Микрополосковые устройства частотной селекции сигналов и диагностики материалов на сверхвысоких частотах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, доктор технических наук Лексиков, Александр Александрович

• Лексиков, Александр Александрович
• доктор технических наук
• 2007

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Лексиков, Александр Александрович

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).