CC BY
85
31.Technology Roadmap for Nanoelectronics /Ed/ R.Compano //2000 European Comiss-
fon 1ST programme Future and Emerging Technologies 104 P.
Ключов1 слова: молекулярна електрошка, напiвпровiдниковi вироби, iнтегральнi схеми
Руденко Н.М., Сшакова Т.Т. Молекулярна електрошка: тепер1шне i майбутне Наданий огляд л^ератури в галузi молекулярное' електронiки вщображуе теоретичнi аспекта проводимости молекул та 1х викорис-тання в приладах та штегральних схемах Rudenko N.M., Silakova T.T. Molecular Electroics: Present And Future Brief review of the literature is submitted in the field of molecular electronics, which reflects theoretical aspects of conductivity of molecules, and also their use in separate devices and integrated circuits.
УДК 621.317
МЕТОДИ ДОСЛ1ДЖЕННЯ СТРУКТУРИ ЕЛЕКТРОМАГН1ТНОГО ПОЛЯ В ЕЛЕКТРОДИНАМ1ЧНИХ СИСТЕМАХ
Вунтесмерг В. С., Комарова О. П., Остов А. М.
Розглянуто методи досл1дження структури поля в електродинам1чних системах закритого та в1дкритого титв, що дозволяе встановити тип коливань резонатор1в, визначити амплтуди р1зних титв хвиль в хвилеводах, ощнити вплив неоднор1дностей, розрахувати склад просторових гармотк поля в розкривах антен.
Дослщження структури електромагштного поля в хвилеведучих структурах та резонаторах е актуальною задачею, яка виникае при розробщ вуз-лiв хвилеведучих структур при одномодовому i особливо при багатомодо-вому режимах поширення електромагштних хвиль. Дослщження структури електромагштного поля дозволяе встановити тип коливань резонаторiв, визначити амплтуди рiзних тишв хвиль, ощнити вплив неоднорщностей на структуру поля, розрахувати склад просторових гармошк поля в розкривах антен, виявити, а попм усунути дефекти виробництва вузлiв антен-но-фщерного тракту. Окремою актуальною задачею е дослщження розпо-дiлу електромагнiтного поля на мюцевост i в примiщеннях мют i населе-них пунктiв в зв'язку з постшно зростаючою густиною радювипромшюю-чих пристро'в, що обумовлюе утворення так званого електромагнiтного «смогу». В цш роботi розглянутi порiвняльнi характеристики рiзних мето-дiв дослщження структури електромагнiтного поля в електродинамiчних системах закритого та вiдкритого титв.
Методи дослщження структури поля
На сьогодш iснуе чимало методiв дослщження структури поля в склад-них електродинамiчних системах. В закритих хвилевщних системах i резонаторах структуру електромагштного поля дослщжують методом активного зонду [2], наприклад, електричним (штир) або магнiтним (екранована петля) зондом через отвори в стшках хвилеводу або резонатора. Електричним або еммсным зондом [4] вимiрюеться розподш електрично!' складово!' електромагнiтного поля. Покриття iз феромагнiтного поглинаючого мате-рiалу, нанесене на зовнiшнiй провщник шдвщно!' лши, додатково подавляе паразитш хвилi. У вимiрюваному пристро! за допомогою генератора стан-дартних сигналiв (ГСС) збуджуються електромагнiтнi коливання. В облас-
т вимiрювання розмiщуeться електричний зонд. Вш представляе собою вiдрiзок тонкого дроту довжиною менше довжини хвиш коливань, що до-слiджуються. Вихщна напруга такого зонду пропорцiйна компонент елек-тричного поля, що паралельна напрямку штиря зонду. Вирахування напру-ги на зондi i потужност в ланцюгу зонду дае точш результати в тому ви-падку, якщо зонд розглядаеться як приймальна антена з вiдповiдним зна-ченням ефективно!' поверхнi. Але затухання в шдвщному кабелi, як правило, ютотне i ним не можна нехтувати при обробщ результатiв вимiрюван-ня. Магнiтнi або зонди ¡ндуктивного типу [4] звичайно мають форму не-симетричних петель частiше всього круглих або заокруглених. Використо-вуються для вимiрювання напруженостi магнiтного поля електромагштних хвиль. Вимiрювання за допомогою iндуктивних зондiв показали, що напруга зонду мае компоненту, що пропорцшна електричному полю, при чо-му вона мае той же порядок величин, що й магштна. Таким чином, петля представляе собою зонд змшаного шдуктивно-емшсного типу. Необхщно компенсувати емнiсну компоненту напруги, наприклад, за допомогою ек-рануючо!' скоби. В обох методах наведений НВЧ-сигнал детектуеться детектором, i потiм його значення рееструеться iндикатором. В якост шдика-тора можуть застосовуватись гальванометри, мiкроамперметри, чутливi вольтметри та ш. Зонд вводиться у внутршню порожнину вимiрюваного пристрою через невипромiнюючi отвори або щiлину. Його розмiри, а та-кож розмiри додатково прорiзаних отворiв i щiлин мають бути такими, щоб структура поля, що вимiрюеться, мало спотворювалась i додатковi втрати i реактивностi, що вносяться у пристрш, були досить малими. Таким методом можна проводити вимiрювання тiльки безпосередньо на стш-ках хвилеводу або резонатора, щоб уникнути впливу провщниюв зонда на структуру вимiрюваного поля. Вимiрювання розподiлу поля в об'емi елек-тродинамiчноi системи i в вщкритих системах (наприклад, в мiкрострiчко-вих лтях передачi) супроводжуеться великими похибками за рахунок впливу провщниюв зондiв. Дещо зменшити вплив провiдникiв можна зро-бивши iх високоомними [8], що й використовуеться в методг зонду з висо-коомною тдводкою. Зонд представляе собою електричний або магштний диполь малих розмiрiв. Диполь зiбраний разом з кристалiчним детектором в зондовш голiвцi з полютиролу i зв'язаний за допомогою вивщних висо-коомних провiдникiв з шдикатором, що знаходиться за порожниною. Ви-вiднi провiдники виконанi у виглядi тонких смужок iз високоомноi вугшь-ноi пасти, що нанесенi на кварцову трубку.
Розроблено ряд методiв вимiрювання розподiлу полiв, в яких застосо-вуються спецiальнi пробм тта, що вносять задане збурення у вимiрюване поле [4]. Метод застосовуеться для дослщжень розподшу поля в електромагштних резонаторах i хвилеводах. В якост пробних тiл використову-ються дiелектричнi, феромагнiтнi i металевi кульки. Розподiл поля можна отримати, вимiрюючи залежнiсть резонансноi частоти порожнин вщ поло-
ження пробних тш. Метод також отримав назву метод малих збурень [1]. При вимiрюваннях структури електромагштного поля в хвилеводi останнш закорочуеться i перетворюеться в резонатор. Для того, щоб поле такого резонатора вщповщало полю пристрою в робочому режим^ необхiдно, щоб вш мав достатньо велику електричну довжину порядку декшька довжин хвиль. Цш умовi, як правило, легко задовольняють сповiльнюючi системи електровакуумних пристро!в НВЧ, при дослiдженнi яких даний метод час-тiше всього використовуеться. Щоб не порушувати структури вимiрювано-го поля i отримувати необхiдну роздiльна здатнiсть, реактивний зонд мае мати геометричш розмiри значно меншi довжини хвилi i сферичну або ци-лiндричну форму. При вимiрюваннях резонатор збуджуеться за допомогою слабо зв'язаного елементу зв'язку. Конструкция i розмщення елементу зв'язку мають забезпечувати переважне збудження електромагштно! хвилi необхiдного типу. За допомогою шшого елементу зв'язку, також слабо зв'язаного з резонатором i реагуючого переважно на хвилю необхщного типу, НВЧ-коливання знiмаються з резонатора i пiдводяться до детектора. Шд час вимiрювань реактивний зонд за допомогою тонко!' нитки i мехаш-чного застосування перемiщують всередиш резонатора, що викликае змiну його резонансно! частоти. В кожному новому положенш зонду ГСС нала-штовуеться на нову резонансну частоту дослщжуваного макету. За допомогою хвилемiру вимiрюють змiну резонансно! частоти вщносно резонансно! частоти макету при вщсутност зонду i визначають величину, пропор-цiйну напруженостi електричного поля у вимiрюванiй точцi. Потiм по ви-мiряним точкам будують епюру залежност електрично! складово! поля вздовж напрямку перемщення зонду. Цей метод отримав назву метод реактивного зонду [2]. Недолжом методу при застосуванш його для хвиле-водiв е те, що збурюючи тша повиннi мати досить велик1 розмiри, а це зме-ншуе точшсть !х позицiювання.
Метод поглинаючого зонду [5]. Метод заснований на вимiрюваннi втрат, що вносяться поглинаючим зондом в тракт, в якому дослщжуеться розподш поля. Або iншими словами - на вимiрюваннi поглинання НВЧ енергп зразком, що мае явно виражеш дiелектричнi або магнiтнi втрати. Втрати у зразку прямо пропорцшш квадрату напруженостi електричного поля (якщо зонд мае електричнi втрати) або магштного поля (якщо мае ма-гнiтнi) i залежать вiд положення поглинаючого тша. Надаючи поглинаю-чому тшу визначену форму, можна знайти окремi компоненти поля. Така методика придатна як для бiжучих, так i для стоячих хвиль. i дозволяе зт-мати розподiл полiв, якщо зонд орiентований визначеним способом. В ви-падку бiжучих хвиль вимiрюють коефiцiент передачi вiдрiзка хвилеводу, а в випадку стоячих хвиль треба вимiрювати добротшсть отриманого резонатора. Трудношд реалiзацi! методу полягають у вимiрюваннi дуже малих втрат з необхщною точнiстю.
1снують автоматизованг адаптывнг комплексы [12] для оперативно! ре-
естрацп та анашзу амплiтудно-фазового розподiлу ВВЧ поля в розкривах хвилевщних структур. Генератор через основний тракт направленого по-ляризацшного роздiлювача здiйснюе збудження дослщжуваного хвилево-ду, на розкривi якого формуеться багатомодовий АФР дослщжуваного поля. Вимiрювання здiйснюеться шляхом реестрацп розсiюваного зондом поля назад у хвилевщ. Перевiдбитий зондом потж електромагнiтноi енергп пройшовши багатомодовий хвилевщ в зворотному напрямку, поступае в направлений поляризацшний роздiлювач. З виходiв допомiжних трактiв направленого поляризацiйного роздшювача двi ортогональнi поляризацш-нi компоненти поля, що анашзуеться, поступають на першi входи сумато-рiв. Опорний сигнал генератора подаеться на друп входи через фазообер-тачi та атенюатори, регулюючи як компенсуемо фонову складову. Таким чином, з виходiв суматорiв на сигнальнi входи амплiфазометрiв надходять ортогонально-поляризованi компоненти поля, що аналiзуеться. З амплiфа-зометрiв сигнал поступае на синхронш детектори. Далi детектованi квад-ратурнi компоненти подаються на ПК, де з 1'х допомогою рееструеться ам-плiтуда i фаза поля, що вивчаеться. Лiнiйна швидк1сть перемiщення зонду, час переходу до наступного значення опорного каналу регулюеться в широких межах алгоритмами, що визначаються користувачем.
Метод дослщження електромагштних систем за допомогою низькочас-тотних аналогових к1л [4] мае уш переваги, що характерш для низькочас-тотних вимiрювань. Хвильовi процеси в лшях i хвилеводах допускають !'х моделювання за допомогою котушок iндуктивностi та конденсаторiв. Ц переваги заключаються в простотi методiв генерацii, пiдсилення i переми-кання сигналiв, у високих вхiдних опорах ламп, простой вимiрюваних операцiй, високш надiйностi i вiдтвореннi результатiв. Метод моделювання може бути з устхом застосований до дослiдження розподшу полiв у системах зi складною геометрiею. Вiн дозволяе створити зосереджеш аналоги довiльних перерiзiв хвилеводiв, хвилевiдних згинiв та шших неоднорщ-ностей i вивчити розподш поля в подiбних системах на основi низькочас-тотних вимiрювань. Добротшсть котушок iндуктивностi i конденсаторiв повинна бути якомога бшьша, щоб втрати в них не призвели до невщповь дностi затухаючого процесу в моделi i iдеального процесу поширення не-затухаючих хвиль в вшьному просторi.
Для дослiдження розподiлу статичних та квазютатичних електричних полiв використовуеться метод електролтичног ванни [2]. В дiапазонi НВЧ цим методом дослщжуеться структура поля хвил^ що е квазютатичною. В цьому випадку, вимiрявши розподiл статичного поля в НВЧ-пристро!', мо-жна стверджувати, що структура цього поля буде однаковою зi структурою поля Т-хвилi в цьому ж пристро!'. Вимiрювання зводиться до визначення i окреслення форми еквшотенщальних лiнiй електричного поля мiж елект-родами, що знаходяться в дiелектричнiй ваннi, заповненiй водою. Електро-ди пропорцшш за розмiрами i однаковi за формою з металевими поверх-
нями nepepi3y вимiрюваного пристрою. До них шдключено джерело по-стшно!' або низькочастотно!' змiнноï напруги. Для вимiрювання потенцiалiв використовують вольтметр з великим вхщним опором. Будуються лши ек-вiпотенцiальних поверхонь, а попм рисуеться структура електромагштно-го поля, оскшьки електричнi силовi лiнiï перпендикулярш еквшотенщаль-ним поверхням, а магттт - спiвпадають з ними.
Волоконно-оптичний зонд електромагнтного поля [6]. Це пристрш для зондування поля як в об'емах так i на поверхш хвилеведучих структур i ре-зонаторiв. Дiелектричне оптоволокно мало спотворюе структуру вимiрю-ваного поля . Мютить чутливий провiдний елемент, виконаний так, щоб його можна було вставити в корпус i отримати сигнал, що показуе величину електромагштного поля; шдсилювач, що мае вхщ, зв'язаний з чутливим провщним елементом i працюючий так, щоб забезпечити на виходi пере-творення напруги в струм з визначеним коефщентом; дюдний свгао ви-промшювач, зв'язаний з виходом вказаного тдсилювача i призначений для того, щоб забезпечити свгаовий сигнал, який вщповщае сигналу, отрима-ному в чутливому провщному елементi; волоконно-оптичний кабель, перший юнець якого розташований так, щоб приймати вказаний свгаовий сигнал вщ свiтло випромiнювача i передавати його на другий юнець кабелю. Бшьш досконалим методом е метод високоточного вимiрювання розподiлy з використанням поляризацшно-стабшзованого магнiтооптичного зонду [7]. Установка мютить мiнiатюрний магнiтооптичний (МО) кристал, який, пiд дiею магштного поля, змiнюе поляризацiю свiтла, що через нього проходить. 1з поляризацшного контролера лiнiйно поляризоване свггло через оптоволокно поступае на зонд. Сфокусований лшзою потiк направляеться призмою на МО кристал. Свгао змшюе кут поляризацiï вiдповiдно до ве-личини магнiтного поля. Потiм воно спрямовуеться призмою на аналiза-тор, що мютить площину, що повертаеться , яка перетворюе поляризацш-ний кут в оптичний сигнал. Цей сигнал фокусуеться лшзою i поступае з зонду через оптоволокно на фотодюд. Фотодюд конвертуе оптичний сигнал в радючастотний, який вимiрюеться за допомогою вщповщного аналь затора. Аналiзатор розташовуеться в зондi для мiнiмiзацiï нестабiльностi точностi вимiрювань, що пов'язаш з нестабiльнiстю параметрiв оптоволокна (залежшсть вiд температури, вiбрацiï, перегинiв тощо).
Якщо вимiрювати розподш зондом з нерухомими диполями [8, 11], то достатньо двох взаемно перпендикулярних диполiв, розташованих у пло-щиш, що вивчаеться. За показами iндикаторiв диполiв, можна знайти про-екцiю шуканого вектора на дану площину. Такий зонд з двома взаемно пе-рпендикулярними «схрещеними» диполями називають «схрещеним зондом». Вимiрявши за допомогою цього зонду проекцп шуканого вектора на двi площини, положення яких вiдоме, можна за допомогою простих геоме-тричних побудов знайти вектор поля в об'емь Але дослщи показують, що вимiрювання полiв схрещеними зондами призводять до неточних резуль-
татв через наявшсть зв'язку по низькш частотi мiж каналам диполiв.
При вимiрюваннях електромагнiтного поля, модульованого по ампл^у-дi зi звуковою частотою, виявилось доцшьним проводити вимiрювання за допомогою зонду з одним диполем, вгсь якого нахилена до ос тдводки п1д кутом 450 [8]. Розташовуючи диполь у дослщжуванш площиш i повертаю-чи його навколо ош пiдводки на 1800, можна визначити проекцш вектора поля на площину, що вивчаеться. До недолшв методу вимiрювання зондами з нерухомими диполями вщноситься неоднозначнiсть визначення шу-каного вектора.
Вивчення полiв за допомогою зонда ¡з диполем, що обертаеться [8]. Диполь мае можливють обертатися навколо двох осей. Розмщуючи диполь в об'емi так, щоб шдикатор давав весь час максимальш або мшмаль-т покази i знаючи положення ос диполя, можна визначити вектор поля в будь-якш точцi об'ему. Але цей метод призводить до ускладнення конс-трукцii зонду i вимiрювальноi установки, через що точнiсть вимiрювань може знизитись. Цим способом можна вивчати конфшуращю електромаг-нiтного поля в порожнинах довшьно!' форми, що збуджуються на будь-якш, як резонанснш, так i не резонанснш частотi.
Метод магнтного зонду на основг феромагнтного резонансу [9,10]. В якост феритового резонатору використовуеться магштний зонд в виглядi феритовоi кульки малого дiаметру намагнiченоi до насичення зовшшшм магнiтним полем в режимi феромагнiтного резонансу. Такий резонатор iз монокристалу залiзо-iттрiевого гранату (З1Г) мае високу добротшсть (дею-лька тисяч) i при малому дiаметрi вносить значне збурення електромагшт-ного поля, яке можна легко зафжсувати. Малi розмiри феритового резонатора забезпечують точне визначення його положення в електродинамiчнiй системi а вiдсутнiсть будь яких провщниюв мало впливае на структуру ви-мiрюваного електромагнiтного поля. Взаемодiя феритового резонатора з електромагшгним полем електродинамiчноi системи вiдбуваеться через магшгну складову кругово!' поляризацii правого обертання вщносно на-прямку зовшшнього магнiтного поля. Метод магнiтного зонду на основi феромагнiтного резонансу може бути використаний для дослщження стру-ктури полiв в дiелектричних резонаторах, дiелектричних хвилеводах, в мi-крострiчкових [10] та компланарних лiнiях, в хвилеводах з неоднорщним дiелектричним заповненням та в багатомодових хвилеводах. Виключенням е феритовi прилади НВЧ дiапазону, наприклад, вентилi, циркулятори, якi мають власне стале магнiтне поле.
Проведений огляд методiв дослiдження структури електромагштного поля в електродинамiчних системах показуе, що, хоча задача i и вирiшення е важливим та необхщним питанням, дослiджень в данiй галузi проведено небагато i велися вони ще в середиш минулого сторiччя. Переважно мето-ди базуються на вимiрюваннях за допомогою електричного зонду у виглядi штиря або магштного зонду у виглядi петлi. В подальшому цi методи лиш
удосконалювались - збшьшувалась точшсть та достов1ршсть тощо. На початку 90-х в зв'язку з розвитком оптоволоконно! техшки, був запропоно-ваний метод з використанням волоконно-оптичного зонду, удосконален-ням якого став метод, що базуеться на ефекл Фарадея в магштоактивних кристалах. Метод магштного зонду на основ1 феромагшгного резонансу мае тдвищену точшсть позицшвання i може бути використаний для до-слщження структури полiв в складних електродинамiчних системах
Лiтература
1. Вольман В. И., Пименов Ю. В. Техническая электродинамика.-М.:Связь, 1971. - 432 с.
2. Конструирование СВЧ-устройств и экранов/ Под ред. А. М. Чернушенко. - М.: Радио и связь, 1983. - 400 с.
3. Чернушенко А. М., Майбородин А. В. Измерение параметров электронных приборов дециметрового и сантиметрового диапазонов волн/ Под ред. А. М. Чернушенко. - М.: Радио и связь, 1986. - 336 с.
4. Тишер Ф. Техника измерений на сверхвысоких частотах: Пер. с нем./Под ред. В. Н. Сретенского. - М.: Гос. изд-во физико-математ. лит-ры, 1963. - 364 с.
5. Исследование полей в волноводах методом поглощающего зонда. Курушин Е.П., Недовесов В.Н. «Ученые записки Куйбышевского государственного педагогического института», 1965, вып. 49, ч.1, с. 117-126.
6. Волоконно-оптический зонд для измерения напряженности электромагнитного поля. Пат. 4928067 США, МКИ5 G 01 R 33/12. Опубл. 22.5.90; НКИ 324/96.
7. Highly-accurate Measurement of Current Distribution Using Polarization-stabilized MO Probe / Shin Nakamatsu, Ryo Yamaguchi and Shinji Uebayashi // Collaboration Projects DoCoMo R&D Technical Journal, vol.8, #3, p.50-54.
8. А.С. Бондарев Разработка метода исследования электромагнитных полей в полостях на моделях с помощью зонда с высокоомной подводкой, диссерт., 1955.
9. Вунтесмерi В.С., Бульба О.П., Остов А.М. Дослщження структури поля в елект-родинамiчнiй системi методом магштного зонду. Вюник Нацюнального техшчно-го ушверситету Украши «Кшвський пол^ехшчний шститут» Серiя-Радiотехнiка. Радюапаратобудування. - 2007. - Вип.34. - с.118-123.
10. Rothe L., Experimentell Ermittlung der magnetischen Feldverteilung auf ainer Microstrip-Leitung mittels Storkorpermessungen, Vortage der 2. Internationalen Konferenz uber Mikrowellenferrite, v. 23. bis 27. september 1974, pp. 350-376.
11. Kanda,M. and Ries, F.X. "Dipole-Based EM Probe Grabs Complex Fields", Microwaves, January 1981, pp. 63-66.
12. Борисов Д.Н., Власов Б.И., Нечаев Ю.Б. Адаптивный комплекс для оперативной регистрации и анализа амплитудно-фазового распределения КВЧ поля в раскры-вах волноведущих структур//Вестник Воронежского государственного университета. Физика. Математика, 2005, № 1._
Ключов1 слова: електродинамша, електромагштне поле, НВЧ-пристро'1
Вунтесмери В.С.,Комарова О.П.,Осипов А.М. Методы исследования структуры электромагнитного поля в электродинамических системах Рассмотрены методы исследования структуры поля в электродинамических системах закрытого и открытого типов, что позволяет определить тип колебаний резонаторов, амплитуды типов волн в волноводах, оценить влияние неоднородностей на структуру поля, рассчитать состав пространственных гармоник поля в раскрывах антенн. Vuntesmeri V.S., Komarova O.P., Osipov A.M. The research methods of the electromagnetic field in electrodynamics systems Methods of a field of electrodynamic systems of the closed and opened types structure are observed, wich allows to define oscillation mode of resonators, to define amplitudes of different types of waves in waveguides, to estimate influence discontinuity on structure of an electromagnetic field, to count composition of space harmonics of a field in antennas mouth.
