Датчик магнитного поля

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике. Цель - повышение чувствительности датчика. Сущность изобретения: 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. Резонансные частоты микрополосковых резонаторов, образованных металлическими полосками, равны. Каждая из металлических полосок выполнена из двух участков, причем одни участки полосок параллельны, а другие расположены под углом или на большем расстоянии один от другого. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и прежде всего к магнитометрии.

Известен датчик магнитного поля [1] содержащий одноосную магнитную пленку, которую охватывают две катушки с ортогональными осями.

Недостатком этого датчика является сложность конструкции, связанная с наличием катушек, и низкая чувствительность.

Известен датчик магнитного поля [2] содержащий закороченный на одном конце отрезок воздушной полосковой линии, в котором размещена стопка, составленная из пермаллоевых пленок на стеклянных подложках. Разомкнутым концом отрезка полосковой линии датчик подключается к линии передачи, по которой на датчик подается СВЧ мощность.

Недостатками этого датчика являются невозможность его реализации в интегральном исполнении, а также низкая чувствительность.

Известен датчик магнитного поля [3] который содержит закороченный на одном конце отрезок симметричной воздушной полосковой линии, образуемой двумя параллельными металлическими экранами, между которыми расположена первая металлическая полоска. Внутри этого отрезка на нижнем экране расположена пермаллоевая пленка, нанесенная на диэлектрическую подложку. Между первой полоской и пермаллоевой пленкой расположена вторая металлическая полоска, которая направлена перпендикулярно первой полоске.

Недостатками этого датчика являются сложность конструкции, выражающаяся в том, что этот датчик невозможно изготовить в интегральном исполнении, а также низкая чувствительность.

Наиболее близким к предлагаемому является датчик магнитного поля [4] содержащий магнитную пленку, которая одной поверхностью прилегает к металлическому слою, а второй поверхностью к диэлектрической полоске, и два микрополосковых резонатора, образованных соответственно двумя металлическими полосками, расположенными одна напротив другой.

Перед измерением частоту СВЧ-генератора настраивают на частоту наиболее крутого склона амплитудно-частотной характеристики датчика вблизи полюса затухания. При наложении магнитного поля изменяется частота и величина полюса затухания на АЧХ датчика. В результате изменяется величина СВЧ мощности, прошедшей через датчик. По изменению величины прошедшей СВЧ мощности определяют напряженность магнитного поля.

Недостатком такого датчика является низкая чувствительность, связанная с неоптимальной формой металлических полосок, не обеспечивающей достаточно низкий уровень нижней границы диапазона изменения затухания.

Целью изобретения является повышение чувствительности датчика за счет понижения нижней границы диапазона изменения затухания СВЧ мощности, вносимого датчиком.

Поставленная цель достигается тем, что в датчике магнитного поля микрополосковые резонаторы выполнены с равными резонансными частотами.

При этом, в частности, выравнивание резонансных частот металлических полосок может осуществляться идентичным выполнением полосок в виде двух участков.

Кроме того, в большей степени поставленная цель достигается, когда идентичные полоски микрополосковых резонаторов выполнены под углом один относительно другого и микрополосковые резонаторы размещены так, что на части своей длины полоски параллельны, а на другой расположены под углом, выполнены со смещением один относительно другого в плоскости, перпендикулярной их осям симметрии, и микрополосковые резонаторы размещены так, что одноименные участки параллельны между собой, а расстояние между участками в каждой паре различно, выполнены с разными размерами по ширине, участки с меньшей шириной выполнены с изгибом.

На фиг. 1-3 изображены примеры конкретного выполнения металлических полосок датчика магнитного поля.

Первый пример реализации (фиг.1). Датчик магнитного поля содержит магнитную пленку, нанесенную на первую сторону диэлектрической подложки. На вторую сторону диэлектрической подложки нанесены напротив другой две одинаковые металлические полоски, содержащие изгиб. Первые участки металлических полосок (от первого конца до изгиба) расположены параллельно, а вторые участки расположены ортогонально. Диэлектрическая подложка располагается на металлическом слое и обращена к нему той стороной, на которой нанесена магнитная пленка.

Магнитная пленка может быть выполнена из пермаллоя слабомагнитострикционного состава (82% Ni + 18% Fe) толщиной 0,1 мкм. Диэлектрическая подложка может быть выполнена из высокодобротной термостабильной СВЧ керамики ТБНС толщиной 1 мм, имеющей относительную диэлектрическую проницаемость _r= 80. Металлические полоски могут быть выполнены из пленки меди толщиной 10 мкм. Широкий участок металлической полоски может иметь длину 7 мм и ширину 2 мм, а узкий участок длину 7 мм и ширину 0,1 мм. Изгиб металлических полосок может быть выполнен посередине. В качестве металлического слоя удобно использовать латунную пластину.

Для измерения магнитного поля одну металлическую полоску подключают концом второго участка к СВЧ-генератору. Вторую металлическую полоску подключают концом второго участка к СВЧ-детектору. При этом металлический слой используют в качестве заземляющего основания. Генератор настраивают на частоту наиболее крутого склона амплитудно-частотной характеристики датчика вблизи полюса затухания. Изменение величины магнитного поля в области магнитной пленки приводит к изменению СВЧ мощности, прошедшей через датчик. По величине изменения прошедшей СВЧ мощности определяют напряженность магнитного поля. Для этого датчик должен быть предварительно проградуирован.

Второй пример реализации (фиг.2) отличается от первого примера тем, что две одинаковые металлические полоски нанесены параллельно одна напротив другой и имеют ступени, обеспечивающие скачок ширины зазора между ними. СВЧ-генератор и СВЧ-детектор подключаются к концам металлических полосок, разделенных широким зазором.

Третий пример реализации (фиг.3) отличается от первого примера тем, что одинаковые металлические полоски нанесены одна напротив другой, состоят из широкого и узкого участков. Широкие участки прямолинейны и располагаются параллельно. Узкие участки благодаря изгибам располагаются под углом друг к другу.

Датчик работает следующим образом.

Металлические полоски, нанесенные на диэлектрическую подложку, можно рассматривать как два электромагнитно связанных микрополосковых резонатора. Как известно [5-6] взаимодействие между резонаторами складывается из индуктивного и емкостного. При симметричном подключении резонаторов к внешнему тракту, как это имеет место в приведенных примерах, емкостное и индуктивное взаимодействия имеют противоположные знаки. Всегда существует такая частота F_p, расположенная ниже частоты первого резонанса F_r, на которой индуктивное и емкостное взаимодействия компенсируют друг друга при отсутствии потерь. В результате на частоте F_p на амплитудно-частотной характеристике датчика возникает полюс затухания СВЧ мощности. В отсутствии потерь функция затухания L(F) обращается в бесконечность при F F_p. Экспериментально же наблюдается резкий максимум L(F), величина которого находится в пределах от 60 до 100 дБ.

Существование полюса затухания ниже резонансной частоты, где индуктивное и емкостное взаимодействия компенсируют друг друга, вытекает из двух фактов. Во-первых, на резонансной частоте индуктивное взаимодействие регулярных микрополосковых резонаторов, расположенных один напротив другого, всегда больше емкостного [5] А, во-вторых, емкостное взаимодействие с понижением частоты возрастает, так как полоски резонаторов становятся все более эквипотенциальными, а индуктивное взаимодействие между резонаторами убывает до нуля в статическом пределе, так как в статике электрические токи исчезают.

В отсутствие измеряемого магнитного поля СВЧ-генератор настраивают на такую частоту, расположенную вблизи полюса затухания, крутизна склона амплитудно-частотной характеристики которой максимальна. При наложении измеряемого магнитного поля H вектор намагниченности магнитной пленки М поворачивается в плоскости пленки в сторону магнитного поля. Это приводит к изменениям как собственной и взаимной индуктивностей металлических полосок, так и к изменениям магнитных и омических потерь в микрополосковых резонаторах. Все это вместе изменяет суммарный коэффициент связи микрополосковых резонаторов, что приводит к изменению величины СВЧ мощности, проходящей через резонаторы. По величине изменения проходящей СВЧ мощности определяют напряженность магнитного поля.

Целью изобретения является увеличение чувствительности, достигаемое за счет понижения нижней границы диапазона изменения затухания СВЧ мощности, вносимого датчиком.

Понижение нижней границы достигается, во-первых, за счет равенства резонансных частот микрополосковых резонаторов, образованных металлическими полосками, а, во-вторых, за счет повышения частоты полюса затухания и приближения его к резонансной частоте микрополосковых резонаторов. Возможность понижения нижней границы такими способами подтверждается общей теорией полосно-пропускающих фильтров, которая говорит, что минимальные потери фильтр имеет в полосе пропускания, а потери в этой полосе минимальны, когда резонансные частоты резонаторов совпадают, причем центральная частота полосы пропускания равна резонансной частоте резонаторов.

Повышение частоты полюса затухания достигается за счет уменьшения индуктивного взаимодействия между микрополосковыми резонаторами по сравнению с емкостным взаимодействием. Такое повышение частоты полюса затухания действительно имеет место, так как индуктивное взаимодействие, являясь возрастающей функцией частоты, после того как его уменьшили, будет компенсироваться емкостным взаимодействием на более высокой частоте. То есть полюс затухания и вслед за ним частота СВЧ-генератора будут ближе к полосе пропускания датчика.

Понижение индуктивного взаимодействия между микрополосковыми резонаторами достигается уменьшением взаимной индуктивности тех участков металлических полосок, где устанавливаются максимальные токи. Как известно, взаимную индуктивность проводников можно уменьшить, во-первых, ориентацией проводников под углом друг к другу, а, во-вторых, увеличением расстояния между ними. В первом и третьем примерах конкретной реализации использован первый способ снижения взаимной индуктивности металлических полосок, а во втором примере использован второй способ.

Достоверность приводимых данных о технико-экономической эффективности подтверждается не только проведенным выше анализом, но и результатами лабораторных испытаний.

Формула изобретения

1. Датчик магнитного поля, содержащий магнитную пленку, прилегающую одной поверхностью к металлическому слою, другой к диэлектрической подложке, и два микрополосковых резонатора, образованных соответственно двумя металлическими полосками, расположенными одна напротив другой, отличающийся тем, что микрополосковые резонаторы выполнены с равными резонансными частотами.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что микрополосковые резонаторы выполнены идентичными в виде двух участков.

3. Датчик по п.2, отличающийся тем, что участки микрополоскового резонатора выполнены под углом один относительно другого и микрополосковые резонаторы размещены так, что на части своей длины полоски параллельны, а на другой расположены под углом.

4. Датчик по п.2, отличающийся тем, что участки микрополоскового резонатора выполнены со смещением один относительно другого в плоскости, перпендикулярной их осям симметрии, и микрополосковые резонаторы размещены так, что одноименные участки параллельны между собой, а расстояние между участками в каждой паре различно.

5. Датчик по п.2, отличающийся тем, что участки микрополоскового резонатора выполнены с разными размерами по ширине, участки с меньшей шириной выполнены с изгибом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3