微波近场扫描中探针设计与仿真研究

发布时间：2020-06-11 15:42

【摘要】：近场微波显微技术,即微波信号通过探针传输到待测样品,使探针与待测样品之间相互作用,得到的微波信号再通过探针返回给测试仪器。整个过程中,微波探针相当于仪器与待测样品间的一个宽带匹配传输线。从上述描述可知,近场微波显微技术的核心有两点:第一是探针与待测样品间的相互作用;第二是微波探针在整个测量系统中的重要性,因此设计微波探针成为一项重要的工作。本文从准静态理论的研究出发,介绍镜像电荷法中的两种具体方法:球面镜像法和介质平面镜像法,为后面分析近场等效模型提供了理论基础。在准静态理论的基础上,使用镜像电荷法来分析近场等效模型的电场分布,分为针尖-样品软接触和针尖-样品有间距两种情况,最后通过MATLAB仿真可得出近场内的电场衰减非常迅速的结论,且样品中的电势相比较于空气中的电势要小很多。针对电磁场的问题,通过理论推导结合仿真分析,可得出准静态理论适用于近场。分析近场同轴探针的理论基础,包括同轴探针的设计原则。研究整个测量系统的测量原理,介绍其测量方法,确定同轴线的50欧姆特性阻抗。对同轴探针进行建模,分析探针与样品相互作用的等效模型,确定针尖与样品相互作用的等效电容,以及等效电容与反射系数之间的关系,从而将样品的电学特性参数与反射系数之间建立联系。改变同轴探针的参数变量,通过仿真分析反射系数的变化情况,以及对样品介电常数的影响,得出结论:(1)底衬的厚度与法兰盘的大小对测量结果影响很小;(2)当样品厚度小于2.5mm时,样品具有不稳定性。对于有效介电常数,对比其理论计算结果与仿真结果,得出结论:当样品厚度大于2.5mm时,有效介电常数的理论计算结果与仿真结果基本吻合,最大误差不超过6%。研究共面波导探针的设计理论,包括结构、优缺点、传播模式等。设计新型共面波导,确定其尺寸大小。对此探针进行建模仿真,对比新型探针的电磁场线分布和传统共面波导的场线分布,验证新型共面波导探针的正确性,通过分析回波损耗确定新型探针的可行性。在近场微波显微术中,使用这个新型探针来测量微带线,分析测量结果,包括回波损耗和近场内的电磁场分布,在频率为3GHz时,测量微带线的有效介电常数,比较其测量结果与理论值,得出结论:在频率为3GHz时,微带线有效介电常数的测量值与理论值基本吻合,故验证了新型探针的性能。
【图文】：

第二章 基于准静态理论的近场分析21图2.6 镜像电荷法分析近场等效模型2.3.1 针尖与样品软接触时的近场等效针尖与样品软接触，即针尖与样品的间距 g=0 时，选择介电常数为 的均匀介质材料，将探针的针尖等效为小的金属微球，放于介电常数为0 的空气中，等效模型如图 2.7 所示：图2.7 软接触时金属微球与介质平面的相互作用使用球心处的点电荷1q 代替整个金属导体球，金属微球与介质平面相互作用形成感应电荷，，使用像电荷'1q 来代替这个感应电荷，则点电荷与像电荷的相互作用会形成一个新的感应电荷''1q 。此处的 、 、 相当于介质平面镜像法中的 q 、'q 、''q

的空气中，等效模型如图 2.7 所示：图2.7 软接触时金属微球与介质平面的相互作用使用球心处的点电荷1q 代替整个金属导体球，金属微球与介质平面相互作用形成感应电荷，使用像电荷'1q 来代替这个感应电荷，则点电荷与像电荷的相互作用会形成一个新的感应电荷''1q 。此处的 、 、 相当于介质平面镜像法中的 q 、'q 、''q ，则可以根据介质平面镜像法得到镜像电荷的带电量与位置1q q(2-37)010q' q (2-38)1 102q'' q (2-39)
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN454

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本文编号：2708117