Микроволновые диэлектрические резонаторы в физических измерениях

• Автор: Егоров, Виктор Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Иркутск
• Количество страниц: 367 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1 .Классификация микроволновых резонаторов

1.2.Диэлектрические резонаторы в высокостабильных генераторах и прецизионных физических экспериментах

1.3.Диэлектричсские резонаторы в исследовании диэлектриков и проводников

1.4.Методы анализа диэлектрических резонаторов

1.5.Вывод ы

2.ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДИЭЛЕКТРИЧЕКИХ РЕЗОНАТОРОВ

2.1.Колебания в диэлектрическом цилиндре с осевой анизотропией и торцевыми металлическими отражателями
2.2. Анизотропные открытые диэлектрические резонаторы
2.3.Перестраиваемые диэлектрические резонаторы
2.4.Добротность анизотропного ДР
2.5.Вывод ы
З.ЭФФЕКТЫ В РЕАЛЬНЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРАХ
3.1.Дифракция на краю зеркала МДР
3.2.Влияние остаточных зазоров
3.3.Отклонение оси анизотропии
3.4.Малая эллиптическая деформация резонатора
3.5.Влияние элементов конструкции на характеристики ДР
3.6.Вывод ы
^ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАКТА С РЕЗОНАТОРОМ
4.1 .Элементы матриц рассеяния узлов с резонаторами
4.2.Измерение добротности резонаторов
4.3.Нерезонансный фон и вырождение в резонаторах
4.4.Разработка эффективных направленных возбудителей ДР
4.5.Экспериментальные характеристики ДР
4.6.Вывод ы
5.ВЫСОКОСТАБИЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И АВТОГЕНЕРАТОРНЫЕ ДАТЧИКИ НА ОСНОВЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРОВ
5.1.Резонаторы стоячей и бегущей волны в генераторах СВЧ
5.2.Стабилизированные генераторы на ДР
5.3.Автогенераторные датчики на ДР
5.4.Вывод ы
6.МИКРОВОЛНОВЫЕ РЕЗОНАТОРЫ В ИССЛЕДОВАНИЯХ СВОЙСТВ ПРОВОДНИКОВ И ДИЭЛЕКТРИКОВ
6.1.Измерения поверхностного сопротивления металлов
6.2.Метод ДР в исследовании анизотропных диэлектриков
6.3.Исследование материалов для стандартных образцов диэлектриков
6.4.Измерение сверхмалых диэлектрических потерь
6.5.Измерение диэлектрических параметров подложек и покрытий

6.6.Диэлектрические измерения в объемных Нотр -резонаторах
6.8.Выводы
7.ТОЧНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
7.1.Общие положения
7.2.Неопределенность измерений в различных методах
7.3.Неопределенность измерения тензора диэлектрической проницаемости
7.4.Неопределенность измерения диэлектрических потерь методом ОДР
7.5.Вывод ы
8.ИЗМЕРИТЕЛБНЫЕ УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ РЕЗОНАТОРОВ
8.1 .Эталонные измерительные резонаторы
8.2.Установка для исследования фольгированных подложек на частотах 30-40 ГГц
8.3 .Криогенный зонд для исследования ВТСП в сильных магнитных полях
8.4.Измеритель локальной диэлектрической проницаемости
8.5.Измеритель радиотехнических характеристик материалов при нагреве до 420 °С
8.6.Установка для диэлектрических измерений при температуре до 1800 °С
8.7.Вывод ы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. Колебательные системы- резонаторы различной физической природы широко применяются во многих областях физики и техники. Собственные частоты встречающихся в практике резонаторов находятся в диапазоне от нескольких герц (напр., "шумановский" резонатор) до частот 1015 Гц и более (внутриатомные процессы). Особый интерес представляют резонаторы с малыми потерями энергии за период колебания относительно запасенной в системе энергии. Их теоретическое описание основывается на законах классической или квантовой физики. Практически важным является произведение собственной добротности резонатора Qa на резонансную частоту /0. Наиболее высокодобротные электромеханические (пьезоэлектрические) кварцевые резонаторы имеют при обычной температуре параметр Q0f0~lOn-lOH Гц на частоте 1-10 МГц, где они обладают лучшими характеристиками. У микроволновых электромагнитных объемных резонаторов параметр Q0f0 достигает 5-1014 Гц на частоте 10 ГГц в несверхпроводящем состоянии и до 1019 Гц в сверхпроводящем при температуре жидкого гелия.
Микроволновые объемные металлические резонаторы и открытые резонаторы с фокусирующими металлическими зеркалами нашли широкое применение в экспериментальной физике и измерительной технике. Их применению в качестве частотных дискриминаторов, для измерения диэлектрических (магнитных) параметров материалов, поверхностного сопротивления обычных проводников, низко- и высокотемпературных сверхпроводников и других электрических величин посвящено значительное число работ. Известны применения резонаторов этого типа для измерений механических величин: микроперемещений,
микросейсмических колебаний, давления, в гравиметрии и др. Исследовались возможности сверхпроводящих резонаторов в проблеме детектирования гравитационных волн.
Степень разработанности темы. В работах В.Б. Брагинского и сотрудников была обнаружена аномально малая диссипация микроволн в монокристаллическом сапфире [В 1 ]. В работе В.Ф. Взятышева, B.C. Добромыслова, B.JI. Масалова с сотрудниками обоснована возможность реализации нового типа высокодобротного микроволнового резонатора-открытого диэлектрического резонатора (ДР) из монокристалла с малыми диэлектрическими потерями [В2]. Сотрудниками исследовательских групп МГУ, МЭИ, ВС НИИФТРИ и других в дальнейшем исследовались резонаторы этого типа и вопросы их практического применения [ВЗ] - [В15]. Было экспериментально показано, что добротность сапфирового ДР на частоте 8-109 Гц составляет около 2-105 в обычном состоянии и плавно возрастает до 10°-107 при охлаждении до температуры жидкого азота (77 К) и до 108-109 в жидком гелии (4.2 К) [В9], [В14].

100 мм был подвешен в средней плоскости на петле из ниобиевой проволоки с системой виброизоляции и находился в жидком гелии при 4.2 К. Получены коэффициенты наведенных механическими напряжениями приращений компонент е11,ех.
1.3. Диэлектрические резонаторы в исследовании диэлектриков н проводников
1.3.1. Исследование диэлектрических свойств
Комплексная диэлектрическая проницаемость ё = е'-]е" является одной из наиболее важных характеристик диэлектрических материалов. Ряд задач радиофизики и физики твердого тела связан с измерением диэлектрической проницаемости при различных внешних воздействиях. Такие измерения позволяют исследовать свойства кристаллической решетки, структуру полимеров, механизмы поляризации в керамиках, подвижность и время жизни носителей заряда в полупроводниках. Систематическое изложение методов исследования диэлектриков на СВЧ приведено в монографиях [1.108,1.109], отечественных и зарубежных обзорах [1.110-1.112], а также в стандартах [1.113-1.115]. Анализ современного состояния резонансных методов измерения е' и = с"/с’ в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн сделан в обзоре [А65].
Резонансные методы измерения г' и сводятся к частотным измерениям и во многих случаях оказываются наиболее точными [А2-А9,А55], позволяя уверенно регистрировать малые tg(5, вплоть до 10'8-И0'9. Ограниченность этих методов проявляется при исследованиях материалов с повышенными диэлектрическими потерями 1§ А' ~10’2 и более, относящихся скорее к полупроводникам или радиопоглощающим материалам (РПМ). В значительной мере это ограничение может быть устранено малой степенью включения образца в поле резонатора, т.е. при малых коэффициентах заполнения ^1й~10'2ч-10'3, когда диэлектрические потери образца не снижают собственную добротность резонатора менее 103-г5 ■ 102. С другой стороны, сверхмалые диэлектрические потери нерезонансными методами измеряются значительно сложнее, чем резонансными. Определение параметров е = е' , по характеристикам резонатора с частичным заполнением связано с решением краевой задачи для уравнения Гельмгольца, которая сводится к трансцендентному характеристическому уравнению в случае разделения переменных в соответствующей системе координат. Диэлектрическая проницаемость исследуемого образца в резонаторе связана с его резонансной частотой /£, индексами колебания п,т,р, размерами резонатора П, I, размерами образца (1,1 и проницаемостью окружающей среды е2 трансцендентным уравнением общего вида