КОАКСИАЛЬНЫЙ РЕЗОНАТОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДОБРОТНОСТИ КОНДЕНСАТОРА
COAXIAL RESONATOR FOR MEASUREMENT OF CAPACITOR Q-FACTOR

Коаксиальный резонатор относится к области измерительной техники и может использоваться для измерения добротности СВЧ-конденсатора.
Для резонансных методов измерения добротности конденсаторов используются СВЧ-резонаторы, в которых измеряемый конденсатор включается как сосредоточенная емкость. Частота измерений определяется конструкцией резонатора и величиной измеряемой емкости. Наиболее распространенными являются измерительные резонаторы на основе полосковых, микрополосковых (A.Kozyrev, V.Keis, O.Buslov, A.Ivanov, O.Soldatenkov, V.Loginov, A.Taricin, J.Graul. Microwave properties of ferroelectric film planar varactors. // Integrated Ferroelectrics, 2001, Vol.34, pp.271-307) и коаксиальных линий. Точность и чувствительность измерений добротности конденсаторов в таких резонаторах определяется величиной их собственной добротности, которая характеризует потери в самой резонансной системе при включении в него конденсаторов «без потерь». В качестве таких конденсаторов используются высокодобротные стандартные СВЧ-элементы, специально предназначенные для эталонирования при различных измерениях. Практика показывает, что с учетом потерь в цепях управления собственные добротности простых микрополосковых структур не превышают 200, для микрополосков на подвешенной подложке ~(300-400). Резонансные структуры на основе сравнительно конструктивно сложных симметричных полосковых линий достигают собственной добротности ~(800-400), что соответствует также добротности более простых в изготовлении коаксиальных структур.
Таким образом, основным недостатком микрополосковых резонаторов является их низкая собственная добротность по сравнению с коаксиальными, что приводит к снижению точности измерений.
В известных же конструкциях коаксиальных резонаторов в отличие от полосковых и микрокополосковых не предусмотрена возможность подачи напряжения управления на образец, что не позволяет использовать такие резонаторы для измерения ряда управляемых конденсаторов.
Общими недостатками всех известных измерительных резонаторов являются необходимость установки образца внутрь камеры резонатора при измерениях и уход резонансной частоты при установке измеряемого конденсатора в резонатор.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому устройству является коаксиальный резонатор Boonton Model 34A, выпускаемый фирмой Boonton и используемый фирмой American Technical Ceramics для тестирования их керамических СВЧ-конденсаторов (http://www.atceramics.com/technicalnotes/circuit_designer.asp статья Capacitor ESR Measurement Technique).
Известное устройство (фиг.1) содержит коаксиальный резонатор, в состав которого входят центральный проводник, помещенный в цилиндрический экран, торцы которого ограничены первым и вторым экранами, и два элемента возбуждения резонатора. При измерениях обеспечивается контакт одного из электродов исследуемого образца с центральным проводником, второй электрод закорочен на землю. Однако такая конструкция имеет тот недостаток, что исследуемый образец помещается внутрь резонансной камеры, что приводит к трудностям его позиционирования при измерениях и необходимости разбирать и собирать резонатор при смене образца. Необходимость установки конденсатора внутрь камеры резонатора обусловлена тем, что ранее считалось, что расположение образца вне камеры резонатора ведет к появлению внешних электрических полей и паразитному излучению, что вносит существенную погрешность в измерения. Однако проведенное моделирование показало, что при определенных конструкциях резонатора влияние внешних полей на измерения при установке образца вне камеры резонатора пренебрежимо мало.
Таким образом, задачей, решаемой в заявляемом резонаторе, является создание измерительного коаксиального резонатора для измерения добротности конденсатора, с возможностью установки измеряемого образца снаружи резонатора.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемое устройство, так же как и известное, содержит коаксиальный резонатор, в состав которого входят центральный проводник, помещенный в цилиндрический экран, торцы которого ограничены первым и вторым экранами, два элемента возбуждения резонатора. Но в отличие от известного устройства в предлагаемом первый экран выполнен в виде диэлектрической платы, в которой выполнено отверстие с проводником, предназначенным для соединения центрального проводника с одним из электродов измеряемого конденсатора, область отверстия платы металлизирована с обеих сторон и изолирована от остальной двухсторонней металлизации платы, на внешней стороне которой выполнены диэлектрические участки для размещения измеряемого конденсатора и для микрополосковых линий передачи.
Технический результат, достигаемый таким решением, состоит в реализации устройства для измерения добротности конденсаторов, позволяющего упростить процесс измерения добротности за счет того, что испытуемый образец в отличие от прототипа устанавливается не внутри камеры резонатора, а на внешней стороне диэлектрической платы. В данной конструкции закорачивание второго электрода конденсатора на землю осуществляется с помощью контакта с металлической контактной площадкой, образованной во внешней металлизации платы диэлектрическими участками и соединенной с землей с помощью микрополосковой линии. Предложенная конструкция резонатора значительно упрощает позиционирование образца и сокращает время испытаний за счет исключения операций сборки и разборки измерительного резонатора при смене образца.
В известном коаксиальном резонаторе не предусмотрена возможность подачи напряжения управления на образец, то есть в нем не реализована развязка между СВЧ-сигналом и низкочастотным напряжением управления. Развязка сигналов может быть обеспечена с помощью фильтра нижних частот, который не будет пропускать СВЧ-сигнал во внешние цепи управления. Особенностью управляемых СВЧ-конденсаторов является то, что помимо двух СВЧ-электродов у них имеется третий электрод, к которому прикладывается управляющее напряжение. Таким образом, следующими задачами, решаемыми в заявляемом резонаторе, являются возможность подключения внешних цепей управления к конденсатору, а также обеспечение развязки между СВЧ- и НЧ-сигналами.
Совокупность признаков, изложенных в пункте 2 формулы изобретения, характеризует измерительный резонатор для измерения добротности конденсатора, в котором на плате установлен фильтр нижних частот, электрически соединенный с областью размещения электрода управления конденсатором.
Технический результат, достигаемый таким решением, состоит в реализации устройства для измерения добротности конденсаторов, которое позволяет измерять трехэлектродные конденсаторы, а также подавать на образцы напряжение управления в случае измерения управляемых конденсаторов.
Резонансная частота резонатора с включенным в него конденсатором зависит непосредственно от значения емкости конденсатора и, в случае управляемого конденсатора, изменяется при подаче управляющего напряжения. Чем больше перестройка конденсатора, тем, соответственно, шире частотный диапазон, в котором происходят измерения. Однако бывает необходимо производить измерения в строго заданном узком диапазоне частот при большой перестройке управляемого конденсатора. Сузить частотный диапазон можно с помощью загрубления управляемости конденсатора посредством параллельного подключения к нему шунтирующего неуправляемого конденсатора. В качестве неуправляемого конденсатора можно использовать стандартные СВЧ-конденсаторы, однако они вместе с сужением полосы резонансных частот приведут и к снижению собственной добротности резонатора, поскольку обладают потерями, что приведет, в свою очередь, к снижению точности и чувствительности измерений, то есть целесообразно использовать шунтирующий конденсатор с наименьшими потерями. Известно, что наименьшими потерями по сравнению с диэлектрическими конденсаторами обладают воздушные конденсаторы. Таким образом, еще одной задачей, решаемой в заявляемом на патент резонаторе, является создание измерительного коаксиального резонатора для измерения добротности конденсатора, в котором предусмотрен воздушный конденсатор, шунтирующий измеряемую емкость при ее перестройке.
Совокупность признаков, изложенных в пункте 3 формулы изобретения, характеризует устройство для измерения добротности конденсатора, в котором торец центрального проводника снабжен выступом, который контактирует с металлизацией платы, отделенной от остальной части металлизации окном в виде кольца, внешний диаметр которого меньше диаметра центрального проводника, а высота выступа торца выбрана из условия обеспечения диапазона перестройки при измерениях перестраиваемого конденсатора. В предложенной конструкции шунтирующий конденсатор образуется торцом центрального проводника, играющего роль первого электрода, нижней металлизацией платы, играющей роль второго электрода, и воздушным слоем с толщиной, равной высоте выступа торца.
Технический результат, достигаемый таким решением, состоит в реализации устройства для измерения добротности конденсаторов, которое позволяет проводить измерения перестраиваемых конденсаторов в фиксированном диапазоне частот.
Бывает необходимо проводить измерения добротности конденсатора на фиксированной частоте. Однако в известных конструкциях частота измерений, как уже говорилось выше, не постоянна и зависит от значения емкости образца. Компенсировать уход резонансной частоты резонатора можно за счет включения компенсационной емкости в конец резонатора, противоположный концу, в который включается измеряемый конденсатор. Роль такого конденсатора может играть стандартный СВЧ подстроечный конденсатор. Таким образом, задачей, решаемой в заявляемом на патент резонаторе, является создание измерительного коаксиального резонатора для измерения добротности конденсатора, в котором предусмотрена возможность включения в резонатор подстроечного конденсатора.
Совокупность признаков, изложенных в пункте 4 формулы изобретения, характеризует коаксиальный резонатор для измерения добротности конденсатора, в котором второй экран выполнен в виде диэлектрической платы, в которой выполнено отверстие с проводником, предназначенным для соединения центрального проводника с одним из электродов подстроечного конденсатора, область отверстия платы металлизирована с обеих сторон и изолирована от остальной двухсторонней металлизации платы, на внешней стороне которой выполнены диэлектрические участки для размещения подстроечного конденсатора и для микрополосковых линий передачи. Закоротка второго электрода подстроечного конденсатора на землю осуществляется с помощью контакта с металлической контактной площадкой, образованной во внешней металлизации второй платы диэлектрическими участками и соединенной с землей с помощью микрополосковой линии.
Технический результат, достигаемый таким решением, состоит в реализации резонатора для измерения добротности конденсаторов, который позволяет проводить измерения перестраиваемых конденсаторов на фиксированной частоте.
Совокупность признаков, изложенных в пункте 5 формулы изобретения, характеризует коаксиальный резонатор для измерения добротности конденсатора, в котором оба элемента возбуждения установлены в одной из плат.
Технический результат, достигаемый таким решением, состоит в том, что предлагаемая конструкция более проста в конструктивной реализации за счет того, что становится возможным одновременный монтаж элементов возбуждения при сборке резонатора, что недостижимо в конструкции прототипа, в котором элементы возбуждения располагаются в отдельных частях резонатора.
Совокупность признаков, изложенных в пункте 6 формулы изобретения, характеризует устройство для измерения добротности конденсатора, в котором цилиндрический экран соединен с диэлектрическими платами с помощью винтов, количество которых определяется условием создания электрической стенки.
Технический результат, достигаемый таким решением, состоит в том, что в предлагаемом устройстве обеспечивается надежный электрический контакт плат с цилиндрическим экраном.
Изобретение поясняется чертежами, где:
фиг.1 - вид сверху предлагаемого коаксиального резонатора для измерения добротности конденсатора;
фиг.2 - увеличенная область установки измеряемого конденсатора на диэлектрической плате;
фиг.3 - вид спереди в разрезе предлагаемого коаксиального резонатора.
На указанных чертежах показан пример выполнения коаксиального резонатора, который состоит из двух диэлектрических плат 1, цилиндрического экрана 2, центрального проводника 3. Цилиндрический экран соединен с диэлектрическими платами с помощью винтов 4, проходящих через металлизированные отверстия 5 плат. СВЧ-сигнал подводится к резонатору и отводится от него с помощью микрополосковых линий передачи 6 и металлических штырей возбуждения 7, расположенных в верхней диэлектрической плате. Исследуемый образец своими СВЧ-электродами устанавливается на контактные площадки 8 и 9, а электродом управления - на площадку 10 внешней части верхней платы, в которой выполнено отверстие 11 с проводником 12, предназначенным для соединения центрального проводника с одним из СВЧ-электродов измеряемого конденсатора, область отверстия платы металлизирована с обеих сторон и изолирована от остальной двухсторонней металлизации платы. Контактная площадка 9, к которой подключается второй СВЧ-электрод измеряемого конденсатора, электрически соединена с землей и обеспечивает заземление второго СВЧ-электрода измеряемого конденсатора. Контактная площадка 10 с помощью микрополосковой линии 13 соединяется с фильтром нижних частот, образованным СВЧ-конденсатором, припаянным своими электродами к контактной площадке 14 и области земли 15, и микрополосковой линией 16, играющей роль СВЧ-индуктивности и соединенной с контактной площадкой 17, к которой подключаются внешние цепи управления измеряемым конденсатором. Торец центрального проводника 3 снабжен выступом 18, который контактирует с металлизацией платы 19, отделенной от остальной части металлизации окном в виде кольца 20, внешний диаметр которого меньше диаметра центрального проводника, а высота выступа торца выбрана из условия обеспечения диапазона перестройки при измерениях перестраиваемого конденсатора (шунтирование измеряемого конденсатора воздушным конденсатором, образованным торцом центрального проводника и внутренней металлизацией диэлектрической платы). Подстроечный конденсатор своими СВЧ-электродами устанавливается на контактные площадки 8 и 9, а электродом управления - на площадку 10 внешней части нижней диэлектрической платы, в которой выполнено отверстие 11 с проводником 12, предназначенным для соединения центрального проводника с одним из СВЧ-электродов подстроечного конденсатора, область отверстия платы металлизирована с обеих сторон и изолирована от остальной двухсторонней металлизации платы. Контактная площадка 9, к которой подключается второй СВЧ-электрод подстроенного конденсатора, электрически соединена с землей и обеспечивает заземление второго СВЧ-электрода подстроечного конденсатора. Контактная площадка 10 нижней платы с помощью микрополосковой линии 13 соединяется с фильтром нижних частот, образованным СВЧ-конденсатором, припаянным своими электродами к контактной площадке 14 и области земли 15, и микрополосковой линией 16, играющей роль СВЧ-индуктивности и соединенной с контактной площадкой 17, к которой подключаются внешние цепи управления подстроечным конденсатором.
В случае измерений не управляемого конденсатора его электроды устанавливаются на контактные площадки 8 и 9 верхней диэлектрической платы резонатора и производят измерение значения нагруженной добротности резонатора, из которого, зная собственную добротность резонатора, вычисляют добротность исследуемого образца.
В случае измерений управляемого конденсатора его электроды соединяются с контактными площадками 8, 9 и 10 верхней платы, как было показано выше. На контактную площадку 17 верхней платы подаются напряжения управления, и одновременно снимается зависимость нагруженной добротности резонатора от напряжения управлений. Из полученной зависимости вычисляют зависимость добротности конденсатора от напряжения.
Если необходимо провести измерения добротности конденсатора на фиксированной частоте, то с помощью подачи напряжения управления на контактную площадку 17 нижней платы резонатора подают напряжение управления на подстроечный конденсатор и тем самым выставляют необходимую частоту измерений.