродуктов и т.д. Для иллюстрации на рис.. 26 приведши зависимость уровня прошедшей мощности на частоте полюса затухания такого датчика от солености воды. Датчик представлял собой диэлектрическую трубу т керамики ТЛ-75 с внешним и внутренним диаметрам« 64 мм и мм соответственно, длина полос ко вых проводников 66 мм, их ширина 8 мм. Частота полюса затухания пустого датчика 33.72 МП;, Эксперименты на образных влажной нефти гкжжии, что частота полюс а меняется линейно с увеличением содержания воды (до 20 %), при этом изменение влажности на 1 % приводит к изменению частоты полюса на ] .5%

На основе микрополоскового датчика, представляющего собой систему взаимодействующих резонаторов, разработан измеритель содержания жира и белка в молоке. Представлены результаты, позволяющие оценить точность определения этих компонентой молока, которая оказалась, не хуже 0.1%.

Восьмая глава посвящена ошгешгш тто№тзироваш<Ю) кооряинятырафа «Скаль-псль-96», управляемого компьютером, «шбопяющсго практически полностью заменить фотолитографию при изготовлении микрополосковых Структур во всех случаях, когда не требуется высокого разрешения, С помощью итого прибора было изготовлено подавляющее число устройств, описанных в настоящей работе.

приводов, два на которых приводят в движение столик с закрепленным на нем держателем

Управляющая координатографом программа считывает файл с координатами вершин рисунка полоско-аых проводников устройства. Тонкое микролезвис, закрепленное на резаке аппарата, прорезает слой эла-

стичного лака, которым предварительно покрыта метан лизиро на иная подложка, С удаляемых участков ме-

таллизация лак снимается под микроскопом, а затем проводится обычное химическое травление структуры, такое же, как и в фотолитографии.

Рис 27-

Координатограф изготовлен в виде настольного блока фотография которого показана на рис. 27. Работа прибора основана на использовании четырех шаговых

подложки по координатам Xи Г 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-досковых 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

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 Уточнена формулировка частотно-зависимых коэффициентов связи микрополоско-вых резонаторов (МПР) На ее основе исследовано взаимодействие регулярных МПР и МПР со скачками волнового сопротивления (СВС) Показано, что полюсам затухания на АЧХ двухзвенных микрополосковых фильтров точно соответствуют нули полного коэффициента связи Частотой полюсов затухания можно «управлять», меняя конструктивные параметры фильтра, и. тем самым, влиять на его селективные свойства.

2 Исследованы селективные свойства фильтров на параллельно связанных полуволновых МПР и четвертьволновых шпильковых МПР Показано, что меняя конструктивные параметры фильтра, можно получить как симметричную полосу пропускания, так и полосу с заданной асимметрией Используя СВС в МПФ на четвертьволновых шпильковых МПР, можно значительно расширить высокочастотную полосу заграждения

3 Разработаны конструкции на многомодовых резонаторах и резонаторах на подвешенной подложке, позволяющие реализовать миниатюрные фильтры как с предельно узкими относительными полосами пропускания -1%, так и сверхширокополосные - до 100%. с шириной высокочастотной полосы заграждения до 3-х октав работающие на сш-

31

ке метрового и дециметрового диапазонов длин волн Показано, что АЧХ таких конструкций достаточно точно рассчитываются с применением одномерных моделей и квазистатического приближения, что является важным для их автоматизированного проектирования

4 Исследованы фильтры на резонаторах с плавным изменением ширины полоскового проводника, показано, что для анализа таких конструкций применимы одномерные модели и квазистатическое приближение

5 Исследованы измерительные МПР и МПР с отверстием в экране Показано, что на их основе можно конструировать датчики для устройств диагностики материалов при низких, до 77 К, температурах, датчики для локальных измерений поверхностного сопротивления проводящих материалов и магнитных параметров тонких магнитных пленок (ТМП) На основе спектрометра ферромагнитного резонанса локальных участков ТМП разработан способ неразрушающего контроля магнитных материалов

6 Показано, что на основе микрополосковых структур, интегрированных с ТМП, можно конструировать датчики слабых магнитных полей с чувствительностью 10"6-10"7 3

7 Разработан метод исследования диэлектрических характеристик материалов, основанный на регистрации полюса затухания на АЧХ двухзвенной микрополосковой структуры, выполненной на подложке из исследуемого материала, относительная чувствительность которого по 8 составляет 10"4 На основе этого метода разработаны датчики для исследования диэлектрических характеристик твердых, сыпучих и жидких материалов, а также их оперативной диагностики Разработан оригинальный датчик и измеритель состава молока

8 Разработан координатограф для оперативного изготовления микрополосковых структур с точностью ±5 мкм на подложках размерами до 60x48 мм, позволяющий многократно уменьшить временные и материальные затраты на разработку микрополосковых устройств

Основные публикации по теме диссертации

1 Беляев Б А, Лалетин Н В, Лексиков А А, Сержантов А М Особенности коэффициентов связи регулярных микрополосковых резонаторов // Радиотехника и Электроника. -2003 -Т 48 -№1 - С 39-46

2 Беляев Б А, Лексиков А А, Титов М М, Тюрнев В В Микрополосковый решетчатый фильтр на нерегулярных резонаторах // Радиотехника и Электроника. - 2002 - Т 47 - №8 - С 939-946

3 Беляев Б А, Лалетин Н В , Лексиков А А Коэффициенты связи нерегулярных микрополосковых резонаторов и частотно-селективные свойства двухзвенной секции на их основе // Радиотехника и Электроника. - 2002 -Т 47 -№1 -С 14-23

4 Belyaev В А, Leksikov А А, Laletin N V Coupling coefficients of irregular microstrip resonators and selective properties of filters on their basis // Proc The Third IEEE-Russia Conf "Microwave electronics measurements, identification, application' Novosibirsk Russia -2001 -P 86-91

5 Беляев Б A, Лексиков A A, Никитина M И, Тюрнев В В, Алексеева Н В Селективные свойства лестничных микрополосковых фильтров на регулярных резонаторах // Радиотехника и Электроника -2000 -Т 45 -№8 - С 910-917

6 Беляев Б А, Бутаков С В , Лалетин Н В , Лексиков А А, Тюрнев В В , Чесноков О Н Селективные свойства микрополосковых фильтров на нерегулярных резонаторах // Радиотехника и Электроника -2004 -Т 49 -№11 -С 1397-1406

7 Беляев Б А, Лексиков А А, Казаков А В Микрополосковое частотно-разделительное устройство И Труды 3-й Межд научно-практ конф «Электронные средства и системы управления» Томск - 2005 - С 63-66

8 Беляев Б А, Лексиков А А, Тюрнев В В Частотно-селективные свойства фильтров на регулярных микрополосковых резонаторах // Наука производству - 2003. - №5 - С 610

9 Беляев Б А, Лексиков А А, Тюрнев В В Частотно-селективные свойства многозвенных фильтров на регулярных микрополосковых резонаторах // Радиотехника и Электроника. - 2004 -Т 49 -№11 -С 1315-1324

10 Беляев Б А, Бутаков С В , Лалетин Н В , Лексиков А А, Тюрнев В В , Чесноков О Н Селективные свойства микрополосковых фильтров на четвертьволновых сонаправ-ленных шпильковых резонаторах // Радиотехника и Электроника - 2006 - Т 51 - №1 -С 24-36

11 Беляев Б А, Лексиков А А, Тюрнев В В Селективные свойства микрополосковых фильтров на нерегулярных четвертьволновых резонаторах // Труды VI Межд Конф «Актуальные проблемы электронного приборостроения», АПЭП-2002 Новосибирск - 2002 -Т4 - С 92-95

12 Пат 2227350 Российская Федерация, Микрополосковый полосно-пропускающий фильтр / Беляев Б А, Лексиков А А, Александровский А А, опубл 20 04 2004, Бюл № 11

13 Беляев Б А , Лексиков А А , Сержантов А М Широкополосный микрополосковый фильтр // Материалы 11-ой Межд Крымской Конф «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» Севастополь -2001 -С 501-502

33

14 Александровский А А, Беляев Б А, Лексиков А А Исследование двухзвенного микрополоскового фильтра на резонаторах со шлейфами // Материалы 11-ой Межд Крымской Конф «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» Севастополь - 2001 -С 458-459

15 Александровский А А, Беляев Б А, Лексиков А А Синтез и селективные свойства микрополосковых фильтров на шпильковых резонаторах со шлейфными элементами // Радиотехника и Электроника - 2003 - Т 48 - №4 - С 398-405

16 Александровский А А, Беляев Б А, Лексиков А А Фильтр на основе каскадированных двухзвенных секций, образованных микрополосковыми резонаторами со шлейфами // Материалы 10-ой Межд Крымской Конф «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» Севастополь - 2000 - С 367-368

17 Пат 2065233 Российская Федерация, Микрополосковый полосно-пропускающий фильтр / Беляев Б А, Лексиков А А, Тюрнев В В, Шихов Ю Г , опубл 10 08 96, Бюл № 22

18 Пат 2148286 Российская Федерация, Микрополосковый гребенчатый полосно-пропускающий фильтр / Беляев Б А, Лексиков А А, Шепов В Н, Шихов Ю Г , опубл 27 04 2000, Бюл № 12

19 Беляев Б А, Лексиков А А, Сержантов А М, Шепов В Н Широкополосный микрополосковый фильтр // Материалы 10-ой Межд Крымской Конф «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» Севастополь - 2000 - С 365-366

20 Беляев Б А, Лексиков А А, Шихов Ю Г и др Микрополосковые резонаторы с плавным изменением ширины проводника и фильтры на их основе // Электромагнитные волны и Электронные системы -2000 - Т 6 -№1 -С 35-42

21 Пат 2237320 Российская Федерация, Полосно-пропускающий фильтр / Беляев Б А, Лексиков А А , Тюрнев В В , Казаков А В , опубл 27 09 2004, Бюл № 27

22 Беляев Б А , Казаков А В , Лексиков А А, Тюрнев В В Полосно-пропускающий полосковый фильтр на подвешенной подложке // Материалы Межд Научно-практ Конф «Электронные средства и системы управления» Томск - 2004 - С 27-30

23 Лексиков А А, Сухин Ф Г Полосковый двухпроводной резонатор на подвешенной подложке // Материалы 16-ой Межд Крымской Конф «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» Севастополь - 2006 - С 563-564

24 Александровский А А, Беляев Б А, Лексиков А А Полосно-пропускающий фильтр на двухмодовых микрополосковых резонаторах // Труды VI Межд Конф «Актуальные проблемы электронного приборостроения», АПЭП-2002 Новосибирск - 2002 - Т 4 - С 86-88

25 Беляев Б А, Дрокин Н А, Лексиков А А Исследования материалов на сверхвысоких частотах микрополосковыми датчиками // Изв Вузов Физика. - 2006 - №9 - С 4553

26 Лексиков А А, Давидюк А В, Коваленко А А Локальные измерения высокочастотного поверхностного сопротивления микрополосковыми датчиками // Изв вузов Физика. - 2006 - №9 Приложение - С 85-87

27 Лексиков А А, Давидюк А В, Коваленко А А Микрополосковые датчики для локального измерения поверхностного сопротивления на СВЧ // Материалы 16-ой Межд Крымской Конф «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» Севастополь -2006 -С 743-745

28 Коваленко А А, Давидюк А В, Лексиков А А Микрополосковые датчики для локальных измерений высокочастотного поверхностного импеданса // Современные проблемы радиоэлектроники Сб научн трудов / под ред А И Громыко, А В Сарафанова. - М Радио и связь - 2006 - С 484-487

29 Пат 2150712 Российская Федерация, Датчик магнитного поля / Беляев Б А, Бута-ков С В , Лексиков А А, Бабицкий А Н , опубл 10 06 2000, Бюл № 16

30 Belyaev В А, Butakov S V, Leksikov A A Two-component microwave sensor of weak magnetic fields//Proc 3-d Int Symp "SIBCONVERS'99" Russia Tomsk - 1999 - V 1 - P 52-54

31 Беляев Б A, Бутаков С В, Лексиков А А Микрополосковый тонкопленочный датчик слабых магнитных полей//Микроэлектроника -2001 -Т 30 -№3 -С 228-237

32 Беляев Б А, Бутаков С В , Лексиков А А Микрополосковые датчики магнитных полей//Наука производству -2003 -№5 -С 11-16

33 Беляев Б А, Лексиков А А, Макиевский И Я, Тюрнев В В Спектрометр ферромагнитного резонанса//Приборы и Техника Эксперимента - 1997 -№3 -С 106-111

34 Беляев Б А, Изотов А В Лексиков А А Сканирующий спектрометр ферромагнитного резонанса для диагностики характеристик тонких магнитных пленок И Заводская лаборатория -2001 -Т 67 -№9-С 24-33

35 Belyaev В А, Izotov А V, Leksikov A A Local spectrometer of ferromagnetic resonance and magnetic imaging in thm magnetic films // IEEE Sensors - 2005 - V 5 - No 2 -P 260-267

36 Belyaev В A, Leksikov A A Ferromagnetic resonance spectrometer for local measurements//Phys of Met and Metallography -2005 -V 100 - Suppi 1 -P S12-S15

37 Пат 2160441 Российская Федерация, Способ неразрушающего контроля ферромагнитных материалов / Беляев Б А, Лексиков А А, Макиевский И Я , Овчинников С Г, опубл 10 12 2000, Бюл №34

38 Беляев Б А, Лексиков А А, Краус И Магнитный метод неразрушающего контрочя деформаций материалов//Заводская лаборатория -2002 -Т 68 - №9 - С 30-35

39 Беляев Б А , Краус И , Лексиков А А, Овчинников С Г Микрополосковый датчик для визуализации полей рассеяния//Наука производству -2003 -J&5 - С 17-21

40 Belyaev В А, Leksikov А А, Ovchinmkov S G, Kraus I, Parshm A S Magnetic Technique for Nondestructive Evaluation of Residual Stress // Acta Polytechmca - 2004 - V 44 -No 1 -P 43-48

41 Беляев Б А. Лексиков A A, Тюрнев В В Микрополосковый метод исследования диэлектрической проницаемости материалов на сверхвысоких частотах // Приборы и Техника Эксперимента - 1995 -№5 -С 123-130

42 Беляев Б А, Лексиков А А, Тюрнев В В, Шихов Ю Г Микрополосковый датчик для исследования диэлектрической проницаемости материалов на сверхвысоких частотах //Приборы и Техника Эксперимента - 1997 - №5 -С 112-115

43 Пат 2089889 Российская Федерация, Ячейка для измерения диэлектрической проницаемости жидкости / Беляев Б А, Лексиков А А, Тюрнев В В , опубл 10 09 97, Бюл № 25

44 Пат 2134425 Российская Федерация, Датчик для измерения диэлектрических характеристик жидкостей / Беляев Б А, Лексиков А А, Сергиенко П Н, Шихов Ю Г. опубл 10 08 99, Бюл № 22

45 Лексиков А А, Беляев Б А, Агафонов К В, Кулачков Н В Измеритель диэлектрических характеристик жидкостей на основе микрополоскового датчика// Материалы 11-ой Межд Крымской Конф «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» Севастополь -2001 -С 671-672

46 Агафонов К.В , Александровский А А., Лексиков А А Микрополосковые резонаторы-датчики для измерения диэлектрических характеристик жидкостей // Современные проблемы радиоэлектроники Сб научн. трудов / под ред А В Сарафанова. Красноярск ИПЦКГТУ -2003 -С 149-154

47 Пат 2222024 Российская Федерация, Трубчатый датчик для измерения диэлектрических характеристик жидкости / Беляев Б А, Лексиков А А, Александровский А А, опубл 20 01 2004, Бюл № 2

48 Беляев Б А, Лексиков А А Трубный микрополосковый датчик диэлектрических характеристик жидкостей // Материалы Межд Конф «Современные проблемы физики и высокие технологии» Томск -2003 - С 219-222

49 Лексиков А А, Лупенских А В Микрополосковый датчик для контроля состава жидкостей в трубопроводе // Материалы 15-ой Межд Крымской Конф «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» Севастополь - 2005 - С 825-826

50 Беляев Б А, Казаков А В., Лексиков А А, Макиевский И Я Установка для изготовления рисунков металлических полосок микрополосковых с в ч устройств // Приборы и Техника Эксперимента - 1998 -№1-С 124-125

51 Александров К С, Беляев Б А, Лексиков А А., Тюрнев В В Система автоматизированного проектирования и изготовления микрополосковых фильтров // Наука производству -2003 -№5 - С 2-5

52 Агафонов К В , Беляев Б А, Лексиков А А Автоматизированный координатограф для изготовления микрополосковых плат методом гравировки по лаку // Материалы 16-ой Межд Крымской Конф «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» Севастополь - 2006, С 637-638

Подписано к печати 04 09 2007 г Формат 60x84/16 Тираж 100 экз, 2 уел -печ л Заказ № 41

Отпечатано на ротапринте ИФ СО РАН 660036 Красноярск, Академгородок

Результаты работы, изложенные в данной главе, опубликованы в [227230, 232-235].

ГЛАВА 7. МИКРОПОЛОСКОВЫЕ МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА ДИАГНОСТИКИ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ РЕЗОНАТОРОВ

Если устройства и методики измерения диэлектрических и магнитных характеристик материалов на основе микрополоскового резонатора имеют много общего со способами и устройствами, основанными на других типах электродинамических резонаторов, то аналогом описываемой в данной главе методики можно считать, по-видимому, мостовую. Известно, что на амплитудно-частотных характеристиках микрополосковых фильтров имеются полюса затухания, образующиеся в результате компенсации индуктивного и емкостного взаимодействия между резонаторами. Частотное положение полюсов очень сильно зависит от конструктивных параметров фильтра, что собственно можно использовать для управления его селективностью. Отчасти это и было предметом исследования во второй и третьей главе. Например, на рис. 2.10 изображены АЧХ двухзвенного микрополоскового фильтра (кривые 3,2 и 1), у которого от кривой 3 к кривой 1 увеличивается расстояние между резонаторами. Видно, что полюс на кривой 3, имеющий частоту -0.4 ГГц, переместился на кривой 2 на частоту ~0.8 ГГц, а на кривой 1 вообще «перескочил» на другую сторону от полосы пропускания на ~ 1.1 ГГц. Этот пример показывает, насколько чувствительным является частотное положение полюса к изменению соотношения между индуктивным и емкостным взаимодействием. Очевидно, что это соотношение меняется также при изменении либо диэлектрической проницаемости подложки, либо магнитной. Как оказалось, частотное положение полюса затухания чрезвычайно чувствительно к изменению 8 подложки. Эти факты послужили отправной точкой в развитии новых методов диэлектрических [149] и магнитных [123,150] измерений на сверхвысоких частотах. На рис. 7.1 приведены рассчитанные в квазистатическом приближении амплитудно-частотные характеристики двух двухзвенных фильтров с полной длиной области связи, отличающихся величиной диэлектрической проницаемости подложки: 8=35 и

Рис. 7.1. АЧХ двухзвенных фильтров, отличающихся лишь величиной диэлектрической проницаемости подложки: 81=35 и £2=30 (81=35 и 82=34.5 на вставке).

8=30. При этом остальные их конструктивные параметры одинаковы: толщина подложки к а =1 мм, длина полосковых проводников ЬГ=А5 мм, их ширина и>=2 мм, зазор между ними £=1 мм. К внешним линиям фильтры подключены за кончики полосковых проводников. Частота полюса у первого фильтра 202.7 МГц, у второго 218.7 МГц, т.е. она сместилась на 16 МГц. На вставке показаны АЧХ того же фильтра в области полюса затухания, но при изменении 8 от 35 до 34.5. Следует отметить, что если взять МПР, настроенный на те же частоты, то, во-первых, смещение его резонансной частоты при одинаковом изменении 8 будет меньшим, во-вторых, даже при слабой связи с внешними линиями, когда его добротность будет близка к собственной, «острота» резонанса меньше, чем у полюса затухания, и, в-третьих, длина его полоскового проводника возрастет в четыре раза. Эти результаты позволили разработать высокочувствительный метод для исследования диэлектрической проницаемости материалов на СВЧ [166], который и заключается в измерении частоты полюса затухания двухзвен-ной микрополосковой структуры или секции (ДМС), изготовленной на подложке из исследуемого материала.

Очевидно, что теоретически частоту полюса можно определить из формулы (2.24), приравняв к(со) к нулю. Как отмечалось в Гл.2, такие задачи обычно решаются численно, однако в простых случаях, каковым и является случаи ДМС, для нахождения частоты полюса /р получено в квазистатическом приближении аналитическое выражение [15]: где

Зц = Кк, = , = Кк, = (7.2) электрические длины отрезков МПЛ, на которые полосковые проводники делятся по точкам подключения. Волновые вектора определяются как:

7 СО /~7 , СО ке=-№ и^=-л/8°, (7.3) с с а диэлектрические проницаемости 8е, 8° и волновые сопротивления 2е и 20 для четных и нечетных волн из выражений (2.7) и (2.8) соответственно.

При подключении ДМС к внешним линиям за кончики полосковых проводников нужно приравнять к нулю либо /ь либо /2.

На практике, когда необходимо исследовать 8 подложки в заданном интервале частот, для определения размеров ДМС можно воспользоваться эмпирической формулой [ 166] 0Лс4г{К /54 5/8)

Ш^Т)-' <7-4> позволяющей приближенно (с точностью не хуже 10%) оценить ожидаемую частоту полюса затухания.

На вставке рис. 7.1, где в увеличенном масштабе изображен участок АЧХ в окрестности полюса затухания, видно, что полюс представляет собой острый минимум прохождения, характерный для мостовых схем, что позволяет определять частоту полюса затухания /р с высокой точностью. Как показывают исследования [166], частота полюса /р и величина затухания СВЧ мощности Ь в нем зависят от всех параметров микрополосковой секции. Причем, с увеличением ширины м? полосковых проводников ДМС, зазора 5 между полосковыми проводниками, длины проводников 1Г и диэлектрической проницаемости подложки s частота полюса fp монотонно понижается, а затухание L монотонно растет. И лишь с увеличением толщины подложки hd, напротив, частота fp увеличивается, а затухание L уменьшается. При этом наиболее сильно параметры полюса затухания зависят от длины полосковых проводников ДМС, от величины зазора между ними и от диэлектрической проницаемости подложки, а наиболее слабая зависимость fp и L - от ширины полосок. Следует также отметить, что частота полюса затухания чрезвычайно слабо зависит от добротности микрополосковых линий при Q >10, зато L всегда прямо пропорциональна логарифму добротности МПЛ.

Таким образом, возможно определение диэлектрической проницаемости подложки по измеренной частоте полюса затухания двухзвенной микрополосковой секции и определения тангенса угла диэлектрических потерь подложки по измеренному затуханию СВЧ мощности на частоте полюса. Оценки показывают, что предлагаемый метод по чувствительности существенно превосходит даже микрополосковую резонаторную методику [248].

Для экспериментальной проверки чувствительности предлагаемого метода были сняты температурные зависимости относительного изменения частоты полюса затухания на ряде образцов двухзвенных микрополосковых секций, приготовленных на подложках из различных диэлектрических материалов. Исследуемые образцы изготавливались следующим образом. Предварительно отполированные с двух сторон подложки металлизировались путем вакуумного напыления пленки меди толщиной 5q,=12-И6 мкм на адгезионный подслой хрома толщиной 5<> ~ 0,02 мкм. На одной (верхней) стороне подложки химическим травлением формировались две одинаковые параллельные полоски, расположенные строго друг против друга. Экраном (нижняя металлизация) микрополосковая секция припаивалась на коваровое основание, выполняющее роль «земляной» шины, и подключалась за смежные концы полосок к 50-0м коаксиальным линиям передачи через коаксиально-полосковые переходы. Амплитудно-частотные характеристики изготовленных таким образом конструкций наблюдались на цифровом измерителе комплексных коэффициентов передачи Р4-37.

Рис. 7.2. Температурные зависимости относительного сдвига частоты полюса двухзвенных микрополосковых секций на подложках из различных материалов: 1 - керамика Т-150, 2 - ТБНС, 3 - ТБ-8, 4 - плавленый кварц, 5 - поликор.

У всех исследуемых образцов микрополосковых секций толщина подложек была одинаковой - к^Х мм. Одинаковыми были также ширина полосок >у=2 мм и расстояние между ними £"=1 мм. Длина же полосок выбиралась в переделах 1Г= 15-^-45 мм в зависимости от диэлектрической проницаемости используемой подложки так, чтобы частота полюса затухания любого образца попадала в диапазон О Л. .1.0 ГГц. Для изготовления подложек образцов были выбраны как материалы, традиционно используемые в технике СВЧ: поликор (е=9.6), плавленный кварц (е=3.6), так и сравнительно новые термостабильные керамики с высокой диэлектрической проницаемостью ТБНС (е=80) и ТБ-8 (е=35). Кроме того, для сравнения один образец микрополосковой секции был изготовлен на подложке из высокочастотной термонестабильной керамики Т-150 (е=150).

На рис.°7.2 приведены температурные зависимости относительного изменения частоты полюса затухания при нагревании исследуемых образцов

А/р//р)-10' 8

20 40 60 80 °С соответствующих частотах, то, очевидно, от их величин также будут зависеть частотное положение полюса и затухание в нем, и это обстоятельств можно использовать для измерения высокочастотной магнитной проницаемости и тангенса магнитных потерь.

Следует отметить, что в данной методике глубина полюса затухания зависит не только от тангенса угла диэлектрических потерь подложки, но и от качества обработки ее поверхностей, а также от качества металлизации. Поэтому, как и следовало ожидать, сильно затруднены абсолютные измерения велечины tgd в материалах с малыми диэлектрическими потерями. Тем не менее, эксперимент показывает, что методика позволяет уверенно фиксировать относительные изменения диэлектрических потерь в подложках, например, при о варьировании температуры, даже на высоко добротных материалах (ig5<10").

Как и микрополосковый резонатор, двухзвенную микрополосковую структуру можно использовать в качестве датчика для исследования электромагнитных характеристик материалов на СВЧ [167]. В следующих параграфах главы будут рассмотрены такие датчики и устройства на их основе.

7.1. Микрополосковые датчики для исследования диэлектрической проницаемости материалов на сверхвысоких частотах

Двухзвенная микрополосковая секция на подложке из какого-либо высокодобротного диэлектрика может служить чувствительным элементом датчика для исследования диэлектрических констант материалов на СВЧ. В этом случае исследуемый образец помещается на датчике в зависимости от своих размеров либо между полосковыми проводниками ДМС, либо непосредственно на них, вблизи свободных концов там, где находится пучность высокочастотного электрического поля [14]. На рис. 7.3 приведены модель датчика и его эквивалентная схема на частотах вблизи полюса затухания, на которых Сх обозначена емкость, вносимая образцом. При изменении в или tgb образца соответственно изменяются частота и глубина полюса затухания на АЧХ датчика.

1г

Рис. 7.3. Модель датчика на основе двухзвенной микрополосковой структуры и его эквивалентная схема. 1 - подложка из термостабильной высокодобротной СВЧ-керамики, полностью металлизированная снизу, 2 - полосковые проводники. Сх - емкость, вносимая измеряемым образцом.

Такие высокочастотные датчики могут использоваться для постановки

7 10 различных физических экспериментов в широком диапазоне частот Гц. В частности, они полезны при исследовании фазовых переходов в диэлектриках, обычно сопровождающихся значительным изменением диэлектрических констант материала. Для оценки чувствительности предлагаемого метода в качестве образцов датчиков были изготовлены 5 одинаковых двухзвенных секций на параллельных связанных отрезках регулярных МПЛ, отличающихся лишь материалом подложек. Подложки имели толщину мм, габариты 48x8 мм. При этом длина полосок МПЛ 1Г=45 мм, ширина полосок м>=2 мм, величина зазора между полосками £=1 мм. Секции подключались за смежные концы МПЛ к измерителю через коаксиально-полосковые переходы. На свободные концы отрезков линий помещался пробный образец из обычного стекла размерами 3x3x1 мм, который вносил дополнительную емкостную связь между полосками С-0.1 пФ, соответственно, повышал частоту полюса затухания на АЧХ датчиков [14]. В Табл. 7.1 для каждого датчика приведены измеренные частоты полюса затухания /р, его абсолютный Д/ и относительный А/1/р сдвиги под воздействием пробного образца. В последней колонке таблицы приведены результаты квазистатического расчета на модели датчика, в которой роль пробного образца играет емкость Сх=0А пФ, подключенная к свободным концам полосок (см. рис. 7.3).