Устройство для измерения магнитной проницаемости на сверхвысоких частотах

 

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