RO126352A2 - Metodă de baleiaj controlat al caracteristicii de radiaţie a antenelor de microunde cu celule crlh () prin polarizare magnetică - Google Patents

Abstract

Prezenta invenţie se referă la o metodă de baleiaj controlat al caracteristicii de radiaţie a antenelor de microunde realizată cu celule CRLH (CompositeRight/Left Handed) pe substrat de ferită, prin aplicarea unui câmp magnetic de polarizare, cu intensitate reglabilă, substratului de ferită.

Description

Descrierea invenției

Invenția se referă la o metodă de baleiaj controlat a caracteristicii de radiație a antenelor de microunde prin aplicarea unui câmp magnetic de polarizare cu intensitate reglabilă. Antenele cărora li se aplică prezenta metodă suni cele de tip planar: striplinc. microstrip. CPW (CoPlanar Wavcguidc). Metoda arc aplicabilitate în domeniul electronicii frecvențelor foarte înalte (microunde rși unde milimetrice), cu precădere pentru identificarea în domeniul frecvențelor radio (RIN)). în domeniul telecomunicațiilor, al electronicii auto, pentru realizarea radarelor anticoliziunc și în orice aplicație de frecvență foarte înaltă care presupune emiterea unui semnal de microunde și modificarea controlată a caracteristicii de radiație a antenelor aferente respectivei aplicații. Aceste dispozitive pot II folosite atât ca elemente separate cât și ca clemente integrate în circuite de microunde sau de unde milimetrice.

Sunt cunoscute metode pentru modificarea direcției caracteristicii de directivitale a unor antene planare fără deplasarea mecanică a acestora. Toate aceste metode se aplică dispozitivelor de tip Rll (Right Handed). In aceste construcții, baleiajul caracteristicii de directivitale, atunci când este cazul, se efectuează prin mijloace electronice, ceea ce complică realizarea dispo/itivului și a circuitului de microunde în care acesta este introdus. Una dintre metode, de exemplu, constă în atacarea clementelor radiante cu semnale defazate după o anumită regulă. Există și construcții rcconligurabile care fac apel la soluții mecanice de tip MEMS (micro-eleclro-mcchanical systcms) cu comutatori și/sau actuatori, dar aceste ultime soluții sunt precare atât în ceea ce privește fiabilitatea procesului tehnologic, cât și a produsului finit. In plus, toate construcțiile de dispozitive planare de microunde de tipul Rll (Right Handed) ocupă o suprafață cu aprox. 30% mai mare decât dispozitivele CRI.II, pe substratul care le suportă.

Dispozitivele de tip CRI.I I de microunde au început să fie studiate acum aproximativ 7 ani. în articole și comunicări științifice fiind raportate construcții de cuploare direcționale, antene în diferite configurații, filtre și alte componente. In nici una dintre contribuțiile bibliograllce nu se prezintă vreun exemplu de antenă CRI 11 pe substrat de ferita polarizată magnetic. C — 3 fl.

Ο -06- 2009

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția constă în modificarea direcției caracteristicii dc radiație a antenelor dc microunde fără a l'olosi mijloace electronice, mecanice sau MEMS-uri. simultan cu reducerea dimensiunilor acestor dispozitive. Invenția privind metoda dc baleiaj controlat a caracteristicii de radiație a antenelor de microunde cu celule CRLH (Compositc Right / Left Illandcd) prin polarizare magnetică oferă soluția tehnică a acestei probleme, soluție ce constă în utilizarea celulelor CRI .11 în configurație CPW (CoPlanar Waveguide). pe substrat de ferită în realizarea acestor antene și aplicarea unui câmp magnetic de polarizare de intensitate reglabilă substratului ferilic. f olosirea de celule CRLH permite reducerea cu aprox. 30% a suprafeței ocupate dc antene, comparativ cu dispozitivele dc tip RH. iar aplicarea polarizării magnetice substratului pe care sunt realizate aceste dispozitive permite baleiajul caracteristicii dc radiație între anumite liniile, impuse dc parametrii electrici (permitivitalea magnetizarea dc saturație 4πΜ. și lățimea liniei de rezonanță giromagnetică AII) ai acestui substrat și dc intensitatea câmpului magnetic aplicat. Este pentru prima dată când se prezintă o metodă de baleiaj a caracteristicii de radiație a unei antene de microunde care să îmbine cele două clemente: (i) realizarea cu celule CRLH și (ii) acordabilitate controlată în frecvență prin polarizare magnetică.

Această metodă poate lî exploatată industrial prin implementarea ei în realizarea dc antene de microunde în tehnică CRI.I I planară (CPW. microstrip. etc.) pentru acele aplicații ce necesită circuite dc microunde pe suprafețe cât mai reduse, simultan cu cerința unui baleiaj al caracteristicii dc radiație. Pol fl citate aici aplicațiile tip RFID, radare auto, aplicații în rețele de telecomunicații dc tip WI.AN (Wircless l.ocal Arca Nctwork) și. în general. în orice aplicație dc frecvență foarte înaltă care lace apel la producerea, emiterea, recepționarea și procesarea radiațiilor electromagnetice din banda dc microunde. Această metodă permite realizarea dc dispozitive funcționale utile pentru economisirea de spațiu în circuitele din ce în cc mai miniaturizate, caracteristice electronicii actuale, simultan cu abilitatea de a modifica direcția de emisie și recepție a antenei.

Avantajele invenției în raport cu stadiul actual al tehnicii constau în:

• Reducerea substanțială a dimensiunilor suprafeței active a antenelor planare de microunde prin folosirea celulelor CRLH.

Ας 2 Ο Ο 9 - Ο Ο 5 Ο ^Λ - 3 Ο -06- 21101! 3 7# • Abilitatea de a modifica în mod controlat direcția de emisie-recepție balcind caracteristica de radiație prin aplicarea unui câmp magnetic de polarizare, ceea ce elimină dezavantajele menționate anterior.

• folosirea celulelor CRLH, cu economia de spațiu ce Ic caracterizează, line de implementarea unor tehnici emergente, caracteristice electronicii viitorului.

în continuare se dă un exemplu de aplicare a metodei de baleiaj controlat a caracteristicii dc radiație a antenelor dc microunde cu celule CRLII (Compositc Right / l.cft llanded) prin polarizare magnetică în legătură cu l'ig. I. I'ig.2 si l’ig.3 care reprezintă:

• l’ig. I: Variația permeabilității elective a unui substrat leritic în funcție de intensitatea unui câmp magnetic dc polarizare reglabil, normal la suprafața substratului.

Curba din l-'ig.l reprezintă variația permeabilității elective a unui substrat fcritic. dc formă paralelipipedică, la care grosimea este mult mai mică decât celelalte două dimensiuni, atunci când este supus in fluenței unui câmp magnetic reglabil. Calculul a fost efectuat cf. datelor din literatura dc specialitate | I |. In cazul dc lată, valorile câmpului magnetic au variat dc la O I la 0.26 T pentru care permeabilitatea efectivă a substratului s-a situat în domeniul I 0.921.

• I ig.2: Schema montajului de măsură a caracteristicii de radiație a antenei și fotografia acestui montaj implementat în laborator.

Schema montajului cuprinde un generator de microunde (1) care alimentează prin intermediul unui cuplor direcțional (2) sistemul de \ izualizarc a răspunsului antenei în frecvență. Acest sistem este format din analizorul dc răspuns (4) și detectoarele aferente lui (3). Antena dc măsură CRI.II pe substrat dc ferită (5) este conectată la poarta dc ieșire a cuplorului direcțional și este lixată în centrul unui sistem care permite rotirea unei antene de recepție (6) pe o scală (7) divizată în grade în jurul antenei CRLII. întregul montaj este astfel construit încât să permită aplicarea unui câmp magnetic de polarizare normal la suprafața antenei CRLII prin intermediul unui elcctromagncl (10). Intensitatea câmpului magnetic este măsurată cu ajutorul unui icslametru (II) prevăzut cu un traductor Hali (9). Puterea captată dc antena de recepție (6) este măsurată cu ajutorul unui wattmetru de microunde (8). în fotografia din l'ig.2 (b) sc observă montajul dc măsură și un detaliu cuprinzând antena CRI4 I pc substrat dc ferită în sistemul de aplicare a câmpului magnetic.

• Fig.3: Variația măsurată a unghiului de baleiaj al caracteristicii de radiație a antenei

CLRH pe substrat de ferită pentru trei valori ale câmpului magnetic de polarizare:

Ο Ο 9 - Ο 05 Ο 1 - 3 Ο -06- 2009 '

Setul de curbe din Fig.3 reprezintă deplasarea azimutală a maximului caracteristicii dc radiație al unei antene CRI.II pe substrat dc ferită. folosită pentru a demonstra funcționalitatea metodei de baleiaj controlat prin polarizare magnetică. Parametrul urmărit în această figură este puterea recepționată de către antena dc recepție în funcție de câmpul magnetic dc polarizare. Valorile au fost normate la valoarea maximă care sc obține în absența polarizării magnetice la azimutul O 0°. Valoarea negativă pentru câmpul magnetic dc polarizare. Ι Ι_ίΐρι - 0,16 T. semnifică inversarea sensului acestuia.

Secvența dc aplicare a metodei de baleiaj controlat a caracteristicii dc radiație a antenelor dc microunde cu celule CRI 11 prin polarizare magnetică presupune următorii pași:

a) Cunoscând aplicația care sc urmărește a li realizată și frecvența de lucru a dispozitivelor componente, sc alege un substrat fcritic. Parametrii electrici de material corespunzători aplicării acestei metode sunt datele de catalog ale acestui substrat: magnctizarca de saturație (4nM_s). permitivitatca relativă (ε_Γ) și lățimea liniei dc rezonanță giiOmagnctică (Al I).

b) Folosind relațiile de calcul indicate în literatura dc specialitate, cf. |l| Cap. 4. se calculează curba dc variație a permeabilității efective (gieir) a substratului fcritic pentru o anumită plajă de variație a unui câmp magnetic dc polarizare uniform, aplicat normal la suprafața substratului fcritic. Pentru valori ale câmpului magnetic dc polarizare aliate sub rezonanța giromagnetică g_clr este subunitar. iar pentru valori ale câmpului magnetic dc polarizare aliate deasupra rezonanței giromagnetiee poveste supraunitar.

c) In Fig. I este prezentată curba dc variație a permeabilității efective a substratului (critic folosit în exemplificarea de lață. în funcție dc intensitatea unui câmp magnetic de polarizare reglabil, normal la suprafața substratului. Dalele dc catalog ale substratului pentru obținerea acestei curbe sunt: 4kM_s 0.055 I . ε, 13.5 și AI I 16 kA/m. Câmpul magnetic aplicat a fost reglabil între limitele I l_api 0 I și ί l_;ipi 0,26 I. Frecvența considerată a fost 13 (il Iz. în aceste condiții, permeabilitatea efectivă a substratului s-a situat în domeniul I 0,921.

d) Sc alege zona de lucru deasupra sau dedesubtul rezonanței giromagnetiee. în general.

pentru frecvențe din gama microundelor și pentru câmpuri magnetice cu intensități utile aplicațiilor uzuale, sc preferă lucrul sub rezonanța giromagnetică.

c) Se calculează geometria dispozitivului vizat pe frecvența dorită pentru situația în care câmpul magnetic dc polarizare este nul (substrat feritic nepolarizat magnetic), caz în care permeabilitatea efectivă are valoarea j-i_eir- I ·

«c 2003-00501-3 0 -06- 2009 ₅

I) La pasul următor, considerând ca mărime inițială geometria dispozitivului calculată la pct. (e). se revine asupra calculelor efectuate la pct. (b). La acest pas se consideră în locul permeabilității elective p_eii· ' I valorile permeabilității efective pi_err < I obținute pentru domeniul de variație a câmpului magnetic de polarizare (vezi fig.l). Modelările matematice cf. |2| demonstrează, pentru aceeași geometric a dispozitivului, o deplasare azi mutală a maximului caracteristicii de radiație a antenei.

g) Deplasarea azimulală calculată cf. 121 pentru situațiile în care câmpul magnetic aplicat a fost, succesiv. 0 T, 0.16 T și - 0.16 I a fost de l/- 9,78^(l în funcție de sensul câmpului magnetic de polarizare.

h) Se ilustrează acest efect care validează metoda de baleiaj controlat al caracteristicii de radiație prin polarizare magnetică cu ajutorul unei structuri de antenă cu celule CRI.II în configurație Cl’W. în I ig.2 (a) și (b) se prezintă schema montajului de măsură, precum și fotografia unei structuri de antenă amplasată pe cap de măsură în frecvențe foarte înalte.

i) Deplasarea azimulală totală a maximului lobului de radiație măsurată asupra antenei pentru câmpuri magnetice de polarizare de 0 I . 0.16 T și - 0.16 T este prezentată în I ig.3. Se poate constata un baleiaj controlat de aprox. ! 10 ¹¹ ce ca ce corespunde perfect valorii calculate (vezi pct.g).

Referințe bibliografice [l| B. Lax and K. .1. Bulion, Microvave /'eiTiles and Fercimagnetics, USA: McGraw-l Iii

Book Comp.. Inc.. 1962.

|2| G. Sajin, S. Simion. I^;. Craciunoiu. R. Marcelii. Cl’W Silicon '/.erolh-Order Rcsohohcc Anleiinn ( siog Composite Righll.eji-lIiuided '/ransuiission Liaes. I’rocecdings of the Mcditcrranean Microwave Symposium. MMS 2007. Budapcst. Ilungary. 14 16 May 2007.

Claims (1)

1. Revendicare

   1. Metodă de baleiaj controlat a caracteristicii de radiație a antenelor dc microunde cu celule CR.LH (Composile Right / Leit Handed) prin polarizare magnetică caracterizată prin aceea eă îmbină realizarea în tehnică CRLII. pe substrat de ferită, a acestor dispozitive planare cu posibilitatea dc a obține variația controlată a direcției de emisie recepție ale acestor dispozitive prin modificarea unui câmp magnetic de polarizare aplicat substratului l'eritic.