Определение оптимальных размеров датчика СВЧ поверхностных волн на основе меандровой линии замедления (стр. 2 из 2)
Для определения оптимальных геометрических размеров датчика найдем его чувствительность в зависимости от параметров спирали и толщины образца. Полагая детектирование линейным и что спираль и детектор идеально согласованны с СВЧ трактом образец находится с одной стороны спирали и равен ее длине и ширине и мощность СВЧ , поглощаемая в момент резонанса , мала в сравнении с подводимой .приходим к выражению :
, (8) 
Рис.3. Зависимость чувствительности датчика от параметров меандровой ЛЗ (kh/2) и отношения толщины образца t к шагу спирали D.
Где
, 
, 
– коэффициенты преобразования и сопротивление детектора, 
- мощность СВЧ, подводимая к датчику, 
- изменение напряжения на детекторе СВЧ при резонансе, 
- мнимая часть магнитной восприимчивости, 
-меандровая ЛЗ. График выражения (8), для симметричной меандровой ЗС, представлен на рис.3, из которого находим оптимальную ширину датчика. Максимальную толщину образца и,следовательно, шаг спирали можно оценить из расстояния s ,на котором поле ослабляется в "е" от поверхности системы (7) 
,где коэффициент замедления 
является, полагая, геометрическим 
.Определенная таким образом величина t может в
раз отличается от истинного значения поскольку, в данном случае, не учитывается двуволновый характер системы (система "меандр" является двухступенчатой структурой [2]). Более точное значение t можно найти , построив по рис.3 зависимость чувствительности датчика от объема образца (при заданном D и kh/2).Оптимальная длина спирали при наличии потерь, равна
, где постоянная затухания 
находится экспериментально (расчет не дает удовлетворительного численного совпадения с экспериментальными данными).КОНСТРУКЦИЯ ДАТЧИКА ПВ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.
На рис.4 приведена конструкция датчика, изготовленная следующим образом. На заготовку из оркстекла (
) наносят параллельные канавки с шагом D и глубиной равной диаметру провода. Затем на заготовке вырезают пластинки (5) шириной h и поверх канавок накладывается медная пластинка. В образовавшееся отверстие продевается зигзагообразный медный провод, пластинка прогревается (до размягчения оргстекла) и удаляется.Изготовленные меандровые ЛЗ имели размеры L=10 мм,
мм с шагом D = 0,4 мм и 0.6 мм. Подвод и отвод мощности СВЧ осуществлялся с помощью радиочастотного кабеля (3) РК-75-2-26 , КСВ(Н) датчиков с 
мм не превышал 2,5 в диапазоне 
ГГц при наличии согласующего экрана в виде усеченного конуса (4).Датчики с размерами h = 9 мм и 9,5 мм имели граничную частоту в области 8 ГГц хорошо совпадающего со значением, найденным по дисперсионным характеристикам. Измеренные методом замещения постоянные затухания датчика (на 
см) равны 3,6 дб/см (h = 4,5 мм, D = 0,4 мм)и 6,2 дб/см (h = 6 мм, D = 0,4 мм).
Полоса пропускания, определенная по частотной характеристике датчика ПВ, превышает 1500 МГц для датчиков с
мм , что позволяет использовать их при контроле структуроскопии и дефектоскопии .Измеренная зависимость сигнала датчика ЭПР (рис.5) от объема образца и высоты его расположения над поверхностью спирали (образец толщиной 0,07 мм) показывает, что для датчика с h = 4,5 мм и h = 6 мм и шагом D = 0,6 мм предельный объем образца равен 7 мм3 и 17 мм3 соответственно (при одностороннем расположении образца), а амплитуда сигнала датчика ПВ уменьшается в "е" раз на высоте ~0,1 мм и ~0,17 мм для меандровых линий с h = 4,5 мм и h = 6 мм соответственно. Большая скорость спадания поля с высотой для меандровой ЛЗ с меньшей шириной, по-видимому, является следствием двухступенчатой структуры "меандра". Это подтверждается тем, что экспериментальные зависимости достаточно хорошо совпадают с вычисленными по данным рис.3, который был построен с учетом двуволного характера системы. Масштаб экспериментальных кривых и расчетных точек на рис.4 выбран так, чтобы найденные и рассчитанные значения для ЛЗ с h= 4,5 мм совпадали при Vo=21 мм3 для ЛЗ с h = б мм при t/D = 0,5.
Измеренная чувствительность датчиков (при направлении постоянного магнитного поля
ортогонально плоскость XZ "меандра ") с h = 4,5 мм и h = 6 мм примерно совпадает (с учетом потерь ) с чувствительностью объемного резонатора ( 
) для образцов объемом 3,3 мм3 и 4,3 мм3. Расчетное значение получается в ~ 2,5 раза завышенным, что по-видимому, связанно с тем, что при расчете не учитывались краевые поля и, кроме того, у изготовленных спиралей проводники не были строго параллельны.На датчике с меандров ой ЛЗ были проведены предварительные измерения на дефектоскопе диапазона (площадь образца при двухстороннем расположении составляла ~ 90 мм2 при толщине 0,05 мм) и показана возможность его использования в диапазоне волн меньше 1 см. Это открывает перспективы использования этого датчика для структуроскопических работ в 8 мм диапазоне, т.к. система является полностью открытой.
Интересной особенностью датчика на основе меандровой ЛЗ является изменение интенсивности сигнала ПВ (примерно в 9 раз на изготовленных датчиках) при изменении направления постоянного магнитного поля
, когда последние перпендикулярно плоскости XY "меандра". Это связанно с наличием круговой поляризации магнитного СВЧ поля в этой плоскости, причем , как показывает расчет (уравнения (1) и (4)) и эксперимент , направление вращения магнитного вектора противоположно по разные стороны от поверхности "меандра", что в свою очередь позволяет выделить чистый сигнал от образца и подавлять сигнал от подложки .Из полученных данных следует, что меандровые ЛЗ могут служить датчиками сигнала ПВ для плоских образцов толщиной ~ 0,1 - 0,2 мм в 3 см диапазоне волн, объемов ~ 30 мм3 и площади ~ 300 мм2 ( в отсутствии диэлектрика ). Для сравнения укажем, что в случае объемного резонатора Vo ~ 500 мм3 и So ~ 300 мм2. При этом, однако, следует отметить важные преимущества датчиков плоской конструкции:
1) плоские ЛЗ являются полностью открытыми;
2) в противоположность объемным резонаторам , когда образец помещается внутрь датчика , в случае плоских ЛЗ можно помещать датчик на образец;
3) использовать датчики в качестве объемного зонда;
4) упростить термостатирование образца в широком диапазоне температур (от высоких до сверхнизких) при одновременном облучении образца;
5) исследовать не только ровные плоские поверхности, но и поверхности с гладкой кривизной;
6) использовать интегральные СВЧ схемы, что особенно перспективно при низкотемпературных измерениях и при создании малогабаритных структуроскопов на основе интегральных схем.
Существенным недостатком датчиков на основе ЛЗ, по сравнению с объемными резонаторам, является наличие электрического поля в объеме образца. Однако, их использование, наряду с объемными резонаторами, позволяет значительно расширить экспериментальные возможности структуроскопии.
Литература
1. Г.Л. Соболев, А.А. Хоркина, Вопросы электроники сверхвысоких частот,
1969, 6, 152. Изд.Саратовского ун-та.
2. Р.А. Силин, В.П. Сазонов, Замедляющие системы, Изд. “Сов. радио”, 1960.