неразрушающего контроля, принцип действия которых основан на эффекте
автодинного детектирования: измерители толщины металлодиэлектрических
структур и диэлектрической проницаемости [19,20]. Наибольшее практическое
применение из разработанных приборов нашёл СВЧ толщиномер типа СИТ-40. На
рисунке 1.2 приведена его блок-схема.
4
Рис. 1.2. Блок-схема СВЧ измерителя толщины.
В состав СВЧ толщиномера СИТ-40, предназначенного для измерения
тонких плёнок из любого металла на изолирующей подложке и непроводящих
покрытиях, в том числе разнообразных лакокрасочных, нанесённых на
металлические поверхности, входит: 1 - СВЧ-датчик, представляющий собой СВЧ-
генератор в микрополосковом исполнении и использующий в качестве активного
элемента диод Ганна или СВЧ биполярный транзистор; 2 - предварительный
усилитель; 3 - блок питания; 4 - система корректировки нуля; 5 - блок
индикации.
Для уменьшения влияния дрейфа нуля на результат измерений предложены
схемные решения, основанные на компенсации дрейфа его параметров в
промежутках между измерениями и использовании напряжения в момент,
предшествующий измерению, в качестве опорного в момент измерения [21].
С целью повышения чувствительности и существенного уменьшения веса и
потребляемой мощности измерителей исследовалась возможность применения
туннельных диодов в качестве активных элементов СВЧ-автодинов [22].
Исследования проводились в экспериментальных измерительных СВЧ-устройствах
на серийных диодах типа ГИ 103Б, работавших на частоте 1.3 Ггц. В качестве
детекторных диодов использовались диоды типа Д405. Конструктивно датчики
измерительных устройств представляли собой отрезки полосковых линий
передачи, выполненных на основе фольгированного фторопласта, в которых
размещались генераторные и детекторные диоды, фильтры, НЧ и подстроечные
элементы.
Разработаны устройства измерения толщины и электропроводности
проводящих покрытий, а также толщины и диэлектрической проницаемости для
изолирующих материалов. Принцип действия автодинного генератора на
полупроводниковом СВЧ-элементе был использован при разработке нового
способа контроля толщины плёнок в процессе вакуумного напыления. Для
повышения точности измерения в датчике применён СВЧ-выключатель,
обеспечивающий кратковременное отклонение генератора от измеряемого объекта
[23].
Разработан новый способ радиоволнового контроля вибраций, основанный
на использовании двух полупроводниковых СВЧ-генераторов, работающих в
режиме автодинного детектирования и обеспечивающих возможность определения
не только амплитуды, но и частоты вибраций [24]. Источники зондирующего СВЧ-
излучения и одновременно приёмники провзаимодействующего с вибрирующим
объектом сигналов представляют собой отрезки стандартных прямоугольных
волноводов, которые с одного конца закорочены и имеют регулируемые
подстроечные поршни, а другие концы соединены с камерами, изготовленными из
металлической ленты, свёрнутой в кольцо. Связь по СВЧ-полю отрезков
волновода с каждой камерой осуществляется через прямоугольное волноводное
окно. В камерах помещается цилиндрический металлический стержень,
перемещение которого внутри этих камер вызывает изменение
продетектированного автодинами зондирующего СВЧ-сигнала.
Применение в автодинных генераторах диодов Ганна по сравнению с
генераторами, использующими другие полупроводниковые активные элементы,
позволяет обеспечить преимущества по совокупности таких параметров, как
максимальная рабочая частота, выходная мощность, стабильность частоты,
потребляемая мощность питания [13].
2. Теоретическое исследование эффекта автодинного детектирования в
многоконтурном генераторе на диоде Ганна.
В данной работе проводилось математическое моделирование процессов,
происходящих в многоконтурном автодине на диоде Ганна. Для этого была
составлена эквивалентная схема автодина (Рис. 2.1).
Теоретическое описание характеристик выходного сигнала СВЧ-
генератора на диоде Ганна основывалось на математическом описании процессов
в многоконтурной эквивалентной схеме, элементы которой моделируют
полупроводниковую структуру диода Ганна в виде параллельно соединённых
ёмкости С3 и активного нелинейного сопротивления, определяемого по ВАХ
диода I(U), элементы корпуса диода L3 , C4 , СВЧ-резонатор в виде
последовательного C2 , L2 и параллельного L1 , Y1 , C1 контуров,
низкочастотную часть схемы, состоящую из последовательного L7 , C6 и
параллельного C7 , R5 , L6 контуров, дросселя L5 в цепи питания,
шунтирующей ёмкости С5 и индуктивности связи L4 диода с НЧ-схемой.
Эквивалентная схема описывается системой из четырнадцати
дифференциальных уравнений (2.1-2.14), составленных на основе законов
Кирхгофа.
[pic] (2.1-2.4)
Эквивалентная схема автодина на диоде Ганна.
[pic]
Рис. 2.1.
[pic]
[pic] (2.4-2.14)
[pic]
Эта система нелинейна и решалась численно методом Рунге-Кутта
четвёртого порядка с автоматическим выбором шага [16]. При расчёте
использовалась типичная ВАХ диода Ганна [15], которая аппроксимировалась
выражением вида:
[pic], (2.15)
где D=0, при UЈUn , D=2, при U>Un , m0 =6000 см2/Вс, VS=8.5 *106 см/с.
Выражение (2.15) было программно модифицировано для случая ВАХ с
гистерезисом. График использованной ВАХ диода Ганна приведён на рисунке
2.2.
Вольт-амперная характеристика диода Ганна.
[pic]
Рис. 2.2.
При решении системы учитывалась частотная зависимость СВЧ- нагрузки. По
результатам решения системы (2.1-2.14) вычислялись мощности сигналов Pсвч ,
Pнч и величины продетектированных сигналов DUfg и DUkg в СВЧ- и НЧ-цепях
соответственно:
[pic] (2.16)
[pic] (2.17)
[pic] (2.18)
[pic], (2.19)
где I70 - постоянный ток через диод Ганна в отсутствии генерации.
Нагрузка с волноводной системой была представлена в виде линии,
нагруженной на комплексную проводимость отражающей поверхности (Рис.2.3).
[pic] [pic]
Рис. 2.3. Представление нагрузки в виде нагруженной линии.
Комплексная проводимость нагрузки [pic] была выражена через
коэффициент отражения волны от объекта (нагрузки). Для этого была решена
система уравнений:
[pic] (2.20)
[pic] (2.21)
где [pic]ПАД и [pic]ПАД - комплексные напряжение и ток падающей волны,
[pic]ОТР и [pic]ОТР - комплексные напряжение и ток отражённой волны.
Коэффициент отражения представляет собой отношение амплитуд отражённой и
падающей волн
[pic] (2.22)
В результате решения системы уравнений (2.20-2.21) было получено
выражение для комплексной проводимости нагрузки
[pic], (2.23)
где Z0 - волновое сопротивление пустого волновода,
[pic], (2.24)
где [pic]-частота генератора, [pic]-магнитная проницаемость, [pic]-
магнитная постоянная, [pic]-фазовая постоянная, l - расстояние до объекта.
Для подстановки в систему (2.1-2.14) комплексная проводимость
нагрузки (2.23) была представлена в виде действительной и мнимой компонент.
[pic] (2.25)
[pic] (2.26)
С учётом (2.25) и (2.26) параметры эквивалентной схемы СВЧ-нагрузки
рассчитывались из соотношений:
[pic] (2.27)
[pic] (2.28)
[pic] (2.29)
где [pic], если Im(Z)<0
[pic], если Im(Z)>0.
При расчёте величины продетектированного сигнала не учитывался вклад
гармонических составляющих СВЧ-сигнала, с частотами равными 4f0, 5f0 и
т.д., мощность которых составляла менее 1% мощности выходного сигнала СВЧ-
генератора. Здесь f0 - частота основной гармоники выходного сигнала.
Результаты теоретического расчёта величин продетектированных сигналов DUfg
и DUkg в СВЧ- и НЧ- цепях соответственно представлены на рисунке 2.4.
Теоретический расчёт показал, что изменение положения
короткозамыкающего поршня в СВЧ-тракте наряду с изменением мощности СВЧ-
колебаний приводит к изменению амплитуды колебаний в низкочастотном
контуре, что позволяет регистрировать наряду с сигналом автодетектирования
в цепи питания по постоянному току сигнал внешнего детектирования как на
частотах СВЧ-диапазона, так и в низкочастотном диапазоне. Как следует из
результатов расчёта, на представленных зависимостях наблюдаются локальные
максимумы и минимумы, которые обусловлены наличием в спектре выходного
сигнала СВЧ-генератора на диоде Ганна высших гармоник.
Математическое моделирование процессов в генераторе на диоде Ганна
позволило установить, что существование областей значений входных
сопротивлений СВЧ-нагрузки, в которых их изменение вызывает изменение
продетектированных в СВЧ- и НЧ-цепях сигналов одинакового знака, и
областей, в которых изменения продетектированных сигналов имеют
противоположные знаки, обусловлено наличием значительной реактивной
составляющей СВЧ-тока в полупроводниковой структуре диода Ганна. В то же
время отметим, что изменение реактивных элементов НЧ-контура более, чем на
два порядка приводит лишь к незначительному (не более 5%) смещению границ
этих областей.
Теоретические зависимости величин продетектированных сигналов в СВЧ DUfg
(1) и НЧ DUkg (2) цепях.
[pic]
Рис. 2.4.
3. Экспериментальные исследования эффекта автодинного детектирования в
многоконтурном генераторе на диоде Ганна.
Использование эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых
СВЧ-генераторах позволяет создавать простые в эксплуатации малогабаритные
измерители толщины и диэлектрической проницаемости [17,18]. Для их
нахождения используют результаты измерений на нескольких частотах.
Осуществление многопараметрового контроля упрощается, если удаётся
проводить измерения в условиях, когда на результаты измерений определяющим
образом влияет только один из искомых параметров. Такая ситуация, в
частности реализуется, если для измерения толщины и диэлектрической
проницаемости диэлектриков в этом случае применяются измерители, работающие
на различных частотных диапазонах, например СВЧ и НЧ. При проведении
измерений на СВЧ результат зависит как от толщины, так и от диэлектрической
проницаемости диэлектрика. Если измерения на НЧ проводить используя схему,
в которой диэлектрик помещается в зазор между излучателем и металлическим
основанием, то результат измерений будет определяться только толщиной
диэлектрика и не будет зависеть от его диэлектрической проницаемости.
Определив таким образом толщину диэлектрика, по её значению и показателям
преобразователя на СВЧ можно определить диэлектрическую проницаемость.
Было проведено экспериментальное исследование зависимости величины
продетектированного сигнала в автодинном генераторе на диоде Ганна,
работающем в различных частотных диапазонах от положения СВЧ
короткозамыкающего поршня. Использовался генератор волноводной конструкции
Страницы: 1, 2, 3, 4
|