ИССЛЕДОВАНИЕ БЛИЖНЕПОЛЕВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОТКРЫТОГО КОНЦА КОАКСИАЛЬНОГО ВОЛНОВОДА

July 5, 2012 by admin Комментировать »

Лаунец В. Л., Олейник В. В. Радиофизический факультет, Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко пр. Глушкова 2/5, Киев 03127, Украина тел. (38-044) 266 0551, E-mail: oliynyk@univ.kiev.ua

Аннотация Приведены экспериментальные результаты и их качественное объяснение, позволяющие сделать вывод о целесообразности оптимизации размеров выступающего внутреннего проводника коаксиального зонда ближнеполевого микроволнового микроскопа. Обнаружена и качественно объяснена не монотонная зависимость чувствительности микроскопа к неоднородности от расстояния между зондом и образцом для случая неоднородности типа диэлектрик на металле.

I. Введение

В ряде работ, посвященных изучению возможностей, которые возникают благодаря использованию ближнеполевого взаимодействия, в частности, в ближнеполевой микроволновой микроскопии [1,2], в качестве основного элемента установки зонда используется отрезок коаксиального волновода или четверть-волновый коаксиальный резонатор, в области кончика выступающего центрального проводника которого и реализуется режим ближнеполевого взаимодействия.

Качество и полнота информации, получаемой при ближнеполевом взаимодействии, в значительной степени зависит от параметров зонда и, прежде всего, от параметров выступающей части его центрального проводника (диаметра, длины, радиуса закругления и др.), а также от расстояния между зондом и образцом. Поэтому изучение зависимости параметров взаимодействия от упомянутых выше конструктивных характеристик устройства представляет определенный практический интерес. Так, уже считается общеизвестным [2], что разрешающая способность ближнеполевого микроскопа определяется диаметром выступающей части внутреннего проводника и практически не зависит от длины волны излучаемого зондирующего сигнала. Установлено также, что разрешающая способность устройства [3], а также интенсивность сигнала, отраженного от неоднородности при ближнеполевом взаимодействии, т.е. чувствительность устройства, зависят от длины выступающей части центрального проводника и при определенном соотношении между диаметром апертуры d и длиной выступающей части центрального проводника Д1 имеют максимум.

В русле оговоренных выше исследований нами были проведены эксперименты по выяснению зависимости чувствительности и разрешающей способности устройства от длины выступающей части центрального проводника, а также от расстояния зонда до неоднородностей двух типов: металлическая полоска на диэлектрике и диэлектрическая полоска на металлической поверхности. Полученные результаты оказались не тривиальными, чему и посвящен материал, приведенный ниже.

И в заключение этого параграфа отметим следующее. Получить аналитические выражения, которые бы описывали оговоренную выше конфигурацию

–    открытый конец коаксиального волновода с выступающим внутренним проводником, который находится в непосредственной близости от некой неоднородной поверхности, пока не представляется возможным. Так, до настоящего времени не решена даже значительно более простая задача, когда обсуждаемый волновод нагружен на безграничное пространство. Вместе с тем, практически все известные экспериментальные результаты, в том числе и полученные нами, качественно могут быть объяснены на основании модельных представлений, без привлечения математики.

II.  Результаты эксперимента

Для проведения необходимых исследований нами была собрана установка, представляющая собой микроволновый ближнеполевой микроскоп на базе отрезка коаксиального кабеля стандартного сечения 2.2 х 0.6 мм2 длиной 35 мм с выступающим внутренним проводником. При помощи коаксиально-волноводного перехода (КВП) этот отрезок (зонд) присоединялся к панорамному измерителю коэффициентов стоячей волны (КСВ) и поглощения, который служил и источником микроволновой мощности, и измерителем параметров взаимодействия зонда с образцом. Другой конец КВП был нагружен на КЗ-поршень, который позволял провести согласование микроскопа с нагрузкой (с образцом) в широком диапазоне частот. Измерения проводились в 8 миллиметровом диапазоне длин волн. Такая конструкция привлекательна тем, что, обеспечивая все функции ближнеполевого микроволнового микроскопа, вместе с тем максимально проста в практической реализации, поскольку построена на базе стандартной аппаратуры, которая обычно присутствует в любой СВЧ лаборатории.

На рис.1 показаны результаты измерений зависимости чувствительности микроскопа к неоднородности при изменении расстояния до нее. В одном случае неоднородность представляла собой металлическую полоску шириной около 16 мкм на пластине из поликора (монотонная кривая), в другом такой же ширины диэлектрическую полоску на металле (кривая с максимумом). В качестве диэлектрической неоднородности на металле была использована щель соответствующей ширины. В обоих случаях микроскоп настраивался на максимум чувствительности вне неоднородности на каждом новом расстоянии зонда от образца. Эксперименты проводились на частотах 27.5, 29,8 и 36,4 ГГц. Если первая зависимость очевидна, т.к. с ростом расстояния в ближнеполевом режиме резко уменьшается степень взаимодействия между образцом и микроскопом, то вторая требует объяснения.

На рис.2 показано (очень приближенно, конечно) распределение электрического поля для случая, когда зонд касается металлической поверхности с неоднородностью, и когда он поднят на некоторое расстояние.

Полученные авторами данные, а также анализ литературных источников, позволяет сделать вывод

о  целесообразности оптимизации как размеров коаксиального зонда, так и в некоторых случаях расстояния от зонда до образца при использовании его в ближнеполевых микроволновых устройствах.

Sample-Tip Distance, mkm

Puc. (Fig.) 1

IV. Список литературы

1. С. P. Vlahacos, D. Е. Steinhauer, S. K.Dutta, В. J. Feenstra, Steven М. Anlage and F. С. Wellstood. Non-Contact imaging of dielectric constant with a near-field scanning microwave microscope// The Americas Microscopy and analysis, 2000, № 1, p. 5.

2. T. Wei, X.-D. Xiang. Scanning tip microwave near-field microscope. Appl. Phys. Lett, 1996, Vol. 68. № 21 .pp.3506-3508.

3. X.-D. Xiang et al. Scanning evanescent electro-magnetic microscope. US Patent 6,173,604, January 16, 2001.

Сравнивая рис.2а и рис.2b между собой можно заметить, что с удалением кончика зонда от поверхности образца число силовых линий электрического поля, которые взаимодействуют с неоднородностью, растет, т.е. интенсивность взаимодействия микроскопа с неоднородностью также возрастает. С другой стороны “работает" и противоположный механизм уменьшение степени взаимодействия, как и должно быть, с ростом расстояния. В нашем случае эти два антагонистические процессы уравновешивают друг друга при толщине диэлектрического слоя около

18..         .20            мкм.

Анализируя, как и выше, изменение распределения силовых линий электрического поля при изменении длины выступающего отрезка центрального проводника (в связи с ограниченностью объема Трудов соответствующие рисунки не приводим), можно утверждать, что разрешающая способность микроскопа должна увеличиваться с увеличением AI, а затем снова уменьшаться. Причем, Д1 в максимуме разрешающей способности не обязательно должна совпадать с максимумом чувствительности. Это утверждение подкреплено экспериментом, в течение которого определялось изменение разрешающей способности при изменении Д1 = 0.3, 0.5, 0.9, 1.5, 2.7, 4.9, 6.3 и 7.1 мм. Максимум, сильно “размытый”, оказался при Д1 ~

4.7..           .6.3        мм. Изменение разрешающей способности оценивалось по изменению крутизны фронтов графической зависимости коэффициента отражения при сканировании зондом исследуемой неоднородности.

INVESTIGATION OF THE NEAR-FIELD INTERACTION OF THE OPEN-ENDED OF THE COAXIAL WAVEGUIDE

Launets V. L., Oliynik V. V.

Taras Shevchenko National University of Kyiv Acad. Glushkov av., 2/5, Kyiv-03127, Ukraine ph.(044) 266 0551, e-mail:oliynyk@univ.kiev.ua

The obtained experimental data point to the fact that there are optimum sizes of the outward-projecting inner conductor of coaxial probe. In case when the irregularity is a dielectric strip on the metal surface, we have obtained non-monotonous dependence of sensitivity against the distance between the probe and the sample.

In this paper we have studied sensitivity and resolving ability of microscope and its dependence on dimensions of the outward-projecting inner conductor of the coaxial probe. For this purpose we have designed the near-field microscope, based on coaxial cable length with salient inner conductor. When thickness ofthe dielectric layer increases the response ofthe microscope to the split in metal first grows and then goes to zero (fig.1). The qualitative explanation of our study is presented (see fig.2).

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

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