CC BY
63
УДК 621.396.6
МОДЕЛИРОВАНИЕ СВЧ АНТЕННЫ, ОСНОВАННОЙ НА МУЛЬТИФЕРРОИКОВЫХ СЛОИСТЫХ СТРУКТУРАХ
М.А.Хаванова, В.А.Камайкин, А.С.Татаренко, Р.В.Петров, А.Порохнюк*, Т.Уеда*, С.Томита** MODELING OF MICROWAVE ANTENNA BASED ON THE MULTIFERROIC LAYERED STRUCTURES
M.A.Khavanova, V.A.Kamaikin, A.S.Tatarenko, R.V.Petrov, A.Porokhnyuk*, T.Ueda*, S.Tomita**
Институт электронных и информационных систем НовГУ, [email protected] *Институт технологии Киото, Япония **Институт науки и технологии Нара, Япония
Рассматриваются вопросы моделирования СВЧ антенны, основанной на мультиферроиковых слоистых структурах. В основе структуры лежит подложка гадолиний-галлиевого граната 450 мкм толщиной, на который нанесена эпитаксиальная пленка иттрий-железистого граната толщиной 6 мкм, сверху на слой ИЖГ нанесена пленка ЦТС толщиной 3 мкм. Разработка таких антенн позволит получить значительные преимущества: небольшие габариты и малый вес; плоскостной дизайн; управление диаграммой направленности антенны, которое осуществляется изменением электрического напряжения. Данные моделирования позволяют сделать заключение о возможности управления диаграммой направленности антенны при использовании в качестве подложки магнитоэлектрических материалов. Изменение фазового сдвига сигнала между элементами двухэлементной антенны при точечной симметрии включения фидеров на 90 градусов приводит к ослаблению сигнала на 35,7 дБ. При изменении фазового сдвига сигнала между элементами двухэлементной антенны при зеркальной симметрии включения фидеров от 0 до 180 градусов происходит поворот диаграммы направленности от 0 до 90 градусов. Ключевые слова: антенны, мультиферроиковые структуры, магнитоэлектрические антенны
This paper considers modeling the microwave antenna based on multiferroic layered structures. The basis structure is a substrate of 450 |jm-thick gadolinium-gallium garnet covered with an epitaxial film of yttrium-iron garnet with the thickness of 6 |jm; 3 |jm-thick PZT film is applied to the top of YIG layer. Development of such antennas allows gaining significant advantages: small size and light weight, flat design, and control of the antenna pattern by the voltage adjustment. Simulation data led to the conclusion that it is possible to control the antenna pattern if magnetoelectric materials will be used as the antenna substrate. The change in phase shift of the signal between elements of two-element antenna with the point symmetry of switching feeders by 90 degrees leads to the signal weakening by 35.7 dB. The change in phase shift of the signal between elements of two-element antenna with the mirror symmetry of switching feeders from 0 to 180 degrees leads to rotation of the antenna pattern from 0 to 90 degrees. Keywords: antennas, multiferroic structures, magnetoelectric antennas
Введение
Развитие микроэлектроники и ее достижения нашли свое отражение и в антенной технике. Стали широко использоваться интегральные полосковые узлы, полосковые и микрополосковые линии передачи и различные устройства СВЧ, интегрированные непосредственно в приемо-передающие модули. Характеристики антенн в настоящее время предопределяют основные параметры всей радиосистемы, например, в радиолокационных станциях — разрешающую способность и точность определения угловых координат,
скорость перемещения луча в пространстве, помехозащищенность. Требования к направленности антенны предопределяют форму и ширину пространственной диаграммы направленности (в двух главных плоскостях), допустимый уровень боковых лепестков, коэффициент направленного действия (КНД) и поляризационную характеристику антенны. К антенне, как к любому радиотехническому устройству, предъявляются общетехнические, эксплуатационные и экономические требования, такие, как минимальные масса, габариты и стоимость, высокая надежность, приспособляемость к заданным условиям, удобство контроля и
ремонта. Задание этих требований к разрабатываемой антенне не менее важно, чем задание электрических требований, и выполнение их достигается не только соответствующими конструктивными решениями, технологией изготовления, применением необходимых материалов, но и выбором соответствующего способа сканирования, электрической схемы построения, режима работы системы и применяемых активных элементов и устройств СВЧ [1].
Введение в конструкцию СВЧ-антенн функциональных материалов, в том числе мультиферрои-ков, революционизировало технологию их изготовления, привело к значительному улучшению массогаба-ритных характеристик, расширило их функциональные возможности. Изучением возможности применения в технике СВЧ новых материалов посвящено много научных исследований, в том числе, например, применение ферритовых материалов для изменения характеристик антенны описано в [2-5], применение магнитоэлектрических (МЭ) материалов для разработки СВЧ-устройств предложено в работах [6-11].
Магнитоэлектрические материалы являются перспективными и востребованными в современных научных исследованиях [12]. На сегодняшний день использование МЭ эффекта и применение мульти-ферроидных слоистых структур при разработке конструкции СВЧ-антенны является актуальной и серьезной научной задачей [13-16], которая позволит осуществить эффективный контроль над диаграммой направленности антенны.
Выбор типа антенны для моделирования
Для реализации идеи управления диаграммой направленности необходимо проанализировать разные варианты исполнения антенн. Необходимо найти такой вариант, который позволяет при наличии муль-тиферроиковой подложки достаточную простоту конструкции и возможность управления параметрами мультиферроиковой средой. Рассмотрим три типа антенн: прямоугольную микрополосковую антенну, щелевую микрополосковую антенну и микрополос-ковую антенну П-типа. Топология шелевой микропо-лосковой антенны показана на рис. 1.
в плоскости Н (9 = л/2) —
Рис.1. Щелевая микрополосковая антенна
Диаграмму направленности (ДН) такой антенны можно рассчитать по следующим формулам [17]: в плоскости вектора Е (ф = 0) —
sm(9)
F (9) =
4(ец sm(9) cos(^kd ))2 + (£ sm(^kd ))2
(1)
F(cp) =
cos^kbsinfp
^cos(cp)
^UinfPTf V(cos(p)sin€kd))2 + gcos(kd))2
(2)
где k — волновое число
2 я • 2
k = , £, = VsM--sin (9), Л
Ь — длина щели, d — ширина щели, е — диэлектрическая проницаемость подложки, ц — магнитная проницаемость подложки.
Топология прямоугольной микрополосковой антенны показана на рис.2.
Рис.2. Прямоугольная микрополосковая антенна
Амплитудная ДН прямоугольной антенны рассчитывается по формулам [17]: в плоскости Н —
Fp(9) =
2cos(9)
Vcos2(6) + gctggkd))2 в плоскости Е —
Fe(9)=
2^ cos(9)
+ (ец cos(9)ctg(£kd ))2
sin(0,5ka sin(9))' 0,5kasin(9)
cos(0,5kbsin(9))
b г
1- (k- sin(9))2 я
(3)
(4)
где
k = , | = л/ец- sin2(6), a, b, d — длина, ширина Л
и толщина.
Микрополосковая антенна П-типа показана на
рис.3.
Рис.3. Микрополосковая антенна П-типа
ДН для антенн такого типа можно рассчитать по формулам, аналогично как для выражений антенны Вивальди [18]:
в плоскости Е —
£(9)=J0(£^ех1Л г^^Т
^ ^ цвш9_ [^/¡ше] I
е
в плоскости Н —
кЬл
(5)
Е(ф) = 3 0(0)
ф[км<1+сов ф)] + ¡1п^-ф у™ \ -
- Г сео5ф ф[км<1 + сов ф)] - ¡т^ \к™
(6)
где 30(») — функция Бесселя, Г — гамма-функция, V и Ь — ширина и длина выреза, X — длина волны, к — волновое число, е и ц — диэлектрическая и магнитная проницаемости подложки.
Прямоугольная микрополосковая антенна, щелевая антенна и антенна П-типа могут быть использованы для моделирования конструкции управляемой антенны. В щелевой антенне и антенне П-типа, кроме того, есть области круговой циркуляции магнитного поля, что значительно улучшает возможности изменения магнитной проницаемости и, как следствие, изменения характеристик ДН. Тем не менее, структура антенны П-типа в данном случае оказывается более выгодной, так как она позволяет удобно интегрировать в топологию антенны штыревые электроды, которые в дальнейшем будут использованы как электроды управления для создания потенциала внутри конструкции.
Структура подложки
Конструктивной основой антенны является мультиферроиковая подложка с двумя внешними металлическими слоями. Мультиферроики (сегне-томагнетики) — это материалы, в которых сосуществуют одновременно два и более типов «ферро»
упорядочения: ферромагнитное и сегнетоэлектриче-ское. В качестве мультиферроиковой среды будет применена среда магнитоэлектрическая. Антенна представляет собой прямоугольную пластину. На рис.4 показана структура подложки магнитоэлектрической антенны. В основе структуры лежит слой гадолиний-галлиевого граната 450 мкм толщиной, на который нанесена эпитаксиальная пленка иттрий-железистого граната (ИЖГ) толщиной 6 мкм, сверху на слой ИЖГ нанесена пленка ЦТС толщиной 3 мкм. Сверху и снизу структуры наносятся слои металлизации толщиной около 1 мкм.
Учет изменения свойств магнитоэлектрической подложки проводят через расчет сдвига линии ферромагнитного резонанса (ФМР) в результате приложения электрического поля Е3, например, как предложено в [19]:
8Яе =
3Е3
2Рсг
рС +рС С11+ С12
"езз и 11
М + М3%4 + з(%+2тС12)1 РС33 2 {роп^оп\
РС2
С13
,(7)
где Е3 — напряженность электрического поля, еу — пьезоэлектрический коэффициент для пьезоэлектрической фазы, РСу — компоненты тензора жесткости для пьезоэлектрической фазы, тСу — компоненты тензора жесткости для магнитной фазы, тV и ^ — объемная доля магнитострикционной и пьезоэлектрической фаз соответственно, Мц — намагниченность насыщения магнитного слоя, Х111 — константа магнитострикции.
Прикладывая управляющее напряжение к МЭ структуре, за счет высокочастотного МЭ эффекта вызывают сдвиг линии ФМР, что в свою очередь приводит к изменениям в материальных параметрах подложки и к изменению, в конечном счете, характеристик ДН антенны на заданной частоте.
металлизация
пьезокерамика
пленка иттрий-железистого граната
гадолиний-галлиевый гранат металлизация
Магнитоэлектрическая структура
Рис.4. Структура подложки магнитоэлектрической антенны
е
Graph 1
Блок питания U= 0..500 V
-20
-25 -30
-. 1 / - "1 ГГ
^DB(|S<1,1)|) ЕМ Structure 1
Frequency (GHz)
Рис.5. Топология одиночного элемента антенны и его АЧХ
Для вычисления магнитной проницаемости воспользуемся формулой магнитной проницаемости плёнки ЖИГ для продольно намагниченного случая [20], добавив сдвиг линии ФМР, определенный по формуле (7), и учитывая дисперсионную и диссипативную части:
1 у4яМоТр (уд/Н0(Н о + 8Н + 4лМо)-га)
Ц+= 1 +(\ \2 2--
(ул/Но(Но +8Н + 4%Мо) - га) Т2р1 +1
- ._у4лМТр1_
(ул/Яо(Яо+8Я + %Мо) -га)2Тр21 +1'
(8)
где га — круговая частота внешнего электромагнитного поля; Тр1 — время релаксации в пластине ЖИГ; Но — постоянное подмагничивающее поле; 4лМо — намагниченность насыщения феррита; — магнитная проницаемость при правополяризованном по кругу СВЧ поле; у — гиромагнитное отношение.
С помощью формулы (8) вычисляются потери и фазовый сдвиг, обусловленный присутствием феррито-вой пленки в подложке антенны. Так как магнитная проницаемость входит в формулы (1-6), то расчет ДН с учетом магнитной проницаемости по формуле (8) позволяет провести моделирование антенны с МЭ основанием.
Моделирование топологии антенны
Исходной моделью для выполнения расчетов и проектирования топологии была взята микрополосковая антенна П-типа показанная на рис.5. На подложку размером 2ох2о мм было интегрировано 18 щелей со встроенными внутрь щелей электродами. Каждый электрод подключен к регулируемому источнику питания, как это показано на рис.5. Такое включение позволяет увеличить площадь деформации подложки за счет прикладываемого потенциала. Регулирование напряжения на источнике питания плавно изменяет характеристики размерного коэффициента подложки, что отражается на характеристиках излучения антенны.
Для создания управляемой ДН необходимо объединить на одной топологии как минимум два антенных элемента, с условием, что один из них имеет регулируемые характеристики. На топологии, представленной на рис.6, объединены два элемента на расстоянии полудлины излучающей волны. По сути это модель простейшей фазированной антенной решетки. Подключение внешних сигналов осуществлено симметрично точки О (на рис.6 порты 1, 2 обозначены небольшими квадратами). Это вариант точечной симметрии согласования.
fx
ЙМНЙЙ:
O
н
Hff
я
и
3S
я
и
я
У
Рис.6. Топология антенны
Один из элементов решетки подключен к источнику питания, как показано на рис.7. Это позволяет управлять характеристиками антенны. Оба излучающих элемента подключены через делитель к измерительной установке Planar OBZOR-804. Изменяя потенциал на одном из элементов, мы изменяем диаграмму направленности излучения антенны.
Блок питания U= 0..500 В
Рис.7. Измерительная установка
На рис.8 показана АЧХ коэффициента отражения 511 при следующих размерах подложки: толщина h = 0,5 мм, ширина x = 20 мм, длина y = 60 мм на частоте 4,8 ГГц.
Рис.8. АЧХ коэффициента 511 антенны h = 0,5 мм, х = 20 мм, у = 60 мм
Стрелкой на рисунке указана рабочая частота для моделирования. Симулирование работы устройства осуществляется путем изменения фазового сдвига между точками подключения антенн к фидеру. Такой сдвиг фаз практически равноценен изменению фазы под действием управляющего напряжения на антенный элемент. Изменение фазового сдвига между элементами на 90 градусов приводит к ослаблению сигнала на 35,7 дБ (рис.9). Таким образом, легко осуществлять управление амплитудой передаваемого сигнала, изменяя параметры одного из излучающих элементов антенны.
На топологии, показанной на рис.10, подключение антенн осуществлено по схеме зеркальной относительно оси АВ симметрии. Порты обозначены небольшими квадратами.
tX
МШ
A
O
B
-
-
-
1 ни : ни
П 1В 1 Ни
J ни
дни
ш
—
—
Рис.10. Топология антенны
y
Рис.11. Диаграмма направленности: a — при ф = 0 deg, ДН = 0 deg; b — при ф = 180 deg, ДН = 90 deg
b
a
АЧХ коэффициента отражения 511 для нового варианта подключения выглядит аналогично показанной на рис.8. Иная точка подключения изменила функциональность антенны. На рис.11 показаны результаты моделирования антенны. Из рисунка видно, что при симулировании сдвига фазы входящего сигнала ф от 0 до 180 градусов происходит поворот диаграммы направленности от 0 до 90 градусов.
Таким образом, показана возможность управления ДН с помощью прикладываемого внешнего управляющего напряжения.
Заключение
Фазированные антенные решетки будут применяться в ближайшем будущем в телекоммуникационных системах, роботах, беспилотных летательных аппаратах, автомобилях. Развитие таких антенн позволит получить значительные преимущества: небольшие габариты и малый вес; плоскостной дизайн; управление диаграммой направленности антенны, которое осуществляется изменением электрического напряжения. В работе осуществлено моделирование СВЧ антенны, основанной на мульти-
ферроиковых слоистых структурах. Данные моделирования позволили сделать заключение о возможности управления диаграммой направленности. Изменение фазового сдвига сигнала между элементами антенны на 9о градусов приводит к ослаблению сигнала на 35,7 дБ. При симулировании сдвига фазы входящего сигнала от о до 18о градусов, происходит поворот диаграммы направленности от о до 9о градусов.
Работа выполнена в рамках исследовательского проекта РФФИN0. #15-57-50010.
1. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазирован-
ных антенных решеток: Учеб. пособие для вузов / Под
ред. Д.И.Воскресенского. М.: Радио и связь, 1981. 432 с.
2. Петров Р.В. Двухдиапазонная ферритовая антенна //
Вестник НовГУ. Сер.: Техн. науки. 2008. №46. С.24-27.
3. Петров Р.В., Бичурин И.М., Сринивасан Г. Исследование
свойств антенн с ферритовыми элементами // Антенны. 2009. Вып. 8(147). С.50-55.
4. Ueda T., Horikawa К., Akiyama М. and Tsutsumi М. Nonre-ciprocal Phase-Shift Composite Right/Left Handed Trans-
mission Lines and Their Application to Leaky Wave Anten-
nas // IEEE Transactions on antennas and propagation. 2009. V.57. №7. Р.1995-2005.
5. Jin C., Alphones A., Tsutsumi M. Double Periodic Composite Right/Left Handed Transmission Line and Its Applications to Compact Leaky-Wave Antennas // IEEE Transactions on antennas and propagation. 2011. V.59. №10. Р.3679-3686.
6. Tsutsumi M. et al. Guided wave propagation through magne-toelectric media // IEEE Proceeding Letters. 1969. Vol.57. №4. P.696-698.
7. Bichurin M.I. Magnetoelectrics in microwave range // Ferro-electrics. 1994. V.161. P.53.
8. Bichurin M.I., Petrov V.M. Composite magnetoelectrics: their microwave properties // Ferroelectrics. 1994. V.162. P.33.
9. Bichurin M.I., Petrov R.V. Magnetoelectric phasers for PAS // Proc. of the 2 Intern. Conf. and Exhibition on Satellite Communication. M. 1996. P.236.
10. Bichurin M.I., Petrov R.V., Kiliba Yu.V. Magnetoelectric microwave phase shifters // Ferroelectrics. 1997. V.204. P.311-319.
11. Bichurin M.I., Petrov V.M., Petrov R.V., Kiliba Y. et al. Magnetoelectric microwave devices // Ferroelectrics. 2002. V.280. P.211-218.
12. Magnetoelectricity in Composites / Eds. M.Bichurin, D.Viehland. Singapore: Pan Stanford Publishing, 2012. 273 p.
13. Petrov R.V., Tatarenko A.S., Pandey S., et al. Miniature antenna based on magnetoelectric composites // Electr. Lett. / 2008. Vol. 44. № 8. P.506-507.
14. Petrov R.V., Tatarenko A.S., Srinivasan G., Mantese J.V. Antenna miniaturization with ferrite-ferroelectric composites // Mic. Opt. Tech. Lett. 2008. V.50. P.3155-3157.
15. Петров Р.В., Сринивасан Г. Проектирование магнитоэлектрической фазированной антенной решётки // Вестник НовГУ. Сер.: Техн. науки. 2009. №50. С.61-65.
16. Petrov R, Murthy D.V.B., Sreenivasulu G. and Srinivasan G.. A slot antenna with magnetoelectric elements // Microwave Opt Technol Lett. 2013. Vol.55. №3. DOI 10.1002/mop.
17. Панченко Б.А., Нефёдов Е.И. Микрополосковые антенны. М.: Радио и связь, 1986. 144 с.
18. Фролов А.А., Гирич С.В., Заярный В.П. Моделирование характеристик антенн СВЧ-диапазона // Известия Волгоградского гос. техн. ун-та. 2008. №2. С. 111-117.
19. Петров Р.В., Бичурин М.И., Петров В.М. Резонансные эффекты в магнитострикционно-пьезоэлектрических композитах для твердотельных электронных устройств. Palmarium Academic Publishing, 2012. 264 с.
20. Петров Р.В. Исследование магнитоэлектрического щелевого резонатора СВЧ-диапазона // Инженерная физика. 2012. №1. С.33-38.
References
1. Voskresenskii D.I. Antenny i ustroistva SVCh. Proektiro-vanie fazirovannykh antennykh reshetok. Uchebnoe posobie dlia vuzov [Antennas and microwave devices. Designing phased antenna arrays. Study guide]. Moscow, "Radio i sviaz'" Publ., 1981, 432 p.
2. Petrov R.V. Dvukhdiapazonnaia ferritovaia antenna [Two-band ferrite antenna]. Vestnik NovGU. Ser. Tekhnicheskie nauki - Vestnik NovSU. Issue: Engineering Sciences, 2008, no. 46, pp. 24-27.
3. Petrov R.V., Bichurin I.M., Srinivasan G. Issledovanie svoistv antenn s ferritovymi elementami [Investigation of antennas characteristics with ferrite elements]. Antenny - Antennas, 2009, no. 8(147), pp. 50-55.
4. Tetsuya Ueda, Ken Horikawa, Masahiro Akiyama, Makoto Tsutsumi. Nonreciprocal phase-shift composite right/left handed transmission lines and their application to leaky wave antennas. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2009, vol. 57, no. 7.
5. Cheng Jin, Arokiaswami Alphones, Makoto Tsutsumi. Double periodic composite right/left handed transmission line and its applications to compact leaky-wave antennas". IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2011, vol. 59, no. 10.
6. Tsutsumi M. et al. Guided wave propagation through magnetoelectric media. IEEE Proceeding Letters, 1969, vol. 57, no.4, pp. 696-698.
7. Bichurin M.I. Magnetoelectrics in microwave range. Ferroelectrics, 1994, vol. 161, no. 1-4, pp. 53-58.
8. Bichurin M.I., Petrov V.M. Composite magnetoelectrics: their microwave properties. Ferroelectrics, 1994, vol. 162, pp. 33-35.
9. Bichurin M.I., Petrov R.V. Magnetoelectric phasers for PAS. Proc. of the 2nd Int. Conf. and Exhibition on Satellite Communication. Moscow, 1996.
10. Bichurin M.I., Petrov R.V., Kiliba Yu.V. Magnetoelectric microwave phase shifters. Ferroelectrics, 1997, vol. 204, pp.311-319.
11. Bichurin M.I., Petrov V.M., Petrov R.V., Kiliba Y. et al. Magnetoelectric microwave devices. Ferroelectrics, 2002, vol. 280, pp. 211-218.
12. Bichurin M., Viehland D., eds. Magnetoelectricity in Composites. Pan Stanford Publishing, Singapore, 2012. 273 p.
13. Petrov R.V., Tatarenko A.S., Pandey S., Srinivasan G., Man-tese J.V., Azadegan R. Miniature antenna based on magneto-electric composites. Electronics Letters, 2008, vol. 44, no. 8, pp. 506-507.
14. Petrov R.V., Tatarenko A.S., Srinivasan G., Mantese J.V. Antenna miniaturization with ferrite-ferroelectric composites. Microwave and Optical Technology Letters, 2008, vol. 50, pp. 3155-3157.
15. Petrov R.V., Srinivasan G. Proektirovanie magnitoelek-tricheskoi fazirovannoi antennoi reshetki [Designing magnetoelectric phased antenna array]. Vestnik NovGU. Ser. Tekhnicheskie nauki - Vestnik NovSU. Issue: Engineering Sciences, 2009, no. 50, pp. 61-65.
16. Roman V. Petrov, Devata V. B. Murthy, Gollapudi Sreeni-vasulu and Gopalan Srinivasan. A slot antenna with magne-toelectric elements. Microwave and Optical Technology Letters, 2013, vol. 55, no. 3. doi:10.1002/mop.
17. Panchenko B.A., Nefedov E.I. Mikropoloskovye antenny [Microstrip antennas]. Moscow, "Radio i sviaz'" Publ., 1986. 144 p.
18. Frolov A.A., Girich S.V., Zaiarnyi V.P. Modelirovanie kharakteristik antenn SVCh-diapazona [Characteristics of microwave band antennas modeling]. Izvestiia VolGTU - Iz-vestia VSTU, 2008, vol. 4, no. 2(40), pp. 111-117.
19. Petrov R.V., Bichurin M.I., Petrov V.M. Rezonansnye ef-fekty v magnitostriktsionno-p'ezoelektricheskikh kompozi-takh dlia tverdotel'nykh elektronnykh ustroistv [Resonance effects in magnetostrictive-piezoelectric composites for solidstate electronic devices]. Palmarium Academic Publishing, 2012. 264 p.
20. Petrov R.V. Issledovanie magnitoelektricheskogo shchelevogo rezonatora SVCh-diapazona [Research of microwave magneto-electric slot resonator]. Inzhenernaia fizika - Engineering Physics, 2012, no. 1, pp. 33-38.
