微波频段下铁磁共振在T型微带共振腔之研究.pptVIP

微波工程期中報告論文研討:金俊德“ 微波頻段下鐵磁共振在Ｔ型微帶共振腔之研究 ”, 論文集92 年 6 月 報告人: 碩研電子一甲 MA030120 蔡沛修 摘要 本實驗將“鐵磁共振”與“T型共振腔”兩種效應做在同一個樣品上。並將此樣品做成微帶線的形式在微波頻段和外加磁場之下做測量。而為了分析樣品的行為，我們也建立了此樣品的等效電路模型。此電路模型和樣品的量測結果有兩個一致性的現象，顯示出等效電路模型的正確性。在材料方面可分為四層，銅(訊號層)、鈷(訊號層)、氧化鋁(基板)和銅(接地面)等。 根據電路模型我們可以求出磁性材料的飽合磁化強度、異向性磁場、鐵磁共振頻率、鐵磁共振Q值和Landau-Lifshitz方程式中鐵磁共振的進動損耗量。另外還有銅-鈷薄膜的損耗。 微帶線之結構 一般在傳輸電磁波的方法上有使用同軸電纜、波導管、微帶線等。在傳輸的模態上同軸電纜為橫向電磁波模式(TEM Mode)、波導管為橫向電場模式(TE Mode)或橫向磁場模式(TM Mode)。而微帶線因為結構的因素，如圖1-1，使得電磁波在空氣和基板都有，如圖1-2。因而傳輸的模態是TE和TM Mode都有，稱為類模電磁波模式(Quasi-TEM Mode)。三種傳輸方法中以微帶線的損耗最大，不過由於它易於與積體電路做在一起所以有價格低、體積小的優勢。 微帶線之結構 如圖1-1的微帶線結構中，帶狀金屬層在本實驗中是使用銅(Copper)和鈷(Cobalt)，介電層則是使用剛玉(Sapphire)。由於剛玉的介電係數具有方向性如圖1-3所示。所以為了方便日後的計算必須將非等向介電係數轉換為等效等向介電係數。 特性阻抗 在微波系統的特性阻抗(Characteristic Impedance)Z0方面。由於最早用來傳輸微波的方式大都是使用同軸電纜，因為其傳輸的模態為TEM Mode。所以有人就針對同軸電纜在不同的特性阻抗下對功率承戴和功率衰減做了研究，如圖1-4。發現當特性阻抗為30 ohms時可以承戴最大功率。而當特性阻抗為77 ohms時則功率衰減最小。所以為了平衡這兩個特性就取50 ohms當作同軸電纜的特性阻抗。在大部份的微波系統中也就採用了50 ohms當做特性阻抗以達成阻抗匹配。 特性阻抗 在圖1-5中，不同線寬的微帶線會有不同的有效介電係數εreff。當極寬時εreff = εreq，因為微帶線幾乎覆蓋了整個基板，所以電場幾乎都分佈在介電層。當極窄時εreff = (εreq + 1 ) / 2，表示電場的分佈是空氣和介電層各一半，其中空氣的介電係數是1。而公式(1.2)和公式(1.3)是利用εreq來求取w/h。公式(1.4)則是利用εreq來求取εreff。 微帶線的頻散效應 當微帶線的訊號頻率上升兩倍，而相位常數 (β=2π/λ) 並未上升剛好兩倍時，此為頻散效應所致，且在頻率高時較易見到。頻散效應起因於微帶線傳輸的並非TEM Mode。因此我們定義εreff (f)來解釋這個效應。當頻率為零時，εreff (0) =εreff。當頻率很高時，εreff (∞) =εreq。因為頻率很高波長就很短，即使很窄的微帶線對微波訊號來說也像是很寬一樣。 而頻散效應的公式從1971年起就有人在研究。而我們將使用由Kobayashi在1988年所推導出的公式(1.5)[2]。而εreff (f)對頻率作圖如圖1-6所示，隨著頻率增加εreff (f)也增加。 氧化鋁(Sapphire)基板的頻散效應 微帶線的Open-End效應 Open-End效應的示應圖如圖1-7所示。微帶線在某一個開路的終端，由於電力線在此處會有彎曲的分佈，而增加了分析的複雜度。為了方便方析，所以此處可以等效出一段假想的微帶線leo且其電力線垂直向下，無橫向分量。 Ｔ型共振腔 Ｔ型共振腔的圖形結構如圖1-8所示。微波訊號由Port 1輸入，Port 2輸出。在經過分支點時只要波長符合四分之波長的奇數倍的訊號就會在支線形成共振腔而有最大的 吸收，以至傳輸至Port 2的訊號會最少，使S21有一峰值。因為無損傳輸線的輸入阻抗為公式(1.13)。其中β=π/2，ZL=∞。 Ｔ型共振腔 Zin為分支點往支線所等效的輸入阻抗，如圖1-9所示 Z0為特性阻抗，本實驗中為50 ohms。ZL為分支的負戴，在此為開路(Open)。 當l = nλ/4，其中n=1,3,5,7,……..時， 所以這些波長的訊號就會在分支形成共振腔使得由Port 2 輸出的訊號最少。 Ｔ型共振腔 以上是針對理論做分析。實際上則會有兩個不一樣的地方。第一，因為Ｔ型共振腔的支線部份有Open-End效應，所