CC BY
334
УДК 621.396.67
МИКРОПОЛОСКОВАЯ СВЧ АНТЕННА НА КОМПОЗИТНОЙ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПОДЛОЖКЕ
А.С.Татаренко
A MICROWAVE MICROSTRIP ANTENNA ON A SUBSTRATE OF MAGNETOELECTRIC COMPOSITE
А.S.Tatarenko
Институт электронных и информационных систем НовГУ, alexandr.tatarenko@novsu.ru
Статья посвящена исследованию микрополосковой СВЧ антенны на подложке из магнитоэлектрического композита состава никель-цинковый феррит/барий стронциевый титанат на частоте 1,3 ГГц. Проведено теоретическое моделирование антенны. Геометрические размеры антенны уменьшены в -Jeyi ~7,4 раз по сравнению со стандартным симметричным вибратором. Ключевые слова: СВЧ антенны, магнитоэлектрические композиты, ферриты, диэлектрики
A miniature microwave microstrip antenna on a substrate of magnetoelectric composite was studied at the frequency of 1.3 GHz. The using composite is based on nickel-zinc ferrite/barium strontium titanate. A theoretical modeling of the antenna is carried out. Geometrical dimensions ofthe antenna are reduced by -Jeyi ~7.4 times in comparison with a standard symmetric vibrator. Keywords: microwave antennas, magnetoelectric composites, ferrite materials, dielectric materials
1. Введение
Современное развитие электронной техники требует разработки принципиально новых устройств, что невозможно без исследования и создания материалов с широким диапазоном физических свойств. Известные полупроводниковые, сегнето-электрические и магнитные материалы уже практически исчерпали свои возможности и по ряду параметров не соответствуют требованиям новой техники. Большое внимание сейчас уделяется поиску материалов, сочетающих в необходимой комбинации традиционные свойства. В последнее время разработчики электронных приборов проявляют большой интерес к магнитоэлектрическим (МЭ) материалам. Наличие в этих материалах магнитной и электрической подсистем приводит к различным МЭ эффектам, которые могут быть использованы при решении научных и прикладных задач, в том числе и при разработке миниатюрных СВЧ антенн. Интерес к миниатюризации СВЧ антенн значительно возрос в связи с широким развитием систем мобильной связи. Необходимость миниатюризации [1-3] особенно актуальна в нижнем частотном диапазоне, где длина волны достаточно велика и размеры стандартного полуволнового диполя составляют десятки и сотни сантиметров.
В работе исследована микрополосковая СВЧ антенна на основе МЭ композита состава никель-цинковый феррит/барий стронциевый титанат.
2. Конструкция антенны
Конструкция микрополосковой СВЧ антенны показана на рис.1. Полуволновой диполь длиной 47 мм и шириной 2 мм находится на МЭ подложке с размерами 65 на 40 мм и толщиной 2,2 мм. Другая сторона подложка имеет заземленную металлическую пластину.
Microstrip line
Metal plate
Substrate
/
Рис.1. Конструкция микрополосковой СВЧ антенны на МЭ подложке
Основное внимание было уделено выбору магнитной и диэлектрической компонент МЭ подложки. В качестве магнитной фазы был выбран никель-цинковый феррит (NIi_xZnxFe2O4, х = 0-0,5), в качестве диэлектрической фазы — барий стронциевый титанат (Sri_0,5xBaxTiO3, 0,04 <= х <= 0,25). Композит был получен спеканием при температуре 1250°C. Экспериментальные результаты измерений частотной зависимости магнитной и диэлектрической проницаемости, а также тангенса потерь представлены на рис.2.
0,7 0,6 0,5 0,4
ю
о,э та 0,2 0,1 0,0
200 400 600 800 1000 1200 1400
f (MHz)
Рис.2. Частотная зависимость магнитной и диэлектрической проницаемости, тангенса потерь
3. Экспериментальные результаты
Для выполнения измерений мы использовали стандартные методики, предлагаемые для Agilent Network Analyzer E8361B. Схема измерительной установки представлена на рис.3.
На рис.6 и 7 представлены диаграммы направленности исследуемой антенны.
Форма измеренных и смоделированных диаграмм направленности совпадает с хорошей точностью.
Рис.3. Схема измерительной установки
Топология микрополосковой антенны на магнитоэлектрической подложке была смоделирована в программе Microwave Office (рис.4).
Рис.4. Топология микрополосковой антенны
На рис.5 представлены экспериментально измеренные зависимости обратных потерь. Видно, что экспериментальные и смоделированные данные хорошо совпадают.
о -10
m -20 ■с
<о -30 -40
0,0
0,5
1,0 f (GHz)
1,5
2,0
01 -5 -10 -15
-20 - 270 -15 -10 -5 0
180
Рис.5. Экспериментальная и смоделированная зависимости обратных потерь от частоты
Рис.6. Азимутальная диаграмма направленности антенны 0
о, Ь
-5 -10
-15 - 270
-10
-5
0 180
Рис.7. Диаграмма направленности антенны, зависимость по углу места
4. Заключение
Применение магнитоэлектрических композитов открывает новые возможности для эффективной миниатюризации конструкций антенн. Получена компактная топология микрополосковой антенны. Геометрические размеры антенны уменьшены в
Тёц~7,4 раз по сравнению со стандартным симметричным вибратором.
0
Показано, что методология миниатюризации, разработанная в данной работе, может найти множество применений в любой антенной системе, включая системы связи для мобильных платформ, радиолокационные системы, беспилотные летательные аппараты и дистанционно управляемые наземные системы.
Работа выполнена при поддержке федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
1. Микроэлектронные устройства СВЧ / Под ред. Г.И.Ве-селова. М., 1988. 280 с.
2. Petrov R.V., Tatarenko A.S., Srinivasan G., and Mantese J.V. Antenna Miniaturization with Ferrite-Ferroelectric Composites // Microwave and Optical Technology Letters. 2008. V.50. №№12. P.3154-3157.
3. Tatarenko A.S. and Bichurin M.I. Microwave Magnetoelectric Devices // Advances in Condensed Matter Physics. 2012. V. 2012. 10 p.
Bibliography (Transliterated)
1. Mikroelektronnye ustroystva SVCh / Pod red. G.I.Veselova. M., 1988. 280 s.
2. Petrov R.V., Tatarenko A.S., Srinivasan G., and Mantese J.V. AntennaMiniaturization with Ferrite-Ferroelectric Composites // Microwave and Optical Technology Letters. 2008. V.50. №№12. P.3154-3157.
3. Tatarenko A.S. and Bichurin M.I. Microwave Magnetoelectric Devices // Advances in Condensed Matter Physics. 2012. V. 2012. 10 p.
