RU2816558C1

RU2816558C1 - Method for precision matching of microstrip microwave line on section with measured sample for fmr characterization

Info

Publication number: RU2816558C1
Application number: RU2023109626A
Authority: RU
Inventors: Владимир Игоревич Белотелов; Петр Михайлович Ветошко; Юрий Михайлович Буньков; Алексей Николаевич Кузьмичев; Егор Игоревич Павлюк
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Совместное предприятие "Квантовые технологии" (ООО "СП "Квант")
Filing date: 2023-04-14
Publication date: 2024-04-02

Abstract

FIELD: measurement technology.

SUBSTANCE: invention relates to measurement of magnetic properties. Method for precision matching of a microstrip microwave line on a portion with a measured sample for FMR characterization consists in improving the reading of the ferromagnetic resonance characteristic of the samples using a coplanar waveguide structure, note here that in order to match wave impedance at plate location, plate thickness and microstrip line width vary so that to minimize coefficient of reflection from line.

EFFECT: improved matching of the measuring part of the line with the rest of the path and measuring instruments, which leads to obtaining more accurate parameters of the FMR of the sample.

1 cl

Description

Метод для прецизионного согласования микрополосковой СВЧ линии на участке с измеряемым образцом для ФМР характеризации относится к области измерения магнитных свойств и может быть использован для получения более точных параметров ферромагнитного резонанса образца, с помощью модернизации согласования измерительной части линии с остальным трактом и измерительными приборами.The method for precision matching of a microstrip microwave line in a section with a measured sample for FMR characterization relates to the field of measuring magnetic properties and can be used to obtain more accurate parameters of the ferromagnetic resonance of a sample by upgrading the matching of the measuring part of the line with the rest of the path and measuring instruments.

Наиболее близким к предлагаемому методу и принятым в качестве прототипа является планарная структура линии передачи для улучшения точности тестирования ширины линии ферромагнитного резонанса, представленная в заявке на изобретение CN113203351 А.The closest to the proposed method and adopted as a prototype is the planar transmission line structure to improve the accuracy of ferromagnetic resonance linewidth testing, presented in the application for invention CN113203351 A.

Недостатки наиболее близкого технического решения заключаются в отсутствии согласования на краях исследуемого образца, где, фактически соединяются две разные линии с различной эффективной диэлектрической проницаемостью. Это провоцирует искажения коэффициентов отражения и пропускания, также геометрия линии не согласуется должным образом с диэлектрической проницаемостью участка с образцом.The disadvantages of the closest technical solution are the lack of matching at the edges of the sample under study, where two different lines with different effective dielectric constants are actually connected. This provokes distortions in the reflection and transmittance coefficients, and the line geometry is not properly consistent with the dielectric constant of the sample area.

Целью предлагаемого метода является улучшение коэффициентов пропускания и отражения при измерении ФМР в образцах.The goal of the proposed method is to improve the transmittance and reflectance of FMR measurements in samples.

Техническим результатом является улучшение согласования измерительной части линии с остальным трактом и измерительными приборами, что приводит к получению более точных параметров ФМР образца.The technical result is an improvement in the coordination of the measuring part of the line with the rest of the path and measuring instruments, which leads to obtaining more accurate FMR parameters of the sample.

Технический результат достигается тем, что для согласования волнового сопротивления в месте расположения пластины происходит плавное изменение толщины пластины и ширины микрополосковой линии, таким образом, чтобы волновое сопротивление оставалось постоянным на всем участке.The technical result is achieved by the fact that to match the wave impedance at the location of the plate, there is a smooth change in the thickness of the plate and the width of the microstrip line, so that the wave impedance remains constant throughout the entire section.

Методика характеризации образцов с помощью ферромагнитного резонанса (ФМР) одна из самых распространенных. Предложенное решение позволяет более точно применять эту методику, при этом полосковый волновод легко изготавливается стандартными методами производства печатных плат. При накачке СВЧ сигнала в образец с помощью микрополосковой линии ее импеданс согласуют на 50 Ом. Однако, для образцов с большой диэлектрической проницаемостью на СВЧ диапазоне становится критичным дополнительное уточнение согласования линии в том месте, где находится образец. Несмотря на то, что в обычной линии основное поле сосредоточено между полоской и земляным слоем, то есть в диэлектрике печатной платы, материал с большой диэлектрической проницаемостью, такой как феррит-гранат, значительно может увеличить эффективную диэлектрическую проницаемость в системе. Это справедливо уже для образцов с характерным размером в несколько миллиметров. В данном методе предлагается изменить ширину линии под образцом для согласования на 50 Ом, при этом сделать этот переход плавным в виде конуса длиной 1 мм. Помимо этого необходимо, чтобы на участке перехода располагался край образца, который сточен в виде клина. Это позволяет оставить сопротивление линии неизменным, не создавая резких переходов в показателе диэлектрической проницаемости, которые провоцируют переотражения. Также образец предлагается поджимать к микрополосковой линии с помощью медной пластины, которая будет выступать в качестве земляного слоя на участке с образцом. Таким образом СВЧ поле фокусируется в области образца, для максимальной эффективности возбуждения магнитной системы и приема сигнала.The method of characterizing samples using ferromagnetic resonance (FMR) is one of the most common. The proposed solution allows for a more precise application of this technique, while the strip waveguide can be easily manufactured using standard printed circuit board manufacturing methods. When pumping a microwave signal into a sample using a microstrip line, its impedance is matched to 50 Ohms. However, for samples with high dielectric constant in the microwave range, additional refinement of the line matching in the place where the sample is located becomes critical. Although in a conventional line the main field is concentrated between the strip and the ground layer, that is, in the dielectric of the printed circuit board, a material with a large dielectric constant, such as ferrite garnet, can significantly increase the effective dielectric constant in the system. This is already true for samples with a characteristic size of several millimeters. In this method, it is proposed to change the width of the line under the matching sample to 50 Ohms, while making this transition smooth in the form of a cone 1 mm long. In addition, it is necessary that in the transition area there is an edge of the sample, which is ground off in the form of a wedge. This allows you to leave the line resistance unchanged without creating sharp transitions in the dielectric constant, which provoke reflections. It is also proposed to press the sample to the microstrip line using a copper plate, which will act as a ground layer in the area with the sample. Thus, the microwave field is focused in the sample area for maximum efficiency of excitation of the magnetic system and signal reception.

Моделирование линии передачи опиралось на S-параметры, то есть с помощью изменения геометрии модели определялись параметры четырехполюсника. Эти параметры являются универсальными для анализа любых СВЧ цепей. Такую цепь можно анализировать, измеряя падающую и отраженную волны на ее входах/выходах. Связь между этими волнами описывается волновой матрицей рассеяния или матрицей S-параметров, которые зависят от частоты. Основными из этих параметров являются S11 и S21. Параметр S11/S22 ("reflection coefficient") характеризует коэффициент отражения волны от входа СВЧ устройства и равен отношению комплексной величины отраженной волны к комплексной величине падающей. Параметр S21/S12 ("transmission coefficient") - это отношение комплексной величины волны на выходе устройства к комплексной величине волны на входе. Ощутимый вклад в изменение S-параметров вносит диэлектрическая проницаемость ε_r, причем как ε_r диэлектрика платы, так и ε_r образца, в нашем случае в качестве образца используется пленка железо-иттриевого граната (ЖИГ).The transmission line modeling was based on S-parameters, that is, by changing the geometry of the model, the parameters of the quadripole were determined. These parameters are universal for analyzing any microwave circuits. Such a circuit can be analyzed by measuring the incident and reflected waves at its inputs/outputs. The connection between these waves is described by a wave scattering matrix or a matrix of S-parameters, which depend on frequency. The main ones of these parameters are S11 and S21. Parameter S11/S22 (“reflection coefficient”) characterizes the wave reflection coefficient from the input of the microwave device and is equal to the ratio of the complex value of the reflected wave to the complex value of the incident wave. Parameter S21/S12 ("transmission coefficient") is the ratio of the complex value of the wave at the output of the device to the complex value of the wave at the input. A significant contribution to the change in S-parameters is made by the dielectric constant ε_r, both ε_r of the dielectric of the board and ε_r of the sample; in our case, a yttrium iron garnet (YIG) film is used as a sample.

Образцы могут быть с достаточно большим ε_r. Типичное значение для печатной платы ε_r=4, при том, что ε_r ЖИГа в 3 раза больше. Следовательно, диэлектрическую проницаемость образца следует учитывать, когда размер образца достигает нескольких миллиметров.Samples may have a sufficiently large ε_r. A typical value for a printed circuit board is ε_r=4, despite the fact that ε_r of YIG is 3 times larger. Therefore, the dielectric constant of the sample should be taken into account when the sample size reaches several millimeters.

Таким образом, на конфигурации с плавным переходом края образца скошены, и сам волновод сужается не резко, а через конус (клин), поэтому параметр отражения уменьшился до -40dB, а параметр поглощения увеличился до -0.02dB. Предложенный подход к модернизации сопряжения эпитаксиальных феррит-гранатовых структур с полосковыми волноводами позволяет увеличить поглощение сигнала, минимизировать его отражение и устранить переотражение, согласует импеданс и очищает измерения.Thus, in a configuration with a smooth transition, the edges of the sample are beveled, and the waveguide itself does not narrow sharply, but through a cone (wedge), so the reflection parameter decreased to -40dB, and the absorption parameter increased to -0.02dB. The proposed approach to upgrading the coupling of epitaxial ferrite garnet structures with strip waveguides makes it possible to increase signal absorption, minimize its reflection and eliminate re-reflection, match impedance and clean up measurements.

Claims

A method for precision matching of a microstrip microwave line in the area with a measured sample for FMR characterization, which consists in improving the reading of the ferromagnetic resonance characteristics of samples using a coplanar waveguide structure, characterized in that to match the wave impedance at the location of the plate, a smooth change in the thickness of the plate and the width of the microstrip occurs lines in such a way as to minimize the reflection coefficient from the line.