Учёные НовГУ нашли способ улучшить СВЧ-фильтры для спутниковой связи и радиолокации
15 июня 2026, 15:05 56
Ученые НовГУ изучили, какие материалы и геометрические параметры позволяют эффективнее электрически перестраивать СВЧ-устройства для радиосвязи – прежде всего фильтры, фазовращатели, антенные решетки. Работа может быть полезна при проектировании элементов для радиолокационных систем, спутниковой связи и базовых станций, где важны точная настройка и компактность.
Авторы разработки – сотрудники НовГУ: доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой проектирования и технологии радиоаппаратуры Мирза Бичурин, кандидат физико-математических наук, главный научный сотрудник Олег Соколов, магистрант кафедры проектирования и технологии радиоаппаратуры Руслан Кафаров и аспирант той же кафедры Андрей Белышев. Статья опубликована в журнале «Инфокоммуникационные и радиоэлектронные технологии».
Исследователи изучили композитные структуры из феррита (магнитного материала) и пьезоэлектрика (материала, который меняет форму под воздействием электричества). При подаче напряжения на пьезоэлектрик он деформируется и передает механическое напряжение ферриту, из-за чего меняются его магнитные характеристики. За счет такого магнитоэлектрического эффекта (МЭ) 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.
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, — пояснил Руслан Кафаров. — Для большинства применений этим различием можно пренебречь, но в сверхточных приборах, работающих со сверхвысокочастотными сигналами, – анизотропию уже нельзя игнорировать.
Второй ключевой фактор – анизотропия деформации пьезоэлектрика, то есть 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.
— Грубо говоря, эффект сильнее, когда материал тянется в одну сторону заметно больше, чем в другую, а не деформируется везде одинаково, – поясняет Руслан Кафаров.
В экспериментах использовали монокристаллический железо-иттриевый гранат с ориентацией среза (111) – один из базовых материалов для СВЧ-ферритовых устройств. Математическое моделирование показало, что из-за слабой магнитной анизотропии на частоте 9,48 ГГц размах резонансного магнитного поля достигает до 0,35 Эрстед. Величина небольшая, но для точных устройств она уже существенна, так как может вносить сдвиг по частоте до 1 МГц. Далее исследователи провели эксперимент. Наблюдение МЭ эффекта на специальном оборудовании позволило оценить параметры образцов. Добротность резонатора составила около 938, а ширина линии ферромагнитного резонанса – примерно 3,5 Э или 12 МГц. Это означает, что требования к материалу и качеству поверхности здесь весьма жесткие.
В ходе экспериментов выяснилось, что форма феррита оказалась принципиально важной. Если феррит слишком толстый, внутреннее магнитное поле распределяется неравномерно, что искажает резонанс и ухудшает характеристики устройства. Поэтому предпочтительна тонкая ферритовая пластина или диск. Важна и чистота поверхности: у лучших образцов шероховатость была менее 0,5 нм, то есть приблизительно в сто тысяч раз меньше толщины человеческого волоса.
Наиболее важный практический вывод связан с выбором пьезоэлектрика. Исследователи сравнили стандартную цирконат-титанатную керамику (ЦТС) и более эффективные монокристаллические материалы. У ЦТС два характерных пьезоэлектрических коэффициента близки по величине, поэтому деформация по разным направлениям различается слабо. При напряженности поля 10 кВ/см это дает изменение резонансного поля всего порядка 1–2 Эрстед, чего обычно недостаточно для эффективной перестройки.
Гораздо более перспективными оказались материалы типа PMN-PT и PZT-PT при ориентации (011). Для них разница между деформациями по разным направлениям значительно больше, поэтому механическое воздействие на феррит передается эффективнее. Однако реализовать это преимущество можно только при достаточно малой толщине ферритовой пластины – порядка десятков микрометров.
— Полученные выводы полезны для разработки перестраиваемых фильтров, фазовращателей, вентилей, активных фазированных антенных решеток – в первую очередь в тех системах, где критичны прецизионная настройка, компактность, низкое энергопотребление и возможность электрического управления параметрами, — пояснил Руслан Кафаров.
Пока разработан лабораторный прототип устройства.
— Микроволновый магнитоэлектрический эффект весьма узкая область науки и техники, устройства на его основе еще не до конца изучены и инженеры всего мира до сих пор пытаются «выжать из него максимум, так как «идеальный магнитоэлектрический резонатор» выглядит многообещающим по части чувствительности, энергопотребления, компактности и способности объединения с другими технологиями, такими как SIW или микрополосковая технология. Поэтому к потенциальным заказчикам я бы отнес космическую связь и предприятия оборонно-промышленного комплекса», - подытожил ученый.
В ближайших планах ученых – исследование тонкопленочных МЭ резонаторов в области электромеханического резонанса, где за счет связи механических и электрических колебаний можно ожидать еще более выраженного эффекта перестройки.
Эту и другие новости читайте в официальном МАХ-канале Новгородского университета.
