Устройство для измерения магнитной проницаемости на сверхвысоких частотах

Устройство для измерения магнитной проницаемости на сверхвысоких частотах

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ НА СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ, содержащее последовательно соединенные генератор, соединительную линию и резонатор с исследуемым образцом, отличающееся тем, что, с целью повьшения точности измерений, резонатор выполнен в виде отрезка спиральной заземляющей структуры, внутри которой коаксиально расположены первый и второй цилиндрические экраны из электронепроводящего материала, на боковой поверхности которых выполнены продольные полосы из электропроводящего материала, причем на первом цилиндрическом экране полосы выполнены из немагнитного металла, например меди, а на втором - из ферромагнитной пленки. 2.Устройство по п. 1, о т л ичающееся тем, что радиус и расстояние между витками спиральной замедляющей структуры удовлетворяют соотношениям; 1 300 мм, 0,001 MMCli 50 мм, где Ъ - радиус спиральной замедляющей структуры; i h - расстояние между ее витками. 3.Устройство по п. 2, отли (Л чающееся тем, что расстояние между полосами и их ширина выполнены меньше четверти длины замедленной волны резонатора. 4.Устройство по п. 3, отличающееся тем, что толщина цилиндрических экранов удовлетворяет соотношению: 0,001 Ъ ,1Ь,где дсо толщина цилиндрических экратюв. СП

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

3 > G 01 R 33/12

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3491632/18-21 (22) 15.09.82 (46) 30.05.84. Бюл. N- 20 (72) Ю.Н, Пчельников, А.В. Овчинников, Л.N. Суслов и P.M. Дымшиц (71) Московский институт электронного машиностроения (53) 621.317.44(088.8) .(56) 1. Чечерников В.И. Магнитные измерения. M., МГУ, 1963, с. 186.

2. Авторское свидетельство СССР

Ф 121510, кл. G 01 R 33/12, 1953 (прототип). (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ НА СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ, содержащее последовательно соединенные генератор, сое. динительную линию и резонатор с исследуемым образцом, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений, резонатор выполнен в виде отрезка спиральной заземляющей структуры, внутри которой коаксиально расположены первый и второй цилиндрические экраны из элекÄÄSUÄÄ 1095119 тронепроводящего материала, на боковой поверхности которых выполнены продольные полосы из электропроводящего материала, причем на первом цилиндрическом экране полосы выполнены из немагнитного металла, например меди, а на втором — из ферромагнитной пленки.

2. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что радиус и . расстояние между витками спиральной замедляющей структуры удовлетворяют соотношениям: 1 мм (Ь (300 мм, 0,001 мм (Ъ (50 мм, где b — радиус спиральной замедляющей структуры;

b — расстояние между ее витками.

3. Устройство по п. 2, о т л ич а ю щ е е с я тем, что расстояние между полосами и их ширина выполнены меньше четверти длины замедленной волны резонатора.

4. Устройство по и. 3, о т л ич а ю щ е е с я тем, что толщина ципиндрических экранов удовлетворяет соотношению: О, 001 Ь (d (О, 1 b, где Aтолщина цилиндрических экранов.

1095119

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения магнитной проницаемости ферромагнитных пленок на сверхвысоких частотах (СВЧ) в диапазоне волн 10-0,01 м, и может быть использовано для измерения магнитной проницаемости в области высоких частот (ВЧ) в диапазоне волн 100-10 м. !

О

Известно устройство для измерения магнитной проницаемости ферромагнитных веществ на ВЧ и СВЧ, содержащее генератор, соединительную линию и резонатор, выполненный в виде отрезка коаксиальной линии, закрытой с торцов металлическими стенками, внутри которой расположен исследуемый образец (1 ).

Недостатком известного устройства является узкополосность проводимых измерений, Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для измерения магнитной прони-25 цаемости в диапазоне СВЧ, содержащее последовательно соединенные генератор, соединительную линию и резона.тор с исследуемым образцом, при этом резонатор и исследуемый образец выполнены в виде цилиндров (2 3.

Недостатком данного устройства является невысокая точность измерений магнитной проницаемости ферромагнитных металлических пленок, так как

35 высокочастотное магнитное поле практически не проникает в пленки из-за экранизирующего влияния их проводимости.

Целью изобретения является повьппение точности измерений магнитной проницаемости ферромагнитных пленок.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения магнитной проницаемости на сверхвысоких

45 частотах, содержащем последовательно соединенные генератор, соединительную линию и резонатор с исследуемым образцом, резонатор выполнен в виде отрезка спиральной заземляющей структуры, внутри которой коаксиально расположены первый и второй цилиндрические экраны из электронепроводящего материала, на боковой поверхности которых выполнены продольные полосы из электропроводящего материала, причем на первом цилиндрпчс"ском экране полосы выдояне . пэ нс.магнитного металла, например меди, а на второмиз ферромагнитной пленки.

Радиус и расстояние между витками спиральной замедляющей структуры удовлетворяют соотношениям: 1 мм ( (Ъ (300 мм, 0,001 мм (Ъ(50 мм, где

Ь вЂ” радиус спиральной замедляющей структуры, b — расстояние между ее витками.

Расстояние между полосами и их ширина выполнены меньше четверти длины замедленной волны резонатора, а толщина цилиндрических экранов удовлетворяет соотношению: О, 0014 (й (О, 1 Ь где — толщина цилиндрических экранов.

Указанная форма экранов создает на исследуемом образце структуру высокочастотного электромагнитного поля, в которой отсутствует продольная электрическая составляющая поля °

В результате в исследуемом образце из ферромагнитной пленки электрический ток не наводится и, следовательно, проводимость исследуемого образца не оказывает влияния на структуру высокочастотного электромагнитного поля в резонаторе. Взаимодействие исследуемого образца с полем резонатора осуществляется только на продольной составляющей магнитного поля, и частота установившихся в резонаторе колебаний определяется величиной магнитной проницаемости исследуемой ферромагнитной пленки и не зависит от ее проводимости.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 — конструкция резонатора; на фиг. 3 — модель анизотропно-проводящего цилиндрического экрана с продольной проводимостью.

Блок-схема устройства содержит генератор 1 (СВЧ колебаний), соединительную линию 2, выполненную в виде отрезка коаксиальной или волноводной линии, и резонатор 3, внутри которого расположен исследуемый образец 4, выполненный из ферромагнитной пленки.

Конструкция резонатора 3 содержит отрезок спиральной замедляющей структуры 5 радиуса b с расстоянием между витками h, внутри которой коаксиально расположены первый б и второй 7 цилиндрические . краны, выполненные из электрс»;с itj)c. водянсего материала, напримс. р с1о сиетчрс ла. Нд боковой поверхпос г с гс I». »", б и вто1095119 4 рого 7 цилиндрических экранов выполнены продольные полосы 8 и 9 из электропроводящего материала, причем полосы 8 на экране 6 выполнены из немагнитного металла, например меди, а полосы 9 на экране 7 — иэ исследуемой ферромагнитной пленки.

Снаружи структуры 5 коаксиально расположен металлический экран 10 с внутренним радиусом д, выполненный 1О в виде цилиндра. Экран 10 необходим для экранировки от внешних электромагнитных полей.

Продольные полосы 8 и 9 расположены на боковой поверхности цилинд- 15 рических экранов 6 и 7 параллельно оси симметрии и имеют прямоугольную форму.

Первый 6 и второй 7 цилиндрические экраны выполнены круглыми. 20

Для повышения чувствительности измерений внутренний радиус а экрана 7, внутренний радиус с экрана 6, внутренний радиус d экрана 10 и радиус Ь спиральной замедляющей структуры 5 2 должны удовлетворять соотношениям: с: b = 05099; а:b=0,1-099;

d: Ь = 210.

Экраны 6 и 7 имеют одинаковую длину (.. Указанная форма и размеры экранов 6 и 7 позволяют описывать их в рамках модели анизотропно-проводящего круглого цилиндрического экрана с продольной проводимостью, состоящей из цилиндрической непроводящей поверхности 11, например из полистирола, на которой параллельно оси 2 расположены полосы 12 прямоугольной формы из металла. В качестве металла взята медь. Ширина S полос

12 и расстояние е между полосами 12 выполняются меньше четверти длины замедленной волны резонатора 3, кратной длине L, цилиндрических экранОв би7.

Ширина 5 полос 12 и расстояние между полосами 12 в диапазоне ВЧ или СВЧ обычно составляет 0,5-5 мм, длина полос 12 равна 5-500 мм, их толщина равна 0,01 — 1 мм.

При выполнении соединительной линии 2 в виде отрезка коаксиальной линии внутрен tHH rl o o HHK HHHH co единяется с одним концом спиральной структуры 5, другой конец структуры

5 соединяется с одной или несколькими полосами 8 из электропроводящего материала экрана 6, а внешний проводник коаксиальной линии — с одной или несколькими полосами 8 экрана 6.

Устройство работает следующим образом.

СВЧ сигнал от генератора 1 через соединительную линию 2 поступает в резонатор 3, где возбуждается основной тип колебаний. При этом по длине резонатора (. укладывается половина длины аамедленной волны В . Первый цилиндрический экран 6 экранирует образец 4, выполненный в виде второго цилиндрического экрана 7 из электронепроводящего материала с продольными полосами 9, выполненными из ферромагнитной пленки, от продольной

Е (направленной вдоль оси 2) ВЧ составляющей электрического поля. Поз тому в з аимодействие образца 4 с продольной составляющей Е ВЧ поля не происходит. Взаимодействие с азимутальной составляющей Ее(поля также не происходит вследствие азимутальной проводимости образца 4.

Образец 4 взаимодействует лишь с продольной Н2 составляющей ВЧ магнитного поля, в результате на резонансную частоту о установившихся в резонаторе колебаний оказывает влияние величина магнитной проницаемости,и- исследуемой ферромагнитной пленки и не оказывает влияния ее про. водимость, так как в попосах 9 электрических токов не возбуждается.

Связь между величиной магнитной проницаемости,и и резонансной частотой Е на основном типе установившихся колебаний определяется из приведенных соотношений.

В резонаторе (фиг. 2) при возбуждении основного (симметричного) типа колебаний комплексные амплитуды тангенциальных составляющих поля имеют следующий вид:

1095119 где р, "о,.(модифицированные функции Бесселя< номер области, в которой определяются поля, постоянные интегрирования, радиальные постоянные в П -й области; е, Ап Вь и — постоянная распространения;

10 — радиус точки наблюдения;

lu — - круговая частота; ,рх — диэлектрическая и магнитная проницаемости 15 и-й области.

Запишем граничные условия на спиральной замедляющей структуре в виде: рп, dtl7=6E; пв с3Е =О с

35 (n,ñ3É}=É Е; (ь, 3E7=-; Ð. Н, е % где Е, Н вЂ” средние значения амплиту40 ды напряженности электрического и магниТного полей в исследуемои ферромагнитной пленке, — поверхностная магнитная

° 45 проницаемость пленки;

6 — поверхностная проводимость на поверхности экранов би7.

Применяя стандартную процедуру

"сшивания" полей, получаем следующее дисперсионное уравнение, связывающее геометрические размеры а, с, Ь, d, f — частот. установившихся колебав ний и величину относительного замедления Ь = Ь„ (й/Л ) - 1 с величиной магнитной проницаемости р. ис5 где 6 — нормаль к виткам структуры;

dH — скачок напряженности магнитного поля на виток струк. туры; дŠ— скачок амплитуды напряженности электрического поля, 6 — проводимость витков струк- 30 туры;

Š— электрическое поле на поверхности витков, и используем граничные условия: следуемой ферромагнитной пленки, в виде: ( ()2 J (67ь} К (5i}

t 31

1+ f — (b7}

3 К1

=1 - — (a } —," (ы )(- — (. ф(}-.l где Й = Ъ | Я Ф; — + (ат};

1 о

9 2 2 Э о о

Ф вЂ” угол намотки витков структуры; поверхностная магнитная проницаемость структуры ферромагнитной пленки;

2ЛХО

К вЂ” волновое число К =

С

С вЂ” скорость света.

Из этого уравнения устанавливается связь между,и. и Ь и, следовательно, величина магнитной проницаемости образца, так как =p /d". Для повышения точности измерений целесо- образно производить измерения 0 иЫ дважды (при наличии и отсутствии образца), в результате имеем измеренные значения f „, ЬГ1 — без образца и

102, Ь,2 с образцом. Величина | е опS ределяется из уравнения:

, (н 7- е I-,, ",7 з ь 7

"" | -(F, 7 ющ) 1("2) 0("Z)" ("2) ("2) 0("2) 2(2) О(2) 1("2) (")К (с|" }

o„t";7= — "{1-.7 1ь-7 ° с 31 К1 kÎ 0

1 (Ыь ) (бь ) 1 (сс} (с} } о

31 —," (М н

l — (Ю

t )0 о о О

1- — 0(7× вЂ” (ЪЧ 4- — о (Ст} — (Û}

3 3„

2И 1(2)} ("2) К ("2)

1 1

Изобретение позволяет производить измерение магнитной проницаемости ферромагнитных пленок на СВЧ с погрешностью не более 0,17.

1095119

Составитель M. Бухаров

Редактор Н. Швыдкая Техред M.Кузьма

Корректор 0. 1нг»;>

Заказ 3591/28

Тираж 711 Подписчог

HHHHIIH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Рау пская наб., д. 4/5

Филиал ПИП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4