KOMPONEN FERRITE GELOMBANG MIKRO

Komponen Ferrite Gelombang Mikro

KOMPONEN FERRITE GELOMBANG MIKRO

6.1 Pendahuluan

Ferrite merupakan magnetic dielektrik. Magnetik pada ferrite bisa dikontrol

dengan cara mengatur medan magnetic external. Dengan mengontrol atau

mengubah magnet maka merubah nilai dari peralatan yang digunakan seperti

phase filter, isolator, circulator, switch, tune filter, dan resonator. Pada peralatan

ini, sinyal gelombang mikro dijaga agar tetap rendah seperti pada efek non linier

yang tidak terdapat pada ferrite, karena itu peralatan tersebut dikenal peralatan

linear.

6.2 Ferrimagnetism

Momentum Spin angular dan moment spin magnetic merupakan vector yang

titiknya saling berlawanan, penggambaran ini dapat dilihat pada gambar 6.1.

Rasio pada vector ini disebut dengan rasio gyromagnetik, apabila rasio tersebut

konstan maka dapat ditulis seperti ini μo qe /me dimana μo adalah permeability

dari free space, qe adalah charge dari electron dan me adalah rest mass dari

electron. Symbol untuk rasio gyromagnetik adalah γ . Pada atomic lattice,

hubungan dari momentum spin dengan momentum orbital bisa diubah dari nilai γ

menjadi μo gqe/2me dimana g adalah Lande splitting factor atau bisa disebut

dengan g-factor. Dengan demikian menjadi seperti dibawah ini:

γ=μo qe g

2me

¿4 π 10−7 x (−1.61x 10−19)g

2 x9.11 x 10−31

¿−1.105 X 105 grad /sA /m (6.1)

1


Gambar 6.1 Elektron spin angular momentum dan magnetic moment vektor

Perumusan Frekuensi angular dapat dituliskan sebagai berikut

ωo=‖γ‖H o (6.2)

Frekuensi ωo merupakan frekuensi resonan gyromagnetik.

6.3 The Biasing Field

Medan magnetic pada ferrite berfungsi unutk memunculkan medan biasing

diantara ferrite tersebut. Medan biasing dinotasikan dengan H o. Gambar 6.3

menunjukkan situasi dari ferrite ellipsoidal. Medan external dinotasikan dengan

H ext, demagnetasi dinotasikan dengan H D dan proposional magnetisasi

dinotasikan dengan M. Faktor demagnetasi dinotasikan dengan N dan efektif

medan internal menjadi :

H o=H ext−H D=H ext−NM (6.5)

Pada umumnya factor demagnetasi digunakan untuk tiga axes kartesian dan

dinotasikan dengan N X ,N y ,N z. Tiga notasi tersebut mempunyai hubungan

seperti dibawah ini :

N X+N y+N z=1 (6.6)

2


Komponen medan magnetic dapat dilihat pada gambar 6.4

Gambar 6.4 komponen medan magneticH o adalah medan biasing

Dengan persamaan seperti dibawah ini

H z=H o=H ext−N z M s (6.7)

hx=hx .ext−N x mx (6.8)

h y=H y .ext−N y m y (6.9)

Karena ferrite diasumsikan saturasi di arah z maka komponen hx bisa diabaikan.

Persamaan untuk resonan frekuensi gyromagnetik dapat dituliskan sebagai

berikut:

ωR=‖γ‖√ [ H ext+(N x−N z)M s ] [H ext+(N y−N z)M s] (6.10)

Berikut nilai dari factor demagnetasi bila keluar dari jenisnya :

N X+N y+N z=1/3

Pada kondisi H o=H ext dan persamaan 6.10

ωR=ωo=‖γ‖H o (6.11)

Pada sumbu z (thin disk)

N X=N y=0; N z=1

Lalu disubsitusi dengan persamaan 6.10

ωR=ωo=‖γ‖(H ext−M s) (6.12)

Thin circular rod sepanjang sumbu z

3


N X=N y=0.5 ;N z=0

Lalu disubsitusi dengan persamaan 6.10

ωR=ωo=‖γ‖(H ext+M s

2) (6.13)

6.4 Magnetic Anisotropy

Perbedaan energy magnetisasi yang dibutuhkan oleh easy axis dan hard axis biasa

disebut dengan energy anisotropy. Energi anisotropy bisa dirumuskan dengan

perumusan dimana K1 adalah anisotropy constant dengan satuan joule per meter

kubik ( j /m¿¿3)¿. K1 merupakan parameter yang akan diukur dan bisa bernilai

positip atau negatip tergantung dari material yang digunakan. Nilai dari material

tersebut dapat dilihat pada table 6.1. Cubic crystal merupakan salah satu type dari

ferrites, penggambaran dari axes dapat dilihat pada gambar 6.5. Dimana medan

biasing berada sepanjang axis [001] dan medan gelombang elektromagnetik

sepanjang [100], perumusan dari effective medan anisotropy adalah sebagai

berikut :

H a=2 K1

μ0 M s (6.14)

Gambar 6.5 axes (sumbu) dari cubic crystal.

Jika K1 bernilai negatip maka H a akan menuju ke arah medan demagnetasi, H D

seperti pada gambar 6.3. jika K1 bernilai positip maka yang terjadi adalah

berlawanan dengan yang sebelumnya.

4


Effect dari magnetic anisotropy adalah mempengaruhi dari medan biasing seperti

yang dibahas pada medan demagnetasi. Effect ini sangat penting untuk resonators

yang menggunakan resonansi gyromagnetic. Seperti yang ditunjukkan pada

persamaan 6.10, resonansi frekuensi ditentukan bukan hanya dari external field

tetapi juga ditentukan oleh factor demagnetasi N x,N y, dan N z. Magnetik

anisotropy selalu diambil dari perhitungan factor equivalent demagnetasi Na

untuk medan anisotropy. Berikut merupakan perumusan dari factor demagnetasi

Na M s=H a=2 K1

μ0 M s

Oleh karena itu,

Na=2 K1

μ0 M s2 (6.15)

Pada umumnya anisotropy demagnetasi akan sama N xa dan N y

a berdasarkan N x,N y

pada persamaan 6.10 dan persamaan ini bisa dituliskan seperti dibawah ini

ωR=‖γ‖√(H ext+(N x−N xa−N z) M s(H ext+(N x−N x

a−N z) M s)) (6.16)

6.5 Lebar Jalur Resonansi

Resonansi bias diobservasi sebagai daya observasi puncak sebagai medan

frekuensi bias yang divariasikan pada titik resonansi. Secara normal frekuensi dari

sumber gelombang adalah konstan dan variasi medan bias eksternal menghasilkan

kurva resonansi yang digambarkan pada gambar 6.6. Lebar peak memberikan

sebuah pengukuran rugi-rugi besi, puncak yang kecil secara significan relative

lebih rendah

Lebar puncak normalnya diukur pada setengah titik daya dan dinotasikan dengan

Δ H. Inilah yang dimaksud dengan lebar jalur. Penyesuaian bandwidth frekuensi

angular diberikan oleh rumus:

Δω=|γ|ΔH

5


Gambar 6.6 Kurva resonansi dengan medan magnet sebagai variable. Setengah lebar jalur adalah Δ H

Faktor Q diberikan dengan rumusan frekuensi resonansi dan bandwidth adalah

Q=ω0

Δω

=

H0

ΔH

Pada pengukuran Δ H harus diambil rugi-rugi sekecil mungkin pada pengukuran

sistem, atau bisa mengikuti ini, jika rugi-rugi komponen pada ferit sudah dihitung.

Beberapa tipe dari nilai Δ H ditunjukan pada table 6.1

6.6 Efek Temperatur

Magnetisasi sangat bergantung pada temperature. Jika temperatur berkurang,

energi thermal disrupts the magnetic aligment. Dan beberapa kritikal temperatur

termal energi cukup merusak magnetisasi internal. Pada temperatur ini bahan

tersebut menjadi paramagnetik. Untuk bahan feromagnetik kritikal temperatur

diketahui sebagai Curie Temperature Tc, Untuk ferit kadang – kadang

direferensikan sebagai neel temperature.

Pada gambar 6.7(a) digambarkan kurva magnetisasi temperatur

M s

M s max

=tanh( M s

M s max

Tc

T )

6


Seperti pada gambar 6.7 variasi magnetisasi padat pada area curie temperatur, dan

pada aplikasi microwave pengoperasian temperatur akan baik pada titik curie.

Beberapa nilai nominal dari currie temperatur dapat dilihat pada tabel 6.1.

Lebar jalur resonansi ditandai dengan temperatur. Variasi gambarnya bisa dilihat

6.7(b). Penurunan Anisotropy secara umum dengan kenaikan temperatur pada

titik currie, energi anisotropi = 0, gambar perbandingan energi anisotropy dengan

temperatur untuk dua ferit ditunjukkan pada gambar 6.7(c)

Gambar 6.7 Variasi temperatur dari (a) Saturasi Magnetisasi (b) Lebar jalur (c) Anisotropi

6.7 Units

SI unit sudah digunakan begitu lama untuk menjelaskan popertis dari besi.

Beberapa medan magnet dalam SI diberikan dalam ampereturn untuk satu meter.

Sebagai contih sebuah solenoida yang panjang N, membawa arus sebesar I dengan

kuat medan magnet NI/l amperturn/meter pada pusat, dimana l merupakan

panjang solenoida diasumsikan lebih panjang dari diameternya.

7


Dalam cgs, B = H + 4πM dan kuantitas (4πMs) gauss adalah tabulasi dari Ms.

Untuk memindahkan dalam satuan SI Ms=4πMs. Untuk energi konstan k1

diberikan ergs/cm3 dalam cgs emu dan j/m3 dalam satuan SI.

1 j/m3 = 10 erg/cm3

Pada tabel 6.1 beberapa nilai nominal diberikan untuk berbagai macam bagian

yang diskusikan dimana nilai diberikan dalam satuan SI dan unit cgs

elektromagnetik. Nilai nominal pada temperatur ruang dimana untuk besi

digunakan secara umum disini untuik melingkupin garnet dengan baik.

Ferimagnetik garnet sangat jarang diamana memiliki perbedaan molekular dari

besi tersebut. Bagaimana pun bagian dari gelombang mikro sama dengan besi dan

secara particular yttrium besi garnet sangat lebar dan digunakan pada peralatan

gelombang mikro.

6.8 Permeabilitas Gelombang Mikro

Pada persamaan (6.3) Hubungan antara kepadatan Flux magnetik B, Kuat medan

Magnet H dan magnetisasi M diberikan B = µο (H + M), bentuk persamaan ini

digunakan ketika hubungan kelengkapan magnetic kedalam karakteristik internal

media. Pada aplikasi, Hubungan antara B dan H bisa dijelaskan lebih detail

dengan B = µH, dimana µ merupakan kuantitas yang dikenal dengan

permeabilitas magnet. Permeabilitas bisa ditulis sebagai hasil dari 2 buah factor

yakni, µ= µο. µr, dimana µο= 4π x 10-7 H/m merupakan permeabilitas ruang

bebas dan µr merupakan permeabilitas relative material. Pada material isotropis µr

adalah kuantitas scalar, dimana nilainya sama dengan semua arah medan magnet.

Situasi ini berbeda dengan pada biased ferrite. Penggunaan ada medan biasing

merupakan presesi yang dijelaskan seperti pada Bagian 6.2 dimana akan

berinteraksi dengan medan gelombang mikro. Sebagai gambaran, presesi

merupakan pengaruh langsung dan interaksi utama akan bergantung pada arah

propagasirelatif arah medan biasing tersebut.

8


Dimana medan gelombang mikro merupakan polarisasi tangan kanan ( RHC )

sebagaimana ditunjukan pada gambar 6.8 (a), permeabilitas relative dengan µr -

ditunjukan dengan :

µr + = 1 +

ωMωο−ω (6.23)

Dimana medan gelombang mikro merupakan polarisasi tangan kiri (LHC )

sebagaimana ditunjukan pada gambar 6.8 (b), permeabilitas relative dengan µr -

ditunjukan dengan :

µr - = 1 +

ωMωο+ω (6.24)

Dimana w merupakan frekuensi gelombang mikro, w0 dan wM merupakan

parameter frekuensi. Pada derivasi media ferrite diasumsikan menjadi terbatas

sehingga pengaruh demagnetisasi menjadi hilang dan ferrite mencapai saturasi

segera mungkin dan medan miring menjadi nol.

Gambar 6.8 Microwave magnetic field vector h; (a) right-hand-circular (RHC) polarized; (b) left-hand-circular (RHC)

Ketika arah propagasi sama seperti medan miring, ferrite akan dimagnetisasi

longitudinally dan situasi seperti dijelaskan pada situasi diatas. Sebuah situasi

praktikal peting ketika ferrite terisi penuh pada suatu ruang antara konduktor

kabel koaksial dan magnetisasi longitudinal. Permeabilitas relative kabel

dielektrik dituliskan dengan :

9


µre =

2 µr µr-2 µr + µr- (6.25 )

Ketika arah propagasi predincular kea rah medan miring, ferrite akan

dimagenisasi transversely. Kemudian ferrite akan mempunyai 2 kondisi yang bisa

ditingkatkan yakni penarikan kecil pada hal tampilan dimana medan magnet ke

sinyal dihubungkan secara pralel ke medan miring. Sejak ferrite dalam keadaan

saturasi pada arah ini permeabilitas relative akan bersatu dan ferrite menjadi

normal dielektrik. Pada situasi kedua vector listrik sinyal dihubungkan pralel ke

medan miring magnetik. Jika medan miring diasumsikan ke z-axis, medan magnet

gelombang mikro akan berada pada bidang x-y. Permeabilitas pada kasus ini

dijelaskan pada persamaan (6.25).

10


Pada gambar 6.9(a) merupakan sketsa dari variasi µr + , µr -, dan µre sebagai

sebuah fungsi ω 0/ω . Bagian penting yang perlu dicatat adalah antara µr + dan µr

– akan menjadi 0 pada beberapa cutoff untuk medan Hoc, koresponding ke ω oc ;

µre menunjukan sebuah resonansi pada ω oc, dan µr + menunjukan titik resonansi

pada ω 0/ω .

Itu dijelaskan pada ( problem 8, 9, 10 )

11


Hoc =

ω|γ|

−M , (6.26)

Hoe =

Ms2 [√1+( 2 ω

ωm )2

−1] (6.27)

Kondisi resonansi untuk µr + terjadi pada saat :

Hoc =

ω|γ| (6.28)

Sehingga nantinya kerugian bisa diabaikan. Kerugian konduktif pada besi

biasanya cukup kecil untuk diabaikan dan kerugian gyromagnetik menghitung

daya disipasi pada besi. Bagian real dari permeabilitas kompleks, determinansi

phase velocity pada bentuk yang mirip ke permeabilitas untuk kerugian ferrite dan

2 buah aproksimasi kecuali titik resonansi disekeliling sebagaimana ditunjukan

gambar 6.9(b). Disekeliling titik resonansi, puncak infinitive nilainya akan turun

yang diharapkan ketika kerugian dating.

Sebagai sebuah alternative untuk variasi H0 ketika frequensi constant, H0 bs tetap

constant dan frekuensi divariasikan. Ganbar 6.9 kemudian menunjukan variasi

pada permeabilitas yang diharapkan tapi harus dijaga bahwa frekuensi meningkat

terbaca dari kanan ke kiri pada skala absis gambar 6.9.

Hasil dari diatas disediakn untuk media yang besar. Pada sebuah media terbatas

demagnetisasi tidak jalan karena tidak ada permukaan kutub medan demagnetisasi

yang bisa diakumulasikan (seperti gambar 6.3). Saturasi dapat diperoleh keika

medan miring meningkat menjadi 0. Pada bagian 6.3 demagnetisasi akan menjai

sederhana ketika medan miring pada arah-z , sarutasi dicapai ketika :

H0 = Hext - NzMs (6.29)

Jadi H0 = 0 pada infinite sederhana besi pada saat dibawah saturasi yang

ditunjukan seperti gambar 6.9(b). Skala absis untuk medan miring eksternal

ditunjukan oleh 6.9(c) yang nantinya dinormalisasi pada frekuensi seperti 6.9(a)

dan (b). Dilain pihak, medan eksternal harus akan dimagnetisasi pada saturasi atau

H0 > NzMs untuk kurva 6.9(a) dan 6.9(b).

12


Lingkaran huruf pada gambar 6.9(c) menjelaskan kembali jarak berbagai macam

peralatan praktis, yakni :

A : Peralatan Palang

B : Shifter phase Reggia – Spencer

C : Shifter phase medan tipis

D : Isolator penukaran Medan

E: Peralatan absorpsi Resonansi

F : Peralatan daya tinggi

6.9 KOEFISIEN PROPAGASI

Kecepatan phasa dirumuskan sebagai berikut :

Dimana c adalah cepat rambat cahaya di ruang hampa.

Panjang gelombang didalam ferrite dirumuskan sebagai berikut :

Dan perumusan koefisien pergeseran phasanya dapat dituliskan sebagai berikut :

Dimanaβ0 adalah koefisien pergeseran phasa di udara danλ0 adalah panjang

gelombang di udara.

6.10 Pergeseran Phasa Dan Rotasi Faraday

Medan magnet pada polarisasi linier dapat diimplementasikan kedalam komponen

RHC dan LHC, digamarkan pada gambar dibawah. (Fig. 6.10).

13


Saat dua output vektor harus dirotasi secara simetris terhadap garis polarisasi dari

resultan polarisasi linier (Fig. 6.10), garis polarisasi harus digeser (Fig. 6.11 (d)).

14


Persamaan diatas sesuai dengan pergeseran polarisasi Faraday.

Pada gambar 6.11, pergeseran phasa pada komponen lain pada garis polarisasi

baru dapat dirumuskan sebagai berikut :

Rotasi Faraday bersifat nonreciprocal. Hal ini berarti bahwa gelombang tidak

kembali ke polarisasi aslinya saat dipantulkan kembali melalui ferit. Medan

magnet dari gelombang maju ditunjukkan dengan pergeseran polarisasi searah

jarum jam. Output gelombang dipantulkan tanpa perubahan fasa. Gelombang

yang dipantulkan akan diputar dalam arah berlawanan bila dilihat di sepanjang

arah transmisi sebaliknya. Namun, jika dilihat dari input ke output, hal ini muncul

sebagai rotasi searah jarum jam, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6,12, dan

oleh karena itu gelombang yang dipantulkan dialihkan dengan jumlah 2ψ ke arah

asli h-vektor input.

6.11 Pengertian Nonreciprocal Devices

15


Diferensial phase shifter Sebuah elemen pemancar mempunyai fase yang

berbeda antara dua arah dari propagasi yaitu θ radian. Simbolnya ditampilkan

pada gambar 6.13(a). Yang mana dikenal sebagai directional phase shifter.

Gyrator kasus khusus dari diferensial phase shifter yang mana directional phase

shifter sama dengan Π radian. Simbolnya ditampilkan pada gambar 6.13(b)

Isolator peralatan yang mengizinkan daya mengalir hanya pada satu arah,

dinamakan isolator karena ia dapat memisahkan port input dari refleksi port yang

lainnya. Kinerja ini tergantung pada penyerapan daya pada arah tanpa transmisi.

Pada prakteknya peralatan memancarkan sebagian kecil saja pada arah balik.

Simbol listrik untuk isolator ditampilkan pada gambar 6.13(c)

Circulator Sebuah peralatan yang berfungsi sebagai komutator daya. Simbol

listrik untuk 4 port circulator digambarkan pada gambar 6.13(d). Merujuk pada

ini, daya masuk pada port 1 hanya akan dipancarkan pada port 2; daya yang

masuk pada port 2 hanya akan dipancarkan pada port 3; daya yang masuk pada

port 3 hanya akan dipancarkan hanya pada port 4; daya yang masuk pada port4

hanya akan dipancarkan pada port 1. Perputaran ini tidak hanya terbatas pada

peralatan circulator 4-port. Circulator 3-port juga menggunakannya dan gambar

6.13(e) menampilkan bagaimana 2 buah circulator 4 port mungkin saja

dikmbinasikan untuk menghasilkan circulator 6-port.

Gambar 6.13 simbol listrik untuk (a) Differential phase shifter (b) gyrator (c) isolator dan (d) circulator 4 port (e) menampilkan bagaimana circulator 4-port dapat direalisasikan dari 2 buah

circulator 4-port

16


Gambar 6.14 S-Band phase shifter koaksial

6.12 Phase-Shifter

Konstruksi peralatan Phase-shifter koaksial ditampilkan pada gambar pada

gambar 6.14. Bagian peralatan ini beroperasi dibawah resonansi [pada jarak c dari

gambar 6.9(c)] dan saturasi magnetisasi dari ferrit adalah 5.57 x 10-4 A/m.

Dimensi dari sistem koaksial adalah 20.6 mm x 9.53 mm dan panjang lengan ferit

254mm. Peralatan beroperasi pada frekuensi 2.85 – 3.15 GHz. Selenoid terbuat

dari pipa yang berdiameter 3.175mm agar dapat melewati cairan pendingin dan

kuat medan magnet dapat bervariasi dari 0-8000 A/m.

Phase-shifter ditentukan oleh μre didapatkan dengan persamaan 6.25. Koeffisien

Phase-shifter didapatkan dengan persamaan 6.32 dimana μre diganti μrr

Contoh 6.4

Untuk Phase-shifter yang digambarkan seperti diatas, permitivitas relatif ferit

adalah 12, dan initial permibilitas relatif ferit adalah 0.65. Tentukan perubahan

pada phase-shift 3 GHz ketika medan meningkat dari 0 sampai 6000 A/m

Jawab

Asumsikan bahwa Lande splitting factor = 2.

Dari persamaan 6.1

|γ|=1.105×105×2=2 .21×105

Dari persamaan 6.2, ketika H = 6000 A/m

ω0=2.21×105×6000=1 .326×109 rad /s

Dan dari persamaan (6.4)

17


ωM =2.21×105×5 . 57×104=1 .231×1010rad /s

Sekarang, dari persamaan 6.23 dan 6.24 dan 6.25 dengan

ω=2 π×3×109=1. 885×1010rad /s .

μr +=1+ 1 .2310 . 1326−1. 885

=0 . 297

μr−=1+ 1 .231

0 .1326+1.885=1 .61

μre=

2×0. 297×1.610 . 297+1. 61

=0 . 5

Permibilitas efektif untuk peralatan ini adalah μre dan aplikasi dari persamaan

6.32 didapatkan

Δθ=( β−β i )×l

=β0 √εr (√μre−√μri)×l

Dimana β i adalah initial, koifisien perubahan fase. Sekarang...

Δθ=2π×3×109√123×108

( √0 .5−√0 . 05)×2541000

rad

= -5.48 rad atau -3140

Catat: tanda minus karena permibilitas berkurang dari nilai awal(initial)nya.

Gambar 6.15 Konfigurasi Phase-shifter Reggia-Spencer

18


Phase-shifter pada waveguide bisa saja mencapai magnetisasi dari sebuah balok

ferit sebagai mana 6.15. Pada kasus ini phase-shifter sama dengan yang

digambarkan pada bagian 6.10, Medan magnet pada pusat polarisasi linear .

Bagaimanapun, melewati medan pada pusat guide menjadi polarisasi liner. Dan

mode dari operasi menjadi lebih komplek. Peralatan ini dikenal sebagai phase-

shifter Reggia-Spencer, setelah ia di”original”kan.

Phase-shifter juga terjadi jika menggunakan lempengan bujursangkar ferit pada

sebuah waveguide, pentransferan magnetisasi digambarkan pada gambar 6.16(a).

Kehadiran lempengan ferit mengubah distribusi medan listrik dan medan magnet

(dibandingkan dengan kondisi waveguide kosong) dan selanjutnya, gelombang

kedepannya adalah efek perbedaan dari gelombang balik. Distribusi medan

bergantung kekritisan posisi lempeng dan ketebalan lempeng dan hasilnya

ditampilkan pada gambar 6.16(b). Karena forward-wave mengakibatkan

perbedaan dari gelombang balik, perubah fase nonreciprocal(tidak timbal balik)

dapat tercapai. Perubah fase sebagai fungsi dari posisi lempeng dapat

digambarkan pada gambar 6.17, untuk keduanya, forward dan gelombang balik.

Differential Phase-shifter, yang mana berbeda antara forward dan gelombang

balik(reverse)nya juga ditampilkan pada gambar 6.17

6.13 Isolator

Bagian yang terlihat pada sebuah rotasi isolator faraday yang ditunjukkan pada

gambar 6.18. bagian ujung menyediakan perubahan dari persegi ke putaran

gelombang dan batang ferrite, magnet longitudinal, yang terdiri dari putaran pada

gelombang. Bagian ferrite disesuaikan untuk menghasilkan 45 rotasi faraday

yang berlawanan arah jarum jam untuk sebuah sinyal dari port 1 ke port 2. Seperti

telah didiskusikan pada sub bab 6.11 efeknya adalah nonreciprocal, oleh karena

itu polarisasi sinyal input pada port 2 juga akan dirotasikan sebesar 45 yang

berlawanan arah jarum jamdari port 2 ke port 1.

Sebuah sinyal input pada port 1 akan memiliki medan listrik normal pada baling-

baling resistansi pertama. Meskipun melewati bagian tengah, polarisasi yang

19


dirotasikan sebesar 45 , oleh karena itu medan tersebut juga normal pada baling-

baling resistansi kedua, dan nilai sinyal tersebut tidak diatenuasikan pada port 2.

Sebuah sinyal input pada port 2 akan memiliki medan listrik normal pada baling-

balinga= resistansi pada port ini, dan lagi nilai sinyal tersebut tidak diatenuasikan

pada bagian tengah. Bagaimanapun polarisasi pada medan listrik dirotasikan

sebesar 45 berlawanan arah jarum jam dan akan diparalelkan dengan resistansi

vane pada bagian pertama. Daya sinyal akan diserap pada baling-baling ini;

dengan kata lain, sebuah sinyal tidak bisa ditransmisikan dari port 2 ke port 1.

Sebuah pantulan akan terjadi pada baling-baling resistansi yang pertama, sinyal

pantulan akan dirotasikan lebih lanjut sebesar 45 melalui bagian tengah. Medan

listrik akan paralel dengan resistansi pada port 2 dan akan diserap disini.

20


Tipe lain dari isolator, diketahui sebagai pemindahan medan isolator, yang

diilustrasikan pada gambar 6.19. sebagai bahan diskusi pada bagian sub bab 6.12,

kejadian sebuah magnet longitudinal papan ferrite mengubah distribusi medan

pada gelombang datang dan gelombang pantul berbeda. Sebuah posisi dapat

ditemukan dimana meda listrik pada gelombang datang adalah nol pada plat

dinding ferrite, sedangkan medan listrik pada gelombang pantul memiliki nilai

luas yang relatif, seperti pada gambar 6.19(a), daya yang diserap gelombang

pantul tapi tidak dari gelombang datang.

6.14 Circulators

Sebuah gambaran bidang circulator putaran Faraday ditunjukan pada gambar

6.20. Dibandingkan dengan isolator pada gambar 6.18 strukturnya kelihatan mirip

tetapi circulator memiliki 2 buah port tambahanyakni port 3 dan port 4. Baling –

baling resistif diganti dengan sekat logam. Dalam mempelajari mode operasi dari

circulator harus diingat bagian rectangular pemandu gelombang pembawa TE

yang medan listrik adalah normal keluas dinding pemandu. Sehingga sinyal yang

masuk ke port 1tidak akan menaikan gelombang dalam port 3 dan sekat logam

memiliki pengaruh yang kecil. Sinyal ini akan melewati bidang besi ke port 2 dan

proses polarisasinya sudut 45 berputar berlawanan arah jarum jam. Sebuah sinya

yang masuk ke port 2 akan melewati port 4 dan diputar 45 searah jarum jam

21


sehingga polarisasi yang benar akan menaikan gelombang TE pada port 3. Sekat

logam bertindak sebagai reflector dan menaikan transfer sinya pada port 3.

Gambar 6.18 sectionalized view of a faraday rotation circulator

Sebuah sinyal yang masuk ke port 3 akan diputar 45 berlawanan arah jarum jam

melewati bagian ferit dan yang benar akan menaikan gelombang TE pada port 4.

Akhirnya sinyal yang masuk ke port 4 akan diputar 45 searah jarum jam dan akan

dikirim memotong melewati port 1. Urutan pengiriman dapat dilihat menjadi port

1-2-3-4-1…..dan tindakan dari circulator dibutuhkan.

22


Tipe lain dari circulator adalah simpangan circulator yang tersedia dalam bentuk

gelombang rectangular, stripline dan frekuensi dalam VHF-UHF dan komponen

peralatan lainnya.

Gambar 6.21(a) menunjukan disk ferit yang dipasangkan dengan rangkaian

resonansi. Gambar 6.21(b) menunjukan time-varying medan magnet dalam disk

yang direpresentasikan oleh 2 buah pemutar bar. Gambar 6.21(c) menunjukan

putaran magnet melewati loop. Pada saat induksi Emf pada loop mencapai

puncak, medan magnet akan mencapai 0. Dua buah putaran magnet pada laju

yang sama akan sama dengan frekuensi angular input. Input rangkaian adalah

resonansi pada frekuensi ini begitu pula tegangan input dan arus pada phase.

Induktansi loop akan ditentukan oleh permeabilitas bukan bias besi.

Sebuah magnet bias boleh diaplikasikan ke besi seperti putaran searah jarum jam

medan dikenal µ+ dan berlawanan arah jarum jam adalah µ- . Operasi dibawah

titik cutoff, ω 0c/ω pada gambar 6.9(c) untuk µ+ lebih kecil dari permeabilitas

intrinsik dan µ- lebih besar. Dari titik rangkaian gambaran ini berari bahwa

induktansi ekivalen itu sendiri untuk mode searah jarum jam akan berkurang atau

untuk rangkaian resonansi dengan putaran, frekuensi harus dinaikan. Demikian

pula untuk mode berlawanan arah dengan jarum jam dimana frekuensi akan

berkurang.

23


Pada beberapa frekuensi intermediet antara batas resonansi tegangan induksi dari

putaran searah jarum jam akan memimpin arus pada phase waktu, sambil putaran

medan berlawanan arah jarum jam akan menunggalkan arus pada phase waktu.

Untuk circulator simpangan Y sudut akan memimnpin atau tertinggal sebesar 30

derajat. Ini berarti bahwa putaran medan searah jarum jam harus dibawah 30

derajat dan putaran medan berlawanan arah jarum jam 30 derajat redardasi pada

ruang. Saat retardasi pada putaran berlawanan arah jarum jam akan ekivalen

dengan arah jarum jam, kedua medan akan tidakditempatkan 30 derajat arah

jarum jam. Ini seerti digambarkan 6.22(a) untuk puncak induksi Emf. Posisi dari

medan steady ketika menambah untuk memberikan sebuah puncak pada medan

time varying seperti ditunjukan gambar 6.22(c). Ini menunjukan saluran polarisasi

resultan medan time varying yang bisa dilihat dibagi 30 derajat dari posisinya

seperti ditunjukan gambar 6.22(c).

24


Dengan menukar dua buah loop resonansi yang lain seperti gambar 6.23, dimana

pada rangkaian 1 akan menghasilkan medan yang dipasangkan ke rangkaian 2

sambil rangkaian 3 tidak dikopel saat medan magnet selalu pralel dengan

rangkaian 3 loop. Dengan simetri itu akan mengikuti dimana port 2 adalah input,

dipasang ke port 3 dan port1 akan diisolasi sambil jika port 3 adalah input dikopel

ke port 1 dan port 2 akan diisolasi.

Potongan komponen circulator sangat berguna pada frekuensi bawah yakni 1 Ghz.

Untuk frekuensi tinggi antara stripline dan gelombang pandu akan digunakan.

Prinsip operasi untuk tiap – tiap masalah adalah sama potongan versi komponen

walaupun penyaluran medan actual lebih komplet. Konstruksi stripline versi

simpangan Y ditunjukan oleh gambar 6.24(a) dan versi gelombang petunjuk

dalam gambar 6.24(b).

25


6.15 Fiter Dan Resonator

Resonansi ferimagnetik digunakan sebagai basis untuk penyaring kumpulan besi.

Kehilangan pada besi bisa mengurangi ketebalan permukaan dan menghabiskan

bidang YIG untuk Q faktor yang sangat tinggi. Budang ini secara fisik sangat

kecil untuk diameter dalam beberapa milimeter dan bagian dari ukuran YIG akan

berkumpul pada magnet yang dibutuhkan oleh medan miring seperti ditunjukan

pada gambar 6.25. Dengan persamaan (6.11) frekuensi resonansi adalah

independent untuk magnetisasi saturasi. Frekuensi resonansi ditentukan oleh

perasamaan (6.11) ketika sebuh anisotropis diambil dengan :

ω 0 = |γ|(Ho – Ha) (6.37)

26


Gambar 6.26 menunjukan prinsip dari tipe filter YIG. Masukan dari sinyal

gelombang mikro akan menghasilkan medan magnet pada resonansi pada cara

yang sama untuk menjelaskan simpangan circulator dan sebagai sebuah hasil

27


medan magnet juga dipasangkan dengan keluaran loop. Pemasangan kenaikan

berat pada resonansi terjadi pada saat masukan frekuensi sama dengan frekuensi

resonansiferimagnetik seperti persamaan 6.37. Gambar 6.27 menunjukan

konstruksi detail dua buah tingkatan bandpass filter yang dirancang berdasarkan

prinsip seperti gambar 6.26 dan 6.28 menunjukan tanggapan frekuensi filter ini.

Banyak tipe filter dan resonator yang mungkin seperti dijelaskan pada rumus oleh

Roschmann.

6.16 Ferrite Subrates

Pemisahan gelombang mikro digabungkan pada rangkaian bisa dibuat dari

material besi, rangkaian disimpanm dalam bentuk mikrostuip sebagai dijelaskan

pada bab5. Subtrasi ini cukup tebal dimana bisa dibersihkan untuk sebuah optik

akhir yang akan mengurangi kehilangan propagasi. Kehilangan magnet dan

28


dielektrik pada besi juga rendah dimana subtrasi kuat dan sekcara mekanis kasar

dan berat.

Komposisi besi bisa ditukar untuk menghasilkan kualitas tinggi subtarsi yang

bukan merupakan bagian dari ferimagnetik. Rangkaian komposit inibisa dibangun

menggunakan deposisi biasa dan proses penggoresan pada komponen besi dan

non besi.

29


Gambar 6.29(a) menunjukan bagian konstruksi sebuah simpangan circulator yang

dibangun pada sebuah subtrasi besi. Prinsipm operasi sana dengan circulator

simpangan Y yang dijelaskan pada bab 6.14. Gambar 6.29(b) menunjukan

kehilangan insersi dan VSWR sebagai sebuah fungsi operasi sebesar 16 GHz.

Rangkaiantersebut tidak menggabungkan isolator, pase pergeserandan juga

memungkinkan pada beberapa rumusan yang telah dijelaskan oleh Lemke dan

Schilz(1971).

Soal:

Tongkat dari bahan ferrite yang dispesifikasikan pada soal no 12 digunakan untuk

menghasilkan rotasi faraday sebesar 450, dengan cara yang sama seperti rumus

pada subbab 6.10. jika frekuensi yang diaplikasikan pada sinyal adalah 20 GHz,

hitung panjang batang yang dibutuhkan.

Jawab:

Diketahui: μr+¿=0,9¿

μr−¿=1,071¿

ε r=9

f =20 GHz

Ditanya: l

βo=ωc

=2 πfc

=2 π 20 x109

3 x108 =419radm

θ=12

βo√εr ¿

−π

4=1

2419√9 (√0,9−√1,071 )l

−π

4=−50,28l

l=0,0156 m=1,56 cm

30

KOMPONEN FERRITE GELOMBANG MIKRO

Documents

Transcript of KOMPONEN FERRITE GELOMBANG MIKRO