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Microondas 3º ITT-ST

Tema 3: Dispositivos de microondas con ferritas

Pablo Luis López Espí

Microondas ITT-ST Tema 3

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Circ

uito

s de

mic

roon

das

con

ferr

itas

Circuitos de microondas con ferritas

Interacción de campos magnéticos y átomos.Momentos orbital y de spin.Tipos de materiales magnéticos.

Ferritas de microondas.Introducción histórica.Fabricación y tipos: granates, espinelas y ferritas hexagonales.Propagación de ondas en ferritas

Polarización transversal.Polarización longitudinal.

Aplicaciones de las ferritas en microondas.Dispositivos con ferritas

Girador.Aisladores de Rotación de Faraday, de resonancia y de desplazamiento de campo.DesfasadoresCirculadores de fase diferencial y de unión.


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Momentos orbitales y de spin

Cada electrón presenta un momento angular orbital y otro de spin que llevan asociados sus correspondientes momentos magnéticos.El giro de un electrón alrededor de su eje de spin da lugar a un momento magnético de spin, de magnitud igual al magnetrón de Bohr:

El spin da lugar a un momento cinético angular de magnitud s, con la misma dirección que el momento magnético, pero de sentido opuesto, por ser negativa la carga del electrón:

24· 9, 27·10 /4 e

e hm J Tmπ

−= =

355, 27·10 ·4hs J sπ

−= =


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Momentos orbitales y de spin (II)

La relación entre el momento magnético de spin y el momento dipolar es una constante llamada relación giromagnética:

Debido a la presencia de estos momentos magnéticos orbitales y de spin, cuando se aplica un campo magnético H a un material, aparece un campo magnético inducido, M, cuya relación con H es de la forma:

Con ello, el vector inducción magnética, B puede expresarse como:

111,759·10 /e

m e C Kgs m

γ = = =

HM ·χ=

( ) ( )HHMHB χµµµ +=+== 1· 00


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Materiales magnéticos (I)

Tipos de materiales magnéticos

Diamagnéticos: Sus momentos magnéticos netos orbitales y de spin son nulos:

Poseen un número par de electrones. La susceptibilidad magnética, χ toma valores negativos (del orden de 10-5).Entre este tipo de materiales se encuentran: cobre, plata, oro, silicio, etc.

Paramagnéticos: En átomos que poseen un número impar de electrones, predominan los efectos magnéticos asociados al momento de spin resultante.

La susceptibilidad χ es positiva (del orden de 10-3).


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Materiales magnéticos (II)

Tipos de materiales magnéticos

Ferromagnéticos: Existen materiales que, con un número impar de electrones, poseen fuerte interacción entre los momentos resultantes de spin de átomos próximos.

Ello crea una tendencia a la alineación de los momentos en cierta región o dominio (dominio de Weiss). La susceptibilidad χ es muy grande y positiva a temperatura ambiente (del orden de 10+4 o 10+5).


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Materiales magnéticos (III)

Tipos de materiales magnéticos:

Antiferromagnéticos y ferrimagnéticos: En otros cuerpos, también con número impar de electrones, la interacción entre los momentos de spin de átomos próximos, en ausencia de campo magnético, tiende a orientar la mitad de los momentos de spin en un sentido, y la otra mitad en sentido contrario; todo ello dentro de cada dominio de Weiss.

El momento magnético resultante tiende a anularse, pero solo se cancelarási la magnitud de los momentos antiparalelos es la misma, este es el caso de los materiales antiferromagnéticos.

En cambio, quedará una magnetización residual en el dominio, si dichas magnitudes son distintas: es el caso de los ferrimagnéticos.


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Materiales ferrimagnéticos

Su nombre común es ferritas.

El término ferrita proviene de la palabra latina ferrum cuyo significado es hierro.

Las ferritas son materiales óxidos magnéticos de baja conductividad eléctrica cuyo principal constituyente es el hierro y cuyos átomos forman una estructura cristalina que les dota de propiedades de anisotropía en su permeabilidad magnética.

Puede decirse que tienen alguna similitud con los ferromagnéticos, al poseer una magnetización neta en los dominios, M0 (magnetización de saturación) en ausencia de campo magnético, aunque debida a un mecanismo diferente.


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Materiales ferrimagnéticos (II)

Esta magnetización neta desaparece por encima de una temperatura crítica o punto de Curie (200 a 500 º C), a partir de la cual el material se comporta como paramagnético.

Si se aplica un campo externo de intensidad suficiente, los momentos magnéticos de los diferentes dominios se alinean y las paredes de Bloch se desplazan. Durante esta alineación, los spines de los electrones realizan un movimiento llamado de precesión alrededor del campo magnético aplicado. Cuando finaliza este movimiento, los dominios están orientados en la dirección del campo externo.


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Ferritas de microondas

Introducción histórica:El primer tipo de material magnético conocido por el hombre fue el mineral de magnetita Fe2O3. Su descubrimiento se atribuye a los antiguos griegos alrededor del año 800 A.C. En 1947, J.L. Snoeck publicó el libro “New Developments in Ferromagnetic Materials”. Los estudios realizados por Snoeck y otros en los Lab. Phillipsen Holanda.En 1948, L. Neel anunció su conocida contribución teórica al electromagnetismo. El estudio trata de la interacción entre los spines de los electrones que tiene lugar en las subredes magnéticas de las ferritas. B.D.H. Tellegen en los Lab. Philips realizó el análisis del girador en 1948 En 1949, Polder obtuvo el tensor de permeabilidad.En 1952, C. L. Hogan construyó en los Lab. Bell el primer dispositivo no recíprocoEl primer dispositivo comercial de ferrita fue el aislador de Uniline, comercializado en 1953.


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Ferritas de microondas (II)

Las ferritas de microondas son materiales cerámicos muy densos, de un color que varía desde el gris plata hasta el gris oscuro o negro, que poseen una estructura molecular policristalina. Las ferritas son materiales aislantes con fuertes propiedades magnéticas.

Existen dos tipos de ferritas llamadas ferritas blandas (soft) y ferritas duras (hard). Esta clasificación atiende a sus propiedades magnéticas: las ferritas blandas no quedan magnetizadas significativamente, mientras que la magnetización de las ferritas duras se considera permanente.


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Ferritas de microondas (III)

Fabricación de ferritas:

Las ferritas son compuestos de óxido férrico, cuya fórmula básica es (XO)m(Fe2O3)n, siendo X un ión, generalmente divalente, como: cadmio, cobalto, cobre, hierro, manganeso, magnesio, níquel, zinc o alguna tierra rara.

El proceso de producción de los materiales de ferrita comienza con la mezcla de las exactas proporciones de los materiales base.

Estos compuestos se mezclan (mezcla gruesa) y se muelen hasta que las partículas alcanzan un tamaño y una distribución determinados.


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Ferritas de microondas (IV)

Fabricación de ferritas:

Este polvo (mezcla fina) se introduce en un horno de alta temperatura (típicamente 1200º) en donde tienen lugar la mayoría de las reacciones químicas que dan lugar al material de ferrita final.

A esta mezcla se le da forma mediante compresión o extrusión.

El polvo de ferrita se coloca en otro horno para lograr su compactación final (entre 1300º y 1500º) y así se consigue el material duro final.

Posteriormente la ferrita se mecaniza, si es necesario, empleando fresado con ruedas de diamante y se refrigeran con líquido los puntos de contacto de la pieza.


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Ferritas de microondas (V)

Tipos de ferritas:Las ferritas se clasifican habitualmente en granates, espinelas y magnetoplumbitas. Las granates y espinelas tienen una estructura cristalina cúbica y resultan de gran aplicación entre 1 y 35 GHz. Las ferritas hexagonales se emplean como imanes permanentes o núcleos magnéticos blandos en baja frecuencia.Granates.

Reciben este nombre porque cristalizan como el granate (Ca3Fe2 (SiO4)3). El granate de Hierro e Itrio, YIG, (Y3Fe5O12) es el más conocido de la familia de los granates debido a su importancia como material para aplicaciones de microondas. El YIG puro posee una magnetización de saturación nominal (4πM-S) en el rango entre 1700 y 1800 Gauss y una temperatura de Curie de aproximadamente 280 ºC. Los diferentes valores de magnetización se realizan mediante sustituciones en el granate de hierro. El ciclo de histéresis que presentan los granates convencionales es razonablemente cuadrado con relaciones de inducción medida a residual de 0,85 a 0,90 y una pequeña fuerza coercitiva HC.


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Ferritas de microondas (VI)

Tipos de ferritas:Espinelas. Se llaman así porque cristalizan de la misma forma que la espinela (MgAl2O4).

La más conocida es la magnetita (FeO Fe2O3). Históricamente, el uso de las espinelas es anterior al de los granates. La principal ventaja del empleo de las espinelas es su mayor magnetización de saturación (hasta 5000 gauss) con respecto a los granates (hasta 1950 gauss). Existen tres tipos principales según sea el metal divelente: magnesio, níquel o litio. Las de litio y magnesio poseen ciclos de histéresis rectangulares.

Magnetoplumbitas o ferritas hexagonales. Cristalizan de la misma forma que la plumbita (Pb2Fe15Mn7AlTiO38).

Son imanes permanentes. Una diferencia particular en la fabricación de estas ferritas es la aplicación de un campo magnético durante el proceso de presión.


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Ferritas de microondas (VII)


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Ferritas de microondas (VIII)

Constantes físicas

100 - 5000Permeabilidad relativa

10-4Tangente de pérdidas

5 a 20Constante dieléctrica

10-4 Ω·mResistividad

5 g/cm3Densidad

0,015 cal/s·cm·ºCConductividad térmica

0,2 cal/g·ºCCalor específico

10-5 ºC-1Coeficiente de expansión lineal


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Granates


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Granates (II)


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Espinelas


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Espinelas (II)


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Propagación de ondas en ferritas

0 0dm m Hdt

γµ= − ×

Efectos de un campo magnético constante:

El dipolo magnético sigue un movimiento de precesión alrededor del vector H0. La ecuación vectorial anterior es la ecuación de la precesión de Larmor. El spin presenta un movimiento de precesión alrededor de la dirección del campo magnético.El vector m describe un cono alrededor

del campo magnético H0 (movimiento de precesión) aplicado con una pulsación ω0 (pulsación de Larmor).


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Propagación de ondas en ferritas (II)

La interacción del campo de RF dará lugar a un movimiento de precesión forzado de los momentos bipolares alrededor de H0 a la frecuencia del campo de RF aplicado. La relación entre B y H tiene carácter tensorial:

0 0 0

0 0M

HM

ω γµω γµ

==

( ) [ ]( ) [ ]0 0 1 ·B H M H Hµ µ χ µ= + = + =[ ]·b hµ=

0

00

0 0 1

jkjkµ

µ µ µ⎡ ⎤⎢ ⎥= −⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦

02 20

2 20

1

·

M

Mk

ω ωµω ω

ω ωω ω

= +−

=−


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Propagación de ondas en ferritas (III)

Campos con polarización circular:Polarización circular a derechas, al propagarse también estápolarizado circularmente y sigue las mismas variaciones del campo h. La permeabilidad magnética vale, en este caso:

Polarización circular a izquierdas, al propagarse el momento magnético tiene igualmente polarización circular a izquierdas y la permeabilidad magnética vale:

La interacción con la ferrita de un campo h depende del sentido de polarización.

00

1 mdchωµ µ

ω ω⎛ ⎞

= +⎜ ⎟−⎝ ⎠

00

1 mizqωµ µ

ω ω⎛ ⎞

= +⎜ ⎟+⎝ ⎠


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Propagación de ondas en ferritas (IV)

Propagación de ondas planas en ferritas magnetizadas longitudinalmente (Efecto Faraday):

Las ondas con polarización circular se propagan con diferentes constantes (β+ o β-) dependiendo del sentido de polarización. Consideremos una onda con polarización lineal como composición de dos ondas circularmente polarizadas:

( ) ( )00 2EE E x x jy x jy= = − + +⎡ ⎤⎣ ⎦


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Propagación de ondas en ferritas (V)

Al propagarse:

Se trata igualmente de una onda linealmente polarizada, pero su eje ha rotado al propagarse a lo largo del eje z un ángulo Φ:

20 cos sen2 2

j z

E E e x z y zβ β

β β β β+ −⎛ ⎞+ + − + −− ⎜ ⎟⎜ ⎟

⎝ ⎠⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞− −= −⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟

⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦

2y

x

Earctg z

Eβ β+ −⎛ ⎞−Φ = = −⎜ ⎟

⎝ ⎠


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Propagación de ondas en ferritas (VI)

Propagación de ondas planas en ferritas magnetizadas transversalmente:

Consideremos ahora la propagación en un medio de ferrita saturado con un campo de magnitud H0 orientado en la dirección x, transversal a la dirección de propagación (según el eje z). En este caso, el tensor de permeabilidad está dado por:

Dos soluciones (birrefringencia), llamadas ordinaria y extraordinaria dadas por:

[ ]0 0 0

00

jkjk

µµ µ

µ

⎡ ⎤⎢ ⎥= ⎢ ⎥⎢ ⎥−⎣ ⎦

0o

e e

β ω µ ε

β ω µ ε

=

=

2 2

ekµµ

µ−=


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Aplicaciones de las ferritas en RF

Clasificación de los dispositivos con ferritas:Dispositivos no recíprocos fuera de la frecuencia de resonancia

Es posible hallar valores de intensidad de campo estático de manera que las permeabilidades µ’+ y µ’- sean significativamente distintas y además en los que µ”+ y µ”- permanezcan muy bajos. Esta es la propiedad más ampliamente utilizada en el diseño de dispositivos no recíprocos.


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Aplicaciones de las ferritas en RF (II)

Dispositivos no recíprocos en resonancia:En esta situación el material se polariza con un campo H aproximadamente igual al valor de resonancia, y se emplea directamente la diferencia entre las pérdidas magnéticas para ambas direcciones de polarización de la onda electromagnética.

Dispositivos controlados electrónicamente:Tanto en el caso de los desfasadores variables como el en de loscirculadores tipo latch se emplea la variación de la permeabilidad como consecuencia de los cambios en la magnetización, esto es, en el ciclo de histéresis. Para asegurar el correcto funcionamiento de estos dispositivos, se requiere un campo coercitivo bajo y unciclo de histéresis muy rectangular.


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Girador

Un girador es un dispositivo de dos puertas con una diferencia de fase de 180º entre sus dos sentidos de transmisión.

Este dispositivo puede realizarse aprovechando la rotación de Faraday producida por una ferrita.

( )00 11 0

S Z⎡ ⎤

= ⎢ ⎥−⎣ ⎦

90º

90º

TE11

TE11

TE10 TE10

TE10TE10

90º

90º


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Aislador

El aislador es un dispositivo con muy bajas pérdidas de inserción (del orden de 0,5 dB) en una dirección (directa) y muy altas pérdidas (del orden de 20 dB) en la dirección opuesta.

Tipos principales:Aislador de Rotación de Faraday.Aislador de resonancia.Aislador de desplazamiento de campo.

Matriz S ideal:

0 01 0

S⎡ ⎤

= ⎢ ⎥⎣ ⎦


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Aislador de rotación de Faraday

Este aislador es similar al girador mencionado anteriormente, excepto en que tanto la torsión empleado como la rotación de la polarización producidas por la ferrita son de 45º. Además, el dispositivo posee unas láminas resistivas que absorben la componente del campo eléctrico paralela a la cara más ancha de la guía.

45º

45º

TE11

TE11

TE10 TE10

TE10

45º

45º


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Aislador de rotación de Faraday (II)


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Aislador de resonancia en guías de onda

Los aisladores de resonancia se construyen en guías rectangulares por las que se propaga en modo TE10. El campo magnético está polarizado circularmente en dos planos paralelos a la cara más estrecha de la guiaonda. En una dirección en sentido es horario y en la contraria es antihorario. La posición de estos planos depende de la frecuencia.


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Aislador de resonancia en guías de onda (II)

Los aisladores de resonancia se realizan colocando una tira de ferrita en un cierto punto de la guiaonda.

El aislador de resonancia emplea el fenómeno de la resonancia ferrimagnéticapara lograr la operación no recíproca.

En un sentido, la onda circularmente polarizada sufre una alta atenuación (alta µ+”) en resonancia, mientras que en el otro sentido la onda circularmente polarizada tiene baja atenuación (baja µ-“).


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Aislador de resonancia en guías de onda (III)

Las dos formas más comunes del aislador de resonancia son el aislador plano E y el plano H. La geometría plano E tiene la ventaja de requerir menos campo magnético de polarización.El aislador plano H se emplea normalmente en aplicaciones de alta potencia media, puesto que el calor generado en la ferrita puededisiparse de manera más eficiente en las paredes de la guiaonda.

H0 H0

x

y

z z

c c ∆St


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Aislador de resonancia en guías de onda (IV)

El diseño se optimiza para minimizar las pérdidas de inserción, aunque también puede optarse por maximizar la relación entre el aislamiento y las pérdidas de inserción. Las posiciones que consiguen el aislamiento máximo y pérdidas de inserción mínimas no son coincidentes.

Inconvenientes:No es posible obtener pérdidas de inserción nulas.El ancho de banda es relativamente estrecho, determinado principalmente por la anchura ∆H de la ferrita (~ 2%).La geometría no es muy adecuada en aplicaciones de alta potencia debido a la pobre transferencia de potencia desde el centro de la guía.

0

tg cckk xβ

= ±


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Aislador de resonancia en guías de onda (V)


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Aislador de desplazamiento de campo

El aislador de desplazamiento de campo también está construido en una guía rectangular por la que se propaga el modo TE10 e igualmente emplea los planos de polarización circular del campo magnético de RF.

La diferencia es que el campo de estático de polarización se ajusta a un valor mucho menor que el de resonancia.

Eyd d + δ

βrβd


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Aislador de desplazamiento de campo (II)

Se coloca una tira de ferrita en uno de los planos de polarización circular de los campos de RF.

En la cara interna de la tira se añade una capa resistiva. En la dirección directa el campo eléctrico en este plano es mínimo y por tanto, las perdidas de inserción son bajas. En la dirección opuesta el campo eléctrico es máximo y la energía se disipa en la lámina resistiva.

Con este diseño se consiguen buenos valores de aislamiento y anchos de banda en torno al 10% con un dispositivo relativamente compacto.

Eyd d + δ

βrβd


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Desfasadores

Un desfasador es un dispositivo que proporciona un desfase variable en una señal de microondas sin alterar el trayecto físico que recorre la señal. Los desfasadores pueden ser recíprocos o no recíprocos, remanentes (latch) o no remanentes (no-latch).Los desfasadores tipo latch emplean un camino magnético cerrado, de modo que el dispositivo opera al nivel de flujo remanente y no necesita una corriente de polarización (holding). En los tipos no-latch es necesario aplicar una corriente continua.

I0

MMsMr

-Mr


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Circuladores

Un circulador es un dispositivo pasivo de tres o más puertas donde la potencia se transfiere de una puerta a la siguiente en un orden preestablecido.

0 0 1 0 1 01 0 0 0 0 10 1 0 1 0 0

dch izqS S⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎢ ⎥ ⎢ ⎥= =⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦


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Circuladores de fase diferencial

Circulador con desfasadores no recíprocos.Este tipo de desfasadores se emplea en aplicaciones de alta potencia.La construcción es voluminosa, especialmente para altos valores de potencia continua (1,5 Mw a 500 MHz).


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Circuladores de fase diferencial (II)

Circulador con desfasadores no recíprocos.

-180

-90 -90

090

900

1 4

3 2


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Circuladores de rotación de Faraday

El circulador de rotación de Faraday está basado en la rotación del plano de polarización de una señal de RF a causa de la magnetización de la ferrita.La longitud de la ferrita se elige para conseguir una rotación de π/4 del plano de polarización.


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Circuladores de anillo

El circulador de anillo es un dispositivo que no se realiza en la práctica. Está formado por tres divisores o tres T y tres desfasadores no recíprocos.


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Circuladores de unión

El circulador de unión es la realización práctica más habitual de este tipo de dispositivos. Los circuladores de unión se han realizado empleando uniones plano E, Plano H, líneas stripline, striplinesuspendida, microstrip y finline.


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Circuladores de unión (II)

El funcionamiento de los circuladores de unión en línea microstrip es muy similar al de las líneas stripline aunque funcionan habitualmente con valores de campo magnético estático por debajo de la resonancia.Los circuladores de unión en guía de onda también operan por debajo de la resonancia.


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Circuladores de unión (III)

Configuraciones en T y en Y según la disposición de las guías de onda


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Algunas Referencias

http://www.mwdevices.com

http://www.raditek.com

http://www.mwdevices.com

http://www.rfcafe.com

http://www.channelmicrowave.com/

http://www.questmw.com/

http://www.dorado-intl.com

http://www.dmlmicrowave.co.uk/

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