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5A Giornata Nazionale di Studio sullIngegneria delle Microonde Numana (Ancona), 1-2 Giugno 1998 Dispositivi ad Onda Magnetostatica per possibili applicazioni.

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1 5A Giornata Nazionale di Studio sullIngegneria 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 2 T Microwave Microsystem Technology

2 2 Unità del progetto ASI §PSM-M 2 T (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

3 Microwave Microsystem Technology 3 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 ) Progettazione realizzazione e test di un oscillatore in corso (Progetto ASI )

4 Microwave Microsystem Technology 4 Generalità sui dispositivi ad onda magnetostatica - 1 (CGS) Equazioni di Maxwell semplificate Irrotazionalità del campo magnetico Numeri donda eccitati k= cm -1

5 Microwave Microsystem Technology 5 Generalità sui dispositivi ad onda magnetostatica - 2 Sistema linearizzato Onde dirette

6 Microwave Microsystem Technology 6 Generalità sui dispositivi ad onda magnetostatica - 3

7 Microwave Microsystem Technology 7 Generalità sui dispositivi ad onda magnetostatica - 4

8 Microwave Microsystem Technology 8 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.

9 Microwave Microsystem Technology 9 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.A1Crescita 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.A2Taglio dei campioni con diverse dimensioni laterali, per disporre di risuonatori con valori diversi del k eccitato. §I.A3Messa a punto del processo di attacco chimico con acido fosforico caldo, necessario alla realizzazione di strutture integrate (come i risuonatori ad anello). §I.A4Realizzazione di risuonatori accoppiati mediante solchi che separino gli stadi individuali su di un unico substrato o mediante attacco chimico (integrazione di risuonatori accoppiati). §I.A5Caratterizzazione 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.

10 Microwave Microsystem Technology 10 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.B1Previsione al calcolatore delle performances dei SER, utilizzando modelli a costanti concentrate e distribuite. §I.B2Progetto e realizzazione dei circuiti in microstriscia necessari alla eccitazione dei risuonatori. §I.B3Progetto e realizzazione di una struttura di polarizzazione magnetica in dc utilizzante magneti permanenti al SmCo o NdFeB a gap variabile. §I.B4Realizzazione di un prototipo che comprenda il bias in dc con possibilita' di sostituzione del filtro. §I.B5Test 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.B6Test su due risuonatori accoppiati.

11 Microwave Microsystem Technology 11 § 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

12 Microwave Microsystem Technology 12 Realizzazione del polazizzatore magnetico in DC e layout del SER Microstriscia su allumina 10 mil. Possibilità di rotazione. Intensità di campo magnetico variabile meccanicamente

13 Microwave Microsystem Technology 13 Risultati sul SER - 1 Misura del return loss La posizione dei modi si ottiene risolvendo la relazione di dispersione Uso di uno spaziatore (spacer) a bassa costante dielettrica per disaccoppiare il film dalla microstriscia Film migliori: RL= dB Q

14 Microwave Microsystem Technology 14 Risultati sul SER - 2 In un risuonatore i k ammessi sono discreti (indicizzati) Equazioni e.m. con condizioni al contorno

15 Microwave Microsystem Technology 15 Risultati sul SER - 3 Dispersione Onde stazionarie (1,1) (1,2)

16 Microwave Microsystem Technology 16 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

17 Microwave Microsystem Technology 17 Risultati sul SER - 5 Coefficiente di demagnetizzazione N zz N zz Il campo interno è disuniforme Hi

18 Microwave Microsystem Technology 18 Risultati sul SER - 6 Coefficiente di demagnetizzazione N zz efficace Sono definibili dimensioni efficaci del risuonatore per le quali il campo interno è omogeneo su tutto il volume del campione

19 Microwave Microsystem Technology 19 Risultati sul SER - 7 Esempio: film 0.8x2 mm 2, 28 m Errore medio: 7.5 MHz Deviazione standard: 5.39 MHz

20 Microwave Microsystem Technology 20 Risultati sul SER - 8 Confronto tra le curve teoriche 360 MHz

21 Microwave Microsystem Technology 21 Risultati sul SER - 9 Problema dellaccoppiamento Applicando il teorema di Poynting al SER, grazie allapprossimazione magnetostatica si ottiene, per la parte reale e immaginaria della potenza nel film: Coefficiente daccoppiamento Potenza magnetica fornita dalla microstriscia

22 Microwave Microsystem Technology 22 Risultati sul SER - 10 Calcolo potenza magnetica disponibile (I) Doppia disuniformità della corrente abs(I(x)) mA Legge di Biot e Savart

23 Microwave Microsystem Technology 23 Risultati sul SER - 11 Calcolo potenza magnetica disponibile (II) Componente trasversale del campo magnetico H y

24 Microwave Microsystem Technology 24 Risultati sul SER - 12 Equivalenti elettrici dellaccoppiamento coefficiente fenomenologico Impedenza complessa del SER Lequivalente elettrico del SER è posto in parallelo nel punto dinserzione del trasduttore La rete di accoppiamento è un giratore ideale

25 Microwave Microsystem Technology 25 Risultati sul SER - 13 Modo (1,3) risonante a GHz Dato sperimentale Simulato con MDS

26 Microwave Microsystem Technology 26 Progetto delloscillatore Benefici e miglioramenti attesi Studio del risuonatore Scelta dellelemento attivo e studio della stabilità Calcolo della massima potenza erogabile dalloscillatore Sintesi della rete di adattamento Simulazioni non lineari in potenza Studio del rumore di fase atteso Layout fisico e realizzazione del circuito su Al 2 O 3

27 Microwave Microsystem Technology 27 Stato dellarte 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 dellingombro

28 Microwave Microsystem Technology 28 Studio del risuonatore Obiettivo: variare la fase del circuito di feedback fuori risonanza in accordo con la regione di instabilità dellattivo La soluzione consiste nel tarare opportunamente la lunghezza del trasduttore che connette il SER al resto del circuito

29 Microwave Microsystem Technology 29 Scelta dellelemento attivo HEMT NEC32400 Ultra Low Noise chip Per favorire linstabilità e minimizzare il contributo dei parassiti è stata scelta una configurazione a gate comune con feedback Uninduttanza è necessaria tra gate e massa per spostare nella zona della carta di Smith desiderata i cerchi di stabilità del FET L f = 1 nH

30 Microwave Microsystem Technology 30 Caratterizzazione dellattivo Misure di rumore (Alenia) kHz Pendenza: -9.5 dB/dec Valori misurati: 1 kHz -133 dBm/Hz 10 kHz -143 dBm/Hz 100 kHz -163 dBm/Hz

31 Microwave Microsystem Technology 31 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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