Российские учёные сделали шаг к новому поколению спутниковой связи с помощью радиоволн

Новый магнитоэлектрический эффект поможет создать компактные радары и антенны

Исследователи Новгородского государственного университета разработали рекомендации для создания нового поколения перестраиваемых СВЧ-устройств, которые могут быть использованы в радиолокационных системах, спутниковой связи, телекоммуникационном оборудовании и современных антенных комплексах. Ученые выявили наиболее эффективные материалы и параметры конструкций, которые позволяют точно управлять характеристиками радиосигналов с минимальными затратами энергии.

Основой исследования стало изучение так называемых магнитоэлектрических композитов — многослойных структур, состоящих из ферромагнитных и пьезоэлектрических материалов. Эти устройства позволяют изменять параметры радиочастотных сигналов не механическими регуляторами, а с помощью электрического напряжения.

Как пояснил заведующий кафедрой проектирования и технологии радиоаппаратуры НовГУ, доктор физико-математических наук Мирза Бичурин, принцип действия основан на магнитоэлектрическом эффекте. При подаче напряжения пьезоэлектрический слой немного изменяет свои размеры и передаёт механическое воздействие на феррит. В результате происходят изменения магнитных свойств, что позволяет управлять резонансной частотой, фазой сигнала и другими параметрами электронных устройств.

По словам одного из авторов исследования Руслана Кафарова, эффективность такого управления зависит как от выбора материалов, так и от формы конструкции. Ученые уделили особое внимание магнитной анизотропии феррита — свойству материала реагировать на магнитное поле по-разному в зависимости от направления.

Проведенные эксперименты показали, что наилучшие результаты достигаются с ферритовыми элементами в форме тонких пластин или дисков. Не менее важным фактором оказалась и качество обработки поверхности. Для достижения максимального эффекта шероховатость материала должна составлять менее 0,5 нанометра — это примерно в сто тысяч раз тоньше человеческого волоса.

Отдельно исследователи провели сравнение различных пьезоэлектрических материалов. Выяснилось, что широко используемая цирконат-титанатная керамика обеспечивает относительно слабый эффект перестройки. Значительно лучшие результаты показали монокристаллы PMN-PT и PZT-PT с определенной ориентацией кристаллической решётки. Такие материалы значительно сильнее изменяют магнитные характеристики феррита под воздействием электрического поля и, соответственно, расширяют диапазон настройки устройств.

Полученные результаты могут быть использованы при разработке перестраиваемых СВЧ-фильтров, фазовращателей, вентилей и активных фазированных антенных решёток. Подобные решения востребованы в современных системах связи, радиолокации, спутниковой навигации и беспроводной передачи данных, где критически важны высокая точность настройки, компактность оборудования и низкое потребление энергии.