Определение комплексного коэффициента отражения интерференционным методом с использованием двух электрических зондов

Abstract

Измерения комплексного коэффициента отражения широко применяются для контроля различных параметров материалов. Целью данной статьи является разработка методики измерения комплексного коэффициента отражения с использованием двух электрических зондов. Получено биквадратное уравнение, связывающее модуль комплексного коэффициента отражения с токами соединенных с зондами полупроводниковых детекторов. Показано, что в случае, когда найденная из измеренных токов детекторов неразвернутая фаза лежит в первом, втором или четвертом квадранте, модуль комплексного коэффициента отражения однозначно определяется из этого уравнения как его меньший положительный корень. Фаза комплексного коэффициента отражения определяется из двух квадратурных сигналов, которые легко находятся из токов полупроводниковых детекторов при известном модуле коэффициента отражения. Для проведения измерений комплексного коэффициента отражения в диапазоне частот межзондовое расстояние удобно выбрать равным одной восьмой длины волны электромагнитного излучения в волноводе при максимальной частоте. Показано, что для минимизации погрешности определения модуля и фазы комплексного коэффициента отражения, связанной с погрешностью установки межзондового расстояния, измерения следует проводить в положении образца, соответствующем маскимуму тока детектора, соединенным с ближним к образцу зондом. По сравнению с трехзондовыми измерениями предложенная методика позволяет упростить конструкцию измерительной волноводной секции, упростить процесс ее изготовления и ослабить паразитный эффект переотражений между зондами.

Вимірювання комплексного коефіцієнта відбиття широко використовуються для контролю різноманітних параметрів матеріалів. Метою цієї статті є розробка методики вимірювання комплексного коефіцієнта відбиття з використанням двох електричних зондів. Одержано біквадратне рівняння, що пов’язує модуль комплексного коефіцієнта відбиття зі струмами напівпровідникових детекторів, з’єднаних із зондами. Показано, що у випадку, коли знайдена із струмів детекторів нерозгорнута фаза лежить в першому, другому або четвертому квадранті, модуль комплексного коефіцієнта відбиття однозначно визначається з цього рівняння як його менший додатний корінь. Фаза комплексного коефіцієнта відбиття визначається з двох квадратурних сигналів, які легко знаходяться зі струмів напівпровідникових детекторів при відомому модулі коефіцієнта відбиття. Для проведення вимірювань комплексного коефіцієнта відбиття в діапазоні частот міжзондову відстань зручно обрати рівною одній восьмій довжини хвилі електромагнітного випромінювання в хвилеводі при максимальній частоті. Показано, що для мінімізації похибки визначення модуля і фази комплексного коефіцієнта відбиття, що пов’язана з похибкою установки міжзондової відстані, вимірювання слід проводити у положенні зразка, яке відповідає максимуму струму детектора, з’єднаного з ближчим до зразка зондом. У порівнянні з тризондовими вимірюваннями запропонована методика дозволяє спростити конструкцію вимірювальної хвилевідної секції, спростити процес її виготовлення і зменшити паразитний ефект перевідбиттів між зондами.

Complex reflection coefficient measurements are widely used in materials characterization. The aim of this paper is to develop a technique for complex reflection coefficient measurement using two electrical probes. A biquadratic equation that relates the complex reflection coefficient magnitude to the currents of the semiconductor detectors connected to the probes is derived. In the case where the wrapped phase found from the detector currents lies in the first, second, or fourth quadrant, the complex reflection coefficient magnitude is unambiguously determined from that equation as its smaller positive root. The complex reflection coefficient phase is determined from two quadrature signals, which are easy to find from the semiconductor detector currents once the complex reflection coefficient magnitude is known. To measure the complex reflection coefficient over a frequency range, it is convenient that the interprobe distance be equal to one eighth of the guided operating wavelength at the maximum frequency. It is shown that the complex reflection coefficient and phase determination error caused by the interprobe distance error can be minimized if the specimen is placed in the waveguide section so that the current of the detector connected to the nearer-to-specimen probe is a maximum. In comparison with three-probe measurements, the proposed technique simplifies the design of the measuring waveguide section and the process of its manufacturing and alleviates the parasitic effect of multiple reflections between the probes.