Бєляєв Б. А. Інститут фізики СО РАН ім. Л. В. Киренського Академмістечко, Красноярськ – 660036, Росія Сусляев В. І., Кочеткова Т. Д. Томський державний університет пр. Леніна, буд 36, Томськ – 634050, Росія Тел.: +7 (3822) 413989; e-mail: susl@public.tsu.ru

Анотація – Розглянуто перебудовується нерегулярний микрополосковой резонатор, який використовується для вимірювання спектрів електромагнітних параметрів матеріалів. Зміна довжини резонатора дозволяє проводити вимірювання в 10 частотних точках в діапазоні від 460 МГц до 3,3 ГГц.

I. Вступ

резонаторна методика широко використовується для дослідження електромагнітних характеристик матеріалів в залежності від частоти. У різних ділянках частотного діапазону застосовують різні конструкції вимірювальних осередків: відкриті, об’ємні, мікрополоскових резонатори. На стику методів з розподіленими і зосередженими параметрами (100 МГц – 2 ГГц) добре зарекомендував себе нерегулярний микрополосковой резонатор (НМПР) [1].

Рис. 1. Конструкція перебудовується нерегулярного резонатора.

Fig. 1. Design of adjustable irregular microstrip resonator

Для дослідження електромагнітних властивостей матеріалів у зв’язку зі складністю спектрів магнітної і діелектричної проникності в області аномальної дисперсії потрібно проводити вимірювання з високою щільністю частотної сітки. Зазвичай це досягається набором резонаторів, що працюють на різних частотах, або використанням багатомодового режиму (метод варіації частоти), коли послідовно збуджуються коливання з різним числом варіацій електромагнітного поля.

У даній роботі розглядається можливість збільшення числа частотних точок, в яких проводиться вимірювання абсолютних значень електромагнітних параметрів матеріалів, використанням перебудовується нерегулярного микрополосковой резонатора.

II. Основна частина

Нерегулярні мікрополоскових резонатори поєднують в собі високу чутливість, малі габарити, високий коефіцієнт заповнення резонатора зразком і дозволяють проводити вимірювання на стику радіохвильових і радіотехнічних методів. За допомогою набору таких вимірювальних осередків і використання багатомодового режиму досліджені, зокрема, спектри водних розчинів спиртів [2, 3].

Для збільшення числа частотних точок нами розроблений і випробуваний перебудовується резонатор, для якого реалізований метод варіації довжини.

Конструкція резонатора представлена ​​на рис.1. Відмінність від раніше застосовувалися НМПР в тому, що верхній металевий шар микрополосковой лінії являє собою ряд поперечних смужок, напилених по стандартною технологією виготовлення мікрополоскових ліній, розділених регулярними проміжками. Зміна довжини від 5 до 27 мм виробляється шляхом переміщення вхідного і вихідного контактів на потрібну поперечну смужку і електричного з’єднання інших. При цьому перекривається діапазон частот від 460 МГц до 3,3 ГГц.

Зразок досліджуваного матеріалу міститься в центральну частину резонатора (повітряний зазор між керамічними підкладками), в якій при непарному числі варіацій електромагнітного поля розташовується пучность магнітного і вузол електричного поля (магнітна мода), а при парному – електрична мода (пучность електричного поля і вузол магнітного). Особливістю НМПР є те, що спектр коливань нееквідістантний, тобто спостерігається зближення резонансних ліній електричної та магнітної мод.

Чисельне моделювання амплітудно-частотної характеристики резонатора (АЧХ), проведене в квазістатичному наближенні, дозволило виявити основні фактори, що забезпечують оптимальні умови для дослідження електромагнітних параметрів матеріалів з широким діапазоном зміни як уявних, так і дійсних складових проницаемостей.

До таких факторів належать геометричні розміри резонатора – ширина повітряного зазору, товщина керамічної підкладки і ширина Полоскова лінії, а також величини ємностей зв’язку.

Розрахунок показав, що із зростанням номерів мод (четверта і п’ята і далі) резонансні лінії практично зливаються. Дозвіл ліній можна збільшити, зменшуючи ємності зв’язку, однак у цьому випадку важко дослідити матеріали з великими діелектричними втратами, оскільки електрична мода стає не помітною на тлі магнітної моди. Для таких матеріалів слід використовувати резонатор з меншою шириною повітряного зазору, що також збільшує дозвіл ліній.

Експериментально отримана АЧХ дещо відрізняється від розрахункової за інтенсивністю резонансних піків. Ймовірно, це пов’язано з неоднорідністю верхньої металевої смужки і виникає в цьому випадку додаткової ємності, не облікованої у розрахунку.

Для оцінки метрологічних можливостей перебудовується резонатора проведені вимірювання діелектричної проникності дистильованої води та водних розчинів етилового спирту в 10-ти частотних точках. Показано, що область релаксації описується з необхідною подробицею.

Виміри проводилися на автоматизованому вимірювальному комплексі на основі вимірювачів КСХН [4, 5, 6], куди резонатор включався в якості вимірювальної комірки. Отримані результати знаходяться в добре узгоджуються з літературними даними.

I. Висновок

Нерегулярний микрополосковой резонатор із змінною довжиною верхньої металевої смужки може бути використаний для збільшення числа частотних точок при дослідженні магнітної і діелектричної проникності в області аномальної дисперсії на стику методів з розподіленими і зосередженими параметрами.

Пропонована конструкція дозволяє проводити вимірювання в 10 частотних точках в діапазоні 460 МГц – 3,3 ГГц.

Проведене математичне моделювання показало, що квазістатичний підхід дає досить точний опис АЧХ перебудовується НМПР і дозволяє вибрати оптимальні геометричні розміри і величини ємностей зв’язків, якщо є апріорна інформація про величини електромагнітних характеристик матеріалів.

II. Список літератури

[1] Бєляєв Б. А., Журавльов В. А, Сусляев В. І. Дослідження електромагнітних параметрів бікомплексних середовищ на СВЧ за допомогою нерегулярного микрополосковой резонатора / Препринт № 735-ф. Красноярськ: Ін-т фізики СО АН СРСР – 1994, С. 54.

[2] Сусляев В. І., Кочеткова Т. Д. Мікрохвильові спектри діелектричної проникності водних сумішей метилового спирту в області діелектричної релаксації для температур 220-320 К / / Известия вищих навчальних закладів. Фізика – 2003, № 9, С. 72-75.

[3] Сусляев В. І., Кочеткова Т. Д., Журавльов А. В. Визначення структурних змін у водних сумішах метилового спирту радіофізичним методом / / Вісник ТГУ-2003, Т. 278, С. 78-80.

[4] Сусляев В. І., Кочеткова Т. Д. Температурні залежності спектрів діелектричної проникності водних сумішей метилового спирту в області релаксації / / Вісник ТГУ – 2003, Т. 278, С. 73-75.

[5] Сусляев В. І., Журавльов В. А., Кочеткова Т. Д., Судаков С. В. Автоматизована установка для дослідження температурної залежності спектрів діелектричної проникності полярних рідин в діапазоні 0,1-1.25 ГГц / / Прилади і техніка експерименту – 2003, № 5, С. 1-5.

[6] Кочеткова Т. Д. Температурні залежності спектрів діелектричної проникності води та водних розчинів спиртів в області релаксації: Дис. канд. фіз.-мат. наук-Томськ, 2003, С. 125.

STUDY OF AJUSTABLE IRREGULAR MICROSTRIP RESONATOR

Belyaev B. A.

Kirensky Institute of Physics Akademgorodok, Krasnoyarsk – 660036, Russia SuslyaevV. I., Kochetkova T. D.

Tomsk State university 36, Lenin Av. Tomsk – 634050, Russia Tel.: (3822) 413989, e-mail: susl@public.tsu.ru

Abstract – Adjustable irregular microstrip resonator (IMR) is considered in this work for measurement of spectra of electromagnetic parameters of materials. The possibility of the resonator length change allows performing measurements in 10 frequency points in 0.46-3.30 GHz range.

I.  Introduction

It is a necessity of increase of the number of frequency points for exploration of magnetic and dielectric permittivity spectra in the field of abnormal dispersion. Usually, a set of resonators or a method of frequency variation is used.

Here we suggest a design of adjustable IMR to perform such measurements.

II.  Main part

The difference from earlier IMR models is that the top metal layer of a microstrip line is made from a set of metal stripes, (standard technology of sputtering for microstrip lines), separated by regular intervals. The change of IMR length from 5 up to 27 mm is made by moving input and output contacts to necessary stripe and connecting the other stripes. It provides us a wide range of frequencies (0.46-3.30 GHz).

The sample of researched material is placed in the central part of the resonator, where loop of a magnetic field and node of an electrical one are located in case of odd number of halfwavelengths. The case of even number of half-wavelength gives us loop of an electric filed and node of magnetic one at that point. An important feature of IMR is an approach of resonant lines of electrical and magnetic modes.

III.  Conclusion

IMR with adjustable length of the top metal stripe can be used for increase of number of frequency points for magnetic and dielectric permittivity research in the field of abnormal dispersion on a border of applicability of distributed and lumped parameters methods.

The design allows measurements in 10 frequency points in a range of 0.46-3.30 GHz

Mathematical modeling has shown that quasi-static approximation gives us acceptable description of gain-frequency characteristic of IMR and allows choosing the optimum geometrical sizes and coupling capacities, if preliminary information about electromagnetic characteristics of explored materials is available.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»