ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕСТРАИВАЕМОГО НЕРЕГУЛЯРНОГО МИКРОПОЛОСКОВОГО РЕЗОНАТОРА

March 26, 2012 by admin Комментировать »

Беляев Б. А. Институт физики СО РАН им. Л. В. Киренского Академгородок, Красноярск – 660036, Россия Сусляев В. И., Кочеткова Т. Д. Томский государственный университет пр. Ленина, д. 36, Томск – 634050, Россия Тел.: +7 (3822) 413989; e-mail: susl@public.tsu.ru

Аннотация – Рассмотрен перестраиваемый нерегулярный микрополосковый резонатор, используемый для измерения спектров электромагнитных параметров материалов. Изменение длины резонатора позволяет проводить измерения в 10 частотных точках в диапазоне от 460 МГц до 3,3 ГГц.

I.  Введение

Резонаторная методика широко используется для исследования электромагнитных характеристик материалов в зависимости от частоты. В различных участках частотного диапазона применяют разные конструкции измерительных ячеек: открытые, объемные, микрополосковые резонаторы. На стыке методов с распределенными и сосредоточенными параметрами (100 МГц – 2 ГГц) хорошо зарекомендовал себя нерегулярный микрополосковый резонатор (НМПР) [1].

Рис. 1. Конструкция перестраиваемого нерегулярного резонатора.

Fig. 1. Design of adjustable irregular microstrip resonator

Для исследования электромагнитных свойств материалов в связи со сложностью спектров магнитной и диэлектрической проницаемостей в области аномальной дисперсии требуется проводить измерения с высокой плотностью частотной сетки. Обычно это достигается набором резонаторов, работающих на разных частотах, либо использованием многомодового режима (метод вариации частоты), когда последовательно возбуждаются колебания с разным числом вариаций электромагнитного поля.

В данной работе рассматривается возможность увеличения числа частотных точек, в которых производится измерение абсолютных значений электромагнитных параметров материалов, использованием перестраиваемого нерегулярного микрополоскового резонатора.

II.  Основная часть

Нерегулярные микрополосковые резонаторы сочетают в себе высокую чувствительность, малые габариты, высокий коэффициент заполнения резонатора образцом и позволяют проводить измерения на стыке радиоволновых и радиотехнических методов. С помощью набора таких измерительных ячеек и использования многомодового режима исследованы, в частности, спектры водных растворов спиртов [2, 3].

Для увеличения числа частотных точек нами разработан и опробован перестраиваемый резонатор, для которого реализован метод вариации длины.

Конструкция резонатора представлена на рис.1. Отличие от ранее применявшихся НМПР в том, что верхний металлический слой микрополосковой линии представляет собой ряд поперечных полосок, напыленных по стандартной технологии изготовления микрополосковых линий, разделенных регулярными промежутками. Изменение длины от 5 до 27 мм производится путем перемещения входного и выходного контактов на нужную поперечную полоску и электрического соединения остальных. При этом перекрывается диапазон частот от 460 МГц до 3,3 ГГц.

Образец исследуемого материала помещается в центральную часть резонатора (воздушный зазор между керамическими подложками), в которой при нечетном числе вариаций электромагнитного поля располагается пучность магнитного и узел электрического поля (магнитная мода), а при четном – электрическая мода (пучность электрического поля и узел магнитного). Особенностью НМПР является то, что спектр колебаний неэквидистантный, то есть наблюдается сближение резонансных линий электрической и магнитной мод.

Численное моделирование амплитудно-частотной характеристики резонатора (АЧХ), проведенное в квазистатическом приближении, позволило выявить основные факторы, обеспечивающие оптимальные условия для исследования электромагнитных параметров материалов с широким диапазоном изменения как мнимых, так и действительных составляющих проницаемостей.

К таким факторам относятся геометрические размеры резонатора – ширина воздушного зазора, толщина керамической подложки и ширина полосковой линии, а также величины емкостей связи.

Расчет показал, что с возрастанием номеров мод (четвертая и пятая и далее) резонансные линии практически сливаются. Разрешение линий можно увеличить, уменьшая емкости связи, однако в этом случае затруднительно исследовать материалы с большими диэлектрическими потерями, поскольку электрическая мода становится не различимой на фоне магнитной моды. Для таких материалов следует использовать резонатор с меньшей шириной воздушного зазора, что также увеличивает разрешение линий.

Экспериментально полученная АЧХ несколько отличается от расчетной по интенсивности резонансных пиков. Вероятно, это связано с неоднородностью верхней металлической полоски и возникающей в этом случае дополнительной емкости, не учтенной в расчете.

Для оценки метрологических возможностей перестраиваемого резонатора произведены измерения диэлектрической проницаемости дистиллированной воды и водных растворов этилового спирта в 10-ти частотных точках. Показано, что область релаксации описывается с необходимой подробностью.

Измерения производились на автоматизированном измерительном комплексе на основе измерителей КСВн [4, 5, 6], куда резонатор включался в качестве измерительной ячейки. Полученные результаты находятся в хорошем согласии с литературными данными.

I.    Заключение

Нерегулярный микрополосковый резонатор с переменной длиной верхней металлической полоски может быть использован для увеличения числа частотных точек при исследовании магнитной и диэлектрической проницаемостей в области аномальной дисперсии на стыке методов с распределенными и сосредоточенными параметрами.

Предлагаемая конструкция позволяет производить измерения в 10 частотных точках в диапазоне 460 МГц – 3,3 ГГц.

Проведенное математическое моделирование показало, что квазистатический подход дает достаточно точное описание АЧХ перестраиваемого НМПР и позволяет выбрать оптимальные геометрические размеры и величины емкостей связей, если имеется априорная информация о величинах электромагнитных характеристик материалов.

II.   Список литературы

[1]   Беляев Б. А., Журавлев В. А, Сусляев В. И. Исследование электромагнитных параметров бикомплексных сред на СВЧ с помощью нерегулярного микрополоскового резонатора / Препринт № 735-ф. Красноярск: Ин-т физики СО АН СССР – 1994, С. 54.

[2]   Сусляев В. И., Кочеткова Т. Д. Микроволновые спектры диэлектрической проницаемости водных смесей метилового спирта в области диэлектрической релаксации для температур 220-320 К // Известия высших учебных заведений. Физика – 2003, № 9, С. 72-75.

[3]   Сусляев В. И., Кочеткова Т. Д., Журавлев А. В. Определение структурных изменений в водных смесях метилового спирта радиофизическим методом // Вестник ТГУ- 2003, Т. 278, С. 78-80.

[4]   Сусляев В. И., Кочеткова Т. Д. Температурные зависимости спектров диэлектрической проницаемости водных смесей метилового спирта в области релаксации // Вестник ТГУ – 2003, Т. 278, С. 73-75.

[5]   Сусляев В. И., Журавлев В. А., Кочеткова Т. Д., Судаков С. В. Автоматизированная установка для исследования температурной зависимости спектров диэлектрической проницаемости полярных жидкостей в диапазоне 0,1-1.25 ГГц // Приборы и техника эксперимента – 2003, № 5, С. 1-5.

[6]   Кочеткова Т. Д. Температурные зависимости спектров диэлектрической проницаемости воды и водных растворов спиртов в области релаксации: Дис. канд. физ.-мат. наук-Томск, 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.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты