5A Giornata Nazionale di Studio sull`Ingegneria delle Microonde

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
M 2T
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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
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2
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 magnetico
 Fattibilità sciolta sui risuonatori
(Progetto Asi 1993-1995)
Progettazione realizzazione e test di
un oscillatore in corso (Progetto ASI
1997-1999)
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3
Generalità sui dispositivi ad
onda magnetostatica - 1
(CGS)
1 d
  h  
c t
1
k h   e
c
1 b
e   
c t
1
k e   h
c
Equazioni di Maxwell
semplificate
Irrotazionalità del campo magnetico
Numeri d’onda eccitati k=30-150 cm-1
 
2c 1

 h  0

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4
Generalità sui dispositivi ad
onda magnetostatica - 2
M
 0 (M  H )
t
Sistema linearizzato
M0 H0
Onde dirette
  2.8 MHz Oe
H (r , t )  H 0  h  e jt
 I
m   h  
 j II

M (r , t )  M 0  m  e jt
 I
b   0 (m  h)   j II
 0
j II
I
0
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j II 
h

I 
0

0  h    h
1
5
Generalità sui dispositivi ad
onda magnetostatica - 3
0 M 0 ( 0  j )
 0 2  (1   2 )   2  2 j 0
0 M 0
 II   II '  j II ''  2
 0  (1   2 )   2  2 j 0
 I   I '  j  I '' 
1000
800
= 0.00018
0
H
1
 0  Q
 H 
400
= 0.0005
200
= 0.001
0
13,90
13,95
14,00
14,05
14,10
res (GHz)
600
= 0.00018
400
= 0.0005
200
Re()
Im()
600
0
= 0.001
-200
-400
-600
13,90
13,95
14,00
14,05
14,10
res (GHz)
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6
Generalità sui dispositivi ad
onda magnetostatica - 4
  2  2   2
 I  2  2   2  0
y  z
 x
  Ae  k z  Be k z  e
h  
z
z

j kx xk y y
z
H0
Forward
k
x
H 0 Backward
Surface
y
H0
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7

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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8
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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9
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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10
Stato di avanzamento
 Esperimento accoppiamento SERmicrostriscia
 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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11
Realizzazione del
polazizzatore magnetico in
DC e layout del SER
Intensità di campo magnetico
variabile meccanicamente
2.12 mm
yig
3.71 mm
in
23 mm
Microstriscia su allumina 10 mil. Possibilità
di rotazione.
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12
Risultati sul SER - 1
• Misura del return loss
Film migliori:
RL= -25  -35 dB
Q  3000  4000
• La posizione dei modi si ottiene
risolvendo la relazione di
dispersione
G , k   0
• Uso di uno spaziatore (spacer) a bassa costante
dielettrica per disaccoppiare il film dalla
microstriscia
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13
Risultati sul SER - 2
In un risuonatore i k ammessi sono discreti (indicizzati)
z
Piano di massa 2
d/2+t
t
GGG
d/2
YIG
0
-d/2
y
d
x
s
Piano di massa 1
Allumina
-d/2-s
Equazioni e.m. con condizioni al
contorno

  Ae jk x  Be  jk x  Ce
x
k x  nb
x

,
b

k y  na ,
a
jk y y
 De
 jk y y
Ee
jk z z
 Fe jkz z

na  1,2,3,4,...
nb  1,2,3,4,...
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14
Risultati sul SER - 3
Dispersione
Onde stazionarie


   0 cos k z z  nz

 


 cos k x x  nx  cos k y y  n y 
2
2
2


nx , y  1

nx , y  0
per na ,b pari
per na ,b dispari
(1,1)
(1,2)
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15
Risultati sul SER - 4
Non idealità del risuonatore
Le relazioni precedenti sui k nel film non sono sufficienti a
determinare le rispettive frequenze
• Correzione sul campo magnetico interno
• Correzione sui k sul piano
H int  H est  H demag  H anis
 H dem, x (r ) 
 N xx



 H dem, y (r )  4M 0  N yx
H

 N zx

 dem, z (r ) 
N xy
N yy
N zy
N xz   p x 

N yz    p y 
N zz   p z 
N xx  N yy  N zz  1
pˆ (r ) 
H int (r )
H int (r )
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16
Risultati sul SER - 5
Coefficiente di demagnetizzazione Nzz
Nzz
Il campo interno è disuniforme
Hi
H dem, z (r )  H 0  4M 0 N zz (r )
M 0  1760 Oe
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17
Risultati sul SER - 6
Coefficiente di demagnetizzazione Nzz efficace
a2 b2
1
N zz 
N zz ( x, y, z0 )  dxdy Sono definibili dimensioni


a  b  a 2 b 2
N zz,eff 
N zz
z 0
 N zz
z t 2
2
efficaci del risuonatore per
le quali il campo interno è
omogeneo su tutto il
volume del campione
H int,eff  H 0  4M 0  N zz,eff
dimensioni reali film
aeff
beff
Nzz,eff
0.8x2 mm2, 28 m
1.839 mm
0.6546 mm
0.93179
0.8x3 mm2, 42 m
2.809 mm
0.6319 mm
0.91410
0.8x3 mm2, 112 m
2.748 mm
0.6 mm
0.82710
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18
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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19
Risultati sul SER - 8
Confronto tra le curve teoriche
k x,eff  nb

k y ,eff  na
beff

N zz ,eff
aeff
Nzz=1
Nzz efficace
freq. sper.
13,9
(10,1)
(9,1)
(8,1)
13,8
(7,1)
(6,1)
13,7
(4,1)
(3,1)
13,6
GHz
(5,1)
(2,1)
(10,1)
13,5
(1,1)
(9,1)
(8,1)
13,4
(7,1)
360 MHz
13,3
(6,1)
(5,1)
(4,1)
(3,1)
(2,1)
13,2
(1,1)
13,1
0
50
100
150
200
k (cm-1)
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20
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:
2
 0  0 ''
2
PRe  
11  hx  hy dV
2
V
PIm 
 0 0
2
(1  11 ) hx  hy
2
'
2
dV
V
PRe  j  PIm  P0,m
Potenza magnetica fornita
dalla microstriscia
Coefficiente d’accoppiamento
0 
2
2 P0,m
 0 0

1
 ( hx  hy )dV
2
2

1
11'' ( f 0 ) 2  (1  11' ( f 0 ) 2 )
V
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21
Risultati sul SER - 10
Calcolo potenza magnetica disponibile (I)
Doppia disuniformità della corrente
abs(I(x)) mA
I(y)
w
Hy
Hz
By (r )  
Bz ( r ) 
Jx '
0
'
'
'
dx
dy
dz
z
'
4   
r
'
3
Jx '
0
'
'
'
dx
dy
dz

y
4   
r'
'
3
Legge di Biot e Savart
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22
Risultati sul SER - 11
Calcolo potenza magnetica disponibile (II)
Componente trasversale del
campo magnetico Hy


PH y  j 0  Im H y  H y dxdydz

V
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23
Risultati sul SER - 12
Equivalenti elettrici dell’accoppiamento
XSER
RSER
Impedenza complessa del SER
k
RSER 
X SER 
k
2  a P0,m ( k )
1  11 ( k ) 2  I ( k )
''
 11 ( )
''
2
2  a P0,m ( k )
1  11 ( k ) 2  I ( k )
''
2
coefficiente fenomenologico 1
  ( )
'
11
L’equivalente elettrico del SER è
posto in parallelo nel punto
d’inserzione del trasduttore
I2
I1
V
2
V
1
Z
1
a
Z
g
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La rete di
accoppiamento
è un giratore
ideale
24
Risultati sul SER - 13
Modo (1,3) risonante a 14.033 GHz
0
dB(S11)
-10
Dato sperimentale
-20
f0= 14.033 GHz
S11= -34.808 dB
-30
-40
14,00
14,02
14,04
14,06
14,08
14,10
f (GHz)
Simulato con MDS
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25
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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26
Stato dell’arte dei dispositivi
MSW e vantaggi della
tecnologia planare
Vantaggi rispetto ai DRO
• accordabilità
• migliore rumore di fase
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
Problemi da
risolvere
• termostabilità
• riduzione dello
spazio occupato dai
magneti permanenti
(packaging)
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27
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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28
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
40 m
40 m
70 m
300 m
via
L= 1.3 mm
Created using UNREGISTERED Top Draw 4/9/98 6:26:57 PM
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29
Caratterizzazione dell’attivo
Misure di rumore (Alenia)
Pendenza: -9.5 dB/dec
kHz
Valori misurati:
1 kHz
-133 dBm/Hz
10 kHz -143 dBm/Hz
100 kHz -163 dBm/Hz
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30
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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