CC BY
123
УДК 537.622
Р.В.Петров
ДВУХДИАПАЗОННАЯ ФЕРРИТОВАЯ АНТЕННА
Институт электронных и информационных систем НовГУ
In this paper we discuss the measurement data of two-band microwave antenna. The magneto-dielectric substrate was used for manufacturing of the required structure. Patch antenna with size 4x4 cm from dielectric with small pieces of the ferrite had two resonance peaks at frequency around 2 GHz. If one changes the bias magnetic field then change of the resonance frequency in 30 MHz will be possible. Finally we suggest how to use presented results at applying the magnetoelectric material and how to create the device using negative refraction index material.
Развитие средств телекоммуникации и радиолокации вызывает необходимость создания антенн диапазона СВЧ с управляемыми характеристиками [1]. Ниже мы исследуем возможность создания такой антенны.
Для подложки использован сверхвысокочастотный диэлектрический материал ФЛАН с диэлектрической проницаемостью 5, на ней расположена полосково-щелевая антенна, возбуждаемая в диапазоне около 2 ГГц. Для изготовления элементов управления характеристикой антенны применены два фер-ритовых материала — пленка железо-иттриевого граната (ЖИГ) и феррит марки 90СЧ. При приложении внешнего подмагничивающего поля порядка 260 Э в первом и 1,85 кЭ во втором случае возникает ферромагнитный резонанс. Если и дальше увеличивать величину подмагничивающего поля, то наблюдается частотная перестройка резонанса антенны со сдвигом резонансной частоты примерно на 30 МГц.
Данное устройство позволяет реализовать новый класс антенн с двумя каналами передачи данных. В ряде случаев использование таких антенн упростит задачи конструирования промежуточных фильтрующих устройств. Антенна имела коэффициент усиления порядка 8 dB и перестройку по частоте около 30 МГц при изменении подмагничивающего поля на 30 Э. Конструкция антенны технологична и легко реализуема при использовании современных материалов и технологий. Размеры антенны 4*4 см, что при диэлектрической проницаемости подложки около 5 дает частоту резонанса для полуволнового диполя около 2 ГГц. В дальнейшем такую конструкцию можно использовать для создания магнитоэлектрических управляемых антенн и линз на эффекте отрицательного преломления.
В качестве излучающего элемента мы выбрали микрополосковую антенну с крестообразными щелями. Для создания круговой поляризации электромагнитного поля в рабочей зоне антенны в металлизации были сделаны щели определенной длины и ширины. Размер и расположение щелей были выбраны исходя из данных симуляции конструкции, проведенной в программе Microwave office (рис.1). Топология ан-
тенны рассчитывалась таким образом, чтобы в щелевой структуре образовалось электромагнитное поле с круговой поляризацией, необходимое для взаимодействия электромагнитной волны с ферритом. На топологии светлые тона обозначает большую напряженность электромагнитного поля.
Рис.1. Симуляция топологии антенны в программе Microwave office
Далее в областях с круговой поляризацией мы разместили в первом варианте тонкие пластины ЖИГ, во втором варианте — кубики из феррита 90СЧ (4nMs = 200 Гс, АН < 40 Э, є = 13,7, tg 5 < 2-10-4). Объем пластин и кубиков достаточно мал, при расчетах можно было не учитывать влияние материала на искажение электромагнитного поля, поэтому для расчетов мы использовали методы теории возмущений. Размеры пластин — 5 *5 *0,2 мм с толщиной пленки ЖИГ 10 мкм, размеры кубиков — 2*2*2 мм. Для того чтобы управлять магнитной характеристикой антенны, мы поместили ее в магнитное поле, создаваемое электромагнитом. Измерение характеристик антенны проводились на панорамном измерителе HP E8361A. Измерялись S-параметры устройства. Структурная схема установки приведена на рис.2.
Подмагничивающее
поле
Рис.2. Структурная схема измерительной установки
Питание антенн осуществлялось в центре платы через разъем типа 8МЛ с волновым сопротивлением всего тракта 50 Ом. Оба варианта антенны показаны на рис.3.
При приложении к двум этим антеннам магнитного поля характеристика их излучения меняется. Это вызвано изменением магнитной проницаемости феррита. С помощью анализатора были сняты характеристики антенн. Сначала анализировалась антенна без приложенного магнитного поля. Затем увеличивалось значение магнитного поля. Характеристика записывалась в анализаторе в процессе измерений.
Экспериментальные и расчетные данные для антенны с пластинами ЖИГ представлены на рис.4. При подмагничивающем поле 260 Э появляется первый резонансный пик на частоте 2036,75 МГц с амплитудой -34 дБ. Дальнейшее увеличение поля до значения 280 Э приводит к снижению амплитуды до -14 дБ, и линия становится двугорбой. Далее при поле 290 Э линия имеет резонансный пик на частоте 2008 МГц с амплитудой -53 дБ.
б
Рис.3. Варианты антенны: a —с пластинами ЖИГ, б — с кубиками феррита 90СЧ
Экспериментальные и расчетные данные для антенны с ферритовыми кубиками представлены на рис.5. При подмагничивающем поле 781 Э появляется первый резонансный пик на частоте 1822 МГц с амплитудой -39 дБ. Дальнейшее увеличение поля до зна-
Частота, МГц
О 00 —•кПО’-.СП'-ОО^ГСО—•^О’-.СП'-ОО
сэ^оо спг-ь^'ооі/їо^слоося'о^і/їо
ІЛ ІЛ ІЛ ЧОЧО^^ООООООС^ОчСПСЗ^н^нГЧ
-—• -—• -—• і
-45 -*
Рис.5. Расчетная и экспериментальная характеристика антенны на ферритовых кубиках
чения 787 Э приводит к снижению амплитуды до -25 дБ, и линия становится двугорбой. Далее при поле 290 Э линия имеет резонансный пик на частоте 2008 МГц с амплитудой -34 ДБ.
Разница между амплитудами на одной и той же частоте при изменении магнитного поля между двумя резонансными значениями составляет в первом случае 30-40 дБ, во втором — около 15 дБ. Это большая величина, которая позволит практически полностью подавить сигнал во втором канале и передавать сигнал в первом.
Для теоретического подтверждения результатов экспериментов был проведен расчет.
Магнитную восприимчивость антенны в отсутствии внешнего подмагничивающего поля вычисляли по формуле
X л =
Ю0 ТА
(ю0- ®)2 ТА + 1
где ю — круговая частота внешнего электромагнитного поля; ю0 — частота ферромагнитного резонанса; ТА — постоянная времени резонатора антенны.
Для нахождения волнового сопротивления антенны применена несколько видоизмененная формула из [2]. Она позволяет учитывать и магнитную составляющую волнового сопротивления:
__________377кУд______________
w
1 +1,735
А_
-0,0724
<ї)
0,836
здесь к — толщина подложки; w — ширина излучателя антенны; ц — магнитная проницаемость антенны; — эффективная диэлектрическая проницаемость
антенны.
8 +1 8 -1 є 4 =~Г+Т"
где е — диэлектрическая проницаемость материала подложки антенны. Затем вычислялся коэффициент отражения по формуле
5ц = 201ов
|377 - ZAІ
377 + Z
Для того чтобы учесть взаимодействие поля в феррите, вычислялись восприимчивости а) пластины ЖИГ (для продольно намагниченной пластины):
х + =___________У4пМ 0Тр!__________.
+р1 (Ул/Н0 (Н0 + 4пМ0) - ю) Т) +1 ’
б) для ферритового кубика (в данном устройстве справедлива формула, близкая к эффективному поперечно намагниченному цилиндру):
^ =_____________У4пМ 0ТсиЬе________________
+СиЫ ((Н0 - 0,7 • 4пМ0 ХН - 0,4 • 4пМ0) - ю)2 Т^ +1*
где Тр1 — время релаксации в пластине ЖИГ; ТсиЬе — время релаксации в ферритовом кубе; Н0 —постоянное подмагничивающее поле; 4яМ0 — намагниченность насыщения феррита; у — гиромагнитное отношение.
Магнитная проницаемость антенны определяется из равенства
д =1 + X+к + X А, где к — коэффициент связи:
к = ю0ТАкГ + 8пУ(4пМ0 )2 ю0Т5 (ю0 - ю)2 к2
(ю0- сю УА +1 ((со 0 - ю)2 +1)3 ’
здесь Т]а — постоянная времени, вычисляемая как среднее геометрическое постоянной времени антенны
и времени релаксации в феррите; к!^ — коэффициенты взаимодействия и а — символ знака, определяемые ниже:
Н0 < Н^опаЫ: КГ * 0 к2а = 0
Н = Нгегопап1: кіа = 0; ка = 1
Н0 > Нгв2опапі: КГ ^ 0; к2а = 0
ю < ю0: с = -1 иначе с = 1, с = 1,
ю > ю0 : с = -1 иначе с = 1.
Очевидно, что оптимальное согласование линии передачи с воздухом происходит, когда импеданс антенны равен 377 Ом. Это достигается в нашем случае, когда магнитная проницаемость становится приблизительно равной диэлектрической проницаемости. Магнитная проницаемость имеет на линии ферромагнитного резонанса в нашем случае две точки со значением, равным диэлектрической восприимчивости, что и обеспечивает появление двух резонансных пиков.
Данное исследование позволяет сделать следующие выводы. Можно использовать для управления диаграммой направленности антенны магнитоэлектрические элементы [3]. Это позволит управлять антенной с помощью изменения потенциала электрического поля, как это делается в магнитоэлектрических фазовращателях [4]. Проведенные в статьях [5-7] практические и теоретические исследования позволяют с уверенностью сказать о возможности применения в метаматериалах с отрицательным индексом преломления ферри-товой компоненты в качестве магнитного элемента, а в качестве ячейки метаматериала — щелевой структуры.
1. Ikonen P., Maslovski S., Tretyakov S., On artificial magneto-dielectric substrates with microstrip antennas: The role of frequency dispersion // XXVIII General Assembly of International Union of Radio Science (URSI). New Delhi, India. Paper BCDP.6(0052).pdf. October 23-29, 2005.
2. Микроэлектронные устройства СВЧ / Г.И.Веселов. М.: Высшая школа, 1988. 280 с.
3. Petrov R.V., Bichurin M.I. Magnetoelectric Phasers For PAS // Proceedings of the 2nd International Conference and Exhibition on Satellite Communications (ICSC’96). Moscow,
1996. P.236-241.
4. Bichurin M.I., Petrov R.V. and Kiliba Yu.V. // Ferroelectrics.
1997. Vol.204. P.311-319.
5. Petrov R.V., Bichurin M.I., Srinivasan G., Viehland D. APL. 2007. Vol. 91. 104103.
6. Bichurin M.I., Tatarenko A.S., Srinivasan G., and Mantese J.V. // Magnetoelectric Interaction Phenomena in Crystals. NATO Science Series II. Vol.164. Eds. M.Fiebig, V.V.Eremenko, and I.E.Chupis. L.: Kluwer Academic Publishers, 2004. P.81-86.
7. Петров P.В. // Электронная техника. Сер. 1: СВЧ техника. 2003. Вып. 1 (481). С.78.
