BR102016027092A2 - Circulador de três portas baseado em um cristal fotônico bidimensional com rede quadrada e ressonância de modo quadrupolo girante - Google Patents
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Abstract
circulador de três portas baseado em um cristal fotônico bidimensional com rede quadrada e ressonância de modo quadrupolo girante a presente invenção baseia-se em um cristal fotônico bidimensional no qual são inseridos três guias de onda e uma cavidade ressonante. através da variação da intensidade do sinal do campo magnético dc h0 e da excitação de modos quadrupolo girantes na cavidade ressonante, o dispositivo em questão permite a transmissão não recíproca de sinais eletromagnéticos que está associada a função de isolamento.
Description
(54) Título: CIRCULADOR DE TRÊS PORTAS BASEADO EM UM CRISTAL FOTÔNICO BIDIMENSIONAL COM REDE QUADRADA E RESSONÂNCIA DE MODO QUADRUPOLO GIRANTE (51) Int. Cl.: H01P 1/38; G02B 6/122 (52) CPC: H01P 1/38,G02F 2202/32,G02B 6/1225 (73) Titular(es): UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ (72) In vento r(es): VICTOR DMITRIEV; LENO RODRIGUES MARTINS (57) Resumo: CIRCULADOR DE TRES PORTAS BASEADO EM UM CRISTAL FOTÔNICO BIDIMENSIONAL COM REDE QUADRADA E RESSONÂNCIA DE MODO QUADRUPOLO GIRANTE A presente invenção baseia-se em um cristal fotônico bidimensional no qual são inseridos três guias de onda e uma cavidade ressonante. Através da variação da intensidade do sinal do campo magnético DC H0 e da excitação de modos quadrupolo girantes na cavidade ressonante, o dispositivo em questão permite a transmissão não recíproca de sinais eletromagnéticos que está associada a função de isolamento.
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CIRCULADOR DE TRÊS PORTAS BASEADO EM UM CRISTAL FOTÔNICO BIDIMENSIONAL COM REDE QUADRADA E RESSONÂNCIA DE MODO QUADRUPOLO GIRANTE [001] A invenção apresentada refere-se a um circulador de três portas, baseado na ressonância de modo quadrupolo girante, capaz de realizar a transmissão não recíproca de sinais eletromagnéticos.
[002] Cristais fotônicos são estruturas nas quais são distribuídos periodicamente materiais com diferentes índices de refração e existe uma faixa de frequências proibida, chamada photonic band gap. Ondas eletromagnéticas com frequência nesta faixa são totalmente refletidas no interior do cristal. Esse fenômeno está associado ao princípio de funcionamento de boa parte dos dispositivos baseados em cristais fotônicos.
[003] Em sistemas de comunicações, um circulador atua, principalmente, na proteção de fontes de sinais e amplificadores contra reflexões parasitas que podem se originar dentro destes sistemas (função de isolamento).
[004] Várias patentes relacionadas a circuladores já foram depositadas, dentre estas destaca-se as citadas a seguir.
[005] Por exemplo, o circulador apresentado na patente CN104101947 possui três portas e é baseado em um cristal fotônico bidimensional com rede quadrada de hastes dielétricas imersas em ar. A cavidade ressonante que compõe o dispositivo baseia-se em uma haste dielétrica central com seção transversal quadrada feita de um material magneto-óptico e em quatro hastes dielétricas com seção transversal triangular.
[006] O circulador descrito na patente de invenção US20120243844 é baseado em um cristal fotônico bidimensional composto por uma rede triangular de furos inseridos em um material com propriedades magneto-ópticas, sujeito à aplicação de um campo magnético externo. Este circulador possui três guias de ondas conectados simetricamente a uma cavidade ressonante localizada no centro do mesmo, dispostos no formato da letra Y.
[007] Já o circulador mostrado na patente US20130223805 é baseado em um cristal fotônico bidimensional composto por uma rede quadrada de cilindros
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2/5 dielétricos imersos em ar. Possui três guias de ondas conectados no formato T e uma cavidade ressonante formada por cilindros de ferrite e por cilindros dielétricos com raios modificados (quando comparados aos demais cilindros que compõem o cristal fotônico).
[008] O dispositivo proposto, por ter como base a tecnologia de cristais fotônicos, pode ser construído com dimensões reduzidas, favorecendo o aumento na densidade de integração de componentes em sistemas de comunicações.
[009] De modo geral, o dispositivo desenvolvido possui três portas e é baseado em um cristal fotônico bidimensional com rede quadrada de cilindros dielétricos imersos em ar. Três guias de ondas (cada um deles relacionado a uma das portas) e uma cavidade ressonante são inseridos no cristal a partir da criação de uma série de defeitos, de forma controlada, na estrutura periódica do cristal. Sinais eletromagnéticos que se propagam no cristal fotônico são confinados nestes defeitos, haja vista a existência do photonic band gap. Os defeitos criados são classificados da seguinte maneira:
a) Defeitos lineares: correspondem à remoção de fileiras de cilindros dielétricos e originam os guias de ondas do dispositivo;
b) Defeitos locais: correspondem à alteração do raio e da posição de cilindros dielétricos localizados no dispositivo para formar a cavidade ressonante. [010] Entre as características de desempenho do dispositivo desenvolvido, destacam-se as baixas perdas de inserção entre a entrada e a saída, os altos níveis de isolação da entrada em relação às reflexões parasitas oriundas da saída e a grande largura de banda de operação diretamente relacionada a excitação de modos quadrupolo girantes.
[011] O dispositivo baseia-se na ressonância dos modos quadrupolo girantes que são excitados na cavidade ressonante para uma determinada faixa de frequências. Os valores da frequência em que essas ressonâncias ocorrem estão em função das dimensões do dispositivo e podem ser deslocadas aumentando ou diminuindo seus elementos constituintes, conforme o conhecido princípio da escalabilidade das equações de Maxwell. A seguir serão apresentados valores para uma das configurações possíveis, a fim de ilustrar o funcionamento do dispositivo:
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a) Para a frequência central de operação de 99,1GHz, a constante de rede do cristal (a) é igual a 1,065 milímetros;
b) O raio dos cilindros pertencentes à rede cristalina é igual a 0,2a;
c) Os três guias de ondas são inseridos através da criação de três defeitos lineares;
d) A cavidade ressonante é formada por um cilindro central de ferrite. O cilindro central é feito a partir de uma ferrite de micro-ondas, por exemplo, à base de níquel-zinco e foi inserido em uma posição deslocada em relação ao eixo dos guias de onda horizontais.
e) A ferrite é um material girotrópico, sendo descrita pelas seguintes expressões para a permissividade elétrica e a permeabilidade magnética:
f) ε = 12,5ε0;
[μ] = M0 ικ
-Ικ μ
[012] Onde:
a) ε é a permissividade elétrica do material (em Farads por metro);
b) ε0 é a permissividade elétrica do espaço livre (em Farads por metro);
c) [μ] é o tensor permeabilidade magnética do material (em Henrys por metro);
d) μ é a permeabilidade magnética do espaço livre (em Henrys por metro);
e) i é a unidade imaginária;
f) μ é um parâmetro que pode ser calculado a partir da seguinte fórmula:
g) μ = 1 + ω„, (ω, + ΐωα) (ω + ΐωα)2 - ω2
h) k é um parâmetro que pode ser calculado a partir da seguinte fórmula:
i) κ = (ω + ΐωα)2 - ω
j) Os parâmetros ω e ω, onde: ω é a frequência angular (em radianos por segundo), são definidos pelas fórmulas a seguir:
k) ωπ = yMoe ω = γΗο;
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l) α é o fator de amortecimento definido por: α = μ°γΔΗ ;
2ω
m) M0 é a magnetização de saturação (398 quiloampère por metro), γ” é a razão giromagnética (2,33 x 105 radianos por segundo/Ampère por metro), ΔΗ = 15,915 quiloampère por metro, ω é a frequência angular (em radianos por segundo) e H0 é a intensidade do campo magnético externo DC aplicado (em quiloampère por metro);
[013] A figura 1 apresenta de modo esquemático, o dispositivo em funcionamento quando há aplicação de um campo magnético DC +H0 normal ao plano do cristal.
[014] A figura 2 mostra a componente Ez do campo eletromagnético no dispositivo quando há magnetização e o sinal de entrada é aplicado no guia de ondas 101.
[015] A figura 3 mostra a componente Ez do campo eletromagnético no dispositivo quando há magnetização e o sinal de entrada é aplicado no guia de ondas 102.
[016] A figura 4 mostra a componente Ez do campo eletromagnético no dispositivo quando há magnetização e o sinal de entrada é aplicado no guia de ondas 103.
[017] A figura 5 apresenta a resposta em frequência do dispositivo.
[018] A figura 6 apresenta, de forma esquemática, detalhes da geometria da cavidade ressonante que compõe o dispositivo.
[019] Quando há aplicação de um campo magnético H0 = 900 quiloampère por metro, o dispositivo opera como circulador (figura 1).
[020] A componente Ez de campo eletromagnético na frequência central normalizada ωθ/2πο = 0,3516, onde: ω é a frequência angular (em radianos por segundo); a é a constante de rede do cristal (em metros); c é a velocidade da luz no espaço livre (aproximadamente igual a 300.000.000 metros por segundo), quando ocorre aplicação de um campo magnético H0 = 900 quiloampère por metro e a excitação é aplicada na porta 1 (associada ao guia de ondas 101), há transmissão do sinal desta porta para a porta 2 (associada ao guia de ondas 102), com isolação da porta 3 (associada ao guia de ondas 103) devido ao alinhamento
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5/5 especial do modo quadrupolo, conforme pode ser observado na figura 2; de modo semelhante, quando o sinal de entrada é aplicado nas portas 2 (figura 3) e 3 (figura 4), este é transferido para as portas 3 (com isolação da porta 1) e 1 (com isolação da porta 2), respectivamente. Este caso corresponde à propagação no sentido horário. Caso o sinal do campo magnético externo DC H0 seja invertido, a propagação de sinais ocorrerá no sentido anti-horário (1 3, 3 2 e 2 1).
[021] A resposta em frequência do dispositivo quando é aplicado um campo magnético de intensidade H0 = 900 quiloampère é apresentada na figura 5. Na frequência central normalizada ωθ/2πο = 0,3516, as perdas de inserção são menores que -1 dB. Na faixa de frequências localizadas em torno de 100 GHz, a largura de banda (definida no nível de -15 dB das curvas de isolamento) é igual a 1,18 GHz para excitação na porta 1; 1,14 GHz para excitação na porta 2 e 1,09 GHz para excitação na porta 3.
[022] Uma das configurações possíveis para o funcionamento do dispositivo, pode ser vista na figura 6, onde o raio dos cilindros 501 é igual a 0,475a, o raio do cilindro 502 é igual a 0,11a e os raios dos cilindros 503 e 504 são iguais a 0,1135a.
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Claims (3)
- REIVINDICAÇÕES1. Circulador de três portas baseado em um cristal fotônico bidimensional com rede quadrada e ressonância de modo quadrupolo girante, caracterizado por ser constituído de um cristal fotônico no qual são inseridos três guias de onda e uma cavidade ressonante, capaz de realizar a função de isolamento de fontes de sinais contra reflexões parasitas em um sistema de comunicações.
- 2. Circulador de três portas baseado em um cristal fotônico bidimensional com rede quadrada e ressonância de modo quadrupolo girante, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por realizar a transmissão não recíproca de sinais eletromagnéticos nos sentidos horário e antihorário, dependendo do sentido de um campo magnético DC aplicado sobre o dispositivo.
- 3. Circulador de três portas baseado em um cristal fotônico bidimensional com rede quadrada e ressonância de modo quadrupolo girante, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por apresentar uma cavidade ressonante com estrutura simplificada e diâmetro da ferrite maior quando comparado ao ressonador com modo dipolo, permitindo nas altas frequências, maior facilidade no processo construtivo.Petição 870160068512, de 18/11/2016, pág. 10/301/5101
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