WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 ||

Микроскоп работает следующим образом. СВЧ-сигнал от генератора поступает в волновод 1. Происходит взаимодействие в волноводе 1 СВЧ-сигнала со штырем 3 и короткозамыкателем 2, имеющим выемку 4. В результате возникает ближнее поле. В зависимости от расстояния между штырем и короткозамыкателем возникает тот или иной набор высших типов колебаний, которые определяют структуру ближнего поля, возникающего в системе. Спектр возникающих колебаний крайне чувствителен к нагрузке измерительной системы, что и определяет высокую чувствительность всего устройства в целом. Изменением расстояния между короткозамыкателем 2 и штырем 3 добиваются возникновения резонанса, после чего это расстояние фиксируется (данная операция выполняется однократно). Ближнее поле взаимодействует с иглой 6 через петлю связи 7, а через неё с исследуемым образцом, который располагается вблизи или касается иглы 6. В измерительное устройство поступает отраженный сигнал, и проводятся измерения частоты резонанса, кривизны частотной характеристики и коэффициента отражения. В предложенном микроскопе, благодаря взаимодействию ближнего поля в окрестности иглы 6 с измеряемым образцом при незначительном расстоянии между образцом и иглой 6 (несколько десятков мкм или контакт без усилия) возникает перестройка резонансной картины, выражающаяся в изменении частоты резонанса, кривизны частотных характеристик и величины коэффициента отражения на частоте резонанса в зависимости от величины диэлектрической проницаемости, проводимости исследуемого слоя. Данные измерений сравниваются с калибровочными кривыми в результате чего делается вывод об измеряемых параметрах материала. Расстояние от штыря 3 до короткозамыкателя 2 и величина зазора выбраны из условия возникновения резонанса с малым коэффициентом отражения.

Созданный микроскоп имел рабочую частоту в отсутствие измеряемого образца: fрез=10.251 ГГц.

В данной системе a=23мм, b=10мм, h=6.5мм, 1мм – высота зазора в штыре, d=0.9 мм; выемка цилиндрической формы: s=7мм; w=2.15мм, радиус иглы составлял 0.1мм, расстояние k между штырем и короткозамыкателем не превышало /10. Результаты измерений приведены в таблице.

Диэлектрическая
проницаемость

Проводимость,

Ом-1 ·м-1

Частота
резонанса,

fрез, ГГц

Коэффициент отражения, Rрез

Кривизна,
KR·10-5

11.9

0.05

9.5385

0.55334

7

16

0.02

9.4748

0.44211

15

16

0.025

9.3416

0.49594

8.2

Таким образом, использование предложенного микроскопа позволяет измерять электропроводность и диэлектрическую проницаемость слоя исследуемого материала в широком диапазоне значений, с разрешением до 10 мкм (рис.14, зависимость частоты (ГГц) от перемещения зонда (мкм) над исследуемой структурой (фон: алюминий (темный) на пластине ниобата лития (светлый))).

В четвертой главе приведено описание алгоритма, позволяющего рассчитывать коэффициент стоячей волны по напряжению системы диафрагма – близкорасположенный короткозамыкающий поршень. Рассчитаны зависимости частотных характеристик системы от размеров и положения апертуры в диафрагме и расстояния между диафрагмой и поршнем. Получено хорошее совпадение результатов теории и эксперимента [3, 4].

Рис.15

На рис. 15 изображена система диафрагма – короткозамыкающий поршень.

Используя методику, предложенную в [3,4], нами был построен алгоритм, который применялся для расчета коэффициента стоячей волны по напряжению для волны с учетом возбуждения мод и.

Данная методика позволяет рассчитывать матрицу сопротивления для системы диафрагма — короткозамыкающий поршень.

Коэффициент стоячей волны рассчитывается в зависимости от частоты и от расстояния между поршнем и диафрагмой по формуле:

,

где

диагональные элементы матрицы рассеяния, в которой

.

Общее выражение для элементов матрицы проводимости системы «емкостная диафрагма — короткозамыкающий поршень» имеет вид:

,

где S — сечение волновода, в котором устанавливается емкостная диафрагма;,r — совокупности чисел m,n,p, определяющие моды колебаний, — волновое сопротивление для -той моды; — напряженность магнитного поля -той моды при нормировке на 0; — приближенное значение напряженности магнитного поля r-той моды, которое представляется в виде:

,

где, — напряженности магнитных (базисных) волн ТЕ- и ТМ-типов, соответственно,, — числа базисных функций соответствующих типов волн при расчете.

Использовавшаяся методика реализовывалась в программной среде Mathcad v11.0a. Поперечные размеры волновода задавались равными a=0.023м, b=0.01м; расстояние между диафрагмой и поршнем: k=10500мкм; числа, определяющие моду колебания по x,y,z, соответственно: m=1,2,…,50; n=1,2,…,50; p=1,2,…60; частота входного сигнала: =812ГГц; толщина: d=10-4м, g— апертура диафрагмы.

Рис. 16

На графиках (рис. 16) представлены результаты расчетов и измерений зависимостей коэффициентов стоячей волны по напряжению (ось ординат) от расстояния и частоты (—— — теоретические кривые, x, о,, — экспериментальные данные), свидетельствующие об их хорошем соответствии.

На рис.16 (а) изображены зависимости коэффициентов стоячей волны по напряжению от частоты при изменении положения диафрагмы (1 — k=100мкм (x); 2 — k=170мкм (o); 3 — k=300мкм (); 4 — k=470мкм ()) и фиксированной величине h=0.5b. Отметим, что резонансные частоты при увеличении расстояния между поршнем и диафрагмой от 170мкм до 470мкм могут возрастать, что существенно отличает низкоразмерные резонаторы от обычно используемых СВЧ-резонаторов, в которых резонансная частота при увеличении размеров резонатора уменьшается. Как показывают данные расчета и эксперимента, приведенные на рис.16 (а), резонанс с частоты 8.1ГГц при увеличении расстояния между поршнем и диафрагмой от 170мкм до 470мкм сдвигается до частоты 8.3ГГц.

На рис.16 (б, в) изображены коэффициенты стоячей волны в зависимости от частоты при фиксированных положениях диафрагмы (k=470мкм и k=500мкм, соответственно) и изменяющейся величине h (1 — h=0.7b (x); 2 — h=0.8b (o); 3 — h=0.9b ()). Данные результатов измерений и расчетов частотных зависимостей, приведенные на рис.16 (б, в), свидетельствуют о том, что наблюдается увеличение числа резонансных частот при уменьшении апертуры диафрагмы от 0.5b до 0.1b. Так в интервале апертур от 0.2b до 0.1b число резонансных частот в диапазоне ~1011ГГц при расстоянии между поршнем и диафрагмой k=470мкм увеличивается от трех, при апертуре 0.2b, до шести, при апертуре 0.1b. Увеличение числа резонансов при уменьшении размера апертуры можно объяснить тем, что с уменьшением g становятся более предпочтительными условия трансформации волны основного типа в большее число колебаний высших типов, возбуждающихся в низкоразмерном резонаторе.

На рис.16 (г) изображены зависимости коэффициентов стоячей волны по напряжению от частоты в зависимости от положения апертуры диафрагмы, для двух положений диафрагмы (1 — h=0.5b (x); 2 — h=0.9b (o)) при g=0.001b. Как следует из приведенных на рис.15 (г) результатов, заметно изменяется только на частоте 11ГГц (примерно от 17 до 20), то есть при изменении положения апертуры на диафрагме изменяется слабо.

Таким образом, применение данной методики расчета к описанию частотных характеристик волноводных систем типа емкостная диафрагма — короткозамыкающий поршень обеспечивает достижение хорошего соответствия с результатами эксперимента, что позволяет рекомендовать ее для использования при оптимизации параметров различного типа устройств на основе таких систем.

В приложении 1 проведены расчеты различных коэффициентов и интегралов, необходимых для построения алгоритма, позволяющего рассчитывать коэффициент отражения систем типа «емкостная диафрагма – близкорасположенный короткозамыкающий поршень».

В приложении 2 приведен алгоритм расчета коэффициента отражения для систем типа «емкостная диафрагма – короткозамыкающий поршень».

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Таким образом, основные результаты, полученные в ходе выполнения диссертации, сводятся к следующему:

1. Показано, что использование низкоразмерной системы «металлический штырь с зазором –короткозамыкатель» в качестве резонатора, позволяет существенно расширить диапазон невзаимной магнитной перестройки частоты и изменения выходной мощности СВЧ-генераторов на диодах Ганна по сравнению с известными генераторами.

2. Установлено, что введение в схему СВЧ-генератора на ЛПД низкоразмерной резонансной системы «металлический штырь с зазором – короткозамыкатель» позволяет существенно снизить уровень шума генератора.

3. Установлено, что цилиндрическая выемка в близко расположенном к штырю с зазором короткозамыкателе приводит к существенному увеличению кривизны частотных характеристик, причем частотой резонанса можно электрически управлять изменением напряжения на помещенном в систему полупроводниковом диоде.

4. Использование низкоразмерной резонансной системы позволяет с повышенной локальностью измерять в широком диапазоне значений диэлектрическую проницаемость и проводимость материалов.

5. Установлено, что вариационная методика позволяет рассчитать частотные зависимости коэффициента отражения низкоразмерной системы «емкостная диафрагма – близко расположенный короткозамыкающий поршень».

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Горбатов С.С., Семенов А.А., Усанов Д.А., Сорокин А.Н., Кваско В.Ю. Магнитная перестройка частоты СВЧ генератора на диоде Ганна // Известия вузов. Радиоэлектроника. – 2009. – №3. – С.77-80.

2. Усанов Д.А, Горбатов С.С., Сорокин А.Н., Кваско В.Ю. Высокодобротные резонансы в системах «штырь с зазором - короткозамыкатель» // Тезисы докладов 18-й Международной Крымской конференции «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2008). г.Севастополь, Украина, 8-12 Сентября 2008г. – С.728-729.

3. Горбатов С.С., Сорокин А.Н., Усанов Д.А. Частотные характеристики низкоразмерных волноводных систем типа «емкостная диафрагма – короткозамыкающий поршень» // Известия вузов. Радиоэлектроника. – 2008. – №5. – С.77-80.

4. Усанов Д.А, Горбатов С.С., Сорокин А.Н. Отражение СВЧ-волн в низкоразмерной резонансной системе «емкостная диафрагма – короткозамыкающий поршень» // Тезисы докладов 18-й Международной Крымской конференции «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2008). г.Севастополь, Украина, 8-12 Сентября 2008г. – С.730-731.

5. Усанов Д.А, Горбатов С.С., Сорокин А.Н., Кваско В.Ю. Электрическая перестройка частоты в высокодобротном низкоразмерном СВЧ резонаторе // Тезисы докладов 7-й Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов». г. Самара, 15-21 Сентября 2008г. – С.238-239.

Подписано в печать 1.06.2009. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная

Гарнитура Times. Печать офсетная. Усл.-печ. л. 1.25 (1.5)

Тираж 100 экз. Заказ № __

Типография Издательства Саратовского университета

410012, Саратов, Астраханская, 83,

Pages:     | 1 | 2 ||






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»