Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Электродинамический метод расчета дисперсионных характеристик МСВ в ДФД структурах 13
1.1. Выводы к главе 1 19
ГЛАВА 2. Разработка экспериментального метода и установки для измерения дисперсионных характеристик МСВ в слоистоых структурах с намагниченной ферритовой пленкой 21
2.1. Обзор экспериментальных интерференционных методов измерения дисперсионной характеристики 21
2.2. Модифицированный метод исследования дисперсионной характеристики 28
2.3. Измерительная установка 41
2.4. Измерение дисперсионных характеристик ООМСВ 50
2.5. Сравнение рассчитанных и измеренных дисперсионных характеристик ООМСВ 55
2.6. Измерение дисперсионных характеристик ПМСВ 58
2.7. Сравнение рассчитанных и измеренных дисперсионных характеристик ПМСВ 59
2.8. Выводы к главе 2 68
ГЛАВА 3. Измерение профилей пучка ООМСВ 70
3.1. Метод расчета профилей пучка ООМСВ 70
3.2. Экспериментальные методы измерения распределения МСВ 72
3.3. Модификация зондового метода измерения пространственного распределения мощности МСВ 74
3.4. Исследование дифракционных профилей пучка ООМСВ 79
3.5. Сравнение измеренных и рассчитанных дифракционных профилей пучка ООМСВ 80
3.6. Выводы к главе 3 83
ГЛАВА 4. Отражения пмсв от неглубокой неоднородности в касательно намагниченной ферритовой пленке 85
4.1. Метод расчета рассеяния ПМСВ на неоднородности 85
4.2. Измерение рассеяния ПМСВ на неоднородности 88
4.3. Результаты исследования влияния металлической неоднородности на распределение амплитуд ПМСВ по поверхности пленки ЖИГ оптическим методом 91
4.4. Выводы к главе 4 95
Заключение 96
Список литературы 98
- Модифицированный метод исследования дисперсионной характеристики
- Экспериментальные методы измерения распределения МСВ
- Исследование дифракционных профилей пучка ООМСВ
- Результаты исследования влияния металлической неоднородности на распределение амплитуд ПМСВ по поверхности пленки ЖИГ оптическим методом
Модифицированный метод исследования дисперсионной характеристики
Зависимость фазовой и групповой скоростей от частоты при распространении МСВ в волноведущей структуре называется дисперсией волн. Дисперсия волн обычно связана или с временным запаздыванием реакции среды на волновое возмущение (временная дисперсия), или с влиянием на данную точку пространства соседних точек (пространственная дисперсия). В ряде случаев, однако, невозможно провести однозначное разделение на временную и пространственную дисперсии. Закон дисперсии, или дисперсионное уравнение определяется связью частоты и волнового вектора волны: со=со(к). Данный закон выражает соотношение временной и пространственной периодичностей волны. Из закона дисперсии можно получить фазовую и групповую скорости волны.
График, отображающий зависимость волнового числа МСВ от частоты, называют дисперсионной характеристикой. Важность такой характеристики в том, что она отображает свойства волноведущей структуры и может быть получена экспериментально. Измерение дисперсионной характеристики является важной частью экспериментального исследования поведения МСВ в процессе распространения. Существуют различные методы измерения дисперсионной характеристики, различающиеся необходимым измерительным оборудованием и методами интерпретации полученных результатов. В данной работе уделено особое внимание интерференционным методам, которые основаны на анализе интерференции МСВ, прошедшей через исследуемую волноведущую структуру и опорного радиосигнала.
Один из простейших, с точки зрения необходимого оборудования, методов измерения дисперсионной характеристики МСВ был предложен в работе [65].
Волноведущая структура состояла из поликоровой пластины с входным и выходным короткозамкнутыми микрополосковыми преобразователями, изготовленными фотолитографией, и ФП с основанием из гадолиний–галлиевого граната, прижатой к преобразователям. Измеряемая структура помещалась в однородное постоянное магнитное поле, направленное по касательной к пленке ЖИГ. ПМСВ, возбуждаемые в пленке, распространялись в направлении, перпендикулярном внешнему магнитному полю. Исследуемая структура соединялась с измерителем КСВН Р2-54, подключенным к персональному компьютеру. Работа измерителя основана на выделении сигналов, пропорциональных мощностям падающей от генератора и прошедшей через исследуемую структуру волн. Мощность падающей волны суммировалась с мощностью прошедшей через измеряемый объект волны на направленном ответвителе и детектировалась измерителем. Волна, прошедшая через ферритовую пленку, записывается в виде u(t) = U (со, I) cos(cot - к(со)1), выделенная волна записывается в виде v(f) = K(/)cos(urf). Сигнал на выходе линейного детектора описывается формулой: Д ) = 1 (0 + ;/ ./) + 2К(/М )соз»(й,)/) (2.1) Функция А(р,1) достигает максимумов при к{со)1 = 2т. Волновое число, соответствующее положению максимумов, определяется следующим соотношением: , in (2.2) к = — L где / - номер максимума, L - расстояние между преобразователями.
На рисунке 2.2 изображена АЧХ интерференции, полученной описанным выше методом. Такой метод позволяет быстро оценить характер дисперсионной кривой, но имеет ряд недостатков. Во-первых, сложно определить положение первого максимума. Во-вторых, число точек, используемых для построения дисперсионной кривой, ограниченно количеством максимумов АЧХ интерференции и, как правило, невелико. Чтобы увеличить число экспериментальных точек, требуется несколько волноведущих структур с разным расстоянием между преобразователями.
Принципиально другой интерференционный метод, наиболее подробно описанный в [66], требует более сложного измерительного оборудования, но позволяет получить дисперсионную характеристику со сколь угодно малым шагом между точками экспериментальной кривой. Схема экспериментальной установки, предлагаемая авторами, изображена на рисунке 2.3. частоте, поступал на входной преобразователь исследуемой волноведущей структуры (2). Расстояние между входным и выходным микрополосковыми короткозамкнутыми СВЧ преобразователями (10) могло меняться. Исследуемый образец (7) приклеивался к одной из подложек с преобразователем так, что вторая подложка, прижатая к образцу, могла свободно перемещаться. Образец помещался в создаваемое электромагнитом (8) постоянное однородное магнитное поле, направленное по касательной к образцу и перпендикулярное направлению распространения ПМСВ. Величина магнитного поля измерялась датчиком Холла (9). Сигнал с выходного преобразователя поступал на вход детектора (3), усиливался усилителем (4) и записывался при помощи самописца (5). На рисунке 2.4 изображен линейный привод, позволявший равномерно перемещать преобразователи относительно друг друга. при помощи держателей (2), которые могли перемещаться только вдоль направляющих (3). При измерениях один из держателей оставался в статичном положении, а второй двигался с постоянной скоростью за счет вращения вала (4). Вал вращался через редуктор (5) при помощи реверсивного электродвигателя (6).
Интерференционная картина складывалась из колебаний, вызванных МСВ (2.3), и колебаний, вызванных электромагнитной связью между входным и выходным преобразователями (2.4). u(t) = U(l) cos(fi - q T) (2.3) v(0 = K(/)cos(fi#) (2.4) где - частота, t - время, / - расстояние между преобразователями, U(l) = U0exp(-q"l) и V(l) - соответствующие амплитуды колебаний, q и q" -волновое число и коэффициент затухания МСВ. Огибающая продетектированного сигнала принимала вид: 2я/ео 2ж JL Wj- (2.5) = -4v\l) + U\l) + 2V{l)U{l)cosq l ГО, х 01 где функция 0(х) = \ 1, х О При перемещении подвижного преобразователя параллельно излучающему микрополоску самописцем записывалась интерференционная картина. Соответствующая интерферограмма изображена на рисунке 2.5.
Если считать, что амплитуды U(l) и V(l) относительно мало меняются на периоде функции сощ-1, то функция А(1) достигает максимумов при l2n = Innlq и минимумов при /2й+1 = (2n + \)7tlq, где и=0, 1, 2, … Вследствие чего расстояние между соседними максимумами или минимумами равно:
Экспериментальные методы измерения распределения МСВ
Экспериментальное исследование дисперсионной характеристики с волновыми числами в диапазоне от 30 до 300 см-1 проводились методом подвижного преобразователя, описанном в [66] и подробно рассмотренном в разделе 2.1. Данный метод имеет свои недостатки, такие, как высокие требования и чувствительность к качеству изготовления механических движущихся частей, а также трудоемкость измерения и обработки результатов. Метод обладает еще одним существенным недостатком: в процессе распространения МСВ затухает, вследствие чего длина волны осцилляций на интерферограммах равна не длине волны МСВ, как сообщается в [66], а зависит от величины затухания МСВ. Используя ЭВМ, генератор качающейся частоты, применяя математические программные пакеты и специализированные среды разработки, такие, как Maple и Lab VIEW, для выполнения преобразований Фурье и поиска экстремумов, удалось упростить процесс измерения и обработки результатов эксперимента, а также учесть влияние затухания МСВ при построении дисперсионных характеристик.
Для исследования дисперсионной характеристики с волновыми числами менее 30 см-1 потребовалось модифицировать метод, описанный в [66]. Усовершенствованный автором диссертационной работы метод объединил подходы, описанные в работах [65, 66]. Рассмотрим процесс измерения дисперсионной характеристики волноведущей структуры для диапазона волновых чисел от 30 до 300 см-1. Блок– схема измерительного стенда изображена на рисунке 2.6.
Схема установки для измерения дисперсионной характеристики ПМСВ интерференционным методом. 1 – индикатор мощности Я2Р-67, 2 – генератор качающейся частоты Г2-42, 3 – излучающий преобразователь, 4 – подвижный приемный преобразователь (зонд), 5 – пленка ЖИГ, М44501-2 – ответвитель, ФВК2-45 – вентиль, М42151-1 – СВЧ усилитель.
Генератор (2) Г2-42 создавал высокочастотные электромагнитные колебания и посредством радиочастотного кабеля передавал их в радиочастотный тракт. Мощность, вырабатываемая генератором, поступала на ответвитель М44501-2. Ответвленная мощность использовалась в качестве опорного сигнала для получения интерференционной картины, а прошедшая мощность поступала на вентиль ФВК2-45, выполнявший роль развязывающего и согласующего устройства для минимизации стоячей волны, возникавшей между генератором и преобразователем СВЧ в МСВ (3). После вентиля по радиочастотному кабелю РК-50-1-25 радиосигнал подавался на излучатель (3), преобразовывавший СВЧ волны в МСВ. МСВ волна, распространяясь в пленке ЖИГ (5), помещенной в однородное постоянное магнитное поле, возбуждала в подвижном приемном преобразователе (4) СВЧ мощность. От приемного преобразователя СВЧ мощность по гибкому коаксиальному кабелю SUCOFORM141FEP передавалась на полосно-пропускающий фильтр (ППФ), предназначенный для подавления радионаводок коммуникационных систем, таких как GSM, Wi-Fi, EDGI, Bluetooth, микроволновых печей, устройств радиоуправления и т.д. Наводки на приемный преобразователь, измеренные широкополосным детектором AD8318, изображены на рисунке 2.7. Амплитуда на выходе детектора достигала 150 мВ, что соответствовало помехе мощностью минус 85 дБ (Вт). После ППФ, сигнал подавался на усилитель М42151-1. Амплитуду прошедшего через ферритовую пленку и затем усиленного сигнала можно записать в виде: u(t) = U(a, I) cos(wt - к(ю)1) (2.11) Амплитуда ответвленной быстрой электромагнитной волны имеет вид: v(t) = V(l)cos(cot) (2.12)
При необходимости аттенюатор мог быть отключен. Тогда вместо ответвленной волны для получения интерференции могла быть использована волна, наведенная с одного преобразователя на другой. Ответвленный и прошедший через пленку ЖИГ сигналы суммировались друг с другом и подавались на детектор мощности индикатора (1) Я2Р-67. Результирующая мощность детектировалась индикатором (1), оцифровывалась и вводилась в персональный компьютер для обработки.
Ответвленная и прошедшая через волноведущую структуру волны имели равные частоты и совпадали по направлению. Найдем результат сложения этих волн. Сложение колебаний будем проводить методом векторных диаграмм [67] (Рисунок 2.8).
Исследование дифракционных профилей пучка ООМСВ
Дисперсионные характеристики ООМСВ были исследованы численно и экспериментально в диапазоне частот от 6,2 до 6,65 ГГц. При экспериментальном исследовании использовались пленки ЖИГ толщиной 6 мкм и 15 мкм, имеющие квадратную 20x20 мм и прямоугольную 20x8 мм формы, соответственно. Они обладали намагниченностью насыщения 4лМ0 = 0,175 Тл и намагничивались до состояния насыщения постоянным внешним полем Н величиной от 119,4 до 135,3 кА/м, направленным касательно к поверхности ферритовой пленки. Возбуждение МСВ осуществлялось проволочным короткозамкнутым медным преобразователем длиной 2 мм и диаметром 75 мкм, что позволило получить плоский фронт МСВ, параллельный преобразователю и возбуждающийся в широкой полосе частот. Прием ООМСВ осуществлялся зондом, который можно было перемещать вдоль пленки по ее поверхности. Исследование дисперсионной характеристики ООМСВ проводилось для структур воздух-ЖИГ-ГГГ и В100-ЖИГ-ГГГ, где В100–диэлектрическая подложка с = 100. Измерения проводились методом подвижного преобразователя.
Исследовалась дисперсионная характеристика в диапазоне волновых чисел от 4 до 300 см-1. Наибольший интерес представляли малые волновые числа в диапазоне от 4 до 30 см-1, так как в области малых волновых чисел наиболее сильно проявляется влияние диэлектрической проницаемости сред, окружающих пленку ЖИГ, на дисперсионную характеристику МСВ. Влияние диэлектрика на дисперсионную характеристику увеличивается с ростом частоты, в связи с чем был выбран частотный диапазон в верхней части рабочего диапазона применяемого генератора. Численные расчеты дисперсионных характеристик структур воздух–ЖИГ– ГГГ и В100–ЖИГ–ГГГ были проведены электродинамическим методом, описанным в разделе 1.1. Дисперсионная характеристика волноведущей структуры воздух–ЖИГ– ГГГ была измерена интерференционным методом подвижного преобразователя, описанным в разделе 2.1 и разделе 2.2.
На рисунке 2.22 изображена блок–схема установки для экспериментального исследования структуры воздух–ЖИГ–ГГГ. Перед началом измерения производился получасовой прогрев приборов. Измеритель коэффициента передачи состоял из ГКЧ (2) и индикатора (1). ГКЧ генерировал СВЧ мощность в диапазоне частот возбуждения ООМСВ величиной 1 мВт. Ответвленный и прошедший через исследуемую волноведущую структуру сигналы суммировались и интерферировали. Измеряемая индикатором (2) мощность с помощью АЦП вводилась в компьютер для сохранения и обработки полученных данных. Мощность ответвленного сигнала перед началом измерения можно было регулировать аттенюатором для получения максимальной амплитуды экстремумов интерференции. Волноведущая структура состояла из медного основания с закрепленной на ней пластиной из поликора толщиной 1 мм. К поликоровой пластине приклеивалась пленка ЖИГ, выращенная на подложке из ГГГ. В торец пленки устанавливался преобразователь (3) из золотой проволоки диаметром 35 мкм и длиной 2 мм, соединенный жестким кабелем РК-50-1-25 с коаксиальным соединителем. Волноведущая структура помещалась в однородное магнитное поле, направленное касательно к ФП. Преобразователь (4), изготовленный из медной проволоки диаметром 75 мкм и длиной 3 мм, перемещался вдоль пленки (5) с одинаковым, заранее выбранным шагом. Рисунок 2.22 – Блок–схема экспериментальной установки для исследования дисперсионной характеристики ООМСВ. 1 – индикатор КСВН и ослабления Я2Р-67, 2 – генератор качающейся частоты Г2-42, 3 – входной преобразователь, 4 – подвижный преобразователь (зонд), 5 – пленка ЖИГ, ФВК2 – 45 – вентиль, М42151 – 1 – СВЧ усилитель. Для каждого положения подвижного преобразователя с помощью индикатора (1) измерялась мощность в диапазоне частот, заданном на генераторе (2), и результаты измерений вводились в ПК в форме таблицы измерений. По данным таблицы восстанавливался вид дисперсионных кривых.
При измерении дисперсионной характеристики ООМСВ в структуре В100– ЖИГ–ГГГ блок–схема, изображенная на рисунке 2.22, была изменена. Ответвитель, сумматор и аттенюатор не использовались. Генератор был соединен с вентилем, а индикатор – с усилителем. К ФП прижималась диэлектрическая пластина, которая могла свободно перемещаться по поверхности пленки ЖИГ, при этом полностью накрывая ее в процессе перемещения. В середине диэлектрической пластины был выбран паз, в который помещался зонд (4), и при перемещении зонда передвигалась и диэлектрическая пластина. Излучающий короткозамкнутый преобразователь (3), изготовленный из золотой проволоки диаметром 35 мкм и имеющий длину 2 мм, устанавливался в торец ФП и соединялся с радиочастотным трактом жестким коаксиальным кабелем марки РК50-1-25. Такая конструкция преобразователя позволяла беспрепятственно перемещать диэлектрическую пластину над преобразователем.
Генератор (2) и индикатор (1) представляли собой блоки измерителя коэффициента передачи. Для измерения дисперсионной характеристики на ГКЧ (2) выставлялся частотный диапазон, соответствующий полосе возбуждения ООМСВ, при выходной мощности 1 мВт. С помощью коаксиального радиочастотного кабеля СВЧ мощность с генератора через развязывающий вентиль подавалась на волноведущую структуру, где с помощью излучателя (3) преобразовывалась в МСВ и электромагнитное излучение. МСВ, распространяясь в пленке ЖИГ, наводилась на подвижный преобразователь (4). За счет электромагнитной связи между преобразователями, часть мощности от входного преобразователя передавалась в выходной преобразователь (4) (в литературе такую передачу мощности называют электромагнитной наводкой), интерферируя с прошедшей через структуру волной. Перемещением преобразователя (4) вдоль пленки ЖИГ была построена интерференционная картина.
Результаты исследования влияния металлической неоднородности на распределение амплитуд ПМСВ по поверхности пленки ЖИГ оптическим методом
Исследование рассеяния ПМСВ на неоднородности проводилось в частотном диапазоне от 4600 до 6000 МГц и поле подмагничивания от 71,6 до 79,6 кА/м. В отсутствии технической возможности вытравить неглубокую канавку в ФП для экспериментального исследования рассеяния ПМСВ была выбрана металлическая неоднородность. В качестве металлической неоднородности использовалась квадратная поликоровая пластина размером 0,75х0,75 мм с напыленным с одной стороны медным покрытием. Входной и выходной преобразователи были изготовлены из медной проволоки диаметром 75 мкм, их длина составила 5 мм. Исследуемая ФП имела толщину 6 мкм и габариты 15х5 мм. Для визуализации измерений был применен оптический метод, использующий эффект взаимодействия пленок ЖИГ с оптическим излучением длиной волны менее 500 нм [92].
Структурная схема измерительной установки изображена на рисунке 4.2. Генератор измерителя (2) подготавливался к работе согласно его инструкции по эксплуатации. Волноведущая структура (Рисунок 2.16) помещалась в постоянное магнитное поле, направленное касательно к ФП. Выход измерителя соединялся коаксиальным кабелем, с преобразователем (7), возбуждающим МСВ.
Для исследования коэффициента передачи измеритель (2) работал в панорамном режиме, генерируя СВЧ мощность в рабочем диапазоне частот. Прием мощности МСВ, распространяющейся вдоль ФП (11), осуществлялся преобразователем (12). Фильтр (13) использовался для подавления паразитных радиосигналов от телекоммуникационных систем, попадающих в тракт. После фильтра СВЧ сигнал усиливался и через делитель мощности (8) подавался на датчик КП (5) из состава измерителя (2). Детектор (6) и ШИМ (4) при измерении не использовались. Измеренный КП вводился в ПК (1) для дальнейшей обработки.
Для исследования распределения мощности ПМСВ генератор (2) работал в режиме генератора и измерителя мощности на одной заранее выбранной частоте с выходной мощностью 0 дБ (мВт). ПМСВ, возбуждаемая преобразователем (7), соединенным с выходом измерителя (2), распространялась по поверхности пленки ЖИГ (11) в направлении приемного преобразователя (12). С генератора с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) (4) (Приложение А) подавались импульсы модуляции лазерного диода SLD3233VF (9). На диод поступали управляющие импульсы длительностью 1,8 мс, частотой 220 Гц и стабильностью частоты 10-5. Частота модуляции выбрана для уменьшения влияния сетевой наводки. Лазерный диод создавал оптические импульсы с длиной волны 405 нм и мощностью 50 мВт. Излучение диода фокусировалось линзой (10) и направлялось на пленку ЖИГ (11), помещенную в магнитное поле, т.е. поверхность ФП (11) облучалась импульсным оптическим излучением. Локальное облучение
Структурная схема измерительной установки «визуализации» ПМСВ оптическим методом. 1 – персональный компьютер (ПК), 2 – измеритель модуля коэффициента передачи и отражения Р2М-18, 3 – аналого-цифровой преобразователь, 4 – генератор с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), 5 – датчик коэффициента передачи (КП) из состава панорамы Р2М-18, 6 – линейный детектор, 7 – входной преобразователь, 8 – микрополосковый делитель мощности, 9 – лазерный диод, 10 – фокусирующая линза, 11 – пленка ЖИГ, 12 – выходной преобразователь, 13 – полосно-пропускающий фильтр, М42151-1 – СВЧ усилитель. поверхности пленки ЖИГ (11) оптическим импульсным излучением вызывало модуляцию амплитуды и фазы участка фронта МСВ. Промодулированная МСВ принималась преобразователем (12) и, проходя через ППФ (13), усилитель М42151-1 и делитель мощности (8), СВЧ сигнал попадал на линейный детектор (6). Детектором выделялась видеосоставляющая сигнала, которая с помощью АЦП вводилась в компьютер. Затем с помощью преобразования Фурье в программе Lab VIEW измерялась амплитуда переменной составляющей видеосигнала. Амплитуда переменной составляющей видеосигнала была пропорциональна амплитуде ПМСВ в области воздействия оптического излучения на ФП.
Оптическая система, состоящая из лазерного диода (9) и линзы (10), установленная на механической системе, перемещаясь над пленкой ЖИГ, позволяла определить распределение интенсивности МСВ в плоскости ферритовой пленки. Так как преобразователи (4) и (9) оставались неподвижными, влиянием радионаводки между ними можно было пренебречь. Меняя площадь облучаемой поверхности посредством изменения положения фокусирующей линзы, можно было регулировать разрешающую способность измерительной установки. Применение малогабаритного источника лазерного излучения с использованием лазерного диода позволило уменьшить размер измерительного стенда и упростить его.