YIG tuned oscillator /1

FILTRI ed OSCILLATORI YIG
Nota:
Il YIG è un cristallo granato (Garnet) con elementi di Yttrium e Iron, si ottiene sinteticamente per
fini industriali.
Per rendere familiare il comportamento del YIG in applicazioni elettroniche, si possono fare delle
osservazioni e fare dei parallelismi con altri componenti oramai conosciuti.
Se consideriamo un quarzo sappiamo che se stimolato con una tensione sinusoidale a frequenza
variabile ai suoi terminali, questo risponde modificando la sua impedenza fino ad avere
un’impedenza altissima se eccitato con un segnale di frequenza corrispondente a quella della sua
risonanza parallela, oppure un’impedenza molto bassa se eccitato con un segnale di frequenza
corrispondente a quella della sua risonanza serie. Questo corrisponde a dire che alla freq. di
risonanza il campo elettrico che riesce ad assorbire lo restituisce completamente senza disperderlo,
ovvero alla risonanza il quarzo ha un fattore qualità Q molto alto.
Il cristallo di YIG ha caratteristiche ferromagnetiche, non reagisce ai campi campi elettrici ma ai
campi magnetici in generale ed ai campi magnetici oscillanti in particolare mostrando caratteristiche
peculiari interessanti. Se investito da un campo magnetico oscillante a freq. variabile, questo mostra
un’assorbimento di energia che varia con la frequenza fino ad avere assorbimenti estremamente
bassi per una frequenza sua specifica di risonanza (che tipicamente può andare da qualche Ghz a
qualche decina di Ghz) cioè a dire che alla risonanza l’energia che assorbe la restituisce
completamente senza disperderla. Questo corrisponde a dire che alla risonanza il YIG ha un fattore
Q altissimo (1000 e più) con banda passante estremamente stretta ed una curva energia/frequenza
estremamente aguzza alla freq. di risonanza.La frequenza di risonanza del YIG dipende dalle
caratteristiche del materiale ( tipicamente è costituito da una sferetta del diametro di 0,5 mm circa
ben levigata, sintetica ) e dal campo magnetico con il quale è investito, (molto intenso). In
particolare variando il campo magnetico in cui è immerso, il YIG può variare la sua freq. di
risonanza di decine di Ghz
La generazione di frequenza a microonde conta su molte strutture, incluso i diodi Gunn risonatori
dielettrici, e cristalli di quarzo attentamente tagliati. Altri oscillatori usano sfere di granato yttrrium
iron- (YIG) messe all'interno di una cavità e sottoposte ad un campo magnetico (EM).
Fortunatamente, gli ingegneri della Micro Lambda Micro Wireless (Fremont, CA) hanno dedicato
molti anni per addomesticare questa tecnologia, conducendo agli oscillatori YIG, a
MLXB oscillatori Serie a Estrema Larga Banda con copertura continua della frequenza
fondamentale da 2 a 18 GHz e 2 a 20 GHz, e la Serie di MLXS-T di oscillatori a larga banda con
copertura della frequenza fondamentaledi da 2 a 18 GHz e 2 a 20 GHz. Oscillatori YIG trovano
posto in molte applicazioni, incluso come oscillatori locali (LOs) in ricevitori ed analizzatori di
spettro, come fonti di microonde in sintetizzatori di frequenza e come signal generators.
Un oscillatore di YIG è formato da una piccola sfera di YIG posizionata precisamente all'interno
dell’apertura delle espansioni polari di un elettromagnete. In un oscillatore di YIG bene-disegnato,
la forza di campo elettromagnetico è una funzione lineare della corrente applicata come lo è il modo
di funzionare dell’accordatura dell’oscillatore YIG.
Una spira di accoppiamento che avvolge la sfera del YIG estrae energia risonante dalla sfera per
produrre le frequenze dell'oscillatore. Il circuito tank che produce risonanza con la sfera di YIG è
disegnato secondo i requisiti della bobina dell'elettromagnete e la sfera stessa.
Il circuito è progettato per fattore di qualità Q alto (1000) per generare un segnale di alta qualità.
Per migliorare le prestazioni di fronte alle varie applicazioni dell’oscillatore YIG si sono incorporati
transistor per aumentare il livello del segnale. Una volta erano i transitori bipolari le parti attive
per questa funzione, ma oggi sono sostituiti da transistor ad effetto di campo fatti con GaAs e, più
recentemente, transistor di silicio-germanio (SiGe). In dei casi, gli amplificatori, integrati in circuiti
monoliti per microonde (MMIC), sono usati in luogo di circuiti a componenti discreti.
La bobina principale in un oscillatore YIG serve per l’accordo di frequenza. Una seconda bobina è
utile per generare una modulazione di frequenza (FM) o per stabilizzare la frequenza prodotta in un
oscillatore PLL o sintetizzatore. Anche la bobina di FM è pilotata da corrente. Le spire della bibina
FM dovrebbero essere capaci di produrre le deviazioni di frequenza per la modulazione ed
accordare con abbastanza sensibilità un PLL . Storicamente, oscillatori YIG di larga diffusione
sono stati disponibili ma non con produzioni di frequenza fondamentale. Disegnati da molti
fabbricanti e fatti per un tono fondamentale di bassa frequenza integrati in YIG a contenitore
cilindrico con moltiplicatori di frequenza ed amplificatori a larga banda per realizzare frequenze a
18 o 20 GHz. Ma l’oscillatore MLXB Serie YIG a banda Larga e le Serie di MLXST di switched
band offrono un’uscita su fondamentale senza l’uso di moltiplicatori per arrivare ai 20 Ghz.
I modelli a bassa frequenza producono un’uscita di +13 dbm, mentre i modelli 2- 20 Ghz producono
in out +12 dbm. Tutti gli oscillatori mantengono l’uscita entro +/-3 db su tutta la banda.
Tutti i quattro oscillatori di YIG sono progettati per un massimo corrente di 100 MA per il campo
magnetico, da un’alimentazione +15-VDC e 20 MA corrente da un’alimentazione +5-VDC, e con
un’alimentazione +24-VDC (± 4 V, massimo di 250 MA sul picco e 25 MA a regime) per l’
Heather del YIG.
L’Heather è incluso per minimizzare variazioni di frequenza. Per uno spostamento termico di
temperatura da 0 a +65°C, per la freq. è solamente di 20 MHz per un 18 GHz e 25 MHz per un 20
GHz. Oltre a derive basse, questi oscillatori di YIG sono anche relativamente immuni all'influenza
di disadattamenti di carico. Con una frequenza tipica si ha una figura di 1 MHz per una perdita di
ritorno di carico di 12 dB. Gli effetti di variazioni di alimentazione sono anche minimi, con una
figura di freq. di 0.1 MHz / V per l'alimentazione del +15VDC e tipicamente 1 MHz / V per
l'approvvigionamento di .5-VDC.
Per la purezza dello spettro si misura –70 dbc per i 4 modelli citati, mentre per la seconda armonica
è misurato –12 dbc, -15 dbc per la terza
Per il segnale di uscita si ha solo 5 Khz di banda nei 3 db sui modelli citati
La bobina principale di sintonia rispetta ua linearità all’interno di +/- 0,1 % su tutte le freq.
Per tutti i modelli la bobina di sintonia devia di 40 Mhz
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YIG stands for yttrium iron garnet. Yttrium is quite often misspelled, "yittrium" would be a
phonetically correct spelling.
Yttrium is atomic symbol Y, atomic number 39.
YIG is actually a synthetic form of garnet. It has interesting magnetic properties which
allow it to perform as a tunable microwave filter for example.
This additional material on YIG technology just in from James, a semiconductor guy with
some RF test experience:
YIG is a ferrite with very high resistivity and a sharp ferrimagnetic resonance. These
properties allow YIG resonator oscillators to achieve DRO-like phase noise performance
and very wide tuning ranges: 2-20 GHz tunable oscillators are available. High
performance, with unloaded Q's >1000, demands a resonator that is a highly polished
sphere or ellipsoid made from a single crystal of YIG. Frequency tuning of the YIG
resonator is accomplished by varying the currents in electromagnets that are an integral
part of the YIG oscillator (or filter) module. Filters can be built that are reciprocal or nonreciprocal depending on coupling structures.
There are some prices to be paid for this performance. The YIG sphere is not cheap, and
needs to be oriented carefully. The magnetic fields required are large, so YIG oscillator
modules need heavy pole pieces, are power hungry and tune slowly. Further, temperature
control of the resonator is required, and the resonator coupling loops are generally 3D
structures that further increase the cost of production.
standard pin connections
for a YIG oscillator.
Examples of YIG oscillators with operating voltages of +15v and -5v.
link
http://www.vhfcomm.co.uk/pdf/A%20Simple%20Approach%20tyo%20YIG%20Oscil.pdf