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 μ o q e / m e dimana μ o adalah permeability dari free space, q e adalah charge dari electron dan m e 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 μ o gq e / 2 m e dimana g adalah Lande 1
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
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
Komponen Ferrite Gelombang Mikro
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 Ferrite Gelombang Mikro
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
Komponen Ferrite Gelombang Mikro
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
Komponen Ferrite Gelombang Mikro
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
Komponen Ferrite Gelombang Mikro
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
Komponen Ferrite Gelombang Mikro
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
Komponen Ferrite Gelombang Mikro
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
Komponen Ferrite Gelombang Mikro
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
Komponen Ferrite Gelombang Mikro
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
Komponen Ferrite Gelombang Mikro
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
Komponen Ferrite Gelombang Mikro
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
Komponen Ferrite Gelombang Mikro
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
Komponen Ferrite Gelombang Mikro
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
Komponen Ferrite Gelombang Mikro
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
Komponen Ferrite Gelombang Mikro
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
Komponen Ferrite Gelombang Mikro
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