ИЗМЕРЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИКОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БЛИЖНЕ-ПОЛЕВОГО МИКРОВОЛНОВОГО МИКРОСКОПА

May 19, 2012 by admin Комментировать »

Лаунец В. Л., Олейник В. В. Радиофизический факультет, Киевский национальный университет им. Т. Шевченко пр. Глушкова, 2/5, Киев – 03127, Украина Тел.: +38 (044) 266 0551, e-mail: oliynyk@univ.kiev.ua

Аннотация – Представлена методика измерения дие- лектрической постоянной s материалов при помощи ближ- не-полевого микроволнового микроскопа с открытым концом коаксиального волновода в качестве зонда.

I.  Введение

Различные конструкции ближне-полевых микроволновых микроскопов (БПММ) в настоящее время широко применяется для исследования поверхностей материалов [1], контроля однородности образцов – пластин, пленок, измерения диэлектрической проницаемости материалов [2].

Рис. 1

Главным элементом БПММ есть зонд с апертурой D, намного меньшей излучаемой длины волны X, (D«X). Размер D определяет пространственную разрешающую способность микроскопа, которая может достигать значений долей микрометра. Столь высокая пространственная разрешающая способность позволяет получить топографию поверхностных и подповерхностных неоднородностей плоских образцов, что может быть использовано, например, для неразрушающего контроля готовых изделий.

Зонд, чаще всего острая игла, обычно связан с резонансным элементом – объемным резонатором [1,2]. Изменение вблизи апертуры зонда значения диэлектрической проницаемости е или других параметров исследуемого образца приводит к изменению распределения электромагнитного поля и, как следствие, к изменению входного импеданса зонда. Это вызывает изменение резонансной частоты резонатора, которое и несет информацию об изменении параметров образца.

Fig. 1

В предлагаемой работе в качестве зонда применен отрезок коаксиального волновода с выступающим концом центрального проводника [3]. Такая конструкция зонда позволяет существенно снизить требования к обеспечению контакта открытый конец коаксиала – образец, а также увеличить разрешающую способность БПММ.

II.  Основная часть

При применении зонда с выступающим концом центрального проводника информацию о параметрах исследуемого образца несет, как структура распределения квазистационарного поля вблизи зонда, так и распространяющиеся поля, отраженные этим образцом, которые удобно характеризовать коэффициентом отражения Гпл.

Рассматриваемая система: линия передачи – коаксиальный зонд – исследуемый образец (см. рис. 1) представляют собой достаточно сложную электродинамическую систему, аналитическое решение для которой до настоящего времени не получено. Поэтому величина отраженного сигнала от образца (Гпл.) может быть записана только приближенно. То же самое можно сказать и об участке связи коаксиального зонда с линией передачи. В частности, это может быть коаксиально-волноводный переход (КВП). Однако есть возможность записать формулы, которые позволяют проводить качественный анализ микроволнового микроскопа и, тем самым, прогнозировать его основные параметры – оптимальную рабочую частоту, возможный диапазон измеряемых значений диэлектрической постоянной, выбрать наиболее информативный измеряемый параметр (или изменение частоты, или коэффициента отражения) и др. А приближенно записанные амплитуды отраженных полей можно уточнить для каждого конкретно изготовленного зонда в процессе калибровки БПММ.

Результирующее отраженное поле в линии передачи является суперпозицией полей, отраженных как от поверхностей исследуемого образца, которые и содержат необходимую информацию, так и от других границ раздела, на которых имеется скачок сопротивлений.

В реальной конструкции, используемой нами, зонд состоял из нескольких участков. На рис. 1 они пронумерованы, а рядом в скобках проставлены значения диэлектрических постоянных заполнения соответствующего участка и его длина. Участок 1 соответствует разъему, участок 3 – это отрезок коаксиального вол-

новода с размерами 2.2 х 0.6 мм , 2 – промежуток, позволяющий припаять отрезок коаксиала к разъему.

Выбрав синусоидальную зависимость падающего поля Enafl=AnaflSin(a)t – кдг), где кл – постоянная распространения в линии передачи, в аналогичном виде можно записать и остальные, прошедшие до образца и отраженные им и другими поверхностями поля, учитывая соответствующие фазовые набеги. Амплитуды полей в первом приближении могут быть определены благодаря предположению о нормальном падении плоской волны на соответствующую границу раздела. Амплитуда результирующей отраженной волны будет зависеть как от частоты, так и от параметров образца. Следует учесть, что выступающий отрезок внутреннего проводника коаксиала излучает синфазно как по, так и против оси z, что упрощает учет влияния КЗ на результирующее поле в линии передачи.

В дальнейшем предлагаемую математическую модель предполагается исследовать подробнее.

III.  Результаты эксперимента

В эксперименте по калибровке БПММ и измерениям е различных диэлектриков отрезок коаксиального волновода (зонд) при помощи КВП включался

между панорамным измерителем КСВН и ослабления Р2-65 и КЗ-поршнем (см. рис. 1).

Частотная характеристика коэффициента отражения на экране панорамного измерителя имеет ряд минимумов (точек согласования), количество которых и частоты экстремумов определяются выбранным диапазоном свипирования частоты, длиной зонда, а также расстоянием от апертуры зонда до образца и его параметрами (толщиной и е).

Образцы для калибровки микроскопа были изготовлены в форме цилиндров толщиной 0.47+0.015 мм и диаметром 18+0.1 мм из материалов с известными величинами диэлектрической постоянной s: пенопласта, фторопласта, оргстекла, поликора, керамик. Кончик зонда БПММ касался центра образца. Настройка микроскопа проводилось на образце с наименьшим значением е – пенопласте, с е=1.1.

Выражение для нормированной комплексной амплитуды, возбуждаемой во вторичном волноводе щелью, имеет вид [3]

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