Лаунец В. Л., Олійник В. В. Радіофізичний факультет, Київський національний університет ім. Т. Шевченко пр. Глушкова, 2/5, Київ – 03127, Україна Тел.: +38 (044) 266 0551, e-mail: oliynyk@univ.kiev.ua

Анотація – Представлена ​​методика вимірювання Дие-лектріческой постійної s матеріалів за допомогою ближ-не-польового мікрохвильового мікроскопа з відкритим кінцем коаксіального хвилеводу як зонда.

I. Вступ

Різні конструкції ближньо-польових мікрохвильових мікроскопів (БПММ) в даний час широко застосовується для дослідження поверхонь матеріалів [1], контролю однорідності зразків – пластин, плівок, вимірювання діелектричної проникності матеріалів [2].

Рис. 1

Головним елементом БПММ є зонд з апертурою D, набагато меншою випромінюваної довжини хвилі X, (D «X). Розмір D визначає просторову роздільну здатність мікроскопа, яка може досягати значень часток мікрометра. Настільки висока просторова роздільна здатність дозволяє отримати топографію поверхневих і підповерхневих неоднорідностей плоских зразків, що може бути використано, наприклад, для неруйнівного контролю готових виробів.

Зонд, найчастіше гостра голка, зазвичай пов’язаний з резонансним елементом – об’ємним резонатором [1,2]. Зміна поблизу апертури зонда значення діелектричної проникності е або інших параметрів досліджуваного зразка призводить до зміни розподілу електромагнітного поля і, як наслідок, до зміни вхідного імпедансу зонда. Це викликає зміну резонансної частоти резонатора, яке і несе інформацію про зміну параметрів зразка.

Fig. 1

У пропонованій роботі в якості зонда застосований відрізок коаксіального хвилеводу з виступаючим кінцем центрального провідника [3]. Така конструкція зонда дозволяє істотно знизити вимоги до забезпечення контакту відкритий кінець коаксіалу – зразок, а також збільшити роздільну здатність БПММ.

II. Основна частина

При застосуванні зонда з виступаючим кінцем центрального провідника інформацію про параметри досліджуваного зразка несе, як структура розподілу квазістаціонарного поля поблизу зонда, так і ширяться поля, відображені цим зразком, які зручно характеризувати коефіцієнтом відбиття Гпл.

Розглянута система: лінія передачі – коаксіальний зонд – досліджуваний зразок (див. рис. 1) представляють собою досить складну електродинамічну систему, аналітичне рішення для якої до теперішнього часу не отримано. Тому величина відбитого сигналу від зразка (Гпл.) Може бути записана тільки приблизно. Те ж саме можна сказати і про ділянку зв’язку коаксіального зонда з лінією передачі. Зокрема, це може бути коаксіально-хвилеводний перехід (КВП). Однак є можливість записати формули, які дозволяють проводити якісний аналіз мікрохвильового мікроскопа і, тим самим, прогнозувати його основні параметри – оптимальну робочу частоту, можливий діапазон вимірюваних значень діелектричної постійної, вибрати найбільш інформативний вимірюваний параметр (або зміна частоти, або коефіцієнта відбиття) і ін А наближено записані амплітуди відбитих полів можна уточнити для кожного конкретно виготовленого зонда в процесі калібрування БПММ.

Результуюче відбите поле в лінії передачі є суперпозицією полів, відображених як від поверхонь досліджуваного зразка, які і містять необхідну інформацію, так і від інших кордонів розділу, на яких є стрибок опорів.

У реальному конструкції, використовуваної нами, зонд складався з декількох ділянок. На рис. 1 вони пронумеровані, а поруч у дужках проставлені значення діелектричних постійних заповнення відповідного ділянки та її довжина. Ділянка 1 відповідає роз’єму, ділянка 3 – це відрізок коаксіального віл-

новода з розмірами 2.2 х 0.6 мм, 2 – проміжок, що дозволяє припаяти відрізок коаксіалу до гнізда.

Вибравши синусоїдальну залежність падаючого поля Enafl=AnaflSin (a) t – КДГ), де кл – постійна поширення в лінії передачі, в аналогічному вигляді можна записати і інші, що пройшли до зразка і відбиті їм і іншими поверхнями поля, враховуючи відповідні фазові набіги. Амплітуди полів у першому наближенні можуть бути визначені завдяки припущенню про нормальному падінні плоскої хвилі на відповідну межу розділу. Амплітуда результуючої відбитої хвилі буде залежати як від частоти, так і від параметрів зразка. Слід врахувати, що виступаючий відрізок внутрішнього провідника коаксіалу випромінює синфазно як по, так і проти осі z, що спрощує облік впливу КЗ на результуюче поле в лінії передачі.

Надалі пропоновану математичну модель передбачається дослідити детальніше.

III. Результати експерименту

В експерименті з калібрування БПММ та вимірювань е різних діелектриків відрізок коаксіального хвилеводу (зонд) за допомогою КВП включався

між панорамним вимірником КСХН та ослаблення Р2-65 та КЗ-поршнем (див. рис. 1).

Частотна характеристика коефіцієнта відображення на екрані панорамного вимірювача має ряд мінімумів (точок узгодження), кількість яких і частоти екстремумів визначаються вибраним діапазоном свіпірованія частоти, довжиною зонда, а також відстанню від апертури зонда до зразка і його параметрами (товщиною і е).

Зразки для калібрування мікроскопа були виготовлені у формі циліндрів товщиною 0.47 +0.015 мм і діаметром 18 мм +0.1 з матеріалів з відомими величинами діелектричної постійної s: пінопласту, фторопласту, оргскла, Полікор, керамік. Кінчик зонда БПММ стосувався центру зразка. Налаштування мікроскопа проводилося на зразку з найменшим значенням е – пінопласт, з е = 1.1.

Вираз для нормованої комплексної амплітуди, порушуємо у вторинному хвилеводі щілиною, має вигляд [3]

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