Микроволновый зонд на основе компенсированного нерегулярного запредельного волновода

УДК621.372

МИКРОВОЛНОВЫЙ ЗОНД НА ОСНОВЕ КОМПЕНСИРОВАННОГО НЕРЕГУЛЯРНОГО ЗАПРЕДЕЛЬНОГО ВОЛНОВОДА

БОНДАРЕНКО И.Н., ГАЛИЧА.В._______________

Исследуются возможности применения нерегулярных запредельных структур с диэлектрическим и магнитным заполнением для создания зондов локальной СВЧ-диаг-ностики материалов и объектов. Проводятся численные исследования характеристик СВЧ зондов на основе запредельного прямоугольного волновода.

1. Введение

В последние годы активно развиваются методы локальной диагностики материалов, сред и структур, типичными представителями которых являются различные методы сканирующей зондовой микроскопии [1]. Электромагнитные поля микроволнового диапазона также могут служить эффективным инструментом для бесконтактной локальной диагностики при использовании устройств микроволновой техники, обеспечивающих формирование локализованных электромагнитных полей в области взаимодействия с локальным участком или малоразмерным объектом диагностики [2, 3].

Обычно такая задача решается с помощью различных видов зондовых или микрозондовых устройств, сопрягаемых либо с линиями передачи, либо с резонаторными структурами. Достаточно широко теоретически и экспериментально развита также практика использования микроволновых апертурных резонаторных измерительных преобразователей [4, 5].

Общим недостатком упомянутых устройств является необходимость как конструктивного, так и электродинамического сопряжения зондовых структур с измерительными цепями или измерительными преобразователями. При этом с уменьшением геометрических размеров зонда, напрямую связанного с повышением локальности формируемых полей, возрастают конструктивные и технологические сложности их объединения с элементами и устройствами измерительной схемы.

В данной работе предлагается указанные проблемы решать с помощью запредельных нерегулярных волноводов, заполняемых материалами с такими величинами диэлектрической и магнитной проницаемости, которые позволяют снимать запредельность при сохранении малых геометрических размеров выходной части зонда и необходимой структуры поля.

2. Основная часть

В качестве объекта исследования был выбран запредельный нерегулярный волновод на основе волновода прямоугольного сечения. Достоинствами такого

волновода являются: возможность работы на одном основном типе волны Ню, фиксированная поляризация распространяющейся электромагнитной волны, независимость типа волны, поляризации и условий распространения от размеров узкой стенки волновода, возможность регулирования степени запредель-ности изменением размеров широкой стенки волновода.

Нерегулярный волновод упрощенно можно представить в виде, показанном на рис.1. Амплитуда волны в запредельном волноводе (X > Хкр.) уменьшается по экспоненциальному закону:

Е

хкр

где Е0 - амплитуда волны на входе запредельного волновода; Хкр. - критическая длина волны запредельного волновода на рабочем типе волны; X -рабочая длина волны; Е^) - амплитуда волны при некотором значении координаты z.

Величины затухания в таком запредельном прямоугольном волноводе регулируется с помощью диэлектрика, вводимого в запредельный участок. При этом величина диэлектрической проницаемости є определяется из условия:

є =

Переход от стандартного волновода к запредельному осуществляется плавно, чтобы избежать нежелательных дополнительных переотражений в линиях связи. Волновод делиться на два отрезка, один из них расположен до плоскости отсечки и не вносит заметного затухания в амплитуду распространяющейся волны, и другой, который расположен за плоскостью отсечки и является нерегулярным запредельным волноводом. Координата плоскости отсечки определяется из условия равенства Хкр. рабочей длине волны X для данного сечения волновода. Из рис.1 можно определить, что плоскость отсечки расположена на расстоянии от начала нерегулярного волновода (2a - X)/4tg0.

Рис. 1. Схема нерегулярного волновода

Минимальный размер апертуры зондовой структуры на основе прямоугольного волновода определяется из соотношения (2) при заданном значении диэлектрической (или магнитной) проницаемости материала заполнения. На рис. 2 представлен график зависимости, с помощью которого можно определить величи-

РИ, 2013, № 4

14

ну диэлектрической (или магнитной) проницаемости для конкретной апертуры зондовой структуры в зависимости от рабочей длины волны. Из графиков рис. 2 следует, что при размерах апертур а’ = 1...5 мм величина проницаемостей заполнения превышает значение 10 (максимальное для твердых технологичных диэлектриков) и, соответственно, в этих случаях необходимо выбирать заполнение с Д > 10. На рис. 3 представлены зависимости длин нерегулярных участков волновода (z) от рабочей длины волны (X) при разных углах раскрытия апертуры.

Рис. 2. Зависимость величины Є (или д) от X при заданных размерах апертуры зондовой структуры

На рис.4 приведены графики a(z), вычисленные для запредельных нерегулярных волноводов по формуле (3). При этом: X = 32 мм, A z = 1 мм, а = 23 мм, 0 = 15°, 12°, 9°, 6°, 3°.

Как видно из графиков (см. рис.4), из-за высокого затухания в запредельном волноводе потери энергии достигают уровня ~80-90 дБ. Чем меньше угол раскрытия апертуры и больше длина нерегулярного участка волновода, тем уровень затухания выше. Более того, уровень затухания ~80-90 дБ достигается при длинах запредельных участков значительно меньших, чем определяются из графиков рис. 3.

Численное моделирование рассматриваемых волноводных структур с запредельными участками позволяет выявить коэффициенты отражения и передачи (рис. 5-10) [7].

а, дБ

Рис. 3. Зависимость длины нерегулярного участка волновода (z) от X при разных углах раскрытия апертуры

Если представить нерегулярный запредельный волновод в виде большого количества соединенных друг с

другом регулярных волноводов длиной Az , то для расчета коэффициента затухания можно использовать следующее соотношение [6]:

где n = z / Az .

Рис.4. Графики зависимости коэффициента затухания от длины запредельного участка нерегулярного волновода

Рис. 5. Коэффициент передачи для нерегулярного волновода (23х10) - (3х3) при Є (или д) = 25

Рис.6. Коэффициент передачи для нерегулярного волновода (23х10) - (3х3) с клиновидным согласовате-лем при Є (или д) = 25

РИ, 2013, № 4

15

На узком конце волновода формируется поле с повышенной напряженностью, однако в регулярной части возникают стоячие волны, а коэффициенты отражения и передачи в рабочем диапазоне имеют сильно изрезанные характеристики. Это обусловлено, во-первых, выбором диэлектрика с пониженным значением є (по формуле (2) для таких размеров величина є должна быть ~ 100 и более) и, во-вторых, резким несогласованным переходом в регулярной и незапредельной части волновода от области без заполнения к области с заполнением.

Использование клиновидного согласователя позволяет в некоторых случаях значительно уменьшить амплитуду стоячих волн в незапредельной области и повысить напряженность поля в узкой части запредельного участка.

При увеличении значения проницаемости (є или р или є • р) заполнения наблюдается сужение рабочего диапазона и уменьшение количества резонансных откликов.

Рис.7. Коэффициент передачи для нерегулярного волновода (23х10) - (2х2) при є (или р ) = 56,25

Рис. 8. Коэффициент передачи для нерегулярного волновода (23х10) - (2х2) с клиновидным согласовате-лем при є (или р ) = 56,25

Рис.9. Коэффициент передачи для нерегулярного волновода (23х10) - (1х1) при є (или р ) = 225

16

.1 '

11   •  ... .

1 .

1

.... A,

—*—1 —b—

ЯД SLS *0 4S Ю.0 1(1,3 IIД I I.S ил 123

f, ГГц

Рис.10. Коэффициент передачи для нерегулярного волновода (23х10) - (1х1) с клиновидным согласовате-лем при є (или р ) = 225

Фактически при очень сильной степени запредельно-сти (размеры выходных сечений 3х3, 2х2, 1 х1 мм), компенсируемой с помощью заполнения с большими значениями проницаемости, характеристики возможной зондовой структуры на основе прямоугольного нерегулярного волновода ухудшаются в связи с сокращением рабочего диапазона частот и проявлением резонансных явлений.

Поскольку распределения полей рассчитывались для соответствующих максимальных значений коэффициентов передачи и при этом не наблюдалось резонансных распределений в области вставок, можно предположить, что их источником являются процессы в регулярных и незапредельных областях, обусловленные недостаточным согласованием запредельной и незапредельной частей волновода.

3. Выводы

Рассматриваемые в работе нерегулярные волноводные структуры с запредельностью, снимаемой с помощью диэлектрического или магнитного заполнения, представляются достаточно перспективными для создания микрозондовых структур для локальной микроволновой бесконтактной диагностики различных материалов и объектов.

Достоинством этих устройств является их конструктивная простота, а также возможность формирования в выходной апертуре фиксированной поляризации электромагнитного поля.

К недостаткам (в перспективе преодолимым) можно отнести необходимость более тщательного подбора материала заполнения с требуемыми характеристиками и принятие мер по оптимизации геометрии внешней части вставки для согласования ее с регулярной частью волновода.

Литература: 1. Миронов В.Л. Основы сканирующей зон-довой микроскопии. М.: Техносфера, 2004. 144с. 2. Chen L.F., Ong C.K., Neo C.P. et al. Microwave Electronics. Measurements and Materials Characterization. John Wiley & Sons, Ltd., 2004. 537p. 3. Anlage S.M., Talanov V.V., Schwartz A.R. Principles of near-field microwave microscopy // Scanning probe microscopy: electrical and

electromechanical phenomena at the nanoscale / edited by S. V. Kalinin, A. Gruverman. New Y ork: Springer-V erlag, 2007.

РИ, 2013, № 4

Vol. 1. P. 215-253. 4. ГордиенкоЮ. Е. Приближение заданного поля в задачах определения характеристик резонаторных СВЧ-датчиков апертурного типа / Ю. Е. Гордиенко, А. Ю. Панченко, Р. С. Фар // Радиотехника. Х., 1998. Вып. 107. С. 93-103. 5. Інтелектуальні вимірювальні системи на основі мікроелектронних датчиків нового покоління: монографія / Я. І. Лепіх, Ю. О. Гордієнко, С. В. Дзядевич та ін. ; за ред. Я. І. Лепіха. Одеса : Астропринт, 2011. 352 с. 6. Бондаренко И.Н. Регулируемые элементы связи на основе запредельных волноводов / И.Н. Бондаренко, Н.О. Гнесь, А.С. Гнесь // Радиотехника. Х., 1986. Вып. 76. С. 114119. 7. Бондаренко И.Н. Измерительный зонд на основе запредельного волновода / И. Н. Бондаренко, А. В. Галич, А.В. Шахов // Сб. научн. трудов 6 Международной научн. конф. «Функциональная база наноэлектроники», Харь-ков-Крым, 2013. С. 82-85.________________

УДК615.47:616-074

ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ СВЧ РЕЗОНАТОРНЫХ ДАТЧИКОВ В ПРИБОРАХ ДИАГНОСТИКИ ГИПЕРТОНИЧЕСКИХ СОСТОЯНИЙ

БОРОДКИНА А.Н., ГОРДИЕНКО Ю.Е., СЛИПЧЕНКО Н.И.

Проводится анализ конструкций СВЧ резонаторных датчиков в целях их оптимизации для получения наиболее полной информации о комплексном значении диэлектрической проницаемости в диапазоне частот релаксации свободной воды в биообъектах. Анализ проводится с использованием результатов решения уравнений Максвелла для цилиндрических областей. Определяются возможности совершенствования конструкций датчиков, позволяющие при сохранении точности измерений существенно уменьшить объемы клинических проб.

Введение

Оперативная диагностика кардиологических патологий, выбор путей их лечения и доз препаратов определяют успешность профилактики и лечения этих заболеваний. В настоящее время установлено, что комплексное значение диэлектрической проницаемости проб эритроцитов пациента в области частот релаксации свободной воды содержит информацию, необходимую в лечебной практике этих патологий [1,2].

В настоящее время широко распространены четвертьволновые коаксиальные резонаторные измерительные преобразователи (РИП) [3]. Они обладают возможностью локальной концентрации поля в заданном объеме образца, широким рабочим частотным диапазоном. Использование коаксиальной измерительной апертуры (КИА) малого диаметра позволяет существенно увеличить разрешающую способность этих РИП.

Существует большое количество работ экспериментального и теоретического характера, посвященных применению СВЧ РИП для исследов ания биообъектов [4]. Современные прямые численные методы позво-

Поступила в редколлегию 14.09.2013

Рецензент: д-р физ.-мат. наук, проф. Панченко А.Ю.

Бондаренко Игорь Николаевич, д-р физ.-мат. наук, доцент, заведующий кафедрою микроэлектроники, электронных приборов и устройств ХНУРЭ. Научные интересы: криогенная радиофизика, техника СВЧ, бесконтактные методы диагностики. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. (057)702-13-62.

Галич Александр Владимирович, аспирант кафедры микроэлектроники, электронных приборов и устройств ХНУРЭ. Научные интересы: техника СВЧ, бесконтактные методы диагностики. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. (057)702-13-62.

ляют существенно уточнить модель РИП с КИА, учесть геометрию апертуры, положение и размеры образца.

Однако в известных работах не проводилась оптимизация конструкции датчика для проведения измерений нескольких параметров. Кроме того, теоретические работы основаны на упрощенных моделях РИП, которые позволяют учесть только колебательные потери в резонаторной системе. Излучение энергии за пределы образца, которое существенно влияет на информационные параметры (добротность и частоту), в этих моделях исключено из анализа. Проведение теоретической калибровки требует обязательного учета этого фактора. Также важным условием успешного использования КРИП для сканирования биообъектов является инвариантность информационных сигналов к величине зазора между датчиком и образцом и к толщине самого образца.

Таким образом, актуальными являются задачи как совершенствования конструкций РИП с КИА, так и развития их теоретических моделей.

Цель данной работы - определение путей совершенствования конструкций датчиков, обеспечивающих при сохранении точности измерений существенное уменьшение объемов клинических проб и, тем самым, снижение стрессовой нагрузки пациентов.

1. Особенности конструкции РИП

Конструкция РИП в виде четвертьволнового коаксиального резонатора с КИА и помещением исследуемого объекта на открытом торце выбрана с учетом возможности перекрытия диапазона частот 5-106...4-1010 Гц, который обеспечивает возможность исследования объектов с разным соотношением свободной и связанной воды.

Предлагаемая конструкция схематически показана на рис. 1.

Минимальный коэффициент затухания в коаксиальной линии достигается при отношении радиусов: R.1 /R2 = 0,28. Очевидно, что максимальная добротность четвертьволнового резонатора будет также достигаться при данном соотношении. Воздушный за-

РИ, 2013, № 4

17