بخشی از مقاله
چکیده
نانوذرات هگزا فریت استرانسیوم به روش همرسوبی تهیه شدند. سپس با استفاده از این نانوذرات لایههای ضخیم هگزا فریت استرانسیوم با روش ریختهگری نواری به همراه تفجوشی دو مرحلهای تولید شد. چگالی نسبی لایههای تولید شده 0/92 بودند. اندازهگیریهای مغناطیسی نشان داد که این لایهها دارای جهتگیری مناسب دانهای و مغناطش پسماندی در حدود 3490 G بودند. با استفاده از این لایههای تهیه شده سیرکولاتور خود بایاس ریزنواری در فرکانس 11 GHz طراحی شد. نتایج شبیه سازی نشان میدهد که این سیرکولاتور دارای تلفات نفوذی |S12| =1 dB است. اثر تخلخل لایهها بر روی عملکرد سیرکولاتور بررسی شد.
مقدمه
فریتها دستهی مهمی از مواد مغناطیسی هستند که به دلیل مقاومت الکتریکی زیاد، پایداری شیمیایی خوب، هزینه تولید کم و ... کاربردهای زیادی در فناوری بهویژه در مخابرات ریزموج دارند. در سامانههای راداری، سیرکولاتورهای پایه فریتی نوع Y کاربرد وسیعی دارند. از سیرکولاتورها به دلیل داشتن خواص یکسویه میتوان برای ارسال و دریافت همزمان سیگنال توسط یک آنتن در سامانههای "ارسال / دریافت" استفاده کرد.
در نوع معمول این سیرکولاتورها برای عملکرد مناسب، نیاز به اعمال میدان مغناطیسی ثابتی است که توسط مگنتهای خارجی این میدان ایجاد میگردد. استفاده از این مگنتها باعث افزایش حجم و هزینه تولید سیرکولاتور شده و در نتیجه باعث عدم تطبیق پذیری با فناوری مدارهای مجتمع یکپارچه مایکروویو - MMIC - میشود. فریتهای ششگوش بهویژه هگزا فریتهای باریوم و استرانسیوم نوع M به دلیل داشتن میدان ناهمسانگردی بزرگ، فریتهای خود بایاس نامیده میشوند.
استفاده از این نوع فریتها روش موثری برای کاهش ابعاد و وزن سیرکولاتور است. میدان ناهمسانگردی بزرگ این فریتها آنها را در حالت اشباع نگه داشته و نیاز به مگنت خارجی برای اعمال میدان بایاس حذف میگردد. از فریتهای ششگوش در طراحی و ساخت سیرکولاتورهای خود بایاس در باندهای فرکانسی Ka تا V استفاده شده است -1] .[2 وانگ و دیگران [3] سیرکولاتور خود بایاس را با فریت باریوم در فرکانس 40 GHz با تلفات نفوذی 1/21 dBطراحی کردند. هریس و دیگران [4] سیرکولاتور خود بایاسی را در باند فرکانسی Ku ساختند که دارای تلفات بازگشتی کمی در حدود 1/52 dB بود.
برای دستیابی به حالت خودبایاسی و تلفات کم لازم است که فریت دارای ویژگیهای از قبیل جهتگیری خوب دوقطبیهای مغناطیسی در راستای C، مغناطش اشباع - Ms - زیاد، نسبت مغناطش پسماند به مغناطش اشباع - Mr/Ms - نزدیک به یک، پهنای خط تشدید فرومغناطیس - - H کم و میدان ناهمسانگردی H A با جهت گیری واندازه مناسب باشد. همچنین لازم است که لایه- های فریتی چگال و با ضخامت بیشتر از 0/3 mmباشند. در این مطالعه لایه ضخیم هگزا فریت استرانسیوم با روش تفجوشی دو مرحلهای تهیه شد و با استفاده از ویژگیهای مغناطیسی این فریت سیرکولاتور خود بایاسی برای فرکانس 11 GHz طراحی شد.
ساخت نمونههای فریتی
در ابتدا نانوذرات هگزا فریت استرانسیوم SrFe12O19 با اندازه دانهی 150 nm با روش همرسوبی تهیه شد. لایه ضخیم هگزا فریت استرانسیوم با روش ریختهگری نواری تهیه و با روش تف-جوشی دو مرحلهای سینتر شد .[5] در فرایند پخت ابتدا دمای کوره تا T1= 1250 oC افزایش پیدا کرد و سپس با کاهش ناگهانی دما، نمونه به مدت 10 ساعت به صورت همدما در T2= 1050 oC حرارت دهی شد. لایههای ضخیم تهیه شده دارای چگالی نسبی rel =0/92 ، نسبت پسماند M r / M s =0/93 و پسماند مغناطیسی M r =3490 G بودند.
شکل 1 الگوی پراش پرتو ایکس را برای لایههای ضخیم هگزا فریت استرانسیوم تهیه شده نشان میدهد. قلههای مشاهده شده با الگوی استاندارد فریت استرانسیوم مطابقت دارد و قلهای اضافی یافت نمیشود. قلهها با شناسههای میلر نام گذاری شدهاند. مشخص است که قلههای - 0 0 n - نسبت به دیگر قلهها موجود شدت بسیار بیشتری دارند که مشخص کنندهی جهت گیری خوب محور C دانهها عمود بر صفحهی لایه است. این جهت گیری برای کاربردهای خود بایاس بسیار مهم است. تنها قله - 701 - دارای شدت قابل ملاحظهای در مقایسه با قلههای - 0 0 n - است که نشان میدهد جهتگیری دانهای در راستای محور c هنوز کامل نیست.
بر اساس دادههای جدول 1 پهنای خط کل ناشی از هر سه جمله معادله - 4 - برای فریت تولید شده در حدود Oe 260 است. شکل3 سیرکولاتور ریزنوار نوعی را نشان میدهد که تشکیل شده است از یک لایه فریتی استوانهای و کاواک تشدید شامل دو قسمت فلزی که در بالا و پایین لایه فریتی قرار میگیرند. خط انتقال بر روی یک لایه نیمرسانا از جنس دیوراید با ضخامت mm 0/787 و ثابت دیالکتریک 2/3 لایه نشانی میشود. برای تطبیق امپدانس لازم است که خط انتقال به یک خط 50 اهم خاتمه یابد.
سیرکولاتور با استفاده از نرمافزار شبیه ساز HFSS -که برای حل معادلات ماکسول در ساختارهای هندسی دلخواه در فرکانسهای مایکروویو استفاده میشود- تحلیل شد و پارامترهای پراکندگی شامل تلفات عبوری | | S12 و ایزولاسیون | | S13 محاسبه شد. سپس برای بهینه سازی ابعاد هندسی سیرکولاتور از الگوریتم ژنتیک استفاده شده و ابعاد مناسب سیرکولاتور استخراج شد. در طراحی سیرکولاتور ثابت دیالکتریک فریت =19 f در نظر گرفته شد. ابعاد هندسی سیرکولاتور در جدول 1 آورده شده است و منحنی پارامترهای پراکندگی در شکل 4 نشان داده شده است.
