5A Giornata Nazionale di Studio sull’Ingegneria delle Microonde
Numana (Ancona), 1-2 Giugno 1998
Dispositivi ad Onda Magnetostatica per possibili
applicazioni spaziali
Romolo Marcelli
Consiglio Nazionale delle Ricerche
Progetto Sensori e Microsistemi
M2TMicrowave
Microsystem Technology
Microwave Microsystem Technology
2
Unità del progetto ASI
PSM-M2T (in collaborazione con Alenia dal II anno):
Romolo Marcelli, Paolo De Gasperis, Claudio Risi, Claudia Fraiegari, Giovanni Petrocco, Leonardo
Scopa, Silvia Presello, Franca Rossi
Università di Palermo, Dipartimento di Energetica ed Applicazioni della
Fisica:
Rosario Mantegna
Università di Roma “Tor Vergata”, Dipartimento di Ingegneria Elettronica:
Giancarlo Bartolucci, Ernesto Andreta
Sincrotrone Engineering, Trieste (SETRI):
Bruno Gasperetti, Daniele Protti
Microwave Microsystem Technology
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Obiettivi del progetto e risultati precedenti
Realizzazione di filtri ed oscillatori con rete di feedback a film
magnetico, accordabili in frequenza per applicazioni fino a 20 GHz
Estensione di altri progetti per applicazioni sul trattamento del
segnale in regime lineare e nonlineare mediante linee di ritardo a
film magneticoFattibilità sciolta sui risuonatori
(Progetto Asi 1993-1995) Progettazione realizzazione e test di un oscillatore in corso (Progetto ASI
1997-1999)
Microwave Microsystem Technology
4
Generalità sui dispositivi ad onda magnetostatica - 1
t
d
ch
1
(CGS)
ec
hk 1
t
b
ce
1 h
cek 1
Equazioni di Maxwell semplificate
12 c
Irrotazionalità del campo magnetico
0 h
Numeri d’onda eccitati k=30-150 cm-1
Microwave Microsystem Technology
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Generalità sui dispositivi ad onda magnetostatica - 2
)(0 HMt
M
tjehHtrH 0),(
Sistema linearizzato
Onde dirette
tjemMtrM 0),(
00 HM
hj
jhm
III
III
�
hhj
j
hmb III
III
�
100
0
0
)(0
OeMHz8.2
Microwave Microsystem Technology
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Generalità sui dispositivi ad onda magnetostatica - 3
13,90 13,95 14,00 14,05 14,100
200
400
600
800
1000
= 0.001
= 0.0005
= 0.00018
Im( )
res (GHz)
13,90 13,95 14,00 14,05 14,10-600
-400
-200
0
200
400
600
= 0.001
= 0.0005
= 0.00018
Re( )
res (GHz)
QH
H
100
0222
0
00'''
0222
0
000'''
2)1(
2)1(
)(
j
Mj
j
jMj
IIIIII
III
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Generalità sui dispositivi ad onda magnetostatica - 4
h
02
2
2
2
2
2
zyxI
ykxkjzkzk yxzz eBeAe
k
0H
0H
0H
Forward
BackwardSurface
x
y
z
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Descrizione del progetto
realizzazione di un oscillatore a microonde basato su film magnetico per applicazioni spaziali in cui si richiedano accordabilità ad ampia banda e basso rumore di fase.
modellizzazione della rete di feedback, utilizzando sia modelli a costanti concentrate che trattazioni di tipo elettromagnetico allo scopo di ottenere un modello completo della sezione risonante
misure sistematiche al variare dei parametri fisici e geometrici sia del MESFET che della rete di feedback. Misure di rumore di fase e caratterizzazioni in temperatura e di power handling.
Modellizzazione del rumore.Effetti nonlineari.
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I Anno: Studio di fattibilita' della sezione di feedback e filtri fino a due stadi. Modellistica,
realizzazione e test di un dimostratore.
I.A) Crescita dei film di granato magnetico e realizzazione di straight edge resonator (SER) o risuonatori in altra configurazione (ad anello, o con SER quadrati contenenti discontinuità).
I.A1 Crescita per epitassi da fase liquida e caratterizzazione a risonanza magnetica di film di granato magnetico di yttrio e ferro puro aventi diverso spessore. Caratterizzazione in microanalisi.
I.A2 Taglio dei campioni con diverse dimensioni laterali, per disporre di risuonatori con valori diversi del k eccitato.
I.A3 Messa a punto del processo di attacco chimico con acido fosforico caldo, necessario alla realizzazione di strutture integrate (come i risuonatori ad anello).
I.A4 Realizzazione di risuonatori accoppiati mediante solchi che separino gli stadi individuali su di un unico substrato o mediante attacco chimico (integrazione di risuonatori accoppiati).
I.A5 Caratterizzazione a risonanza magnetica in banda X dei risuonatori singoli ed accoppiati, per ottenere informazioni sulla qualita' del materiale (larghezza di riga a risonanza) e sulla struttura dei modi di risonanza, utile per definire il fattore di merito "unloaded" delle strutture, da utilizzare nella teoria dei filtri.
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I Anno: Studio di fattibilita' della sezione di feedback e filtri fino a due stadi. Modellistica,
realizzazione e test di un dimostratore.
I.B) Modellistica e realizzazione di prototipi di risuonatore, test del dispositivo.
I.B1 Previsione al calcolatore delle performances dei SER, utilizzando modelli a costanti concentrate e distribuite.
I.B2 Progetto e realizzazione dei circuiti in microstriscia necessari alla eccitazione dei risuonatori.
I.B3 Progetto e realizzazione di una struttura di polarizzazione magnetica in dc utilizzante magneti permanenti al SmCo o NdFeB a gap variabile.
I.B4 Realizzazione di un prototipo che comprenda il bias in dc con possibilita' di sostituzione del filtro.
I.B5 Test dei filtri ad un solo stadio in banda X, realizzati accoppiando i risuonatori ad YIG coi trasduttori in microstriscia. Sistematica sulla dipendenza dalle dimensioni dell'efficacia dell'accoppiamento tra film e microstrisce.
I.B6 Test su due risuonatori accoppiati.
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Stato di avanzamento
Esperimento accoppiamento SER-microstriscia
Problema del riconoscimento dei modi eccitatie confronto teoria-dati sperimentali
Modellizzazione e circuito equivalente del SER
Simulazione elettrica
Scelta del film magnetico per rete feedback oscillatore MSW
Scelta del componente attivo
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Realizzazione del polazizzatore magnetico in
DC e layout del SER
Microstriscia su allumina 10 mil. Possibilità di rotazione.
Intensità di campo magnetico variabile meccanicamente
in
yig
2 3 m m
3.71 m m
2.12 m m
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Risultati sul SER - 1
• Misura del return loss
• La posizione dei modi si ottiene risolvendo la relazione di dispersione
0, kG
• Uso di uno spaziatore (spacer) a bassa costante dielettrica per disaccoppiare il film dalla microstriscia
Film migliori:RL= -25 -35 dBQ 3000 4000
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Risultati sul SER - 2
In un risuonatore i k ammessi sono discreti (indicizzati)
YIG 0xy
z
P iano d i m as s a 1
P iano d i m as s a 2
t
d /2+ t
-d /2-s
-d /2
G G G
d
s
d/2
Allum ina
Equazioni e.m. con condizioni al contorno zjkzjkyjkyjkxjkxjk zzyyxx FeEeDeCeBeAe
,...4,3,2,1, bay na
nk
,...4,3,2,1, abx nb
nk
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Risultati sul SER - 3
Dispersione
2cos
2cos
2cos0
yyxxzz nyknxknzk
disparinpern
parinpern
bayx
bayx
,,
,,
0
1
Onde stazionarie
(1,1)
(1,2)
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Risultati sul SER - 4
Non idealità del risuonatore
Le relazioni precedenti sui k nel film non sono sufficienti a determinare le rispettive frequenze
anisdemagest HHHH int
• Correzione sul campo magnetico interno
• Correzione sui k sul piano
z
y
x
zzzyzx
yzyyyx
xzxyxx
zdem
ydem
xdem
p
p
p
NNN
NNN
NNN
M
rH
rH
rH
0
,
,
,
4
)(
)(
)(
1 zzyyxx NNN
)(
)()(ˆ
int
int
rH
rHrp
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Risultati sul SER - 5
Coefficiente di demagnetizzazione Nzz
Nzz
Il campo interno è disuniforme
)(4)( 00, rNMHrH zzzdem
OeM 17600
Hi
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Risultati sul SER - 6
Coefficiente di demagnetizzazione Nzz efficace
2
2
2
2
0 ),,(1
a
a
b
b
zzzz dxdyzyxNba
N
220
,tzzzzzz
effzz
NNN
effzzeff NMHH ,00int, 4
Sono definibili dimensioni efficaci del risuonatore per le quali il campo interno è
omogeneo su tutto il volume del campione
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Risultati sul SER - 7
Esempio: film 0.8x2 mm2, 28 m
Errore medio: 7.5 MHz
Deviazione standard: 5.39 MHz
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Risultati sul SER - 8
Confronto tra le curve teoriche
0 50 100 150 20013,1
13,2
13,3
13,4
13,5
13,6
13,7
13,8
13,9
(10,1)(9,1)
(8,1)(7,1)
(6,1)(5,1)
(4,1)(3,1)
(2,1)(1,1)
(3,1)(4,1)
(10,1)(9,1)
(8,1)(7,1)
(6,1)(5,1)
(2,1)
(1,1)
Nzz=1 Nzz efficace freq. sper.
GH
z
k (cm-1)
360 MHz
effaeffy a
nk
,eff
beffx bnk
, effzzN ,
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Risultati sul SER - 9
Problema dell’accoppiamento
Applicando il teorema di Poynting al SER, grazie all’approssimazione magnetostatica si ottiene, per la parte reale e immaginaria della potenza nel film:
dVhhPV
yx 22''
1100
Re 2
dVhhPV
yx 22'
1100
Im )1(2
mPPjP ,0ImRe
Coefficiente d’accoppiamento
Potenza magnetica fornita dalla microstriscia
))(1()(
1
)(
122
0'
112
0''
11
2200
,02
0ffdVhh
P
V
yx
m
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Risultati sul SER - 10
Calcolo potenza magnetica disponibile (I)
'
'
'''0
'
'
'''0
3
'
3
'
4)(
4)(
yr
JdzdydxrB
zr
JdzdydxrB
xz
xy
Hy
Hz
w
I(y)
y
Doppia disuniformità della corrente
abs(
I(x)
) m
A
Legge di Biot e Savart
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Risultati sul SER - 11
Calcolo potenza magnetica disponibile (II)
Componente trasversale del campo magnetico Hy
dxdydzHHjPV
yyH y Im0
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Risultati sul SER - 12
Equivalenti elettrici dell’accoppiamento
)()()(1
)(2
)()()(1
)(2
'1122''
11
,0
''1122''
11
,0
kk
kmaSER
kk
kmaSER
I
PX
I
PR
RSE
R
k
X SER
k
g
ZV1 V2
I1 I2
Z1
a coefficiente fenomenologico 1
Impedenza complessa del SER
L’equivalente elettrico del SER è posto in parallelo nel punto d’inserzione del trasduttore
La rete di accoppiamento è un giratore
ideale
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Risultati sul SER - 13
Modo (1,3) risonante a 14.033 GHz
Dato sperimentale
Simulato con MDS
14,00 14,02 14,04 14,06 14,08 14,10-40
-30
-20
-10
0
f0= 14.033 GHzS11= -34.808 dB
dB(S
11)
f (GHz)
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Progetto dell’oscillatore
• Benefici e miglioramenti attesi
• Studio del risuonatore
• Scelta dell’elemento attivo e studio della stabilità
• Calcolo della massima potenza erogabile dall’oscillatore
• Sintesi della rete di adattamento
• Simulazioni non lineari in potenza
• Studio del rumore di fase atteso
• Layout fisico e realizzazione del circuito su Al2O3
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Stato dell’arte dei dispositivi MSW e vantaggi della
tecnologia planare
Vantaggi rispetto ai DRO• accordabilità• migliore rumore di fase
Problemi da risolvere
• termostabilità• riduzione dello spazio occupato dai magneti permanenti (packaging)
Vantaggi rispetto ai VCO• migliore rumore di fase
Situazione rispetto alle sferette di YIG• rumore di fase confrontabile
• migliore fattore di merito• stesse caratteristiche di ampia accordabilità
• riduzione consistente dell’ingombro
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Studio del risuonatore
Obiettivo: variare la fase del circuito di feedback
fuori risonanza in accordo con la regione di
instabilità dell’attivo
La soluzione consiste nel “tarare”
opportunamente la lunghezza del trasduttore che
connette il SER al resto del circuito
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Scelta dell’elemento attivo
HEMT NEC32400 Ultra Low Noise chip
Per favorire l’instabilità e minimizzare il contributo dei parassiti è stata scelta una configurazione a gate comune con feedback
Un’induttanza è necessaria tra gate e massa per spostare nella zona della carta di Smith desiderata i cerchi di stabilità del FET
Lf= 1 nH
v ia L = 1 .3 m m
7 0 m3 0 0 m
4 0 m 4 0 m
Created using UNREGISTERED Top Draw 4/9/98 6:26:57 PM
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Caratterizzazione dell’attivoMisure di rumore (Alenia)
kHz
Pendenza: -9.5 dB/dec
Valori misurati:1 kHz -133 dBm/Hz10 kHz -143 dBm/Hz100 kHz -163 dBm/Hz
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Programma fino alla fine del progetto
II Anno di attivita': Realizzazione di un prototipo compatto. Indagine sulle caratteristiche di stabilita' in temperatura. Modellizzazione del rumore di fase.
III anno: studio del comportamento lineare e nonlineare del prototipo. Configurazioni alternative.
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