Научная статья на тему 'Измерительный преобразователь на основе цилиндрического резонатора на виде колебаний Н011'

Измерительный преобразователь на основе цилиндрического резонатора на виде колебаний Н011 Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
152
43
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Бондаренко Игорь Николаевич, Васильев Юрий Сергеевич, Камышан Артем Алексеевич, Троицкий Сергей Илларионович

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Бондаренко Игорь Николаевич, Васильев Юрий Сергеевич, Камышан Артем Алексеевич, Троицкий Сергей Илларионович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Measuring converter based on cylindrical H011 cavity

The properties of the resonator measuring converter based on a cylindrical H011 cavity for use in scanning probe microwave microscopy is investigated. The feasibility of converting resonator device with coaxial probes is proved, the initial working quality reaches values of 104.

Текст научной работы на тему «Измерительный преобразователь на основе цилиндрического резонатора на виде колебаний Н011»

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

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.