Delist.ru

Микрополосковые резонаторы и их применение для исследований диэлектрических свойств жидких кристаллов (07.09.2007)

Автор: Дрокин Николай Александрович

Развита концепция создания перестраиваемых по частоте миниатюрных, высокочувствительных СВЧ-микрополосковых резонансных датчиков для измерения диэлектрической проницаемости ЖК и других веществ. Преимущества таких датчиков по сравнению с традиционными коаксиальными или волноводными резонаторами определяются простотой их изготовления, а их миниатюрность и высокая чувствительность ((((( = 10-2 ? 10-3) позволяет работать с малым объемом ЖК (минимальный объем ( 5(5(0,1 мм3).

Указаны пути видоизменения функциональных возможностей микрополосковых датчиков и способов включения сосредоточенных емкостных и индуктивных элементов в микрополосковый контур, на собственных резонансных частотах которого проводятся диэлектрические измерения.

Для непрерывных во времени измерений электрополевых, температурных и других зависимостей диэлектрической проницаемости веществ, предложена и реализована конструкция автогенераторного датчика на основе кольцевого микрополоскового резонатора.

Теоретически рассчитаны и изготовлены измерительные устройства на основе нерегулярных микрополосковых резонаторов. Основным достоинством таких датчиков является более высокая чувствительность((((( = 10-3 ? 10-4) и возможность одновременно измерять как малые, так и большие значения диэлектрических констант (( = 2 ? 80).

Предложены датчики для диэлектрических измерений веществ с помощью многомодовых микрополосковых резонаторов в диапазоне частот 3 ? 9 ГГц. Перекрыть такой широкий диапазон частот оказалось возможным благодаря применению индуктивно-емкостной связи резонатора с внешними линиями передач.

Определены времена релаксации ряда жидких кристаллов из серии алкилцианобифенилов и установлена их связь с химической структурой жесткого остова молекул, длиной подвижных алкильных групп, величиной и знаком диэлектрической анизотропии и типом жидкокристаллического упорядочения.

В работе показано, что наилучшим образом диэлектрические спектры ЖК могут быть описаны интегральным уравнением Дебая с заданной ФРВР.

Разработаны численные алгоритмы, позволяющие восстанавливать спектр времен релаксации непосредственно из экспериментально измеренных частотных зависимостей действительной и мнимой компонент диэлектрической проницаемости ЖК. Это позволило идентифицировать времена релаксации вращательных движений молекул как целого и выявить область внутримолекулярных процессов релаксации.

Разработаны специальные микрополосковые резонаторы и методы для определения диэлектрической проницаемости биополимеров, композитных материалов и пористых сред, заполненных ЖК. Показано, что температурные, концентрационные и другие зависимости диэлектрической проницаемости растворов биополимеров с неполярными растворителями связаны с особенностями индуцированной поляризации макромолекул за счет изгиба цепей.

Практическая значимость работы.

Предложенные в диссертации конструкции микрополосковых устройств для измерений ДП жидких кристаллов и других веществ существенно расширяют арсенал основных методов исследования материалов и способствуют развитию диэлектрических измерений в наиболее трудном для эксперимента дециметровом диапазоне длин волн. Основные результаты работы следующие:

Разработаны высокочувствительные микрополосковые датчики для измерения комплексной диэлектрической проницаемости ЖК, которые позволяют проводить электрополевые, температурные, частотные, релаксационные и другие исследования малых объемов (( 5(5(0,1 мм3) жидкокристаллических и других веществ, что весьма существенно при разработке и тестировании новых дорогостоящих материалов.

Найдены интересные для практики новые схемотехнические решения для увеличения чувствительности измерительных микрополосковых устройств и способы перестройки их собственных резонансных частот.

Практическое значение работы состоит, прежде всего, в показанных преимуществах микрополосковых устройств по сравнению с коаксиальными и волноводными конструкциями. Микрополосковые резонансные системы отличаются: а) повышенной степенью интеграции, компактностью, технологичностью, удобством работы и надежностью б) возможностью размещаться в миниатюрных термостатах и в узких зазорах, например электромагнита, необходимого для получения заданной ориентации молекул относительно СВЧ-электрического поля в) хорошими функциональными возможностями за счет создания гибридных коаксиально - микрополосковых систем с сосредоточенными и распределенными элементами г) простотой и удобством создания автогенераторных измерительных устройств.

Проведены демонстрационные измерения диэлектрических спектров ряда ЖК и показано их соответствие с некоторыми ранее измеренными спектрами. Подтверждены и детально исследованы наблюдаемые в диэлектрических спектрах особенности в области частот ( 300 МГц и выше. Продемонстрирована возможность применения микрополосковой техники для изучения биополимеров и пористых сред.

Созданы практические методы, алгоритмы и тексты компьютерных программ для анализа «размытых» диэлектрических спектров веществ. Определены характерные ФРВР для ряда ЖК и показана перспективность такого аналитического подхода к изучению процессов релаксации и молекулярной динамики веществ.

Достоверность результатов.

Сопоставление полученных в данной работе диэлектрических спектров некоторых ЖК с ранее измеренными значениями ДП на отдельных частотах СВЧ-диапазона, показало их хорошее совпадение. Это дает основание рекомендовать использование предложенных микрополосковых датчиков для исследовательских целей. Достоверность получаемых результатов подтверждается также и тем, что при частотных измерениях ДП жидких кристаллов микрополосковыми датчиками были выявлены и исследованы даже слабо выраженные особенности резонансного типа в области дисперсии вблизи частоты ( 300 МГц и выше. О таких особенностях сообщалось, например, при измерениях диэлектрической дисперсии ЖК с помощью время-импульсной спектроскопии. Такой же уровень достоверности существует и для численных методов определения времен релаксации. В частности, получаемые величины времен ориентационной релаксации молекул не противоречат более ранним результатам исследований и существующим теоретическим представлениям о механизмах диэлектрической релаксации ЖК.

Научные положения выдвигаемые на защиту.

Схемотехнические решения микрополосковых устройств для диэлькометрических измерений ЖК, позволяющие учитывать их специфику и определять диэлектрические характеристики однородно упорядоченных жидкокристаллических мезофаз с точностью не хуже (((( = ( 0,005, а тангенс угла диэлектрических потерь ( 0,01.

Способы дискретной и непрерывной перестройки частоты измерительных датчиков с малым шагом (( 20 – 50 Мгц) в диапазоне частот от 50 до 1500 МГц с помощью сменных микрополосковых вставок, а также сосредоточенных индуктивных и емкостных элементов, в том числе и варакторов.

Новые концепции создания измерительных датчиков на основе нерегулярных микрополосковых резонаторов с неэквидистантным спектром собственных резонансных частот для повышения чувствительности датчиков и возможности измерять как малые (((2 ? 3), так и большие (((20??80) величины диэлектрической проницаемости.

Автогенераторную схему диэлькометрического датчика на основе кольцевого микрополоскового резонатора и возможности её применения для решения широкого круга исследовательских задач.

Существование мелкомасштабных осцилляций резонансного типа вблизи 300 МГц, которые накладываются на релаксационную область дисперсии. Установлено их влияние на эффект смены знака диэлектрической анизотропии в области релаксации.

Методику и алгоритмы определения важнейшей диэлектрической характеристики исследуемых образцов – функции распределения времени релаксации непосредственно из эксперимента. Впервые получен немонотонный вид ФРВР, максимумы которой указывают на существование характерных для исследуемых ЖК релаксационных процессов.

Результаты анализа влияния изменений в молекулярной структуре жесткого остова молекул, а также изменения длины подвижных алкильных групп на времена релаксации и вид ФРВР для продольной и перпендикулярной компоненты диэлектрической проницаемости.

Установленная закономерность того, что размытие дисперсионного спектра перпендикулярной компоненты ЖК с короткими «хвостовыми» метиленовыми группами (число атомов углерода n = 3) обусловлено двумя или тремя независимыми временами релаксации. Для жидкокристаллических соединений с более длинными алкильными группами диэлектрический спектр должен описываться с помощью ФРВР.

Методические разработки: калибровка датчиков, двухчастотные методы измерений времени дебаевской релаксации, метод диэлектрических измерений на частоте полюса затухания, способы измерений диэлектрической проницаемости пористых матриц с ЖК, методы и алгоритмы для численного анализа диэлектрических спектров.

Реализация результатов работы.

Создан комплекс высокочувствительных диэлектрометрических устройств на основе микрополосковых резонаторов, работающий в широком диапазоне частот от 50 до 9000 МГц. Результаты диссертационной работы нашли практическое применение для измерений диэлектрических характеристик жидкокристаллических материалов, используемых при создании СВЧ устройств в рамках научно-исследовательских и прикладных программ (научно-исследовательская программа 2.1.2.3  фотоннокристаллические материалы и устройства для оптоэлектроники, СВЧ-техники и нанофотоники).

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждались на следующих конференциях «Спутниковые системы связи и навигации» (Красноярск 1998.), Всероссийская научно – практическая конференция «Решетневские чтения» (Красноярск, 1998г.), Всероссийской с международным участием конференции «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 1998г.), International conference on Actual problems of electronic instrument engineering proceedings, (Novosibirsk, 1999). XIII Conference on Liquid Crystals (Krynica, Poland, 1999г.). 18th International Liquid Crystal Conference (Sendai, Japan, 2000). 6th European Conference on Liquid Crystals, (Halle, Germany, 2001). International Conference “Functional Materials”, (Crimea, Ukraine, 2001). Международная конференция «Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных сред», (Барнаул, 2001). Conference on Liquid Crystals (Zakopane, Poland, 2001, 2003). Всероссийская. конференция. молодых. ученых и студентов посвященной 110-й г. дня Радио) Красноярск-2005. Междунаpодная конфеpенция «Актуальные пpоблемы электpонного пpибоpостpоения» (Новосибирск, АПЭП-1998, 2002, 2004, 2006) . Междунаpодная конфеpенция «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии», (Севастополь, 1998, 1999, 2000, 2001, 2003, 2005, 2006, 2007), приглашенный доклад на Международную научно-практическую конференцию «Актуальные проблемы радиофизики». (Четвертые ставеровские чтения). Красноярск. 2006. (Томск 2006), Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Крым, Алушта. Украина 2006), Труды Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. (2006. Красноярск).

Публикации.

Всего автором опубликовано 123 печатных работ. Основные результаты диссертации изложены в 55 работах, 25 из которых опубликованы в центральных и зарубежных журналах (ЖТФ, Письма в ЖЭТФ, ФТТ, Доклады АН, Mol.Crystal Liquid Crystal). Получено авторское свидетельство на полезную модель и два патента России на изобретения.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 304 страницах машинописного текста, иллюстрирована 123 рисунками, содержит 5 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 263 наименований на 27 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель исследований, показана научная новизна, практическая значимость и достоверность результатов. Перечислены основные положения, выдвигаемые на защиту, приведены сведения об апробации материалов диссертации.

Первая глава содержит обзор известных на сегодняшний день схем и устройств на основе микрополосковых линий передач для измерений электромагнитных свойств материалов в области сверхвысоких частот. В обзор включен раздел, посвященный объектам исследований, а именно: описана структура и физические свойства исследуемых жидких кристаллов, Рассмотрены особенности жидкокристаллического упорядочения мезофаз и природа диэлектрической анизотропии. Приведены необходимые сведения о диэлектрических характеристиках ЖК и способах анализа и интерпретации получаемых экспериментально диэлектрических спектров.

В начале главы выделены проблемы, с которыми сталкиваются исследователи диэлектрических свойств веществ. В первую очередь, это наличие «неудобных» участков частотного диапазона на стыке метрового и дециметрового диапазона длин волн (0,1 ? 1(ГГц). Одним из возможных путей освоения этого диапазона является создание измерительных устройств на основе микрополосковых структур [1, 2].

В обзорной главе обсуждается и такая важнейшая задача диэлькометрии, как применение подходящих методов для анализа диэлектрических спектров с целью определения взаимосвязи макроскопически измеряемых характеристик с характерными временами релаксации молекул и внутримолекулярных фрагментов. Важно отметить, что на данном этапе многие диэлектрические свойства жидких кристаллов объясняются в рамках теории Дебая [3], которая для ЖК видоизменена с учетом анизотропии поляризуемости молекул и упорядочения мезофаз [4, 5]. Однако при измерениях ДП зачастую приходится сталкиваться с сильным «размытием» диэлектрического спектра, которое затрудняет определение характерных времен релаксации [6]. В связи с этим представляет интерес подход, связанный с анализом таких спектров с помощью функции распределения времен релаксации (ФРВР) [7, 8].

загрузка...