В РФ нашли способ улучшить СВЧ-фильтры для спутниковой связи и радиолокации
Ученые Новгородского государственного университета определили оптимальные материалы и геометрические параметры для эффективной электрической перестройки сверхвысокочастотных устройств — фильтров, фазовращателей и антенных решеток. Результаты могут применяться при проектировании радиолокационных систем, спутниковой связи и базовых станций, где важны точная настройка и компактность, сообщил один из авторов исследования доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой проектирования и технологии радиоаппаратуры Мирза Бичурин.
«Мы изучили композитные структуры из феррита и пьезоэлектрика. При подаче напряжения на пьезоэлектрик он деформируется и передает механическое напряжение ферриту, из-за чего меняются его магнитные характеристики. За счет такого магнитоэлектрического эффекта можно электрически управлять параметрами СВЧ-сигнала — например, перестраивать резонансную частоту или фазовый сдвиг, то есть менять нужную частоту настройки или задержку сигнала без механических подстроек, просто подавая напряжение», — пояснил он.
Эффективность такой перестройки зависит прежде всего от двух факторов: свойств материалов и геометрии структуры. Один из них — магнитная анизотропия кристаллического феррита, то есть зависимость его свойств от направления магнитного поля.
«Представьте кусок дерева: вдоль волокон его легко расколоть, а поперек — гораздо сложнее. Это и есть анизотропия, когда свойства материала зависят от направления. Для большинства применений этим различием можно пренебречь, но в сверхточных приборах, работающих со сверхвысокочастотными сигналами, анизотропию уже нельзя игнорировать», — пояснил еще один автор проекта Руслан Кафаров. Второй ключевой фактор — зависимость величины и направления его механической деформации от кристаллографического направления при приложении электрического поля. Для эффективного управления важно, чтобы материал изменял размеры по разным направлениям неодинаково. Чем больше разница между деформациями вдоль разных осей, тем сильнее изменяются характеристики феррита и тем заметнее электрическая перестройка устройства.
Ключ к эффективности
Эксперименты показали, что форма феррита принципиально важна: слишком толстый образец создает неравномерное внутреннее поле и искажает резонанс. Предпочтительна тонкая пластина или диск. Шероховатость поверхности лучших образцов составляла менее 0,5 нм — примерно в сто тысяч раз тоньше человеческого волоса.
Наиболее важный вывод касается выбора пьезоэлектрика. Стандартная цирконат-титанатная керамика (ЦТС) деформируется по разным направлениям слабо, что дает изменение резонансного поля всего 1-2 Эрстеда — недостаточно для эффективной перестройки. Гораздо перспективнее монокристаллические материалы типа PMN-PT и PZT-PT с ориентацией (011): разница деформаций по направлениям значительно больше, и механическое воздействие на феррит передается эффективнее. Однако преимущество реализуется только при толщине ферритовой пластины порядка десятков микрометров.
«Полученные выводы полезны для разработки перестраиваемых фильтров, фазовращателей, вентилей, активных фазированных антенных решеток — в первую очередь в системах, где критичны прецизионная настройка, компактность, низкое энергопотребление и возможность электрического управления параметрами», — отметил Кафаров.
Источник: ТАСС. Наука.