CC BY
45
РАДИОТЕХНИКА
УДК621.385.6
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НА ОСНОВЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО РЕЗОНАТОРА НА ВИДЕ КОЛЕБАНИЙ Н011
БОНДАРЕНКО И.Н., ВАСИЛЬЕВ Ю.С., КАМЫШАН А.А., ТРОИЦКИЙ С.И._______________
Приводятся результаты исследований свойств резонаторного измерительного преобразователя на основе цилиндрического резонатора на виде колебаний Н011, предназначенного для использования в зондовой сканирующей микроволновой микроскопии. Показывается возможность реализации преобразовательных резонаторных устройств с коаксиальными зондами, исходная рабочая добротность которых достигает величин 104.
1. Введение
Принцип действия зондового сканирующего микроволнового микроскопа (СММ) с резонаторным измерительным преобразователем (РИП) основывается на формировании информационных сигналов в виде изменений резонансной частоты и добротности РИП, обусловленных характером взаимодействия поля мик-розондовой структуры с исследуемым объектом [13]. Чувствительность измерений при этом будет определяться величиной добротности РИП.
Несмотря на большое разнообразие резонансных элементов, используемых в РИП СММ, максимальное значение добротности может быть достигнуто в цилиндрических резонаторах, возбуждаемых на видах колебаний Но in[4]. Оценочное значение собственной добротности для таких резонаторов достигает величины 104 и более. Даже при подсоединении элементов связи и зондовой структуры величина добротности РИП на основе такого резонатора должна быть достаточно большой.
В этой связи представляется целесообразным проведение анализа элементов и структуры РИП на основе цилиндрического резонатора на виде колебаний Н011.
2. Основная часть
Функционально РИП для СММ можно представить в виде следующих элементов: резонатора, элементов связи резонатора с измерительной схемой, отрезка коаксиальной линии, имеющего с одной стороны элемент связи с резонатором, а с другой - зондовую структуру для формирования требуемого распределения поля, взаимодействующего с локальным участком исследуемого объекта (рис.1). Соответственно характеристики РИП в целом будут определяться па-
раметрами и конструкцией его элементов, а также методами сопряжения и согласования их друг с другом.
Рабочая добротность РИП главным образом будет зависеть от добротности резонатора.
а б
Рис.1. РИП на основе цилиндрического резонатора, возбуждаемого на виде колебаний Н011: а - конструкция; б - внешний вид
Результаты расчетов для цилиндрических медных резонаторов, возбужденных на виде колебаний Н011, приведены в табл. 1.
Таблица 1
Заполнение Размеры, мм К, ГГц Q
Вакуум (воздух) d = h = 39,5 10,0 29557
Вакуум (воздух) d = h = 11,0 36,0 15800
Фторопласт d = h = 26,5 10,662 4013
Расчет для резонатора, заполненного диэлектриком, производился в целях выяснения возможности уменьшения габаритных размеров РИП при сохранении высокой добротности. Полученные результаты показывают, что даже в случае применения в качестве заполнителя фторопласта с 1§д ~ 10-3 добротность существенно уменьшается из-за потерь в диэлектрике. Добротность такого резонатора становится сравнимой с добротностью резонаторов на основе отрезков волноводов, которые в конструктивном и технологическом плане значительно проще.
Таким образом, на данном этапе следует сосредоточиться на изучении возможностей создания РИП для СММ на основе резонатора без заполнения.
Одним из наиболее технологически простых вариантов связей с резонатором такого типа является использование коаксиальных линий, подводимых со стороны торцевой крышки резонатора (см. рис.1). Коаксиальные линии со стороны резонатора заканчиваются петлями связи, плоскость которых перпендикулярна к магнитным силовым линиям вида колебаний Н011. Подача и съем сигнала при использовании таких линий может осуществляться с помощью как коаксиально-волноводных переходов, так и коаксиальных разъемов.
РИ, 2011, № 2
3
Численное моделирование проводилось при использовании коаксиальных линий с внутренним диаметром внешнего проводника - 4,6 мм, диаметром внутреннего проводника - 2 мм, диаметром четвертьволновой вставки - 1 мм, длиной - 7,5 мм, диаметром проводника петли связи - 0,5 мм.
Исследовались как характер колебаний, возбуждаемых в резонаторе с помощью выбранных устройств связи, так и влияние связей на параметры резонатора (табл. 2).
Таблица 2
Расстояние от элемента связи до полости резонатора, мм Гр, ГГц Q
0,1 10.1125 13133
1,0 10.1042 21139
Из табл. 2 видно, что рабочая добротность резонатора даже по расчетным оценкам за счет элементов связи снижается и требует оптимизированного подбора величины связи с учетом требований измерительной системы и сохранения в то же время достаточно высокого значения добротности для обеспечения высокой чувствительности РИП в целом.
Последующее рассмотрение проводилось для конструкции РИП с зондовой структурой, подключаемой к резонатору через цилиндрическую стенку. Схематическое изображение этой конструкции приведено на рис.2. Длина коаксиальной части зондовой структуры для РИП на частоту ~ 10 ГГц составляла (3/4)-лк.
В процессе анализа РИП с элементами связи (петлями), расположенными на расстоянии 1 мм от полости резонатора со стороны торцевой крышки, при длине изогнутой части элемента связи резонатора с зондом - 3 мм, глубине погружения изогнутой части в полость резонатора в середине его боковой цилиндрической поверхности - 2 мм, наружного конца зонда в виде открытой коаксиальной линии с размерами D/d = 3 мм/0,8 мм получено значение добротности -19916 на частоте 10,0976 ГГц без образца.
Рис. 2. Схематическое изображение РИП и зондовой структуры
Распределение поля в апертурной части зондовой структуры также существенно зависит от геометрии
выступающего центрального проводника. Заострение ведет к большей степени локализации поля в апертуре зондовой структуры РИП.
На рис. 3 приведены распределения полей в апертурной части зондовой структуры РИП при наличии образца (tg5 = 0,01; в = 12) и наличии зазора между коническим зондом и образцом.
В табл. 3 приведены значения параметров РИП при различных величинах tg8 образца при отсутствии и наличии зазора между плоскостью апертуры зонда и образцом с его коническим выступом, которые свидетельствуют о достаточно высокой чувствительности параметров (в частности, добротности) РИП к изменениям потерь в образце.
Рис.3. Распределение поля в области взаимодействия заостренного зонда с образцом (зазор - 1 мкм, tg8 = 0,01; в = 12)
Таблица 3
Зазор, мкм tg5 (в = 12) Гр, ГГц Q
0 0,01 10,0957 15169
0,1 10,0958 15018
1,0 10,0958 13822
1 0,01 10,0956 17249
1,0 10,0956 15560
Из табл. 3 видно, что чувствительность при приближении модельной конструкции к реальным условиям эксплуатации преобразователя (наличие зазора) будет падать. Следовательно, необходимо увеличивать связь зондовой структуры с резонатором РИП.
Для увеличения связи вводим элемент связи зонда с резонатором РИП на глубину 3 мм.
Добротность РИП без образца в этом случае составляет 16224 на частоте 10,0925 ГГц. Зависимость Гр и Q от величины tg5 образца при зазоре, равном 1 мкм, приведена в табл. 4.
Таблица 4
Зазор, мкм tg5 (в = 12) Гр, ГГц Q
1 0,01 10,0922 10682
1,0 10,0923 7927
Сравнение данных табл. 3 и 4 показывает, что, несмотря на значительное уменьшение добротности РИП
4
РИ, 2011, № 2
(почти на 40 %), чувствительность измерений может быть повышена примерно в 2,5 раза.
Следующим фактором, влияющим на добротность РИП, является величина выноса заостренной части зонда.
В табл. 5 приведены данные об изменении параметров РИП в зависимости от выноса острия зонда и изменения характеристик образца при зазоре 1 мкм.
Таблица 5
tg5 (в = 12) Величина выноса заостренной части зонда, мм fp ГГц Q
0,01 0 10,0931 18748
0,5 10,0928 16343
1,0 10,0924 14341
2,0 10,0922 10682
0,1 0,5 10,0928 15429
1,0 10,0920 13706
1,0 0,5 10,0928 9854
1,0 10,0924 9671
Анализ данных, приведенных в табл. 5, показывает, что величина выноса заостренной части зонда порядка 0,5 мм является оптимальной с точки зрения обеспечения как высокой исходной добротности РИП, так и чувствительности измерений.
Для определения требований к точности ориентации элемента связи зондовой структуры в полости резонатора было проведено моделирование РИП при элементе связи, повернутом на 45°. Было получено значение добротности 13495 на частоте 10,0946 ГГц для острия зонда, выдвинутого на 3 мм, при образце с в = 12; tg5 = 0,01 и зазоре между острием и образцом 1 мкм. Даже при таком значительном (до 45°) смещении плоскости элемента связи добротность РИП остается достаточно высокой и, следовательно, при практической реализации такого РИП допустимо некоторое отклонение в ориентации элемента связи.
При экспериментальном исследовании РИП, изготовленного из латуни, конструкция и внешний вид которого показаны на рис.1, на частоте 9,9955 ГГц была получена добротность ~ 9520.
3. Выводы
Проведенные исследования доказывают эффективность предварительного модельного исследования характеристик РИП, отличающихся сложным конструктивным исполнением, что позволяет сократить затраты материальных и временных ресурсов при их разработке. Полученные результаты показывают, что возможно создание РИП на основе цилиндрического резонатора, возбуждаемого на виде колебаний Н011, что обеспечивает высокую исходную добротность РИП в целом и, соответственно, ведет к повышению чувствительности проводимых измерений.
Литература: 1. ChenL.F., OngC.K., Neo C.P. et al. Microwave Electronics. Measurements and Materials Characterization. John Wiley & Sons, Ltd., 2004. 537p. 2. Anlage S.M., Talanov V. V., Schwartz A.R. Principles of near-field microwave microscopy // Scanning probe microscopy: electrical and electromechanical phenomena at the nanoscale / edited by S.V.Kalinin, A.Gruverman. New York: Springer-Verlag, 2007. Vol. 1. P. 215-253. 3. Kim J., LeeK., FridmanB., ChaD. Nearfield scanning microwave microscope using a dielectric resonator. Appl. Phys. Lett., 2003, Vol. 83, No. 5. Р. 1032-1034.
4. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т.1. М.: Высш. школа, 1970. 440с.
Поступила в редколлегию 23.04.2011
Рецензент: д-р физ.-мат. наук, с.н.с. Фисун А.И.
Бондаренко Игорь Николаевич, канд. техн. наук, доцент, ведущий научный сотрудник кафедры микроэлектроники, электронных приборов и устройств ХНУРЭ. Научные интересы: криогенная радиофизика, техника СВЧ, бесконтактные методы диагностики. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. (057)702-13-62.
Васильев Юрий Сергеевич, аспирант кафедры микроэлектроники, электронных приборов и устройств ХНУ-РЭ. Научные интересы: техника СВЧ, бесконтактные методы диагностики. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. (057)702-13-62.
Камышан Артем Алексеевич, стажер-исследователь кафедры микроэлектроники, электронных приборов и устройств ХНУРЭ. Научные интересы: методы моделирования СВЧ структур, бесконтактные методы диагностики. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. (057)702-13-62.
Троицкий Сергей Илларионович, научный сотрудник кафедры микроэлектроники, электронных приборов и устройств ХНУРЭ. Научные интересы: технология и методы исследования микроэлектронных и СВЧ структур. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. (057)702-13-62.
РИ, 2011, № 2
5
