YIG tuned oscillator /2

Le sfere del YIG fatte con il granato di Ittrio-Ferro (sfere di YIG) servono come filtri sintonizzabili magneticamente.
Il granato di Ittrio-Ferro (YIG) è un genere di granato sintetico, con composizione chimica Y3Fe2 (FeO4) 3, o
Y3Fe5O12. È un materiale ferromagnetico con temperatura di Curie 550 K.
Nel YIG, i cinque ioni di ferro occupano due ottaedri e tre luoghi di tetraedro, con gli ioni di yttrium coordinati da otto
ioni di ossigeno in un cubo irregolare. Gli ioni di ferro nei due luoghi di coordinazione esibiscono rotazioni diverse,
dando luogo a comportamento magnetico. Sostituendo gli specifici luoghi con elementi di terre rare, per esempio,
possono essere ottenute proprietà magnetiche interessanti.
Il YIG ha costante di Verdet alta (rotazione del piano di polarizzazione di un’onda durante l’attraversamento di un
materiale paramagnetico trasparente e soggetto a campi magnetici paralleli alla direzione del flusso dell’onda) che è
applicata all'effetto di Faraday, un fattore Q alto nelle frequenze delle microonde (1000), inoltre l'assorbimento di
lunghezze d'onda infrarosse su a 600 nm è basso, è trasparente per lunghezze d'onda infrarosse ligth più di 600 nm e
linewidth molto piccolo in risonanza di rotazione di elettrone. Queste proprietà sono utili per le esigenze del MOI
(formazione d'immagini ottica e magnetica) in superconduttore.
YIG è applicato nel campo delle microonde (es. sono i filtri YIG, e gli oscillatori), nel campo ottico, e magneto-ottico.
Trova applicazione anche nel laser allo stato solido in rotatori di Faraday, nel campo dell’archiviazione dati e nelle varie
applicazioni di ottica non lineare.
************************
Le sfere del granato di Ittrio-Ferro (sfere YIG) servono come sintonia magnetica per filtri e risonatori per le frequenze
delle microonda. Questi filtri sono usati per il loro alto fattori di Q.
Una sfera fatta da un solo cristallo di granato di yttrium-Iron sintetico, si comporta come un risonatore. Queste sfere
sono sull'ordine di 0.5 mm in diametro e sono fatte da cubi (forma del cristallo di granato YIG) leggermente più grandi
del materiale suddetto, come è fatto nei prodotti di gioielleria.
In un filtro, le sfere sono montate su una striscia di ceramica, ogni sfera è avvolta da una piccola spira a forma di U
generando un accoppiamento magnetico dentro e fuori della sfera.
Nel filtro di cui sopra, un campo prodotto da un'elettrocalamita cambia la frequenza di risonanza delle sfere ,
permettendo il passaggio alle frequenze di risonanza delle sfere YIG. Il vantaggio di questo tipo di filtro è che il granato
può essere accordato su una serie di frequenza molto larga variando la forza del campo magnetico. Dei filtri possono
essere accordati da 3 GHz su a 50 GHz.Il filtro fatto con YIG di solito consiste di molti stadi accoppiati, ogni stadio
consiste di una sfera ed un paio di spire separate.
Il contributo prodotto dalla bobina di campo è orientato da un lato verso l’angolo destro, mentre l’altro investe la sfera
del cristallo YIG. Le due spire sono disposte ortogonali tra loro e sono accoppiate solo dalla caratteristica
ferromagnetica delle sfere YIG quando questa è stimolata dalla frequenza di risonanza (che dipende dal campo
magnetico prodotto da un elettromagnete e dalle dimensioni della sfera).
I filtri di YIG sono usati spesso come preselettori . Filtri di YIG accordati da una corrente di “sweep” sono usati in
analizzatori di spettro.
Il YIG è anche impiegato negli oscillatori a microonde, dove la sfera si comporta come un elemento di sintonizzazione
della frequenza. La sferetta del YIG è accoppiata ad un amplificatore che offre la reazione feedback richiesta per le
oscillazioni.[
FATTORE Q
La figura rappresenta l’energia in gioco durante lo stato di costante oscillazione in funzione della frequenza di
oscillazione.
La larghezza di banda, df di un oscillatore è mostrata su un grafico di energia contro frequenza. Il fattore Q
dell'oscillatore ( o filtro), è f0 / df. Più alto è il Q più stretta ed acuta è la curva e df si riduce.
In fisica ed ingegneria il fattore di qualità o il fattore di Q è un parametro dimensionale che descrive come è la qualità di
un oscillatore o risonatore, caratterizza la larghezza di banda di un risonatore relativo alla sua frequenza centrale.
Più alto è il Q, minore è la percentuale di dispersione di energia relativa all'energia immagazzinata in origine
dall'oscillatore e le oscillazioni si estinguono più lentamente. Un pendolo, oscillando in aria ha un Q alto, mentre un
pendolo immerso in olio ha un basso Q e la sua energia si smorza rapidamente. Oscillatori con fattori di qualità alti
hanno basse dispersioni di energia, così che oscillano per lungo tempo prima di spegnersi.
Risuonatori che hanno fattori di Q più alti risuonano con le più grandi ampiezze (alla frequenza di risonanza) ma hanno
una banda di frequenze molto ristretta intorno alla freq. di risonanza; la serie di frequenze per la quale l'oscillatore
risuona, è chiamata ‘larghezza di banda’. Così, un Q alto in un circuito di un ricevitore radio sarebbe più difficile
accordarlo, ma avrebbe più selettività e farebbe un migliore lavoro di filtraggio dei segnali delle stazioni vicine a quella
selezionata.
Oscillatori con Q alti oscillano con una banda più ristretta e sono più stabili. (Vedi rumore di fase dell’oscillatore.) Il
fattore di qualità di oscillatori varia sostanzialmente da sistema a sistema. Sistemi per i quali la dispersione di energia è
importante hanno Q = 1.2. Orologi, laser, e gli altri sistemi che risuonano e che hanno bisogno di risonanza forte o di
stabilità di frequenza molto alta, hanno fattori di qualità Q alti. Divisori sintonizzabili hanno fattori di qualità circa Q =
1000 e più.
Ci sono molti altri modi, usati da fisici ed ingegneri per descrivere come viene assorbita l’energia da un oscillatore e che
è strettamente legato al fattore di qualità. Importanti esempi includono: il rapporto di assorbimento, la larghezza di
banda relativa, larghezza delle linee e la larghezza di banda vengono misurate in ottave.
Il concetto del fattore di Q originò in ingegneria elettronica, come una misura della qualità è il riuscire ad ottenere un
buon accordo di sintonia dei circuiti o del risuonatore .
Definizione del fattore di qualità
Ci sono due definizioni separate per il fattore di qualità. Sono equivalenti per risuonatori con alti Q, ma sono diverse
per oscillatori con forti dispersioni di energia.
Generalmente Q è definito come il rapporto dell'energia immagazzinate nel risonatore e l'energia che è persa in un ciclo:
Viene usato il fattore di (2*greco) (per valori alti di Q) per tenere questa definizione di Q consistente, con la seconda
definizione:
dove fr è la frequenza risonante, df è la larghezza di banda, (omega*r) è la frequenza angolare risonante, e ( d*
omega) è la larghezza di banda angolare.
La definizione di Q come rapporto dell'energia immagazzinata e l'energia dissipata per ciclo può essere riscritta come:
dove omega è definita come frequenza angolare del circuito (sistema), e l'energia immagazzinata e Potenza persa è
proprietà del sistema preso in considerazione.
RLC circuits
In un circuito ideale RISONANTE SERIE RLC , e in un ricevitore radio freq, sintonizzabile (TRF) il fattore Q è:
R, L, C, sono del circuito risuonante sintonizzabile.
*********************
Per un circuito RISUONANTE PARALLELO dove R,L,C sono in parallelo fra loro, il fattore Q è :
In un circuito RLC parallelo dove R è la resistenza posta in serie a L ,
Q non cambia.
*********
Si consideri un circuito dove R,L,C sono in parallelo, l’abbassamento del valore di R ha come conseguenza un
maggiore assorbimento di energia dal circuito e quindi un abbassamento del valore Q ed un allargamento della banda
passante. La modifica manuale della R è usata quando si vuole regolare la banda passante di un filtro.
Complex impedances
Per una impedenza complessa del tipo:
il fattore Q è il rapporto tra la reattanza X e la resist. R. Oppure tra P.reattiva e P. attiva:
**************
Q factor and damping
Il fattore di Q determina il comportamento qualitativo di semplici oscillatori a dispersione di energia.
a)
Si dice che un sistema con fattore di qualità basso (Q < ½) sia overdamped (stato di
sovrassorbimento energetico). Tale sistema non oscilla
b)
Si dice che un sistema con fattore di qualità alto (Q > ½) sia underdamped. I sistemi di
Underdamped combinano oscillazione ad una specifica frequenza con un decadimento dell'ampiezza
del segnale. I sistemi di Underdamped con un fattore di qualità basso ( poco sopra di Q = ½)
possono oscillare solamente una volta o alcune volte prima di estinguersi. All’aumento della qualità
corrisponde una diminuzione della dispersione energetica. Come una campana di alta qualità
risponde con un solo tono puro per un tempo molto lungo dopo essere colpita, così un sistema
oscillatorio per mantenere le oscillazioni deve avere ha un fattore di qualità alto.
c)
Si dice che un sistema con un fattore di qualità intermedio (Q = ½) sia in una posizione critica.
Come con un sistema di overdamped, il sistema non oscilla, se non per qualche ciclo.