Consiglio Nazionale delle Ricerche Progetto Sensori e Microsistemi 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 M2T Microwave Microsystem Technology

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 Microwave Microsystem Technology

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) Microwave Microsystem Technology

Generalità sui dispositivi ad onda magnetostatica - 1 (CGS) Equazioni di Maxwell semplificate Irrotazionalità del campo magnetico Numeri d’onda eccitati k=30-150 cm-1 Microwave Microsystem Technology

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

Generalità sui dispositivi ad onda magnetostatica - 3 Microwave Microsystem Technology

Generalità sui dispositivi ad onda magnetostatica - 4 Microwave Microsystem Technology

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. Microwave Microsystem Technology

Microwave Microsystem Technology 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. Microwave Microsystem Technology

Microwave Microsystem Technology 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. Microwave Microsystem Technology

Microwave Microsystem Technology 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 Microwave Microsystem Technology

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

Microwave Microsystem Technology 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 Uso di uno spaziatore (spacer) a bassa costante dielettrica per disaccoppiare il film dalla microstriscia Microwave Microsystem Technology

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

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

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 Microwave Microsystem Technology

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

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

Microwave Microsystem Technology Risultati sul SER - 7 Esempio: film 0.8x2 mm2, 28 mm Deviazione standard: 5.39 MHz Errore medio: 7.5 MHz Microwave Microsystem Technology

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

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: Potenza magnetica fornita dalla microstriscia Coefficiente d’accoppiamento Microwave Microsystem Technology

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

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

Risultati sul SER - 12 Equivalenti elettrici dell’accoppiamento Impedenza complessa del SER coefficiente fenomenologico L’equivalente elettrico del SER è posto in parallelo nel punto d’inserzione del trasduttore La rete di accoppiamento è un giratore ideale Microwave Microsystem Technology

Microwave Microsystem Technology Risultati sul SER - 13 Modo (1,3) risonante a 14.033 GHz Dato sperimentale Simulato con MDS Microwave Microsystem Technology

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 Microwave Microsystem Technology

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) Microwave Microsystem Technology

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 Microwave Microsystem Technology

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 Microwave Microsystem Technology

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 Microwave Microsystem Technology

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. Microwave Microsystem Technology