Устройство для измерения магнитной проницаемости на сверхвысоких частотах Советский патент 1984 года по МПК G01R33/12 

Фиг,/ Изобретение относится к измеригельной технике, а именно к устройствам для измерения магнитной прони цаемости ферромагнитных пленок на сверхвысоких частотах (СВЧ) в диапазоне волн 10-0,01 м, и может быть использовано для измерения магнитной проницаемости в области высоких час тот (ВЧ) в диапазоне волн 100-10 м. Известно устройство для измерения магнитной проницаемости феррома нитных веществ на ВЧ и СВЧ, содержащее генератор, соединительную линию и -резонатор, выполнеиньй 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 прон 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 . Недостатком данного устройства является невысокая точность измерений магнитной проницаемости ферромаг нитных металлических пленок, так как высокочастотное магнитное поле практически не проникает в пленки из-за экранизирующего влияния их проводимости. Целью изобретения является повыше ние точности измерений магнитной про ницаемости ферромагнитных пленок. Поставленная цель достигается тем что в устройстве для измерения магни ной проницаемости на сверхвысоких частотах, содержащем последовательно соединенные генератор, соединительную линию и резонатор с исследуемым образцом, резонатор выполнен в виде отрезка спиральной заземляющей струк туры, внутри которой коаксиально рас положены первый -и второй цилиндрические экраны из электронепроводящег материала, на боковой поверхности которьтх выполнены продольные полосы из электропроводящего материала, при чем на первом цилиндричс-тком экране полосы выполиепьг и немагнитного металла, например меди, а на втором из ферромагнитной пленки. Радиус и расстояние между витками спиральной замедляющей структуры удовлетворяют соотношениям: 1 мм Ъ 300 мм, 0,001 мм 50 мм, где b - радиус спиральной замедляющей структуры, Ь - расстояние между ее витками. Расстояние между полосами и их ширина выполнены меньше четверти длины замедленной волны резонатора, а толщина цилиндрических экранов удовлетворяет соотношению: 0,001Ъ / 0,1 Ъ где 4 - толщина цилиндрических экранов, J 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 исследуемьй образец 4, выполненньш из ферромагнитной пленки. Конструкция резонатора 3 содержит отрезок спиральной замедляющей структуры 5 радиуса Ъ с расстоянием между витками h, внутри которой коаксиально расположены пррпыГг 6 и второй 7 цилиндрические - краны, выполненные из элокт1)очеировпдящего материала, ffaiipHMop полистпрола. На боковой nOBepXFK r Г1Г Pf-rno) fi м ВТО31рого 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 - из исследуемой ферромагнитной пленки. Снаружи структуры 5 коаксиально рас положен металлический экран 10 с внутренним радиусомd, выполненный в виде цилиндра. Экран 10 необходим для экранировки от внешних электромагнитных полей. Продольные полосы 8 и 9 расположены на боковой поверхности цилиндрических экранов 6 и 7 параллельно оси симметрии и имеют прямоугольную форму. Первый 6 и второй 7 цилиндрические экраны выполнены круглыми. Для повышения чувствительности и мерений внутренний радиус а экрана внутренний радиус с экрана 6, внутренний радиус d экрана 10 и радиусb спиральной замедляющей структуры 5 должны удовлетворять соотношениям: с : b О,5-0,99; а : b 0,1-0,99; d : b 2-10. Экраны 6 и 7 имеют одинаковую длину L. 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 качест металла взята медь. Ширина 5 полос 12 и расстояние i между полосами-12 выполняются меньше четверти длины замедленной волны резонатора 3, кра ной длине U цилиндрических экранов 6 и 7. Ширина 5 полос 12 и расстояние g между полосами 12 в диапазоне ВЧ или С обычно составляет 0,5-5 мм, длина полос 12 равна 5-500 мм, их толщина равна 0,01-1 мм. При выполнении соединительной ли нии 2 в виде отрезка коаксиальной линии внутренний проводник линии со единяется с одним концом спиральной структуры 5, другой конец структуры 5 соединяется с одной или несколькими полосами 8 из электропроводяще 94 го 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 зтом по длине резонатора L укладывается половина длины замедленной волны . 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 Z) ВЧ составляющей электрического поля. Поэтому взаимодействие образца 4 с продольной составляющей Е ВЧ поля не происходит. Взаимодействие с азимутальной составляющей Eu) поля также не происходит вследствие азимутальной проводимости образца 4. Образец 4 взаимодействует лишь с продольной Ну составляющей ВЧ магнитного поля, в результате на резонансную частоту (,) установившихся в резонаторе колебаний оказывает влияние величина магнитной проницаемости jU. исследуемой ферромагнитной пленки и не оказывает влияния ее проводимость, так как в полосах 9 электрических токов не. возбуждается. Связь между величиной магнитной проницаемости и. и резонансной частотой Q 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: 1ы - - - -Z .i-B M-MF ; )B,( .H,.): ) . 51 где (j ,0, модифицированные функ ции Бесселя, п - номер области, в кото рой определяются поля А|, jB - постоянные интегрирования;tp - радиальные постоянные в п -и области , у - постоянная распростра нения-, h - радиус точки наблюдения;и - круговая частота; g i/S диэлектрическая и маг нитная проницаемости м-й области. Запишем храничные условия на спиральной замедляющей структуре в виде: п,с н --бЕ; п, , где h - Нормаль к виткам структуры (ЗМ - скачок напряженности магнитного поля на виток струк туры; сЛЕ - скачок амплитуды напряженности электрического поля; 6 - проводимость витков струк туры; Е - электрическое поле на повер ности витков, и используем граничные условия: n.,f. Р,, а - где Е, Н - средние значения амплитуды напряженности электрического и мaгниtнoгo полей в исследуемой ферромагнитной пленке; 5 поверхностная магнитная проницаемость пленки; 65 поверхностная проводимост на поверхности экранов 6 и 7. Применяя стандартную процедуру сшивания полей, получаем следующее дисперсионное уравнение, связывающе геометрические размеры а, с, Ь, d, f - частот. установившихся колебаний и величину относительного замед . ления Ь Ь У(, ) -1 с величиной магнитной проницаемости/иц ис96следуемой ферромагнитной пленки, в виде:. Q 3(ЬГ)К(Ъ-Г) (1,,2 J(tb)Ko(bt) );(bt)|-,(at)(dr|l.f(btl где , (c.t| « J Ф - угол намотки витков структуры; поверхностная магнитная проницаемость структуры ферромагнитной пленки; К - волновое число К р; С - скорость света. Из этого уравнения устанавливается связь между и,, и Ъ и, следовательно, величина магнитной проницаемости образца, так как |U.|tv/d. Для повышения точности измерений целесообразно производить измерения f иЬ дважды (при наличии и отсутствии образца) , в результате имеем измеренные значения f ,bf - без образца и fQ2 J Ьь образцом. Величина /U-определяется из уравнения: Д -2|-Ч 2РЛ 2) ((. ((Y4(- 2№oK2))i(); -ftSh rK)) -()( .)K|-;:()ib.,ii(.r, . 2(.(,Щ-( Изобретение позволяет производить змерение магнитной проницаемости феромагнитных пленок на СВЧ с погрешостью не более 0,1%.

Фиг.

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