Широкополосный датчик слабых магнитных полей Российский патент 2024 года по МПК G01R33/24 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения слабых магнитных полей.

Известен датчик слабых магнитных полей [Патент РФ №2682076, МПК G01R 33/24, опубл. 14.03.2019, Бюл. №8], содержащий СВЧ-генератор, чувствительный элемент на основе тонкой магнитной пленки, помещенной в микрополосковый резонатор, магнитную систему, амплитудный детектор, операционный усилитель, модуляционный ВЧ генератор, компенсационную схему и схему синхронного детектирования. Направления высокочастотного магнитного поля и постоянного магнитного поля смещения совпадают с осью трудного намагничивания (ОТН) тонкой магнитной пленки. Направления измеряемого, компенсационного и модулирующего поля перпендикулярны ОТН тонкой магнитной пленки.

Известен тонкопленочный магнитометр слабых магнитных полей [Патент РФ №2712926, МПК G01R 33/05, опубл. 03.02.2020, Бюл. №4], содержащий тонкую магнитную пленку, размещенную в микрополосковом резонаторе; СВЧ-генератор; амплитудный детектор; низкочастотный генератор тока; синхронный детектор; модуляционные кольца Гельмгольца; компенсационные кольца Гельмгольца. Под углом α к оси трудного намагничивания тонкой магнитной пленки с помощью модуляционных колец Гельмгольца и низкочастотного генератора тока формируется модулирующее поле, причем амплитуда этого поля больше величины поля анизотропии тонкой магнитной пленки.

Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков является широкополосный высокочувствительный датчик слабых магнитных полей [Патент РФ №2761319, G01R 33/24, опубл. 07.12.2021 (прототип)], содержащий СВЧ-генератор, два микрополосковых резонатора с тонкими магнитными пленками, два амплитудных детектора, сумматор, магнитную систему, схему компенсационных измерений, включающую повторитель, фильтр верхних частот, операционный усилитель, сопротивление обратной связи и катушку обратной связи.

Общим недостатком всех известных конструкций является узкая полоса частот, что связано с экранировкой высокочастотных сигналов печатным узлом с СВЧ-генератором и экраном, которые расположены в одной плоскости с чувствительным элементом и не могут быть разнесены на значительное расстояние.

Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение полосы рабочих частот широкополосного датчика слабых магнитных полей.

Заявляемый технический результат достигается тем, что в широкополосном датчике слабых магнитных полей, содержащем СВЧ-генератор, два микрополосковых резонатора с тонкими магнитными пленками, два амплитудных детектора, сумматор, магнитную систему, схему компенсационных измерений, включающую повторитель, фильтр верхних частот, операционный усилитель, сопротивление обратной связи, катушку обратной связи новым является то, что устройство содержит два печатных узла, на первом узле расположен СВЧ-генератор, а на втором, установленном в центре катушки обратной связи, размещены два микрополосковых резонатора с тонкими магнитными пленками, при этом ось катушки обратной связи ортогональна плоскости печатного узла СВЧ-генератора.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается конструкцией и направлением магнитных полей в устройстве, относительно расположения элементов его конструкции, в частности печатный узел с микрополосковыми резонаторами расположен ортогонально плоскости печатного узла с СВЧ-генератором, находящемся в электромагнитном экране. Электрический контакт между двумя печатными узлами осуществляется через сквозные металлизированные отверстия.

Сущность изобретения поясняется чертежами: на фиг. 1а показана конструкция широкополосного датчика слабых магнитных полей с разнесенными частями и без верхней крышки корпуса. Дополнительно показан разрез катушки обратной связи, в центре которой располагаются микрополосковые резонаторы с тонкими магнитными пленками. На фиг. 1б и 1в показаны печатные узлы широкополосного датчика слабых магнитных полей, соединенные посредством пайки сквозных переходных металлизированных отверстий. На фиг. 2 представлен печатный узел с резонаторами и тонкими магнитными пленками, показаны переходные металлизированные отверстия на печатном узле, а также направления магнитных полей. На фиг. 3 представлена измеренная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) устройства.

Широкополосный датчик слабых магнитных полей содержит печатный узел (1) (фиг. 1) с расположенным на нем СВЧ-генератором (2), выход которого подключен к двум микрополосковым СВЧ-резонаторам (3), проводники которых направлены под небольшим углом к ОТН тонких магнитных пленок (4), расположенных на печатном узле (5); два амплитудных детектора, входы которых подключены к СВЧ-резонаторам (3), а выходы к повторителю. Повторитель с инвертором установлены на печатном узле (6), расположенном в основании корпуса (7). Выход повторителя и выход инвертора подключены к двум входам сумматора, выход которого соединен со схемой компенсационных измерений. Эта схема включает: повторитель, фильтр верхних частот, сопротивление обратной связи и катушку обратной связи (8), создающей поле H_комп. Для формирования постоянного магнитного поля смещения H_см в устройстве имеется магнитная система (9) с установленным на ней постоянными магнитами (10). Печатный узел (1) с СВЧ-генератором (2), амплитудными детекторами и повторителем закрыты электромагнитным экраном (11), а с обратной стороны экранируются одним из слоев печатной платы (12) печатного узла (1). Электрический контакт между печатным узлом (1) и печатным узлом (5) обеспечивается через сквозные переходные отверстия (13). На фиг. 2 показаны направления магнитных полей в широкополосном высокочувствительном датчике слабых магнитных полей. Тонкие магнитные пленки (4) размещаются таким образом, что их оси трудного намагничивания (ОТН) направлены вдоль подмагничивающего магнитного поля H_см, формируемого магнитной системой (9). Компенсационное магнитное поле Н_комп, формируемое катушкой обратной связи (8), направлено перпендикулярно ОТН. Компенсационному магнитному полю Н_комп сонаправлено измеряемое поле Н_изм (т.е. направление максимальной чувствительности устройства). Формируемое полосковыми проводниками (3) высокочастотное магнитное поле H_СВЧ направлено под углами ±φ° к ОТН (фиг. 2).

Рассмотрим работу широкополосного датчика слабых магнитных полей. Подробно работа устройства описана в [Патент РФ №2761319, G01R 33/24, опубл. 07.12.2021 (прототип)], поэтому акцент будет сделан на отличительных особенностях в работе заявляемого устройства относительно прототипа. СВЧ-сигнал с выхода СВЧ-генератора (2) поступает на два СВЧ-резонатора (3) (фиг. 1), внутри которых находятся тонкие магнитные пленки (4) (фиг. 2). Под воздействием внешнего измеряемого поля H_изм происходит изменение величины поглощения электромагнитной энергии СВЧ-резонаторов (3) пленками (4), что регистрируется амплитудными детекторами (фиг. 1). Далее полезный сигнал проходит элементы фильтрации и усиления, поступая на выход устройства. Особенностью работы устройства является направление магнитного поля H_комп ортогонально плоскости, в которой расположен печатный узел (1), что позволяет существенно расширить частотный диапазон измеряемых магнитных полей.

Проведенные экспериментальные исследования (результаты измерений представлены на фиг. 3) показали, что снижение влияния компенсационной катушки приводит к существенному расширению частотного диапазона измеряемых магнитных полей вследствие уменьшения экранировки высокочастотных сигналов. Экспериментальные исследования показали возможность регистрации слабых магнитных полей в частотном диапазоне до 6 МГц.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения слабых магнитных полей. Широкополосный датчик слабых магнитных полей содержит СВЧ-генератор, два микрополосковых резонатора с тонкими магнитными пленками, два амплитудных детектора, сумматор, магнитную систему, схему компенсационных измерений, включающую повторитель, фильтр верхних частот, операционный усилитель, сопротивление обратной связи, катушку обратной связи, при этом устройство содержит два печатных узла, на первом узле расположен СВЧ-генератор, а на втором, установленном в центре катушки обратной связи, размещены два микрополосковых резонатора с тонкими магнитными пленками, при этом ось катушки обратной связи ортогональна плоскости печатного узла СВЧ-генератора. Технический результат – расширение полосы рабочих частот широкополосного датчика слабых магнитных полей. 3 ил.

Широкополосный датчик слабых магнитных полей, содержащий СВЧ-генератор, два микрополосковых резонатора с тонкими магнитными пленками, два амплитудных детектора, сумматор, магнитную систему, схему компенсационных измерений, включающую повторитель, фильтр верхних частот, операционный усилитель, сопротивление обратной связи, катушку обратной связи, отличающийся тем, что устройство содержит два печатных узла, на первом узле расположен СВЧ-генератор, а на втором, установленном в центре катушки обратной связи, размещены два микрополосковых резонатора с тонкими магнитными пленками, при этом ось катушки обратной связи ортогональна плоскости печатного узла СВЧ-генератора.