Romolo Marcelli Consiglio Nazionale delle Ricerche Progetto Sensori e Microsistemi M 2 T

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

M2TMicrowave

Microsystem Technology

Microwave Microsystem Technology

2

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


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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 magneticoFattibilità sciolta sui risuonatori

(Progetto Asi 1993-1995) Progettazione realizzazione e test di un oscillatore in corso (Progetto ASI

1997-1999)


4

Generalità sui dispositivi ad onda magnetostatica - 1

t

d

ch

1

(CGS)

ec

hk 1

t

b

ce

1 h

cek 1

Equazioni di Maxwell semplificate

12 c

Irrotazionalità del campo magnetico

0 h

Numeri d’onda eccitati k=30-150 cm-1


5


)(0 HMt

M

tjehHtrH 0),(

Sistema linearizzato

Onde dirette

tjemMtrM 0),(

00 HM

hj

jhm

III

III

�

hhj

j

hmb III

III

�

100

0

0

)(0

OeMHz8.2


6


13,90 13,95 14,00 14,05 14,100

200

400

600

800

1000

= 0.001

= 0.0005

= 0.00018

Im( )

res (GHz)

13,90 13,95 14,00 14,05 14,10-600

-400

-200

0

200

400

600

= 0.001

= 0.0005

= 0.00018

Re( )

res (GHz)

QH

H

100

0222

0

00'''

0222

0

000'''

2)1(

2)1(

)(

j

Mj

j

jMj

IIIIII

III


7


h

02

2

2

2

2

2

zyxI

ykxkjzkzk yxzz eBeAe

k

0H

0H

0H

Forward

BackwardSurface

x

y

z


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.


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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.


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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.


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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


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Realizzazione del polazizzatore magnetico in

DC e layout del SER

Microstriscia su allumina 10 mil. Possibilità di rotazione.

Intensità di campo magnetico variabile meccanicamente

in

yig

2 3 m m

3.71 m m

2.12 m m


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Risultati sul SER - 1

• Misura del return loss

• La posizione dei modi si ottiene risolvendo la relazione di dispersione

0, kG

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

Film migliori:RL= -25 -35 dBQ 3000 4000


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In un risuonatore i k ammessi sono discreti (indicizzati)

YIG 0xy

z

P iano d i m as s a 1

P iano d i m as s a 2

t

d /2+ t

-d /2-s

-d /2

G G G

d

s

d/2

Allum ina

Equazioni e.m. con condizioni al contorno zjkzjkyjkyjkxjkxjk zzyyxx FeEeDeCeBeAe

,...4,3,2,1, bay na

nk

,...4,3,2,1, abx nb

nk


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Dispersione

2cos

2cos

2cos0

yyxxzz nyknxknzk

disparinpern

parinpern

bayx

bayx

,,

,,

0

1

Onde stazionarie

(1,1)

(1,2)


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Non idealità del risuonatore

Le relazioni precedenti sui k nel film non sono sufficienti a determinare le rispettive frequenze

anisdemagest HHHH int

• Correzione sul campo magnetico interno

• Correzione sui k sul piano

z

y

x

zzzyzx

yzyyyx

xzxyxx

zdem

ydem

xdem

p

p

p

NNN

NNN

NNN

M

rH

rH

rH

0

,

,

,

4

)(

)(

)(

1 zzyyxx NNN

)(

)()(ˆ

int

int

rH

rHrp


17


Coefficiente di demagnetizzazione Nzz

Nzz

Il campo interno è disuniforme

)(4)( 00, rNMHrH zzzdem

OeM 17600

Hi


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Coefficiente di demagnetizzazione Nzz efficace

2

2

2

2

0 ),,(1

a

a

b

b

zzzz dxdyzyxNba

N

220

,tzzzzzz

effzz

NNN

effzzeff NMHH ,00int, 4

Sono definibili dimensioni efficaci del risuonatore per le quali il campo interno è

omogeneo su tutto il volume del campione


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Esempio: film 0.8x2 mm2, 28 m

Errore medio: 7.5 MHz

Deviazione standard: 5.39 MHz


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Confronto tra le curve teoriche

0 50 100 150 20013,1

13,2

13,3

13,4

13,5

13,6

13,7

13,8

13,9

(10,1)(9,1)

(8,1)(7,1)

(6,1)(5,1)

(4,1)(3,1)

(2,1)(1,1)

(3,1)(4,1)

(10,1)(9,1)

(8,1)(7,1)

(6,1)(5,1)

(2,1)

(1,1)

Nzz=1 Nzz efficace freq. sper.

GH

z

k (cm-1)

360 MHz

effaeffy a

nk

,eff

beffx bnk

, effzzN ,


21


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:

dVhhPV

yx 22''

1100

Re 2

dVhhPV

yx 22'

1100

Im )1(2

mPPjP ,0ImRe

Coefficiente d’accoppiamento

Potenza magnetica fornita dalla microstriscia

))(1()(

1

)(

122

0'

112

0''

11

2200

,02

0ffdVhh

P

V

yx

m


22


Calcolo potenza magnetica disponibile (I)

'

'

'''0

'

'

'''0

3

'

3

'

4)(

4)(

yr

JdzdydxrB

zr

JdzdydxrB

xz

xy

Hy

Hz

w

I(y)

y

Doppia disuniformità della corrente

abs(

I(x)

) m

A

Legge di Biot e Savart


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Calcolo potenza magnetica disponibile (II)

Componente trasversale del campo magnetico Hy

dxdydzHHjPV

yyH y Im0


24


Equivalenti elettrici dell’accoppiamento

)()()(1

)(2

)()()(1

)(2

'1122''

11

,0

''1122''

11

,0

kk

kmaSER

kk

kmaSER

I

PX

I

PR

RSE

R

k

X SER

k

g

ZV1 V2

I1 I2

Z1

a coefficiente fenomenologico 1

Impedenza complessa del SER

L’equivalente elettrico del SER è posto in parallelo nel punto d’inserzione del trasduttore

La rete di accoppiamento è un giratore

ideale


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Modo (1,3) risonante a 14.033 GHz

Dato sperimentale

Simulato con MDS

14,00 14,02 14,04 14,06 14,08 14,10-40

-30

-20

-10

0

f0= 14.033 GHzS11= -34.808 dB

dB(S

11)

f (GHz)


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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


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Stato dell’arte 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 dell’ingombro


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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


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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

v ia L = 1 .3 m m

7 0 m3 0 0 m

4 0 m 4 0 m

Created using UNREGISTERED Top Draw 4/9/98 6:26:57 PM


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Caratterizzazione dell’attivoMisure di rumore (Alenia)

kHz

Pendenza: -9.5 dB/dec

Valori misurati:1 kHz -133 dBm/Hz10 kHz -143 dBm/Hz100 kHz -163 dBm/Hz


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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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