תאור טכנולוגיה – YIG TUNED FILTERS

שימושים אפשריים לרכיבים מבוססי YIG: פילטרים המתכווננים חשמלית, מתנדים משתנים מבוקרים חשמלית וכן סינטסייזרים. היתרון המרכזי (כפי שיוסבר בהמשך): רעש פאזה נמוך במיוחד.

מהו YIG?

Yttrium Iron Garnet הוא גביש בעל מקדם Q גבוה מאוד. Q גבוה זה מספק רעש פאזה נמוך מאוד במתנדים (Oscillators) ומאפשר כיוונון תדר מרובה-אוקטבות עבור מתנדים (Oscillators) ומסננים (Filters) כאחד.

גבישי YIG “מגדלים” בדומה לגבישי סיליקון. הגביש הנוצר נפרס ונחתך, ונוצרות קוביות YIG קטנות. (למרבה הצער, צורת הקובייה איננה אחידה, וכתוצאה מכך יש לה צימוד (Coupling) לא-אחיד במעגל התהודה). קוביות YIG קטנות אלו מושמות לאחר מכן בתוך “כוסית” המשנה באיטיות את צורת הקובייה של ה-YIG לצורת כדור YIG (בדומה לליטוש אבן בצורפות). גודל כדורי ה-YIG נע בין 10 ל-30 מיל (אלפיות אינטש).

כדור ה-YIG מותקן לרוב בקצה של מוט מוליך חום (בד”כ עשוי בריליום). הסיבות לכך הן: 1) המוט פועל כ”מקל כיוונון” לשם כיוונון כדור ה-YIG במעגל התהודה, ו-2) הביצועים הטובים ביותר של ה-YIG הם כאשר הטמפרטורה שלו נשמרת קבועה; המוט מתפקד במקרה זה כמוליך חום בין מחמם פרופורציונאלי ובין כדור ה-YIG. (מתנדי ומסנני YIG מתוכננים לעיתים גם ללא מוט ומחמם לשם הפחתת עלויות, אם כי הדבר משפיע על הביצועים ומגביל את אפשרויות היישום).

כיצד פועל YIG?

YIG הוא חומר מסוג Ferrite, הנכנס לתהודה בתדרי מיקרוגל כאשר הוא נמצא בתוך שדה מגנטי. תהודה זו פורפורציונאלית לעצמת השדה המגנטי והיא בעלת “כיוונון” מאוד ליניארי לאורך תדרי מיקרוגל מרובי-אוקטבות.

השדה המגנטי נוצר בעזרת אלקטרו-מגנט או מגנט קבוע או צירוף של שניהם. השדה המגנטי של אלקטרו-מגנט ניתן ל”כיוונון” בעזרת זרם משתנה. איור 1 מראה מגנט של מסנן YIG טיפוסי.

תהודת גביש ה-YIG היא יישור של נתיבי האלקטרונים החיצוניים ברמה מולקולרית (נקיפה-precession), היוצרת מגנט דו-קוטבי “משולב”: שדה מגנטי בתהודה בתדרי מיקרוגל מסביב לכדור ה-YIG.

איור 1. חתך טיפוסי של מסנן מכוונן (YIG Tuned Filter).

איור 2: מבנה משולב של Single stage bandpass filter.

איור 3: מבנה שילוב של Band Reject Filter בעל שתי דרגות.

כיצד משתמשים ב-YIG

זרם חשמלי יוצר שדות מגנטיים, ושדות מגנטיים יכולים לייצר זרם חשמלי כאשר הם מחוברים ל”לולאה” מוליכה. השימוש בלולאות מוליכות קטנות מאפשר שילוב השדה המגנטי התהודתי של כדורי ה-YIG (ראה איור 2).

קיימות שלוש שיטות בסיסיות למימוש השילוב:

העברת אותות – Bandpass filters

דחיית אותות – Band Reject Filters

משוב מתנד (ראה מתנדים – Oscillators)

מסננים מעבירי-אותות

(Bandpass filters)

איור 2 מציג שילוב טיפוסי של מהודי YIG במסנן מעביר אותות (Bandpass filter) בעל דרגה (כדור) אחת. לולאות השילוב מכוונות בזוית של 90 מעלות כדי למנוע שילוב RF ישיר. קצה אחד של כל לולאה מחובר להארקה כדי למנוע את החזרת האות המסונן.

אות ה-RF הנכנס אל לולאת השילוב מאפנן את השדה המגנטי מסביב לכדור ה-YIG; אפנון זה משולב לשדה המגנטי בתהודה מסביב לכדור ה-YIG, אשר משתלב לאחר מכן ללולאה השנייה/לולאת היציאה. אות ה-RF העובר דרך המסנן צריך להיות באותו התדר כמו השדה המגנטי הנמצא בתהודה מסביב לכדור ה-YIG.

רוחב הפס/ספקטרום המשתלב דרך מהוד ה-YIG תלוי במרווח בין מהוד ה-YIG והלולאה המשולבת. ככל שהלולאה קרובה יותר, רוחב הפס הוא גדול יותר. ניתן להגדיל את רוחב הפס על-ידי הגדלת מספר מהודי ה-YIG ו”כוונון” זהיר של לולאות ה-RF המשולבות. ההפסדים (Insertion Loss) של המסנן גדלים עם הגדלת רוחב הפס.

רוחב הפס ב- של YIG Bandpass filter גדל ככל שהפילטר מכוונן לתדרי פעולה גבוהים יותר בקצב של כ-20% לאוקטבה

רוחב הפס הסטנדרטי של YIG Bandpass filter של Micro-Lambda הוא 15MHz עד 40MHz עד 50MHz (ב-18GHz). ניתן לקבל מסננים בעלי רוחבי-פס (ב-3dB) גדולים מ-500MHz בתדרים של מעל 6GHz.

קיימת מגבלה לכמות הכוללת של אנרגיית RF שמהוד YIG יכול לשלב/להעביר (0dBm עד +10dBm).

איור 4: שולי מסנן מעביר פס (Band Pass Filters)

איור 5: שולי מסנן דוחה-פס (Band Reject Filter)

איור 6: Filter skirt selectivity and off-resonance isolation (ORIׁ)

מסננים הדוחים מעבר אותות – Band Reject Filters

איור 3 מציג שילוב טיפוסי של מהודי YIG ב-Band Reject Filter בעל שתי דרגות (כדורים). קיימת רק לולאת שילוב אחת (רצועה) לכל כדור YIG. לולאות השילוב מכוונות לאורך קו ישר ומחוברות בין מהודי ה-YIG.

לולאות השילוב הן במהות קווי תמסורת לגלי RF המעבירים את כל אנרגיית ה-RF. אולם, כאשר קווי תמסורת אלה ממוקמים קרוב למשטח כדור ה-YIG, הלולאה משתלבת עם השדה המגנטי הנמצא בתהודה (בתדרי מיקרוגל) מסביב לכדור ה-YIG.

שילוב זה למעשה מחזיר/דוחה את התדרים המגיעים שהם באותו תדר RF כמו שדה ה-RF המגנטי הנמצא בתהודה מסביב לכדור ה-YIG.

רוחב הפס של אי העברת התדרים גדל על-ידי העלאת מספר מהודי ה-YIG ו”כיוונון” זהיר של לולאות שילוב ה RF .

רוחב פס הדחייה הסטנדרטי של

Band Reject Filter של Micro Lambda הוא 15MHz עד 70MHz.

מפרטי YIG FILTERS

קיימים ארבעה סוגי מפרטים בסיסיים עבור , מגנט, צריכת הספק ותנאי סביבה. הם כולם תלויים האחד בשני ומגדירים את ביצועי היחידה והעלות.

מפרטי RF:

רוחב פס ב-3dB מרווח התדרים (במגה-הרץ) בין שתי נקודות בעקומת הסלקטיביות בהן ה Insertion Loss הוא ב-3dB גדול יותר מאשר ה-Insertion Loss המינימלי. הוא מכונה גם פס המעבר (3dB passband). ראה פריט A, איור 4.

תחום תדרים (מרכז הפס) – תחום התדרים (ב GHz) בו ה YIG Filter חייב לעמוד בכל המפרטים.

הפסד השילוב (בתחום העברת האותות)

INSERTION LOSS (BAND PASS)

הפסד ההעברה הנמדד ב-dB בנקודה בפס המעבר בעלת הערך המינימלי. ראה פריט B, איור 4 (Band Reject: פריט B, איור 5)

רמה מגבילה (LIMITING LEVEL)

רמת הספק הכניסה בה נתוני הכניסה/יציאה מציגים דחיסה של (1dB Compression), כלומר פונקציית המעבר הופכת ללא-ליניארית כאשר הספק היציאה עולה בפחות מ-1dB מול עליה של 1dB בהספק הכניסה.

רוחב הפס להפסדים

(LOSS BANDWIDTH)

תחום התדרים (במגה-הרץ) עבור Insertion Loss נתון, המתייחס ל Insertion Loss המינימלי בפס המעבר.

דחיית אות ללא פעולה

(NON-OPERATING SIGNAL REJECTION)

כמות דחיית האות (Signal Rejection) (ב-dB) ביחס ל Insersion Loss, הנמדדת בכל נקודה בתחום התדרים עם זרם אפסי דרך סליל הכיוונון.

בידוד מחוץ לתהודה

(OFF RESONANCE ISOLATION)

כמות דחיית האות (Signal Rejection) (ב-dB) ביחס ל-Insertion Loss המינימלי של פס המעבר הנמדדת בנקודה מחוץ לשטחי פס המעבר של מסנן ה-YIG. ראה פריט C, איור 4.

אותות לוואי מחוץ לתהודה

(OFF RESONANCE SPURIOUS)

כמות הדחייה (ב-dB) ביחס ל-Insertion Loss המינימלי בפס המעבר, של היענויות לוואי מחוץ לשולי פס המעבר של

ה-YIG Filter. ראה פריט D, איור 4.

גליות פס המעבר (RIPPLE PASSBAND)

הערך שיא-לשיא (ב-dB) של גליות הנוצרת בתוך פס המעבר של ה-3dB ביחס ל-Insertion Loss המינימלי. ראה פריט F, איור 4.

אותות לוואי בפס העברת האותות (PASSBAND SPURIOUS (BAND PASS))

הפסד ההעברה הנוסף (ב-dB) בתוך פס המעבר של ה-3dB שניתן לייחס לנוכחות מצבי תהודת-לוואי (בליעה). מצבי לוואי בתוך אזור ההפסד (Loss) המינימלי (גליות) מתייחסים לעקומת היענות המסנן המנורמלת (ראה פריט E, איור 4).

גליות ותדרי לוואי (משולב)

(RIPPLE ANS SPURIOUS)

הפסד ההעברה הגרוע ביותר (ב-dB) בתוך פס המעבר (3dB) של ה-YIG FILTER בשל נוכחות גליות (Ripple) בפס המעבר (ראה פריט F, איור 4) ו/או תגובות לתדרי לוואי בפס המעבר (ראה פריט E, איור 4). ראה פריט G, איור 4.

תדרי לוואי בפס המעבר (דחיית פס)

הפסד ההעברה הנוסף (ב-dB) שניתן לייחס לנוכחות מצבים של תהודת לוואי (בליעה). ראה פריט C, איור 5.

סחיפת טמפרטורה (TEMPERATURE DRIFT)

השינוי בתדר התהודה (בזרם סליל קבוע) הכרוך בשינוי בטמפרטורת העבודה.

יחס גלים עומדים של פס המעבר (PASSBAND VSWR)

ה-VSWR הטוב ביותר הנמדד בנקודה כלשהי בתוך פס המעבר 3dB.

דחייה (דחיית פס)

REJECTION (BAND REJECT)

כמות הניחות (ב-dB) ביחס ל-Insertion Loss. ראה פריט D, איור 5.

רוחב-פס לדחייה (דחיית פס) REJECTION BANDWIDTH

(BAND REJECT)

טווח התדרים (במגה-הרץ) של “חריץ” דחייה (Rejection notch) בדרגה מסוימת של דחייה. ראה פריט E, איור 5.

תדר תהודה או תדר מרכז פס המעבר (RESONANT FREQUENCY OR PASSBAND CENTER FREQUENCY)

הממוצע האריתמטי של תדרי ה-3dB הגבוה והנמוך המנורמלים.

ברירות (SELECTIVITY)

ירידת התדר (roll-off) הנומינלית של שולי פס המעבר של ה-YIG Filter הנמדדת ב-dB לאוקטבה של מעבר-פס, לרוב -6dB לכדור (דרגה). ראה איור 6.

מפרטי המגנט:

המגנט מייצר שדה מגנטי תוך שימוש באלקטרו-מגנט או במגנט קבוע או בשילוב של שניהם. השדה המגנטי של אלקטרו-מגנט ניתן ל”כיוונון” בעזרת זרם משתנה.

האלקטרו-מגנט מציע כיוונון מאוד ליניארי, מרובה-אוקטבות (לדוגמא 2-18 גיגה-הרץ). הרגישות של סליל הכיוונון הראשי של YIG Filter 2-18GHz טיפוסי היא 20MHz/mA; לכן זרם הכיוון הדרוש ב-2 גיגה-הרץ הוא:

2GHz/(20MHz/mA)=100 mA, ב-18 גיגה-הרץ הוא 900mA.

השראות הסליל (COIL INDUCTANCE)

השראות סליל הכיוונון הנמדדות בגשר עכבה בתדר בדיקה מסוים.

התנגדות הסליל (COIL RESISTANCE)

התנגדות סליל הכיוון הנמדדת במד-התנגדות (Ohm Meter).

“זיכרון פיסיקלי” (HYSTERESIS)ההפרש המרבי (במגה-הרץ) של התדר המרכזי (בזרם סליל קבוע) הנמדד כאשר מסנן ה-YIG Filter מכוון לשני הכיוונים לאורך תחום התדרים הפעיל.

ליניאריות

סטייה מרבית (במגה-הרץ) של תדר התהודה הנמדד כנגד עקומת זרם הסליל מקו כיוונון אידיאלי לאורך תחום התדרים הפעילים של מסנני ה-YIG.

רגישות

השינוי המנורמל בתדר המרכזי של מסנן ה-YIG הנובע משינוי בזרם סליל הכיוונון, המבוטא ב-MHz/mA.

זמן התגובה של הכיוונון

(TUNING RESPONSE TIME)

הזמן הדרוש להיענות המסנן להגיע לערך תדר מסוים מהתדר הרצוי עבור סריקת תדר נתונה.

עכבת אות בערוץ כיוונון הכניסה (Tuning Input Impedance)

העכבה הקטנה הנמדדת בכיוונון בתדר הכניסה באפנון נתון.

מפרטי צריכת הספק:

קיימים שלושה אזורי צריכת הספק בסיסיים: הטיית המעגל, מחמם כדור ה-YIG וזרם הכיוונון. זרם הכיוונון מפורט ב”מפרטי המגנט” של דף הנתונים, והוא מהווה צריכת הספק נוספת לאלה המתוארות להלן.

זרם החימום

מחממים פרופורציוניים ברכיבי YIG משמשים בד”כ לשמירה על טמפרטורת כדור קבועה (+85oC~). דבר זה משפר את ביצועי ה-RF, במיוחד באותות הלוואי ביציאה.

זרם המחמם, מצב קבוע

דרישות זרם המחמם במהלך פעולות רגילות לאחר שמגיעים לתנאי מצב קבוע.

זרם המחמם, נחשול (surge)

זרם השיא (Peak) שהמחממים יצרכו לאחר הפעלה ראשונית.

מפרטי סביבה

מפרטי הסביבה מגדירים את התנאים הקיצוניים בהם מסנן ה-YIG חייב לפעול או לעמוד בהם ללא נזק.

גובה-פעולה (ALTITUDE OPERATION)

הגבהים (נמדדים ב-feet או במטרים) בהם פועל מסנן ה-YIG תוך עמידה בכל המפרטים.

לחות-פעולה (HUMIDITY OPERATION)

הלחות היחסית (בהשוואה לרוויה של 100%) הנמדדת ב-%, בטמפרטורה מסוימת.