Ανάπτυξη Αυτοργανωμένων Μεταϋλικών για την Εφαρμογή τους σε Κεραίες Νησίδας Υπέυθυνος Έργου: Δρ. Φώτης Λαζαράκης

Ανάπτυξη Αυτοργανωμένων Μεταϋλικών για την Εφαρμογή τους σε Κεραίες Νησίδας Υπέυθυνος Έργου: Δρ. Φώτης Λαζαράκης Ινστιτούτο Πληροφορικής & Τηλεπικοινωνιών Αποτελέσματα ΔΗΜΟΕΡΕΥΝΑΣ, ΕΚΕΦΕ ΔΗΜΟΚΡΙΤΟΣ, 1 η Δεκεμβρίου 29

Περιεχόμενα Στόχοι της ΔΗΜΟΕΡΕΥΝΑΣ Αντικείμενο, σύντομη περιγραφή και αποτελέσματα του έργου Συμπεράσματα ΕΚΕΦΕ ΗΜΟΚΡΙΤΟΣ Αποτελέσματα ΗΜΟΕΡΕΥΝΑΣ, 1 η εκ. 29 Σελ. 2/22

Σκοπός της ΔΗΜΟΕΡΕΥΝΑΣ Χρηματοδότηση νέων ερευνητικών προγραμμάτων Διεπιστημονικός χαρακτήρας προτάσεων Προώθηση συνεργασίας μεταξύ Ινστιτούτων ΕΚΕΦΕ ΗΜΟΚΡΙΤΟΣ Αποτελέσματα ΗΜΟΕΡΕΥΝΑΣ, 1 η εκ. 29 Σελ. 3/22

Ανάπτυξη αυτοργανωμένων μεταϋλικών για την εφαρμογή τους σε κεραίες νησίδας Στόχοι του έργου Ανάπτυξη καινοτόμων αυτοργανωμένων υλικών με διαμορφωμένες ηλεκτρομαγνητικές ιδιότητες χρησιμοποιώντας φυσικές θεμελιώδεις διεργασίες Εφαρμογή των υλικών στην ανάπτυξη μιας τυπωμένης κεραίας νησίδας (patch antenna) με στόχο την βελτιστοποίηση της απόδοσής της Επιστημονικές Περιοχές Νέα Υλικά Τηλεπικοινωνίες (Τεχνολογία Κεραιών) Φορείς Υλοποίησης έργου Ινστιτούτο Πληροφορικής & Τηλεπικοινωνιών (Εργαστήριο Ασύρματων Επικοινωνιών, Φ. Λαζαράκης, Α. Αλεξανδρίδης, Κ. Δαγκάκης, Θ. Ζερβός) Ινστιτούτο Επιστήμης Υλικών (Εργαστήριο Μαγνητικών και Υπεραγώγιμων Υλικών, Μ. Πίσσας, Δ. Σταμόπουλος) ΕΚΕΦΕ ΗΜΟΚΡΙΤΟΣ Αποτελέσματα ΗΜΟΕΡΕΥΝΑΣ, 1 η εκ. 29 Σελ. 4/22

Κύρια Ιδέα : Τεχνική Προσέγγιση Χρήση μεταϋλικών ως substrate ή/και superstrate μιας patch κεραίας για τη βελτίωση των χαρακτηριστικών της Conventional patch Dielectric loaded patch Miniaturization patch e r =2.2 e r =1.5 e r =1.25 e r =1.1 substrate e r =2.2 ground ΕΚΕΦΕ ΗΜΟΚΡΙΤΟΣ Αποτελέσματα ΗΜΟΕΡΕΥΝΑΣ, 1 η εκ. 29 Σελ. 5/22

Συμβατική patch κεραία Συχνότητα λειτουργίας: 14 GHz (Ku-band) ΕΚΕΦΕ ΗΜΟΚΡΙΤΟΣ Αποτελέσματα ΗΜΟΕΡΕΥΝΑΣ, 1 η εκ. 29 Σελ. 6/22

MetaPatch-1: Μείωση μεγέθους κεραίας Η σταδιακή μεταβολή της διηλεκτρικής σταθεράς του superstrate δεν παίζει σημαντικό ρόλο στη μείωση του μεγέθους της κεραίας. ΕΚΕΦΕ ΗΜΟΚΡΙΤΟΣ Αποτελέσματα ΗΜΟΕΡΕΥΝΑΣ, 1 η εκ. 29 Σελ. 7/22

ΜetaPatch-2: αύξηση κέρδους κεραίας To superstrate αποτελείται από ένα "sandwich" 3 διηλεκτρικών επιπέδων με μεταβλητές τιμές διηλεκτρικής σταθεράς (ε r ). Η σχεδίαση επιτυγχάνει περίπου 16% αύξηση του κέρδους της κεραίας σε σχέση με τη συμβατική. Κόστος: αύξηση του προφίλ της κεραίας, κατασκευαστικές δυσκολίες. ΕΚΕΦΕ ΗΜΟΚΡΙΤΟΣ Αποτελέσματα ΗΜΟΕΡΕΥΝΑΣ, 1 η εκ. 29 Σελ. 8/22

MetaPatch-3: Patch κεραία με μαγνητοηλεκτρικό υπόστρωμα dielectric magnetoelectric Μαγνητοηλεκτρικά υλικά: οι ηλεκτρικές και μαγνητικές τους ιδιότητες μεταβάλλονται με την εφαρμογή εξωτερικού ηλεκτρικού ή/και μαγνητικού πεδίου. Κεραίες που τυπώνονται σε μαγνητοηλεκτρικά υποστρώματα μπορούν να προσφέρουν τη δυνατότητα beam steering (με ένα μόνο στοιχείο) αλλά και τη δυνατότητα ελέγχου της πόλωσης ΕΚΕΦΕ ΗΜΟΚΡΙΤΟΣ Αποτελέσματα ΗΜΟΕΡΕΥΝΑΣ, 1 η εκ. 29 Σελ. 9/22

Αλλαγή της πόλωσης της κεραίας με τη χρήση εξωτερικού DC μαγνητικού πεδίου Far field radiation diagram components Left circular pol. Right circular pol. DC Magnetic Bias (55 Oe) ΕΚΕΦΕ ΗΜΟΚΡΙΤΟΣ Αποτελέσματα ΗΜΟΕΡΕΥΝΑΣ, 1 η εκ. 29 Σελ. 1/22

Μελέτη και χαρακτηρισμός υλικών Ως βάση των μελετών επιλέχθηκαν τα μαγνητοηλεκτρικά οξείδια Al 2-x Fe x O 3, Ga 2-x Fe x O 3 και το φερι-μαγνητικό Y 3 Fe 5 O 12 (Ytrium Iron Garnet) Στόχος της μελέτης Επιλογή μεθόδου παρασκευής των υλικών Χαρακτηρισμός υλικών μέσω X-ray diffraction data Magnetic measurements FMR measurements Επιλογή υλικών για εφαρμογή σε patch κεραία, ακριβής ηλεκτρομαγνητική μοντελοποίηση υλικών ΕΚΕΦΕ ΗΜΟΚΡΙΤΟΣ Αποτελέσματα ΗΜΟΕΡΕΥΝΑΣ, 1 η εκ. 29 Σελ. 11/22

Παράδειγμα εξάρτησης της μαγνητικής διαπερατότητας από τη συχνότητα / ( f ) 1 1 g 2 4 M 17Gauss H=5 Oe H dc 5kOe e z // ( f ) 1 ΕΚΕΦΕ ΗΜΟΚΡΙΤΟΣ Αποτελέσματα ΗΜΟΕΡΕΥΝΑΣ, 1 η εκ. 29 Σελ. 12/22

Χαρακτηρισμός υλικών (1/3) Rietveld plot του Al 2-x Fe x O 3 12 P n a 2 1 AlFeO 3 6 Intensity (k counts) 1 (Al,Fe) 2 O 3-1 1 6 2 3 4 5 6 1-1 6 7 8 9 1 11 12 2Θ (degrees) ΕΚΕΦΕ ΗΜΟΚΡΙΤΟΣ Αποτελέσματα ΗΜΟΕΡΕΥΝΑΣ, 1 η εκ. 29 Σελ. 13/22

Χαρακτηρισμός υλικών (2/3) Magnetic measurements του Ga 2-x Fe x O 3 2 Ga.7 Fe 1.3 O 3 15 9 1 m (emu/g) Ga.6 Fe 1.4 O 3 5-9 Ga.5 Fe 1.5 O 3 m (emu/g) -5 H (Oe) Ga.9 Fe 1.1 O 3-1 -15 T=295 K -2-15 -1-5 5 1 15 H (Oe) ΕΚΕΦΕ ΗΜΟΚΡΙΤΟΣ Αποτελέσματα ΗΜΟΕΡΕΥΝΑΣ, 1 η εκ. 29 Σελ. 14/22

Χαρακτηρισμός υλικών (3/3) Μετρήσεις FMR για το Y 3 Fe 5 O 12 di/dh (arb. units) 14 12 1 8 6 4 2-2 -4-6 -8-1 1 2 3 4 5 Field (G) Y 3 Fe 5 O 12 =9.33 GHz Επιλογή του YIG για χρήση στην κεραία λόγω καλύτερης συμπεριφοράς σε θερμοκρασίες δωματίου di/ dh (arb. units) 25 2 15 1 5-5 1 2 3 4 5 H (Oe) H r =2572 Oe ΕΚΕΦΕ ΗΜΟΚΡΙΤΟΣ Αποτελέσματα ΗΜΟΕΡΕΥΝΑΣ, 1 η εκ. 29 Σελ. 15/22

Τελική σχεδίαση κεραίας με υπόστρωμα YIG Magnetic field towards +z xz-plane Magnetic field towards -z 33 θ = 5 3 Total Gain (dbi) Left Polar. Gain (dbi) Right Polar. Gain (dbi) 33 θ = 5 3 3-5 6 3-5 6-1 -1 27-15 9 27-15 9-1 -1 24-5 12 y 24-5 12 21 5 18 15 z x 21 5 18 15 ΕΚΕΦΕ ΗΜΟΚΡΙΤΟΣ Αποτελέσματα ΗΜΟΕΡΕΥΝΑΣ, 1 η εκ. 29 Σελ. 16/22

Έλεγχος πόλωσης με εξωτερικό μαγνητικό πεδίο Μαγνητικό πεδίο στην κατεύθυνση +z Μαγνητικό πεδίο στην κατεύθυνση -z E-field Δεξιόστροφη κυκλική πόλωση Αριστερόστροφη κυκλική πόλωση ΕΚΕΦΕ ΗΜΟΚΡΙΤΟΣ Αποτελέσματα ΗΜΟΕΡΕΥΝΑΣ, 1 η εκ. 29 Σελ. 17/22

Περαιτέρω εκμετάλλευση της Δημοέρευνας Οι συνεργαζόμενες ομάδες των ΙΠΤ και ΙΕΥ με βάση την ιδέα της Δημοέρευνας εξασφάλισαν περαιτέρω χρηματοδότηση από την ESA (European Space Agency) Novel Metamaterials for Patch Antennas Applications Διάρκεια: 1/1/28 3/6/29 Budget: 1. ΕΚΕΦΕ ΗΜΟΚΡΙΤΟΣ Αποτελέσματα ΗΜΟΕΡΕΥΝΑΣ, 1 η εκ. 29 Σελ. 18/22

Παρασκευή δειγμάτων YIG (a) (b) (c) (d) ΕΚΕΦΕ ΗΜΟΚΡΙΤΟΣ Αποτελέσματα ΗΜΟΕΡΕΥΝΑΣ, 1 η εκ. 29 Σελ. 19/22

Κατασκευή της MetaPatch κεραίας (1/2) Step 1: Construction of the YIG part in specific dimensions YIG part Step 2: Drilling the ground plane and the substrate in the back side of the patch ΕΚΕΦΕ ΗΜΟΚΡΙΤΟΣ Αποτελέσματα ΗΜΟΕΡΕΥΝΑΣ, 1 η εκ. 29 Σελ. 2/22

Κατασκευή της MetaPatch κεραίας (2/2) Step 3: Placement of YIG part in the substrate hole and cover with silver paste. Finally, attachment of the SMA connector ΕΚΕΦΕ ΗΜΟΚΡΙΤΟΣ Αποτελέσματα ΗΜΟΕΡΕΥΝΑΣ, 1 η εκ. 29 Σελ. 21/22

Συμπεράσματα Το πλαίσιο της ΔΗΜΟΡΕΥΝΑΣ μας πρόσφερε: Τη δυνατότητα επιστημονικής συνεργασίας ανάμεσα σε δύο Ινστιτούτα του Κέντρου Τη διεξαγωγή διεπιστημονικής έρευνας που απέδειξε ότι η σύμπραξη της Επιστήμης Υλικών και Τεχνολογίας Κεραιών μπορούν να οδηγήσουν σε καινοτόμα αποτελέσματα λειτουργώντας συμπληρωματικά Τη δυνατότητα να διεκδικήσουμε χρηματοδότηση από την ESA και να αποκομίσουμε πολύτιμες εμπειρίες από τη συνεργασία μας με το Διεθνή Οργανισμό. ΕΚΕΦΕ ΗΜΟΚΡΙΤΟΣ Αποτελέσματα ΗΜΟΕΡΕΥΝΑΣ, 1 η εκ. 29 Σελ. 22/22