ДАТЧИК МАГНИТНОГО ПОЛЯ Российский патент 2000 года по МПК G01R33/05 G01R33/24 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и, прежде всего, к магнитометрии.

Известен датчик магнитного поля [1], содержащий резонатор, представляющий собой отрезок симметричной полосковой линии, под которой на нижнем металлическом экране расположена одноосная магнитная пленка. Магнитную пленку охватывает петля, плоскость которой ортогональна полосковой линии.

Недостатками такого датчика являются неинтегральное исполнение и возможность измерения только одной компоненты магнитного поля.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом является датчик магнитного поля [2], содержащий магнитную пленку, нанесенную на одну сторону (поверхность) диэлектрической подложки, представляющую собой пластину, изготовленную из диэлектрического материала, Поверх магнитной пленки нанесен металлический слой, выполняющий роль заземляемого основания (экрана). На другой стороне (поверхности) диэлектрической подложки нанесена микрополосковая структура в виде двух ровных металлических полосок, расположенных одна напротив другой и образующих, таким образом, два взаимодействующих микропролосковых резонатора. Работа датчика основана на зависимости уровня проходящей через микрополосковую структуру, образованную резонаторами, СВЧ мощности от напряженности магнитного поля в условиях, близких к ферромагнитному резонансу в пленке.

Недостатком такого датчика является то, что он чувствителен только к одной компоненте магнитного поля.

Техническим результатом при использовании изобретения является возможность одновременного измерения двух компонент магнитного поля одним датчиком.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в датчике магнитного поля, содержащем диэлектрическую подложку, магнитную пленку, нанесенную на одну сторону подложки и поверх которой нанесен металлический слой, выполняющий роль экрана, на другой стороне подложки нанесена микрополосковая структура, согласно изобретению проводники микрополосковой структуры выполнены в виде рамки прямоугольной формы.

Отличия заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключаются в том, что проводники микрополосковой структуры выполнены в виде рамки прямоугольной формы.

Изобретение поясняется чертежом (фиг. 1), на котором изображены вид сверху (а) и сечение (б) заявляемого датчика, рисунком (фиг. 2) и графиками (фиг. 3, 4, 5 и 6), поясняющими принцип его работы.

Заявляемый датчик представляет собой диэлектрическую подложку 1, на верхней стороне которой выполнена микрополосковая структура, полосковые проводники 2 которой образуют рамку 4 прямоугольной формы, стороны которой обозначены буквами a и b. На нижней стороне диэлектрической подложки нанесена тонкая магнитная пленка 3, поверх которой нанесен металлический слой 4 - экран, выполняющий роль заземляемого основания. Такая конструкция представляет собой микрополосковый резонатор [3]. Две первые резонансные частоты f₁ и f₂ такого резонатора соответствуют двум ортогональным модам. Аналогами этих мод являются моды E₁₀₀ и E₀₁₀ микрополоскового резонатора с проводником в форме сплошного прямоугольника [4], индексация мод соответствует выбору системы координат, в которой оси X и Y лежат в плоскости чертежа (фиг. 2). На фиг. 2 схематически изображены направления полей и токов в резонаторе при возбуждении в нем вышеуказанных мод. Рассматриваются только моды первого порядка, т. к. только они используются в устройстве. Для простоты изображены только верхние проводники резонатора. Фиг. 2а соответствует случаю возбуждения моды, аналогом которой является мода E₁₀₀ сплошного прямоугольного резонатора, и фиг. 2б - случаю возбуждения моды, аналогом которой является мода E₀₁₀. Кружками с крестиками и точками в центре показаны направления высокочастотных электрических полей (E), сплошными стрелками - направления высокочастотных токов (1), штрихованными стрелками - направления высокочастотных магнитных полей (H), соответствующих этим токам. Частота f₁ соответствует моде, имеющей пучности высокочастотного тока на одной паре противоположных сторон рамки резонатора, например a (см. фиг. 2a). Частота f₂ соответствует моде, имеющей пучности высокочастотного тока на второй паре противолежащих сторон рамки резонатора, т.е. b (см. фиг. 2б). Частоты f₁ и f₂ определяются диэлектрической проницаемостью подложки (ε) ее толщиной и конкретными размерами рамки, образующей микрополосковый резонатор. Резонансные частоты могут быть измерены, например, с помощью измерителя комплексных коэффициентов передачи P4-37 по максимумам прохождения СВЧ мощности через микрополосковую структуру. В конкретной реализации датчика использовалась подложка из керамики ТБНС толщиной 1 мм, имеющей диэлектрическую проницаемость ε = 80. Внешние размеры микрополосковой структуры, образующей резонатор, составляли 20х18 мм, а резонансные частоты f₁ ≈470 МГц и f₂≈545 МГц.

Подключение входа и выхода микрополоскового резонатора, являющегося взаимным устройством, осуществляется известными способами [5]: либо кондуктивно, либо через емкости связи, по стандартной схеме с общим заземленным электродом-экраном. Выбор точек подключения входа и выхода резонатора обусловлен, как известно, во-первых, структурой распределения высокочастотных полей по полосковому проводнику на резонансных частотах, а во-вторых, волновыми сопротивлениями подводимых линий передач [5]. В частности, подключение входа и выхода в центры сторон b микрополосковой структуры (см. фиг. 2a), где располагаются пучности высокочастотных напряжений для первой моды колебаний и узлы для второй, будет возбуждаться только первый резонанс на частоте f₁ . В случае подключения входа и выхода в центры сторон a (см. фиг. 2б), напротив, будет возбуждаться только второй резонанс, соответственно на частоте f₂. Для одновременного возбуждения обеих мод колебаний необходимо подобрать точки подключения входа и выхода, например, на двух смежных сторонах прямоугольника (см. фиг. 1a) так, чтобы одинаково возбуждались оба резонанса.

Регистрация интенсивности прохождения СВЧ мощности на двух резонансах микрополосковой структуры может осуществляться любыми стандартными способами. Например, использованием пары генераторов, стабилизированных частотами f₁ и f₂ подключенных к центрам двух смежных сторон a и b микрополосковой структуры и пары детекторов, подключенных к противоположным сторонам структуры. В этом случае у резонатора имеется два входа (точки подключения генераторов) и два выхода (точки подключения детекторов). Можно использовать один генератор с качающейся частотой и регистрирующее устройство, позволяющее измерять амплитуды прошедшей мощности на двух резонансных частотах. В этом случае резонатор имеет только один вход и один выход.

Поскольку принцип работы устройства не зависит от способа подключения резонатора, то в дальнейшем подразумевается его подключение за смежные стороны рамки, как показано на фиг. 1a. На фиг. 3 изображена амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) устройства в отсутствие магнитного поля. Она имеет два максимума коэффициента прохождения на частотах f₁ и f₂, соответствующих резонансам двух вышеуказанных мод колебаний.

Чувствительным элементом датчика (воспринимающим органом), реагирующим на измеряемое магнитное поле, является магнитная пленка 3 на фиг. 1. В магнитной пленке при наложении постоянного магнитного поля H₀, ориентированного в плоскости подложки (пленки) и направленного перпендикулярно поляризации высокочастотного магнитного поля H, возникает ферромагнитный резонанс (ФМР) [6,7] , сопровождающийся поглощением пленкой энергии ВЧ поля и соответствующим уменьшением добротности микрополоскового резонатора. Поглощение энергии пленкой тем интенсивнее, чем ближе H₀ к резонансной величине H_P, связанной с частотой накачки и параметрами магнитной пленки. В случае ориентации постоянного магнитного поля H₀ параллельно направлению высокочастотного поля H ферромагнитный резонанс в пленке не возбуждается и поглощение ВЧ энергии не происходит. В связи с этим, возбуждаемый ФМР при направлении постоянного магнитного поля вдоль одной из сторон рамки, приводит к уменьшению добротности лишь одного из двух резонансов, для которого выполняется условие ортогональности H₀ и H. В случае направления поля H₀ под углом к сторонам рамки (см. фиг. 2), возбуждаемый в магнитной пленке ФМР за счет составляющих магнитного поля H_X и H_Y приводит к уменьшению добротности сразу обоих резонансов. При этом степень уменьшения добротности каждого из резонансов определяется величиной соответствующей составляющей магнитного поля.

Понижение добротности резонатора за счет ФМР в пленке связано с двумя механизмами диссипации энергии. Первый механизм обусловлен непосредственно с затратами энергии на поддержание прецессии ферромагнитного момента пленки в условиях ФМР. Второй механизм имеет место, если магнитная пленка изготовлена из проводящего материала. В этом случае в условиях ФМР благодаря резкому росту высокочастотной магнитной проницаемости уменьшается толщина скин-слоя в магнитной пленке, что приводит к увеличению плотности высокочастотного тока, протекающего по ней, имеющей проводимость значительно меньшую, чем медь. Благодаря этому возрастают омические потери в резонаторе. Таким образом, магнитная пленка является воспринимающим органом датчика, а резонатор - промежуточным преобразователем.

На фиг. 3 приведены АЧХ датчика для нескольких значений напряженности магнитного поля, приложенного в плоскости датчика вдоль стороны a рамки, т. е. для нескольких значений H_x. Видно, что на частоте первого резонанса (470 МГц) коэффициент прохождения существенно зависит от напряженности магнитного поля, а на частоте второго резонанса (545 МГц) эта зависимость слабая. На фиг. 5 приведены АЧХ датчика для нескольких значений напряженности магнитного поля, приложенного в плоскости датчика вдоль другой стороны рамки, b, т. е. для нескольких значений H_y. В этом случае наоборот, имеется существенная зависимость коэффициента прохождения на второй резонансной частоте и слабая - на первой. На фиг. 6 приведены зависимости коэффициента прохождения СВЧ мощности через датчик на резонансных частотах в зависимости от напряженности магнитного поля: а) для X-компоненты поля и б) для Y - компоненты. Благодаря тому, что имеется такое различие в зависимостях от H_x и H_y коэффициентов прохождения на двух частотах, возможно определение двух этих компонент одним датчиком без его поворота. Сигналом датчика, таким образом, является коэффициент прохождения СВЧ мощности через резонатор.

Для измерения магнитного поля на вход датчика подаются сигналы от генераторов на частотах f₁ и f₂. На выходе датчика амплитуды этих сигналов измеряются, и определяются коэффициенты прохождения на этих частотах T₁ и T₂. Поскольку зависимости этих коэффициентов от H_x и H_y линейны, то для их связи можно записать систему из линейных уравнений

в которой константы a₁, a₂, b₁, b₂, c₁ и c₂ зависят от параметров датчика и определяются экспериментально. Из этой системы определяются компоненты магнитного поля H_x и H_y.

Литература
1. Frahk C.E. Weak Magnetic Field Measurement Using Permalloy-Film UNF Resonance. Rev. Sci. Inst. 37, N 7, 1966, p. 875-880 (Имеется перевод: Приборы для научных исследований - 1966, N 7, с. 60-65).

2. А.с. СССР N 1810855, кл. G 01 R 33/05 (прототип).

3. Конструкции СВЧ устройств и экранов. Под ред. А.М. Чернушко. М.: Радио и связь, 1983, с. 258-260.

4. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств. Под ред. В.И.Вольмана. М.: Радио и связь, 1982, с. 140-141.

5. Маттей Г.Л., Янг Л. Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. Т.1. М.: Связь, 1971, 439 c.

6. Физический Энциклопедический Словарь. Т.5. М.: Советская Энциклопедия, 1966. с. 309-311.

7. Р. Суху. Магнитные тонкие пленки. М.: Мир, 1976, с. 255-279.

Использование: в электроизмерительной технике, в частности в магнитометрии. Технический результат заключается в возможности измерения двух компонент магнитного поля одним датчиком. Датчик магнитного поля содержит диэлектрическую подложку, магнитную пленку, нанесенную на одну сторону подложки и поверх которой нанесен металлический слой, выполняющий роль экрана. На другой стороне подложки нанесена микрополосковая структура. Микрополосковая структура выполнена в виде рамки прямоугольной формы и представляет собой микрополосковый резонатор, в котором возбуждаются две ортогональные моды электромагнитных колебаний с близкими частотами. Параллельные плоскости датчика ортогональные компоненты магнитного поля определяются по уровням и их соотношению проходящих через микрополосковую структуру СВЧ сигналов на частотах двух ортогональных мод резонатора. 6 ил.

Датчик магнитного поля, содержащий диэлектрическую подложку, магнитную пленку, нанесенную на одну сторону подложки и поверх которой нанесен металлический слой, выполняющий роль экрана, на другой стороне подложки нанесена микрополосковая структура, отличающийся тем, что проводники микрополосковой структуры выполнены в виде рамки прямоугольной формы.