Датчик магнитного поля Советский патент 1993 года по МПК G01R33/05 

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

Целью изобретения является упрощение конструкции датчика магнитного поля.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 изображен датчик магнитного поля. На фиг.2 изображены частотные зависимости затухания СВЧ мощности, прошедшей через датчик, для двух значений измеряемого магнитного поля. На фиг.З изображена принципиальная схема датчика. На фиг.4 изображена зависимость затухания прошедшей СВЧ мощности от

величины измеряемого магнитного поля.

Пример реализации. Датчик магнитного поля содержит диэлектрическую подложку 1, выполненную в виде полированной пластины из СВЧ керамики ТБНС толщиной 1 мм. На одну поверхность диэлектрической подложки 1 нанесена пермаллоевая магнитная пленка 2 слабо-магнитострикционного состава(82% Ni-H8% Fe)толщиной0,1 мкм. На магнитную пленку 2 нанесен металлический экран 3 в виде слоя меди толщиной 10 мкм. На вторую поверхность диэлектрической подложки 1 нанесены перпендикулярно легкой оси магнитной пленки 2 две одинаковые прямоугольные медные металлические полоски 4 и 5 одна напротив дру- гой толщиной 10 мкм, шириной 2 мм, длиной 13 мм с зазором между ними 2 мм.

Для измерения величины магнитного поля датчик концом первой металлической полоски 4 подключается к СВЧ генератору, а концом второй металлической полоски 5 подключается к СВЧ детектору и регистрирующему прибору, например, вольтметру, Величину измеряемого магнитного поля определяют по величине СВЧ мощности, про- шедшей через датчик, на частоте максимального ее затухания.

Датчик работает следующим образом. Рассмотрим сначала первый случай, когда измеряемое магнитное поле Н равно нулю или параллельно легкой оси намагничивания магнитной пленки 2. В этой ситуации равновесная намагниченность М направлена вдоль легкой оси параллельно СВЧ магнитному полю h отрезков микрополосковых линий 4 и 5 и потому не взаимодействует с ним. То есть СВЧ магнитная проницаемость магнитной пленки 2 равна единице. Поэтому в пермаллоевой пленке 2 не будет магнитных потерь. Кроме того глубина скин-слоя в ней будет максимальна (6,6 мкм на 1 ГГц) и практически весь СВЧ ток будет протекать не по тонкой (0.1 мкм) магнитной пленке, а по высокопроводящему медному экрану (в котором глубина скин-слоя равна

0

5

0 5 0

5 0

5 0 5

2,1 мкм на 1 ГГц). В этом случае суммарные потери в отрезках микрополосковых линий 4 и 5 минимальны и частотная зависимость затухания СВЧ мощности, прошедшей через датчик, имеет вид, изображенный кривой 6 на фиг.2. Эта зависимость имеет острый максимум, Для датчика, описанного в примере реализации, максимум расположен на частоте 300 МГц и достигает 65 дБ.

Рассмотрим теперь второй случай, когда измеряемое магнитное поле Н отлично от нуля и направлено под углом к легкой оси магнитной пленки 2. В этой ситуации равновесная намагниченность М отклонится от направления легкой оси. Она уже не будет параллельна СВЧ магнитному полю h отрезков микрополосковых линий 4 и 5 и начнет взаимодействовать с ним, В результате в магнитной пленке 2 возникнут магнитные потери, а также возрастут омические потери из-за уменьшения глубины скин-слоя и перераспределения СВЧ токов в магнитной пленке и медном экране. Кроме того изменится эффективная магнитная проницаемость отрезков микрополосковых линий. Все это вместе снизит добротность микрополосковых линий, изменит их волновое со- противление и скорость СВЧ волны. Изменения этих параметров приведет к тому, что максимум затухания прошедшей СВЧ мощности переместится по частоте и уменьшится по величине. Частотная зависимость затухания СВЧ мощности для второго случая изображена на фиг.2 кривой 7.

Рассмотрим третий случай, когда на частоте максимума затухания величина измеряемого магнитного поля Н близка к полю ферромагнитного резонанса. В этом случае комплексная магнитная проницаемость магнитной пленки 2 будет максимальной по модулю. Кроме того она будет иметь большую величину мнимой части. Это приведет к максимальному укорочению длины СВЧ волны, максимальному увеличению магнитных и омических потерь и максимальному повышению волновых сопротивлений отрезков микрополосковых линий 4 и 5. В результате будет наблюдаться максимальное понижение частоты максимума затухания проходящей СВЧ мощности и максимальное уменьшение величины максимума. Поэтому наибольшую чувствительность датчик будет иметь вблизи поля ферромагнитного резонанса. Следовательно для получения максимальной чувствительности датчика в заданном узком диапазоне магнитных полей необходимо выбрать такую длину металлических полосок 4 и 5. чтобы частота максимума затухания проходящей СВЧ мощности была близка к частоте Ферромагнитного резонанса для магнитного поля из этого диапазона.

Проведем анализ работы датчика. Принципиальная схема датчика изображена на фиг.З Она содержит четырехполюс- ник, образованный двумя электромагнитно связанными отрезками микрополосковых линий. Экран отрезков микрополосковых линий не изображен. В отсутствии каких- либо потерь в отрезках коэффициент прохождения СВЧ мощности через четырехполюсник выражается формулой

V ---

Ze/Ztg(Qo) - Zo/Z tg (ве ) (Ze/z)2+tg2(Qe)(Zo/Z)2+tg2(eo)

О)

где Ze, Zo - волновые сопротивления, а

9е, во - электрические длины отрезков микрополосковых линий для четных и нечетных волн, соответственно;

Z - волновое сопротивление внешнего волноводного тракта.

Из этой формулы следует, что на частоте Fo, являющейся корнем уравнения

Ze tg(Qo) - Zotg(8e) О,

коэффициент прохождения СВЧ мощности К обращается в нуль, то есть имеет место полюс затухания.

Существование полюса затухания объясняется следующим, Электромагнитное воздействие между полосками 4 и 5 склады- вается из емкостного и индуктивного, Эти два взаимодействия действуют гфотиво- фазно 4. На низких частотах, когда текущие-по полоскам токи малы, преобладает емкостное взаимодействие. С ростом ча- стоты „токи растут, индуктивное взаимодействие увеличивается, а полное взаимодействие уменьшается. На частоте Fo индуктивное взаимодействие компенсирует емкостное и коэффициент прохожде- ния СВЧ мощности через четырех полюсник,

обращается в нуль. То ecri- образуется полюс затухания. На частоте выше Fo преобладает уже индуктивное взаимодействие, В результате СВЧ мощность вновь начинает проходить через четырехполюсник.

При наличии затухания в отрезках микрополосковых линий их параметры Ze, Zo, 9е, Qo становятся комплексными и формула (1) изменяется следующим образом

1

1 + t Ze/Z ctg (Qe)

2

Г+Т- Zb/Z ctg (во )

п

25

OQ

35 п «с

В результате полюс затухания преобразуется в пик затухания, причем высота пика плавно убывает с уменьшением добротности отрезков,

Технико-экономическим преимуществом заявляемого датчика по сравнению с прототипом является простота конструкции, позволяющая изготовлять его в интегральном исполнении. Это приводит к снижению стоимости датчиков при массовом их производстве. Достоверность приводимых данных о технико-экономической эффективности, кроме расчетов авторов, подтверждается результатами лабораторных испытаний, акт о проведении которых прилагается.

Формула изобретения

Датчик магнитного поля, содержащий две металлические полоски, расположенные по одну сторону металлического экрана, и магнитную пленку, нанесенную на одну поверхность диэлектрической подложки и расположенную между металлическим экраном и металлическими полосками, о т - личающийся тем, что. с целью повышения технологичности конструкции, металлический экран нанесен на магнитную пленку, а металлические-полоски нанесены на вторую поверхность диэлектрической подложки одна напротив другой.

% о

со

g

о ю

§

ю о

т- т

Изобретение относится к электроизмерительной технике. Датчик содержит диэлектрическую подложку 1, на одну поверхность которой нанесена магнитная пленка 2, на которую нанесен металлический экран 3. На другую поверхность диэлектрической подложки нанесены две металлические полоски 4 и 5 одна напротив другой. 4 фиг.