ДАТЧИК МАГНИТНОГО ПОЛЯ
MAGNETIC FIELD SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике и, в первую очередь, к магнитометрии.
Известна конструкция датчика магнитного поля [АС СССР №1810855 А1, 23.04.1993 г., Бюл. №15]. Датчик содержит магнитную пленку, которая одной поверхностью прилегает к металлическому слою, а другой - к диэлектрической подложке, на обратной стороне которой расположены две металлические полоски одна напротив другой. Величину измеряемого магнитного поля определяют по величине СВЧ-мощности, прошедшей через датчик, на частоте максимального ее затухания (полюса затухания).
Недостатком датчика является низкая чувствительность, связанная с неоптимальной формой металлических полосок, не обеспечивающей достаточно низкий уровень нижней границы диапазона изменения затухания.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом является микрополосковый датчик [Беляев Б.А., Бутаков С.В., Лексиков А.А. // Наука производству, №5, 2003 г. Стр. 11]. Датчик состоит из двух полуволновых микрополосковых резонаторов, связанных по всей длине и содержащих магнитную пленку, которая одной поверхностью прилегает к металлическому слою, а другой - к диэлектрической подложке, на обратной стороне которой расположены две металлические полоски одна напротив другой. Измерение производится на частоте вблизи полюса затухания датчика, частота которого является точкой компенсации емкостного и индуктивного взаимодействия микрополосковых резонаторов. При изменении измеряемого магнитного поля изменяется коэффициент индуктивной связи резонаторов и, соответственно, величина СВЧ-мощности, проходящей через датчик. По величине проходящей СВЧ-мощности определяют напряженность магнитного поля. Увеличение чувствительности датчика достигается равенством резонансных частот микрополосковых резонаторов и приближением частоты полюса затухания к частоте полосы пропускания конструкции.
Недостатком таких датчиков является низкая чувствительность. Это связано с тем, что взаимодействие резонаторов является как индуктивным, так и емкостным, причем по величине они одного порядка. Магнитное поле влияет только на индуктивное взаимодействие резонаторов датчика и не изменяет емкостное. Кроме того, полюс затухания располагается вне полосы пропускания, что также уменьшает чувствительность датчика.
Техническим результатом изобретения является увеличение чувствительности датчика магнитного поля.
Указанный технический результат достигается тем, что в датчике, содержащем диэлектрическую подложку, на обе стороны которой нанесены полосковые металлические проводники резонаторов, связанные между собой электромагнитно, новым является то, что подложка выполнена подвешенной и на поверхности подложки между проводниками резонаторов, или на некотором расстоянии над ними, расположена магнитная пленка.
Отличия заявляемого устройства от наиболее близких аналогов заключаются в том, что на обе стороны подвешенной подложки нанесены полосковые металлические проводники резонаторов, а магнитная пленка расположена на поверхности подложки между проводниками резонаторов или на некотором расстоянии над ними. Это отличие позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется чертежами: Фиг.1 - конструкция конкретной реализации предлагаемого датчика на подвешенной диэлектрической подложке, Фиг.2 - возможные варианты монтажа подложки в корпусе, Фиг.3 - зависимость коэффициентов связи пары резонаторов от расстояния между их полосковыми проводниками в предлагаемом датчике, Фиг.4 - измеренные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) предлагаемого датчика при разных значениях измеряемого магнитного поля, Фиг.5 - измеренная зависимость затухания сигнала, прошедшего через датчик, от напряженности внешнего магнитного поля, Фиг.6 - зависимость коэффициента преобразования датчика от напряженности внешнего магнитного поля.
Заявляемое устройство (Фиг.1) содержит подвешенную диэлектрическую подложку 1, на обе поверхности которой нанесены полосковые металлические проводники 2. Пара полосковых проводников, располагающихся на разных поверхностях подложки, образует полосковый резонатор, причем проводники резонатора могут быть, например, прямоугольными, идентичными по форме и располагаться строго друг над другом. Магнитная пленка 3 расположена на поверхности подложки между проводниками резонаторов, или на некотором расстоянии над ними, например, на слое диэлектрика.
На Фиг.2а, б изображены возможные варианты выполнения датчика, поясняющие способ крепления подложки в корпусе. Здесь 1 - подложка, 2 - полосковые проводники, 3 - пленка, 4 - стенки корпуса.
с
L
d
В предлагаемой конструкции полоскового датчика величины коэффициентов емкостной и индуктивной связи резонаторов на резонансных частотах оказываются существенно отличающимися от коэффициентов связи микрополосковых резонаторов с теми же конструктивными параметрами. На Фиг.3 изображены зависимости коэффициентов емкостной k (точки), индуктивной k (штриховая линия) и полной связи k (сплошная линия) резонаторов от расстояния S между их полосковыми проводниками в датчике предлагаемой конструкции. Расчет сделан для следующих конструктивных параметров: диэлектрическая проницаемость подложки ε=9.8, толщина подложки h=0.5 мм, расстояние от поверхности подложки до экранов 5 мм, ширина полосковых проводников 2 мм. Видно, что в заявляемой конструкции датчика взаимодействие между резонаторами является практически чисто индуктивным при расстоянии между резонаторами большем, чем толщина подложки.
Известно, что полюса затухания на АЧХ полосковых и микрополосковых структур, как правило, обусловлены либо взаимной компенсацией индуктивного и емкостного взаимодействия [Беляев Б.А., Тюрнев В.В. // Электронная техника. Сер. СВЧ-техника. 1992. Вып.4 (448). Стр. 23], либо резонансами, для которых на выходе структуры наблюдается узел высокочастотного напряжения [Александровский А.А., Беляев Б.А., Лексиков А.А. // Радиотехника и электроника. 2003. Т.48. №4, Стр.398]. В рассмотренной полосковой структуре на подвешенной подложке полюса затухания на АЧХ обусловлены взаимной компенсацией индуктивного и емкостного взаимодействия всех четырех полосковых проводников. Однако, как показали исследования [Беляев Б.А., Сержантов A.M., Бальва Я.Ф. // Радиотехника и электроника. 2008. Т.53. №4. Стр.432], в предлагаемой конструкции полюса остаются, даже если в расчете исключить одно из взаимодействий - емкостное или индуктивное. В этом случае положение полюсов соответствует частотам, где компенсируют друг друга соответственно либо индуктивные взаимодействия четырех полосковых проводников резонаторов, либо емкостные. Следовательно, можно подобрать конструктивные параметры предлагаемого датчика таким образом, чтобы взаимодействие резонаторов было чисто индуктивным, а полюс затухания, вызванный компенсацией только индуктивных взаимодействий четырех проводников, располагался непосредственно на частотах полосы пропускания. Это позволит увеличить чувствительность датчика, так как под действием магнитного поля изменяются взаимодействия всех четырех проводников, приводящие к компенсации связи резонаторов на частоте полюса затухания.
Датчик работает следующим образом. Металлические проводники, нанесенные на диэлектрическую подложку, образуют два электромагнитно связанных полосковых резонатора. Входная и выходная линии передачи подключаются к проводникам резонаторов. При этом проводники, к которым подключаются входная и выходная линии передачи, и расстояние от концов проводников до точек подключения внешних линий передачи выбираются исходя из условия получения полюсов затухания на частотах полосы пропускания. На вход датчика подается сигнал от СВЧ-генератора. В отсутствие измеряемого магнитного поля СВЧ-генератор настраивают на частоту, расположенную вблизи полюса затухания. При наложении измеряемого магнитного поля вектор намагниченности магнитной пленки поворачивается в плоскости пленки в сторону магнитного поля, что приводит к изменениям собственной и взаимной индуктивностей металлических полосок. При этом изменяется частота и глубина полюса затухания, наблюдаемого на АЧХ датчика, и, соответственно, меняется величина СВЧ-мощности, прошедшей через датчик. По величине прошедшей СВЧ-мощности определяют напряженность магнитного поля.
d
На Фиг.4 приведены измеренные АЧХ датчика заявляемой конструкции при различных значениях измеряемого магнитного поля. При этом конструктивные параметры были следующие: диэлектрическая проницаемость подложки ε=9.8, толщина подложки h=1 мм, расстояние от поверхности подложки до экранов 5 мм, ширина полосковых проводников 3 мм и расстояния между резонаторами S=3 мм. Видно, что при достаточно малом изменении напряженности внешнего магнитного поля происходит значительное изменение АЧХ датчика.
На Фиг.5 приведена измеренная зависимость затухания сигнала на выходе датчика, снятая на частоте СВЧ-генератора, близкой к частоте полюса затухания, а на Фиг.6 - зависимость коэффициента преобразования датчика от напряженности измеряемого магнитного поля. Видно, что предложенная конструкция обеспечивает коэффициент преобразования, достигающий 140 дБ/Э.
Таким образом, предложенная конструкция позволяет создавать на ее основе датчики магнитного поля, обладающие высокой чувствительностью.