CC BY
23
Секция ««Электронная техника и технологии»
УДК 537.621:621.317.023
МИКРОПОЛОСКОВЫЙ ДАТЧИК ФМР
И. В. Говорун1, Г. В. Скоморохов2, А. С. Бабурин3
1 Красноярский научный центр СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50 2Институт физики имени Л. В. Киренского СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50, стр. 38 3Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: [email protected]
Представлен новый тип датчика ФМР. Датчик имеет структуру двухзвенного микрополоско-вого фильтра, с прямоугольными резонаторами. Его работа основана на регистрации положения полюса затухания на амплитудно-частотной характеристике при изменении параметров тестируемого образца. С помощью предлагаемого датчика проведено измерение магнитных параметров тестового образца.
Ключевые слова: микрополосковый резонатор, коэффициенты связи, индуктивное и емкостное взаимодействие, амплитудно-частотная характеристика.
MICROSTRIP SENSOR OF FMR
I. V. Govorun1, G. V. Skomorokhov2, A. S. Babyrin3
Krasnoyarsk Scientific Center SB RAS 50, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation 2Kirensky Institute of Physics SB RAS 50/38, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation 3Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Е-mail: [email protected]
This paper presents a new type of sensor of FMR. on the basis of pair of microstrip resonators. The sensor has the structure of two-pole microstrip filter with rectangular resonators. Operation of the sensor is based on registering a damping pole in the frequency response at change of parameters a sample under test. By means of this sensor the measurement of magnetic parameters of a test sample is performed.
Keywords: microstrip resonator, coupling coefficient, inductive and capacitive interactions, frequency response
Современные радиоприемные комплексы, в том числе и приемники ракетно-космической техники в своем составе имеют различные управляемые устройства СВЧ-диапазона. К ним относятся фазовращатели, перестраиваемые фильтры, управляемые линии задержки и аттенюаторы. Во многих таких устройствах в качестве активной среды используются магнитные материалы [1]. Изменение внешнего магнитного поля приводит к изменению параметров активной среды (например, магнитной проницаемости), что обуславливает изменение условий распространения СВЧ-волны в такой среде. Таким образом, происходит перестройка. Характеристики магнитных управляемых устройств зачастую определяются параметрами активной среды, с помощью которой осуществляется перестройка. В этой связи, для качественного проектирования СВЧ-устройств такого рода необходимо использование образцов активных сред с вполне определенными параметрами, достичь которые можно изменением технологических операций при изготовлении магнитных сред. Для этого необходима быстрая и точная диагностика параметров магнитных образцов, непосредственно после изготовления.
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2016. Том 1
В данной работе описывается датчик, с помощью которого можно производить измерения параметров магнитных материалов, используя метод ферромагнитного резонанса (ФМР). Этот метод является прямым методом определения параметров ферромагнитных сред в СВЧ-диапазоне. Он заключается в поглощении ферромагнетиком СВЧ мощности на частоте, определяемой параметрами исследуемой среды и значением внешнего постоянного магнитного поля. Типичное применение метода ФМР это использование резонатора, в пучность магнитного поля которого, помещается исследуемый образец, и по изменению добротности и частоты резонанса судят о параметрах образца [2; 3]. Однако, в связи с тем, что в последнее время активно используются тонкие магнитные пленки (ТМП) в качестве активной среды в перестраиваемых устройствах, чувствительности резонаторного способа не всегда достаточно. Это обусловлено тем фактом, что коэффициент заполнения резонатора при исследовании образцов ТМП очень мал. Таким образом, на данный момент остро стоит проблема точного определения параметров ТМП в СВЧ-диапазоне.
а б
Частотная зависимость коэффициента прохождения устройства (а); АЧХ датчика ФМР в окрестности полюса затухания при различных значениях внешнего магнитного поля, направленного вдоль ОЛН: сплошная линия Н=0 Э (а); штрихпунктирная линия Н= 11.1 Э, прерывистая линия Н=37 Э и точки Н=148 Э.
Предлагаемый датчик ФМР представляет собой конструкцию из двух микрополосковых регулярных полуволновых резонаторов. Если в такой конструкции точки подключения симметрично присоединить к кончикам резонаторов, то на амплитудно-частотной характеристике ниже полосы пропускания возникнет полюс затухания минимум прохождения (см. рисунок, а). На этой частоте полный коэффициент связи принимает значения, близкие к нулю. Это обусловлено тем, что индуктивное взаимодействие компенсируется емкостным, имеющим точно такое же значение по модулю [5]. Измеряемая ТМП помещается в зазор между резонаторами, в области максимума магнитного СВЧ поля (для рассматриваемой в данной работе конструкции датчика возле точек кондуктивного подключения резонаторов к подводящим линиям передачи). Внешнее магнитное поле, создаваемое кольцами Гельмгольца, имеет направление перпендикулярное СВЧ магнитному полю, генерируемому резонаторами. При изменении напряженности внешнего магнитного поля, происходит изменение магнитной проницаемости образца, что обуславливает изменение магнитного взаимодействия резонаторов. Как результат изменение частоты, на которой происходит компенсация емкостной и индуктивной связи частота полюса изменяется. Следует заметить, что максимальное изменение магнитного взаимодействия резонаторов произойдет при внешнем магнитном поле равном полю ФМР (для фиксированной частоты измерения).
Конструктивные параметры датчика, полученные из электромагнитной модели следующие: подложка толщиной 0,5 мм из поликора (е = 9,8), резонаторы шириной 3,1 мм, длиной 11,9 мм, расстояние между резонаторами 3,2 мм. На амплитудно-частотной характеристике датчика с такими конструктивными параметрами полюс затухания располагается на частоте ~ 1.26 ГГц, а полоса пропускания располагается на частотах около 4,5 ГГц (рисунок, а). Для проверки работоспособности предложенного датчика ФМР были проведены измерения параметров ТМП из пермаллоя (никель -75 %, железо - 25 %). Пленка, толщиной 500 А была получена магнетронным распылением на посто-
Секция «Электронная техника и технологии»
янном токе на подложку из ситалла квадратной формы со стороной 3 мм. Пленка помещалась между резонаторами (плоскость пленки параллельна плоскости подложки) в области максимального магнитного взаимодействия резонаторов друг с другом. Такое положение ТМП обеспечивает однородность СВЧ магнитного поля, пронизывающего образец, к тому же уровень полезного сигнала в таком случаи максимален. Постоянное внешнее магнитное поле Н0, задаваемое кольцами Гельмгольца и перпендикулярное ему СВЧ магнитное поле, генерируемое резонаторами, находилось в плоскости пленки.
На рисунке б приведено семейство амплитудно-частотных характеристик в окрестности полюса затухания при различных значениях постоянного магнитного поля. Видно, что при изменении напряженности магнитного поля происходит изменение ослабления. Максимальное изменение будет наблюдаться при условии ФМР. Если построить зависимость уровня ослабления на фиксированной частоте в окрестности полюса (например, на частоте 1.2645 ГГц), то получится типичный спектр поглощения ФМР, из которого определяются резонансные поля ФМР в направлении осей легкого и трудного намагничивания: 18,5 Э и 9,2 Э соответственно, а так же ширины линий ФМР, аналогично в направлении ОЛН и ОТН: 32 Э и 32.5 Э соответственно.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-32-00136 мол_а.
Библиографические ссылки
1. Magnetically tunable resonant phase shifters for UNF band / B. A. Belyaev, K. V. Lemberg, A. M. Serhantov, A. A. Leksikov, Ya. F. Bal'va, and An. A. Leksikov // IEEE transactions on Magnetics, 2015. Vol. 51, No. 6.
2. Беляев Б. А., Дрокин Н. А., Лексиков А. А. Исследование материалов на сверхвысоких частотах микрополосковыми датчиками // Изв. высш. учеб. заведений. Физика, 2006. Т. 49. №. 9. С. 45-53.
3. Magnetic imaging in thin magnetic films by local spectrometer of ferromagnetic resonance / B. A. Belyaev, A. V. Izotov, A. A. Leksikov // IEEE Sensors J., 2005. Vol. 5. No. 2. P. 260-267.
4. Ferromagnetic resonance of single magnetic nanowire measured with an on-chip microwave interferometer / H. Zhang, et al. // Review of scientific instruments., 2011. Vol. 82, 054704.
5. Беляев Б. А., Тюрнев В. В. Частотно-зависимые коэффициенты связи микрополосковых резонаторов // Электронная техника. Сер. СВЧ-техника, 1992. Вып. 4. С. 25-33.
© Говорун И. В., Скоморохов Г. В., Бабурин А. С., 2016
