Лексика А А, Давидюк А В *, Коваленко А А * Інститут Фізики ім Л В Киренського СО РАН Академмістечко, м Красноярськ, 660036, Росія * Сибірський державний аерокосмічний університет м Красноярськ, Росія тел сл :3912-494591, e-mail: leksikov@iphkrasnru

Анотація – Описано дві конструкції мікрополоскових датчиків, принцип дії яких заснований на взаємодії високочастотного магнітного поля, що генерується вимірювальним отвором в екрані, з досліджуваним зразком Досліджено вплив конструктивних параметрів датчиків на їх чутливість

I                                       Введення

Однорідність СВЧ електричних властивостей металізації діелектричних підкладок є однією з умов досягнення гранично високих характеристик мікрополоскових пристроїв, таких як, наприклад, фільтри Тому важливим завданням є розробка методів і пристроїв для локальних вимірювань поверхневого опору проводять матеріалів У даний роботі запропоновані і досліджені дві мікрополоскові конструкції датчиків, призначених для таких цілей

II                               Основна частина

Досліджуються дві конструкції Перша з них – це мікрополоскові резонатор (МНР), в заземлюється площині якого просвердлений отвір (рис 1а) Друга конструкція являє собою систему з двох взаємодіючих МНР, т н двухзвенную мікрополоскові секцію (ДМС), в її заземлюється площині також є отвір (рис 1Ь) Під час роботи датчиків ці отвори являють собою локалізовані джерела високочастотного (ВЧ) магнітного поля У МПР отвір розташований під центром Полоскова провідника резонатора, тому при порушенні в ньому резонансу перший полуволновой моди коливань отвір генерує магнітне поле на її частоті [1, 2] У другому датчику проекція отвори розташовується між тими кінчиками смужкових провідників, що утворюють ДМС, до яких підключаються зовнішні лінії

На амплітудно-частотній характеристиці ДМС мається полюс загасання – гострий і глибокий мінімум проходження на частоті значно нижчою, ніж резонансна [3] Своєю появою він зобовязаний компенсації ємнісного та індуктивного взаємодій між резонаторами ДМС на даній частоті Якщо через ДМС пропускати сигнал на частоті полюса, то отвір буде генерувати магнітне поле на цій частоті

Принцип дії досліджуваних датчиків заснований на тому, що генерується вимірювальним отвором ВЧ магнітне поле індукує у зразку струми Фуко, на що витрачається енергія електромагнітного поля, запасаемого резонаторами Це в свою чергу веде до падіння добротності резонаторів, тим більшою, чим більше поверхневий опір зразка поблизу вимірювального отвори Включивши резонатор-датчик «на прохід» зі слабкою звязком (через невеликі, ~ 1 pF, ємності) можна за рівнем проходження сигналу на частоті резонансу перший моди реєструвати поверхневий опір зразка При використанні другого (ДМС) датчика поверхневий опір зразка можна реєструвати за рівнем проходження сигналу на частоті полюса загасання

Рис 1

Fig 1

У даній роботі були виготовлені макети датчиків на підкладках з кераміки ТБНС (ε = 80) з наступними конструктивними параметрами Датчик на основі МПР: товщина підкладки Hd = 2 mm, її розміри 27×20 mm, довжина Полоскова провідника МПР / _л = 19 mm, його ширина W = 35 mm, діаметр отвору 0 = 2 mm Частота перший моди f = 1000 MHz Датчик на основі ДМС: товщина підкладки Hd = 05 тт, її розміри 22×19 mm, довжина смужкових провідників Lr = 136 mm, їх ширина І / = 1 mm, діаметр отвору 0 = 2 mm, відстань між Полоскова провідника 5 = 15 mm Частота полюса загасання f = 242 MHz

Виміри проводилися за допомогою вимірювача комплексних коефіцієнтів передачі Р4-37 У якості «пробних» зразків використовувалися пластинки з металів і сплавів з відомим питомим опором: міді, алюмінію, латуні, заліза

манганина, ніхрому, т к поверхневий опір матеріалу пропорційно його питомому опору При вимірі зразок прикладався до вимірювального отвору датчика, і вироблявся відлік зміни {AL) рівня проходження сигналу на частоті датчика На рис 2 наведені графіки виміряних таким чином залежностей AL від питомого опору використаних зразків Він демонструє той факт, що дійсно за допомогою таких датчиків можна вимірювати поверхневий опір провідних матеріалів З малюнка також видно, що датчик на основі ДМС має істотно більш високу чутливість, в порівнянні з датчиком на основі МНР

Рис 2 Fig 2

Очевидно, що чутливість подібних датчиків буде залежати від їх конструктивних параметрів Слід зазначити, що подібні датчики дуже добре моделюються за допомогою програми «Microwave Office»: розбіжності виміряних експериментально і розрахованих за допомогою згаданого пакету амплітудно-частотних характеристик укпа-дивает в межі, що визначаються точністю вимірювання геометричних розмірів датчиків і розкидом паспортних даних по діелектричним властивостям підкладок Все це дозволило дослідити вплив їх конструктивних параметрів на чутливість теоретично У цьому дослідженні заходом чутливості служило зміна (6L) рівня проходження НВЧ сигналу на частоті датчика при малому, але однаковому, зміні питомого опору «зразка»

Рис 3

Fig 3

У першу чергу чутливість залежатиме від діаметра вимірювального отвори, чим воно більше, тим вище чутливість Однак збільшення діаметра веде до зменшення локальності Порівняно великий діаметр, 2 mm, у експериментальних датчиків обумовлений невисокою чутливістю що використовувалася вимірювальної апаратури

Збільшення довжини смужкових провідників {Ц веде до зниження чутливості і МНР і ДМС Це обставина повязана з тим, що зі збільшенням і зменшується частота і резонансу і полюса загасання, тим самим збільшується довжина хвилі електромагнітного коливання, що збуджується в датчику на його частоті Очевидно, що потужність електромагнітного поля, випромінюваного вимірювальним отвором, буде тим більшою, чим більше діаметр останнього щодо довжини хвилі, і навпаки Цією потужністю визначається ступінь взаємодії датчика з зразком, а, отже, і його чутливість Зауважимо, що поверхневе опір пропорційно квадратному кореню з частоти Тому, для обєктивності порівняння, якщо при зміні будь-якого конструктивного параметра змінювалася частота датчика, то довжиною смужкових провідників вона налаштовувалася на вихідну

Рис 4 Fig 4

Із збільшенням ε підкладки з 10 до 140 відбувається зростання чутливості обох датчиків: приблизно в три рази у МНР, і в пять – ДМС (рис 3) Таку поведінку можна пояснити тим, що з ростом ε довжина хвилі електромагнітного коливання в резонаторах стає менше, і ставлення діаметра отвору до неї зростає Тим самим зростає «коефіцієнт заповнення» Подальші дослідження були проведені для підкладок з ε = 80

Рис 5

Fig 5

На рис 4 наведено графіки залежності чутливості датчиків від ширини смужкових провідників \ N У разі МПР-датчика немонотонна поведінку кривої можна пояснити тим, що воно є наслідком двох тенденцій: зростання чутливості, повязаного із зростанням добротності МНР при збільшенні ширини його Полоскова провідника, і падінням напруженості магнітного поля, що генерується отвором Що стосується монотонного зменшення чутливості ДМС-датчика із збільшенням W, то для стабілізації частоти полюса доводиться ще й укорочувати довжину смужкових провідників, що також веде до падіння напруженості ВЧ поля в області вимірювального отвори

На рис 5 наведено залежності чутливості датчиків від товщини діелектричної підкладки Тут падіння чутливості в обох випадках обумовлене падінням напруженості ВЧ поля в області вимірювального отвори, викликаним видаленням смужкових провідників від останнього

III                                      Висновок

Таким чином, отримані результати свідчать про можливість використання запропонованих датчиків для локального вимірювання поверхневого опору проводять матеріалів Одним із способів формування сигналу у подібного типу датчиків є включення їх в задающую ланцюг генератора [1], що працює в Автодін режимі, при цьому потужність генерується сигналу буде визначатися втратами в датчику, т е поверхневим опором досліджуваного матеріалу

Важливим наслідком з отриманих результатів є також і те, що аналогічним способом можна оптимізувати по чутливості СВЧ головки спектрометрів локального феромагнітного резонансу, а при необхідності їх роботи на більш низьких частотах застосовувати в них Дволанковий мікрополоскові структури замість мікрополоскових резонаторів

IV                            Список літератури

[1] Б А Бєляєв, А А лексику, І Я Макієвський,

В В Тюрнев ПТЕ, 1997, № 3, с106-111

[2] В А Belyaev, А У Izotov, А А Leksikov IEEE Sens Jour

2005,        V5, No 2, p 260-267

[3] Б A Бєляєв, AA лексику, В В Тюрнев ПТЕ, 1995,

№ 5, с 123-130

MICROSTRIP SENSORS FOR LOCAL MEASURING SURFACE RESISTANCE ON MICROWAVES

A A Leksikov, A A Daviduk, A A Kovalenko Institute of Physics Alodemgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russia

Abstract – Two constructions of microstrip sensors are described, whose operation is based on interaction of high- frequency magnetic field generated by a measuring hole with a material under investigation The influence of sensors’ structure parameters on their sensitivity is investigated

I                                        Introduction

Uniformity of MW electric properties of metallic layers on substrates is one of conditions in achieving the extremely high performance of microstrip devices, for example, filters Therefore development of new techniques and devices for measuring surface resistance of conducting materials is important task In the paper two constructions of microstrip sensors designed for such purposes are presented and investigated

II                                       Main Part

Two constructions ofthe sensors are investigated: the first one is microstrip resonator (MSR), whose earthed plane has a hole (Fig1 a) The second one is a system consisting of two interacting MSR, so-called two-resonator microstrip structure (TMS) which has a hole in the earthed plane (Fig 1 b) On sensors operating these holes play a role of localized source of MW magnetic field In MSR the hole locates under the center ofthe strip conductor, therefore when the resonance ofthe first mode is excited the hole generates magnetic field on its frequency [1] In the second sensor projection ofthe hole drops between the ends of strip-line conductors forming TMS to connect to transmitting lines and in the middle ofthe distance between them

The TMS’s frequency response has a damping pole – sharp and deep minimum of transmission at the frequency being essentially lower the resonant one [2] The pole is due to compensating at this frequency capacitive and inductive couplings between resonators forming TMS When a signal at the pole frequency is coming through the TMS, then the hole is generating magnetic field at this frequency

Sensors’ principle of operation is based on the fact of the measuring hole generates Foucault’s currents in a sample, that increases losses of electromagnetic field energy stored by the resonators In its turn this leads to the lowering Q-factor of the resonators: the more surface resistance of the sample, the more is the lowering After connecting the resonator-sensor with weak coupling (through small, ~ 1 pF, capacitors) in the measuring circuit, one can to register the surface resistance by the level of the signal transmitting at the frequency of the first mode When the second (TMS) sensor is used the surface resistance may be register by the level ofthe signal transmitting at the frequency ofthe pole

We have made prototypes ofthe sensors on the substrates from ceramics of ε=80 with the next structure parameters MSR sensor: substrate thickness Hd=2mm, its sizes 27×20 mm, length of strip-line conductor Lr = ^ 9 mm, its width І / = 35 mm, diameter ofthe measuring hole D = 2 mm First mode frequency f = 1000 MHz TMS sensor: Hd = 05mm, sizes 22×19 mm, Lf = 136 mm, І / = 1 mm, D = 2mm, distance between strip-line conductors S =15 mm The pole frequency f =242 MHz

Measurements were carried out with a help of network vector analyzer P4-37 Plates from the metals and alloys of known values of specific resistance (Cu, Al, Fe, brass, manganin, nichrome) were used as test specimens Obviously the surface resistance of a material is proportional to its specific resistance On measuring the specimen was applied at the measuring hole, and a change of transmission level (AL) at the sensor’s frequency was counted Fig 2 presents obtained dependencies AL on specific resistance of used specimens The Figure demonstrates the fact of ability to measure surface resistance with a help of such sensors It is also seen that the sensor based on TMS is essentially more sensitive than the sensor based on MSR

Obviously, sensitivity of the sensors should be dependent on their structural parameters Such sensors appeared to be well modeled with a help of «Microwave Office» software: discrepancy in their measured and calculated frequency responses were in the limits defined by accuracy in measurements of their sizes and substrate’s dielectric constant This reason has allowed studying the influence of structural parameters of the sensors on their sensitivity theoretically In this study, as a measure of sensitivity a change (5L) in the transmission level at the sensor’s frequency was chosen at small, but equal changing in surface resistance of a «specimen»

First of all, the sensitivity is to be dependent on the size of the measuring hole: the more the size, the more sensitivity However, increase in the hole’s size leads to decrease in locality of measurement Rather large (2 mm) diameter in the experimental devices was due to the sensitivity of used measuring instrumentation was not high enough

Note, the sensitivity is dependent on sensor’s frequency due to the surface resistance is frequency-dependent value Therefore in this investigation, when the frequency changed after varying some ofthe structural parameters, then it was tuned to the initial value by varying the length of strip-line conductors

When substrate dielectric constant ε rises, both sensors demonstrate growth in the sensitivity Such behavior may be explained by the fact that wavelength of electromagnetic oscillation in the resonator becomes shorter on ε increasing, and the ratio ofthe hole’s diameter to the wavelength enlarges, consequently the volume of MW magnetic field radiated by the hole and interacting with a sample enlarges too Further investigations were carried out for ε=80

In Fig 4 the curves reflecting sensitivity vs strip conductor width \Nand in Fig 5 those vs substrate thickness Hd are shown

III                                       Conclusion

The ability to design sensors for local measuring surface resistance on the base of microstrip structures is demonstrated Operation of the sensors is based on the interaction of MW magnetic field generated by the hole drilled in the earthed plane with a sample under investigation Sensitivities of the sensors are investigated as a function of their structural parameters

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р