Квазіоптичні діелектричні резонатори з локалізацією мікрохвильового поля біля провідної площини

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ РАДІОФІЗИКИ ТА ЕЛЕКТРОНІКИ

ім. О.Я. Усикова

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

01.04.03 - радіофізика

КВАЗІОПТИЧНІ ДІЕЛЕКТРИЧНІ РЕЗОНАТОРИ

З ЛОКАЛІЗАЦІЄЮ МІКРОХВИЛЬОВОГО ПОЛЯ

БІЛЯ ПРОВІДНОЇ ПЛОЩИНИ

Буняєв Сергій Олександрович

Харків - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України.

Захист відбудеться 17 вересня 2009 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.157.01 Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України за адресою: вул. ак. Проскури, 12, Харків, 61085.

З дисертацією можна ознайомитися у науковій бібліотеці Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України за адресою: вул. ак. Проскури, 12, Харків, 61085.

Автореферат розісланий 13 серпня 2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Л.А. Рудь

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Основною перевагою квазіоптичних діелектричних резонаторів (КДР) у порівнянні з іншими типами діелектричних резонаторів є рекордно висока добротність через їх малі радіаційні втрати. Крім того, їх порівняно великі розміри істотно полегшують виготовлення та зв'язок з лініями передачі, що особливо актуально на високих частотах. Тому КДР успішно застосовуються в надзвичайно широкому діапазоні довжин хвиль, від міліметрового (мм) до оптичного діапазону.

У мм діапазоні є необхідність у високоточних сенсорах для вимірювання поверхневого опору високотемпературних надпровідників (ВТНП), оскільки дослідження імпедансних властивостей цих нових речовин дозволяють визначати ряд фізичних властивостей ВТНП, що сприяє поглибленому розумінню механізму високотемпературної надпровідності. Ці дані можуть бути отримані при вимірюванні надпровідників в широкому температурному інтервалі, в тому числі при дуже низьких температурах, де потрібна висока чутливість вимірювання мікрохвильових (МХ) втрат. Крім того, ці вимірювання важливі також для отримання характеристик плівок ВТНП, призначених для створення МХ приладів і пристроїв на їх основі.

Квазіоптичні діелектричні резонатори або резонатори з модами шепочучої галереї (ШГ) вивчалися і використовувалися в основному у формі кругових циліндрів. Останнім часом було показано, що циліндричні квазіоптичні діелектричні резонатори з торцевими провідними стінками (ТПС) можуть бути успішно використані для вимірювання поверхневого опору тонких плівок ВТНП. Такий підхід застосовується тому, що дозволяє підвищувати чутливість вимірювань малих значень в мм діапазоні хвиль завдяки високій добротності резонатора. При цьому можна виключити процедуру калібрування вимірювальної установки, оскільки структура поля в вищезазначених резонаторах визначається безпосередньо із розв'язку рівнянь Максвелла. Перевагою цього методу є також і можливість проведення імпедансних вимірювань плівок великої площі без попередньої обробки.

Однак цей підхід має суттєвий недолік, який полягає в тому, що значення , яке вимірюється, є усередненим значенням для двох плівок високотемпературних надпровідників, що утворюють ТПС такого резонатора. При цьому вимірювання індивідуальних значень вимагає застосування спеціальної процедури, яка називається "round robin", що є непрактичним та знижує точність вимірювань. Використання циліндричного КДР з одною ТПС позбавляє метод переваг аналітичного розрахунку коефіцієнта включення провідника. Крім того, така конструкція має досить великі неконтрольовані радіаційні втрати, які при низьких температурах можуть зрівнятися з втратами в діелектрику або надпровіднику. Збільшення ж висоти циліндра, з метою зменшення радіаційних втрат, одночасно призводить до критичного ускладнення спектру та зменшення чутливості методу.

Тому природно шукати таку форму резонатора, яка мала б тільки одну торцеву провідну стінку і малі радіаційні втрати. Очевидно, що в такому резонаторі повинна мати місце локалізація мікрохвильового поля безпосередньо біля поверхні провідника. Досить суттєвою при цьому є перспектива отримання аналітичного розв'язання електродинамічної задачі резонатора.

В принципі відповідний резонатор можна уявити у формі діелектричної півкулі на металевій площині. У перших роботах з електродинаміки таких резонаторів розглядалися моди типу ШГ, що проходять через вершину півкулі і відбиваються від провідної площини, яка лежить в його основі. Пізніше за участю автора було експериментально показано, що в цих резонаторах можна викликати також і моди ШГ, що поширюються уздовж основи півкулі. Однак виготовлення високодобротних КДР у формі півкулі з монокристалічного лейкосапфіра є складною і досить трудомісткою технологічною операцією.

Пошук альтернативних варіантів КДР з локалізацією поля біля провідної площини привів до пропозиції дослідити конусоподібний КДР, розташований основою на провідній торцевій площині.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано відповідно до планів науково-дослідних робіт Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України в рамках держбюджетних тем: “Дослідження регулярних та стохастичних явищ, що обумовлені взаємодією електромагнітних хвиль і потоків заряджених часток” (шифр “Кентавр-3”, № 0103U002260, виконавець), “Дослідження лінійних та нелінійних властивостей твердотільних структур із застосуванням електромагнітних хвиль НВЧ діапазону і заряджених часток” (шифр “Кентавр-4” № 0106U011978, виконавець) і “Дослідження поверхневого імпедансу ВТНП плівок в мм діапазоні хвиль за допомогою сапфірового квазіоптичного конічного резонатора (шифр “Конус”, № 0107U003984, керівник).

Мета і завдання дослідження. Мета роботи - вивчити електродинамічні характеристики квазіоптичних діелектричних резонаторів з локалізацією мікрохвильового поля біля провідної площини і обґрунтувати можливість вимірювання поверхневого опору ВТНП тонких плівок у міліметровому діапазоні довжин хвиль з використанням зазначених резонаторів. При застосуванні КДР для досліджень мікрохвильових характеристик ВТНП тонких плівок вимірювання повинні: 1) забезпечувати можливість отримання індивідуальних характеристик плівок в процесі одного вимірювального термоциклу; 2) мати високу точність і чутливість; 3) бути неруйнівними, тобто проводитися без зміни форми і розмірів зразків ВТНП. Для досягнення мети даної роботи необхідно було виконати наступні завдання:

1. Дослідити спектральні і енергетичні характеристики півкульових ізотропних та анізотропних КДР з локалізацією поля біля ТПС.

2. Вивчити еволюцію спектру та структури поля конічного КДР в залежності від кута нахилу твірної конуса.

3. Розв'язати задачу розрідження спектрів КДР.

4. Провести вимірювання температурної залежності тонких плівок ВТНП за допомогою КДР з локалізацією поля біля ТПС.

5. Проаналізувати вплив різних факторів на похибку вимірювання за допомогою КДР.

Об'єктом дослідження є моди типу шепочучої галереї в квазіоптичних діелектричних резонаторах з локалізацією мікрохвильового поля біля провідної площини.

Предметом дослідження є спектральні та енергетичні характеристики квазіоптичних діелектричних резонаторів різної форми з локалізацією мікрохвильового поля біля провідної площини у міліметровому діапазоні довжин хвиль.

Методи дослідження. Спектрально-енергетичні характеристики КДР досліджувалися методом вимірювання резонансних частот і власної добротності цих резонаторів. Для дослідження розподілу мікрохвильового поля в КДР застосовувався метод малого пробного тіла. Для розрахунку спектрально-енергетичних характеристик ізотропних півкульових КДР використовувалися відомі і перевірені аналітичні методи, що базуються на розв'язанні системи рівнянь Максвела з урахуванням матеріальних рівнянь у сферичній системі координат. Для чисельного моделювання анізотропного півкульового КДР та конічних ізотропного і анізотропного КДР використовувався програмний пакет CST Microwave Studio 2008.

Наукова новизна одержаних результатів. При виконанні даної роботи отримано такі нові результати:

1. Вперше реалізовано КДР з локалізацією МХ поля біля провідної стінки у формі півкулі і конусу, виконаних із ізотропних та анізотропних діелектриків, отримано їх частотні спектри та енергетичні характеристики.

2. На підставі експериментального дослідження структури поля проведено ідентифікацію типів хвиль ШГ у резонаторах, що досліджуються. Показано, що найбільший коефіцієнт включення ВТНП зразків може бути отримано при використанні мод з Н поляризацією.

3. Досліджено еволюцію спектрально-енергетичних характеристик конічного КДР при зміні кута нахилу твірної конуса. Знайдено, що МХ поле помітно локалізується біля провідної стінки вже при кутах нахилу твірної конусу 1-2°, при цьому зі збільшенням кута добротність КДР завжди зменшується. Підтверджено можливість збудження мод ШГ у конічному КДР з кутами нахилу твірної до 80°.

4. Вперше продемонстровано можливість вимірювання індивідуальних значень ВТНП плівок в ході одного циклу температурних вимірювань за допомогою КДР у формі півкулі та зрізаного конусу.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що КДР з локалізацією поля біля провідної площини можуть бути використані для вимірювання ВТНП з метою створення різноманітних мікрохвильових пристроїв. Температурні залежності поверхневого опору і поверхневого реактансу можуть бути використані для визначення таких характеристик надпровідників, як комплексна провідність та глибина проникнення поля.

Особистий внесок здобувача. Публікації, які складають основу дисертаційної роботи, виконані в співавторстві. Особистий внесок здобувача полягає: у експериментальному дослідженні температурної залежності ВТНП плівок за допомогою циліндричного КДР та аналізі отриманих результатів [1], експериментальному дослідженні спектрально-енергетичних характеристик конусоподібних КДР залежно від їх форми та кута нахилу твірних [2], експериментальному дослідженні спектрально-енергетичних характеристик конічного КДР з великими кутами нахилу твірної [3], в сумісному із співавторами експериментальному та чисельному обґрунтовуванні можливості вимірювання ВТНП плівок на основі використання КДР з локалізацією поля біля провідної площини [4,5,6].

Апробація результатів дисертації. Матеріали і результати досліджень доповідалися та обговорювалися на наступних конференціях:

• International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Millimeter and Sub-Millimeter waves, Kharkov (Ukraine), 2004;

• 35^th European Microwave Conference, Paris (France), 2005;

• 2-й международный радиоэлектронный форум ”Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития”, Харьков (Украина), 2005;

• International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Sub-Millimeter waves, Kharkov (Ukraine), 2007;

• 38^th European Microwave Conference, Amsterdam (Netherlands), 2008.

Публікації. Матеріали дисертації опубліковано в 11 друкованих працях, з них 5 статей у фахових наукових збірниках та журналах, 1 патент на корисну модель і 5 доповідей на міжнародних наукових конференціях.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, переліку умовних позначень, чотирьох розділів, висновків і списку використаних джерел. Її повний обсяг складає 130 сторінок, з них 104 сторінки основного тексту. Дисертація містить 49 рисунків (з них 2 на окремих сторінках) і 3 таблиці. Список використаних джерел на 12 сторінках нараховує 95 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі викладається актуальність і обґрунтовується необхідність виконання роботи, формулюються мета та задачі дослідження. Показано наукову новизну і практичне значення отриманих результатів.

В розділі 1 на основі літературних даних наведено огляд досягнень з вивчення та застосування КДР різних типів. Також описуються сучасні методи вимірювання поверхневого опору плівок ВТНП і проводиться їх порівняльний аналіз, який демонструє, що розроблена раніше техніка вимірювання у мм діапазоні довжин хвиль не забезпечує необхідні точність і чутливість вимірювань нижче температур або вимагає наявності трьох плівок для отримання їх індивідуальних характеристик.

В розділі 2 описуються техніка та методи, що використовуються для дослідження спектрально-енергетичних характеристик КДР. Зокрема амплітудно-частотна характеристика КДР вимірювалася методом на прохід при мінімальному зв'язку з резонатором, при цьому власна добротність визначалася за шириною резонансної лінії на рівні 0,5 від максимальної потужності. Описаний в даному розділі метод дозволяє повністю ідентифікувати спектр циліндричного, півкульового або конічного КДР без ТПС. Однак для точної ідентифікації спектру КДР з ТПС необхідно порівнювати його з повністю ідентифікованим обчисленим спектром КДР.

Експериментальну установку змонтовано на базі МХ генератора Г4-91, гетеродинного частотного вимірювача Ч3-46, частотного перетворювача Ч5-13 та самозаписувача ПДА-1 (пізніше замість цих приладів використовувався векторний аналізатор Agilent Network Analyzer PNA-L N5230A). Установка дозволяє проводити дослідження спектральних і енергетичних характеристик квазіоптичних резонаторів у восьмиміліметровому діапазоні довжин хвиль. Описано також хвилеводний прилад для проведення температурних вимірювань, який дозволяє проводити вимірювання від кімнатної до гелієвих температур. Використання дзеркальних діелектричних хвилеводів, розташованих під невеликим кутом один до одного, дозволяє здійснювати плавне регулювання зв'язку КДР з хвилеводами під час експерименту, в тому числі при температурних вимірюваннях, коли значення власної добротності КДР може змінюватися на кілька порядків.

Використовуючи дану експериментальну установку разом із приладом для температурних вимірювань, можна досліджувати КДР у широкому діапазоні температур, зокрема при зниженні температури до T ~ 1,7 K. Застосування сучасного векторного аналізатора дозволяє суттєво спростити вимірювальний процес і підвищити точність вимірювання.

Розділ 3 містить результати дослідження двох типів КДР з локалізацією МХ поля біля провідної площини, а саме півкульового та конічного резонаторів. Дослідження проводилися експериментальним шляхом, а також використовуючи результати відомого теоретичного аналізу півкульового КДР, зокрема, дисперсійні рівняння для Н- та Е-мод, вирази для власної частоти, добротності резонатора та коефіцієнту вмикання провідної площини.

Також для обчислення частот КДР та структури поля в них використовувався пакет чисельного моделювання CST Microwave Studio 2008 (MWS). Наведено системи індексації мод ШГ у півкульовому та конічному КДР.

Отримано експериментальні та розраховано спектральні і енергетичні характеристики ізотропного (тефлонового) півкульового КДР радіусом з латунною торцевою стінкою.

Порівняння результатів чисельного моделювання, експерименту та аналітичного розрахунку показує хорошу кореляцію між результатами цих трьох методів. Це дає можливість обґрунтовано проводити чисельне моделювання різних КДР, виконаних із анізотропного діелектрика, з локалізацією поля у ТПС і КДР без ТПС, що особливо важливо з огляду на відсутність строгого електродинамічного аналізу таких структур.

Вивчення особливостей розподілу ЕМ поля мод ШГ в тефлоновому півкульовому КДР з локалізацією поля біля ТПС показало, що для H-мод, на відміну від E-мод, максимум щільності розподілу енергії знаходиться на поверхні імпедансної площини [7]. Наслідком цього є менша добротність цих мод завдяки більшому коефіцієнту , що вказує на переваги використання хвиль саме цієї поляризації для вимірювання .

Порівняння обчислених частот та структури поля з вимірюванням дозволило точно ідентифікувати основні власні моди в спектрі сапфірового півкульового КДР з провідної площиною з відпаленої у водні міді.

З метою застосування сапфірового півкульового КДР для МХ досліджень ВТНП зразків (плівок) необхідно було визначити коефіцієнт . З цією метою було виміряне значення пластини з безкисневої міді за допомогою відомого сапфірового циліндричного КДР [1]. Воно склало 55 мЩ на частоті 38,13 ГГц. Потім була виміряна при кімнатній температурі добротність сапфірового півкульового КДР з цією мідною пластиною (), після чого із (3) отримано коефіцієнт . Власна добротність сапфірової півкулі без ТПС при кімнатній температурі склала (мода ).

Причини розбіжності по частоті між результатами розрахунку і експерименту пов'язані з систематичною похибкою методу розрахунку MWS, величина якої залежить від співвідношення довжини хвилі в матеріалі резонатора до розміру комірки сітки дискретизації структури (meshcell). При цьому зменшення розміру комірки сітки, тобто практична точність розрахунку, лімітується тільки продуктивністю комп'ютера. Присутність в розрахунковому спектрі деяких резонансних піків, відсутніх або слабо виражених у експериментальному, пояснюється практичною неможливістю домогтися ідентичності умов збудження досліджуваного резонатора для цих двох випадків.

Показано, що змінюючи положення та матеріал збуджуючих хвилеводів, можна контролювати щільність його спектру та вибірково збуджувати моди з необхідними полярним і азимутальним індексами.

Пошук геометрії КДР, альтернативної сапфіровому півкульовому КДР як сенсора для вимірювання імпедансних властивостей плівок ВТНП, показав, що найбільш придатним для цієї мети є сапфіровий резонатор у формі зрізаного конусу, який має найбільший коефіцієнт і найменші радіаційні втрати в порівнянні з іншими конусоподібними резонаторами [2].

Для конічного резонатора, виконаного з тефлону [8, 9], були експериментально отримані значення власних частот та добротності, а також коефіцієнта та радіаційної добротності як функції кута нахилу твірної конусу для широкого діапазону значень кутів для однієї і тієї ж моди .

Збільшення добротності тефлонового резонатора з ростом б до 78 ° в мм діапазоні не спостерігалося [3], як очікувалося на підставі нещодавно опублікованих результатів подібних вимірювань в оптичному діапазоні.

Сапфіровий конічний КДР [4] при зміні кута продемонстрував поведінку, подібну до поведінки тефлонового резонатора. Разом з тим, були виявлені деякі особливості: 1) добротність резонатора без ТПС залишалася практично незмінною з ростом кута , що пояснюється тим, що при кімнатній температурі радіаційна добротність резонатора при досліджених кутах залишається значно більше власної; 2) коефіцієнт значно перевищує такий для тефлонового резонатора.

В порівнянні з півкульовим КДР конічний КДР значно простіше у виготовленні, що особливо важливо для таких твердих матеріалів як сапфір. Крім того, конічні резонатори дозволяють контролювати взаємодію МХ поля і торцевої провідної площині шляхом зміни кута б.

На основі порівняння експериментальних і обчислених спектрів показано можливість надійної ідентифікації мод ШГ в КДР з локалізацією поля у ТПС, що дозволяє використовувати ці резонатори для вимірювання МХ характеристик плівок ВТНП або будь-яких інших провідників.

У розділі 4 проведено вимірювання індивідуальних значень ВТНП плівок за один цикл температурних вимірювань за допомогою КДР з локалізацією МХ поля біля провідної площини у формі півкулі та зрізаного конусу. Діаметр півкульового резонатора вибрано рівним 14,8 мм, тобто близьким до діаметра диска в [1]. Вимірювання проводилися в діапазоні частот 35 - 40 ГГц. Для вимірювань можна використовувати моди Н-типу тільки з однією або двома варіаціями поля по радіусу. Це пов'язано з тим, що ефективність збудження хвиль з трьома варіаціями по радіусу стає вже практично неприйнятно низькою.

У вимірюваннях використовувалася мода . Власна добротність резонатора без ТПС складала величину при 300 K, при 77 K і при 4,2 K. квазіоптичний діелектричний резонатор поле

Експериментально отримано температурну залежність поверхневого опору порівняно товстої епітаксіальної плівки , нанесеної на монокристалічну підкладку MgO, в широкому температурному інтервалі від 2 К до ~ 90 К [5,11]. Вимірювання вперше проведено із застосуванням сапфірового півкульового КДР, що дозволяє підвищити точність вимірювань в мм діапазоні хвиль, у тому числі вимірювань при низьких температурах. Отримана залежність (Т) узгоджується з результатами інших авторів і, що головніше, відкриває можливість для проведення надійних вимірювань імпедансних властивостей ВТНП при низьких кріогенних температурах.

Експериментально показано, що сапфіровий конічний КДР при також може успішно використовуватися для вивчення поверхневого опору ВТНП плівок. В порівнянні з півкульовим сапфіровим КДР він набагато простіший у виготовленні. Однак, конічний сапфіровий КДР може бути рекомендований для точних вимірювань лише в діапазоні температур , тому що при більш низьких температурах втрати у діелектрику та надпровіднику зрівнюються з радіаційними втратами в такому резонаторі.

Аналіз різних факторів на похибку вимірювання за допомогою КДР з локалізацією МХ поля біля ТПС показав, що похибка значно зменшується при умові . Отримано вираз для мінімально вимірюваної величини і показано, що для півкульового КДР навіть при і становить Ом, що менше остаточного опору кращих ВТНП плівок. Останнє вказує на значний резерв у підвищенні чутливості вимірювання гранично низьких значень поверхневого опору надпровідників, якщо використовувати сапфіровий півкульовий КДР з ТПС як мікрохвильовий сенсор.

ВИСНОВКИ

У даній дисертаційній роботі розв'язано актуальну задачу радіофізики з вивчення електродинамічних характеристик квазіоптичних діелектричних резонаторів з локалізацією мікрохвильового поля біля торцевої провідної площини і дано обґрунтування можливості вимірювання поверхневого опору ВТНП плівок у міліметровому діапазоні довжин хвиль за допомогою цих резонаторів.

У ході виконання роботи було отримано наступні основні результати:

1. Вперше експериментально визначено частотний спектр і енергетичні характеристики КДР у формі півкулі та зрізаного конусу, виконаних з ізотропних і анізотропних діелектриків, з провідної стінкою, уздовж якої поширюються хвилі шепочучої галереї. При цьому характеристики конічного КДР вивчено в залежності від кута нахилу твірної конусу.

2. На підставі виміряних спектральних характеристик КДР з локалізацією поля біля ТПС і порівняння їх з обчисленими даними проведена ідентифікація мод ШГ в досліджуваних резонаторах. Встановлено, що найбільший коефіцієнт включення ВТНП зразків може бути отриманий при використанні мод з Н поляризацією, що вказує на перевагу використання мод саме цієї поляризації для вимірювання поверхневого імпедансу надпровідників, тому що вона дозволяє підвищити чутливість вимірювання.

3. Розв'язано задачу розрідження спектрів КДР за допомогою зміни розташування або матеріалу збуджувальних хвилеводів. Показано, що за допомогою зміни умов збудження КДР можна контролювати щільність його спектру і вибірково збуджувати моди з необхідними полярним та азимутальним індексами.

4. Вперше обґрунтовано і експериментально продемонстровано можливість вимірювання індивідуальних значень ВТНП плівок за один цикл температурних вимірювань за допомогою КДР у формі півкулі. Також показано, що сапфіровий конічний КДР при кутах нахилу твірної конусу може успішно використовуватися для вивчення поверхневого опору ВТНП. Однак, конічний сапфіровий КДР може бути рекомендованим для точних вимірювань лише в діапазоні температур , через те, що при більш низьких температурах втрати у діелектрику та надпровіднику зрівнюються з радіаційними втратами в такому резонаторі.

5. Аналіз найбільш імовірної похибки вимірювань за допомогою півкульового КДР показав збільшення точності вимірювань зразка ВТСП в раз при гелієвих температурах у порівнянні з похибкою при використанні циліндричного КДР.

Отримані результати дозволяють удосконалювати вимірювальну техніку для визначення мікрохвильових імпедансних характеристик ВТСП плівок і ставити нові експерименти в області фундаментальної фізики надпровідності, у тому числі експерименти зі з'ясування природи остаточного поверхневого опору та встановлення хвильової симетрії параметра порядку в нових надпровідниках. Застосування нових резонаторів дозволяє також майже у три рази скоротити трудомісткість та вартість кріогенних вимірювань імпедансних характеристик ВТНП в порівнянні з методом на базі циліндричного КДР.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Cherpak N.T. Measurements of Millimeter-Wave Surface Resistance and Temperature Dependence of Reactance of Thin HTS Films Using Quasi-Optical Dielectric Resonator / N.T. Cherpak, S.A. Bunyaev, Y.V. Prokopenko, S. Vitusevich // IEEE Trans. on Appl. Supercond. - 2005. -Vol. 15, № 2. - P. 2919-2922.

2. Баранник А.А. Конические и близкие к ним квазиоптические диэлектрические резонаторы / А.А. Баранник, С.А. Буняев, Н.Т. Черпак // Радиофизика и электроника: Сборник научных трудов / НАН Украины. Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова. - Харьков, 2006. - Т. 11, № 2. - С.210-214.

3. Cherpak N.T. On a quality factor of whispering gallery mode dielecric resonators in a form of cone / N.T. Cherpak, S.A. Bunyaev, A.A. Barannik // Microwave and Optical Technology Letters. - 2007. - Vol. 49, № 8. - P.1987-1989.

4. Barannik A.A. Quasi-optical dielectric resonators in the form of a truncated cone / A.A. Barannik, S.A. Bunyaev, N.T. Cherpak, S.A. Vitusevich // Journal of Lightwave Technology. - 2008. - Vol. 26, № 17. - P.3118-3123.

5. Баранник А.А. O микроволновом отклике эпитаксиальной пленки YBa₂Cu₃O₇ при низких температурах с применением новой техники измерений / А.А. Баранник, С.А. Буняев, Н.Т. Черпак // ФНТ. - 2008. - Т. 34, № 12. - С.1239-1244.

6. Декл. пат. Україна, МПК51 G01R 27/04. Пристрій для вимірювання поверхневого імпедансу надпровідників / Баранник О.А., Буняєв С.О., Прокопенко Ю. В., Філіпов Ю.Ф., Черпак М.Т.; заявник і патентовласник Ін-т радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН Украины. - № 16620; опубл. 15.08.2006, Бюл. № 8.

7. Barannik A.A. Hemispherical quasi-optical dielectric resonators as possible sensors for impendence measurement of superconductors / A.A. Barannik, S.A. Bunyaev, N.T. Cherpak // International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Millimeter and Sub-Millimeter waves: int. symp., 21-26 June, 2004: symp. proc. - Kharkov, 2004. - Vol. 1. - P.430-432.

8. Bunyayev S.O. Conical whispering gallery mode resonator / S.O. Bunyayev, A.A. Barannik, N.T. Cherpak // 35th European Microwave Conference: int. conf., 3-7 October, 2005: conf. proc. - Paris, 2005. - P. 1195-1197.

9. Баранник А.А. Конический квазиоптический диэлектрический резонатор / А.А. Баранник, С.А. Буняев, Н.Т. Черпак // Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития: 2-й межд. радиоэлектронный форум, 19-23 сентября, 2005: тезисы докл. - Х., 2005. - Т. 5. - С. 61-64.

10. Bunyaev S.A. Whispering-gallery-mode sapphire resonators in the forms of cylindrical disc and cone for millimeter-wave resistance measurements of HTS films / S.A. Bunyaev, A.A. Barannik, N.T. Cherpak, A.I. Gubin, S.A. Vitusevich // International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Sub-Millimeter waves: int. symp., 25-30 June, 2007: symp. proc. - Kharkov, 2007. - Vol. 1. - P. 407-409.

11. Cherpak N.T. Quasi-optical dielectric resonator-based technique of HTS film millimeter-wave surface resistance measurements: three types of resonators / N.T. Cherpak, A.A. Barannik, S.A. Bunyaev // 38th European Microwave Conference: int. conf., 29 September - 1 October, 2008: conf. proc. - Amsterdam, 2008 - P. 807-811.

АНОТАЦІЯ

Буняєв С.О. Квазіоптичні діелектричні резонатори з локалізацією мікрохвильового поля біля провідної площини. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.03 - радіофізика. - Інститут радіофізики та електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України, м. Харків, 2009.

Робота присвячена вивченню електродинамічних характеристик квазіоптичних діелектричних резонаторів з локалізацією мікрохвильового поля біля провідної площини та обґрунтування можливості вимірювання поверхневого опору тонких плівок ВТНП у міліметровому діапазоні довжин хвиль з використанням зазначених резонаторів. З цією метою визначено частотний спектр і енергетичні характеристики КДР у формі півкулі та зрізаного конусу, виконаних з ізотропних і анізотропних діелектриків, з провідної стінкою, уздовж якої поширюються моди шепочучої галереї. Проведено ідентифікацію мод ШГ в досліджуваних резонаторах. Встановлено, що найбільша чутливість вимірювання ВТСП зразків може бути отримана при використанні мод з Н поляризацією. Вперше обгрунтовано і експериментально продемонстровано можливість вимірювання індивідуальних значень ВТНП плівок в ході одного циклу температурних вимірювань за допомогою сапфірового КДР у формі півкулі.

Ключові слова: високотемпературні надпровідники, квазіоптичні діелектричні резонатори, конічний резонатор, міліметровий діапазон довжин хвиль, моди шепочучої галереї, поверхневий опір, півкульовий резонатор, частотний спектр, енергетичні характеристики.

АННОТАЦИЯ

Буняев С.А. Квазиоптические диэлектрические резонаторы с локализацией микроволнового поля у проводящей плоскости. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.03 - радиофизика. - Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова НАН Украины, г. Харьков, 2009.

Работа посвящена изучению электродинамических характеристик квазиоптических диэлектрических резонаторов с локализацией микроволнового поля у проводящей плоскости и обоснованию возможности измерения поверхностного сопротивления тонких пленок ВТСП в миллиметровом диапазоне длин волн с использованием указанных резонаторов. С этой целью впервые экспериментально определены частотный спектр и энергетические характеристики КДР в форме полушара и усечённого конуса, выполненных из изотропного и анизотропного диэлектриков, с проводящей стенкой, вдоль которой распространяются моды шепчущей галереи. При этом характеристики конического КДР изучены в зависимости от угла наклона образующей конуса вплоть до угла 78. На основании измеренных спектральных характеристик КДР с локализацией поля у ТПС и сравнения их с расчетными данными проведена идентификация мод ШГ в исследуемых резонаторах. Установлено, что наибольший коэффициент включения ВТСП образцов может быть получен при использовании мод с Н поляризацией, что указывает на преимущество использования мод именно этой поляризации для измерения поверхностного импеданса сверхпроводников, так как она позволяет повысить чувствительность измерений. Решена задача разрежения спектров КДР при помощи изменения положения или материала возбуждающих волноводов. Показано, что при помощи контроля условий возбуждения КДР можно контролировать плотность его спектра и выборочно возбуждать моды с требуемыми полярным и азимутальным индексами. Впервые обоснована и экспериментально продемонстрирована возможность измерения индивидуальных значений ВТСП пленок в ходе одного цикла температурных измерений при помощи сапфирового КДР в форме полушара. Также показано, что сапфировый конический КДР при углах наклона образующей конуса может успешно использоваться для изучения ВТСП. Однако, конический сапфировый КДР может быть рекомендован для точных измерений лишь в диапазоне температур , так как при более низких температурах потери в диэлектрике и сверхпроводнике сравниваются с радиационными потерями в таком резонаторе. Анализ наиболее вероятной погрешности измерений с помощью полушарового КДР показал увеличение точности измерений образца ВТСП в раз при гелиевых температурах по сравнению с погрешностью метода, основанного на использовании цилиндрического КДР. Полученные результаты позволяют совершенствовать измерительную технику для определения микроволновых импедансных характеристик ВТСП пленок и ставить новые эксперименты в области фундаментальной физики сверхпроводимости, в том числе эксперименты по выяснению природы остаточного поверхностного сопротивления и выяснению волновой симметрии параметра порядка в новых сверхпроводниках. Применение новых резонаторов позволяет также почти в три раза сократить трудоёмкость и затратность криогенных измерений импедансных характеристик ВТСП по сравнению с методом на основе цилиндрического КДР.

Ключевые слова: высокотемпературные сверхпроводники, квазиоптические диэлектрические резонаторы, конический резонатор, миллиметровый диапазон длин волн, моды шепчущей галереи, поверхностное сопротивление, полушаровой резонатор, частотный спектр, энергетические характеристики.

ABSTRACT

Bunyaev S.A. Quasioptical dielectric resonators localizing the microwave field near the conducting plane. - Manuscript.

The thesis for candidate degree in physical and mathematical sciences, speciality 01.04.03 - radiophysics. - A. Usikov Institute for Radiophysics and Electronics NAS of Ukraine, Kharkiv, 2009.

The thesis devoted the electrodynamic characteristics of quasioptical dielectric resonators localizing the microwave field near a conducting plane, and the justification of the possibility of measuring the surface resistance of thin films of HTSC in the millimeter wavelength range using the mentioned resonators. To that end, for the first time the frequency spectrum and power characteristics of the QDR in the form of the hemisphere and a truncated cone, made of isotropic and anisotropic dielectrics, with a conducting wall, along which the whispering gallery modes spread, have been experimentally determined. An identification of WG modes in the investigated resonators has been carried out. It has been found that the highest sensitivity of measurement of HTS samples can be obtained using the modes with the H polarization. For the first time, the possibility of measuring individual values HTS films in the course of one cycle of temperature measurements using sapphire QDR in the form of the hemisphere has been substantiated and experimentally demonstrated.

Keywords: conical resonator, hemispherical resonator, high-temperature superconductors, frequency spectrum, millimeter wavelength range, quasioptical dielectric resonators, power characteristics, surface resistance, whispering gallery modes.

Размещено на Allbest.ru