Результат интеллектуальной деятельности: ДЕМУЛЬТИПЛЕКСОР НА МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к приборам СВЧ на магнитостатических волнах и может быть использовано в качестве демультиплексора.

Известен оптический демультиплексор для переключения сигнала с одного информационного входа на один из информационных выходов, для этой цели имеются один или более управляющих входов (US 5796884 A, Optical cross connect device, MCI Communication Corporation, 18.08.1998). В этом перекрестном устройстве проводится переключение сигналов из нижних волноводов в верхние. Переключение происходит при механическом перекрытии зазора между верхним и нижним оптическими сердечниками. Недостатком данного устройства является отсутствие избирательности по направлению распространения световой волны.

Известен оптический мультиплексор/демультиплексор с призмой Порро. Управление в данном устройстве происходит при помощи призмы. Деление сигнала происходит по длине волны (ЕР3120184В1, Politecnico di Milano, 25.10.2017). Недостатком устройства является отсутствие возможности перестройки по частоте.

Известно устройство, которое используется как элемент магнонной голографической памяти (US9767876B2, The Regents of the University of California, 19.09.2017). В области пересечения ферромагнитных полосок находится наноразмерный магнит. Путем переориентации магнита удается управлять амплитудой и фазой спиновой волны, распространяющейся в ферромагнитном волноводе на фиксированной частоте. При изменении частоты спиновой волны, направление распространения сигнала изменяется и сигнал распространяется в другое плечо в системе ортогональных волноводов, что дает возможность использования устройства для системы демультиплексирования. Недостатком устройства является невозможность использования всех ферромагнитных волноводов для одновременной передачи сигнала из-за использования топологии, в которой сигнал может распространяться только в латеральном направлении и не может передаваться в вертикальном направлении, что ограничивает функциональность данного устройства и не позволяет осуществлять масштабирование. Также основным недостатком данного устройства является отсутствие возможности управления сигналом, распространяющимся по ферромагнитным полоскам, с помощью изменения величины и направления внешнего магнитного поля.

Наиболее близким к патентуемому устройству является тонкопленочный магнито-оптический демультиплексор (GB1531883 (A), INTERNATIONAL BUSINESS MACHINES CORPORATION, USA, 18.03.1976 - прототип). В данном устройстве управление фазой светового пучка осуществляется путем изменения магнитного поля и поворота плоскости поляризации света. Устройство также может выполнять функции мультиплексора, в случае дополнительного использования поляризаторов и анализаторов. Недостатком устройства является отсутствие возможности управляемой в широком частотном диапазоне перестройки сигнала по частоте и многоблочное исполнение устройства.

Настоящее изобретение направлено на решение проблемы создания управляемого многоканального демультиплексора СВЧ сигнала с управлением частотным диапазоном и шириной полосы частот посредством воздействия статическим магнитным полем.

Патентуемый демультиплексор на магнитостатических волнах содержит подложку с размещенными на ней первым и вторым протяженными микроволноводами из железоиттриевого граната, входную микрополосковую антенну, первую и вторую выходные микрополосковые антенны, источники магнитного поля, связанные со средствами управления.

Отличие состоит в том, что дополнительно содержит третью выходную микрополосковую антенну, первый микроволновод размещен непосредственно на подложке и выполнен с возможностью возбуждения поверхностной магнитостатической волны (ПМСВ), причем входная и первая выходная антенны размещены на противолежащих концах первого микроволновода. Второй микроволновод закреплен над первым микроволноводом перпендикулярно последнему и установлен с перекрытием их центральных частей с зазором, обеспечивающим возможность перекачки ПМСВ из первого микроволновода во второй, причем вторая и третья выходные антенны размещены на противолежащих концах второго микроволновода с возможностью приема обратнообъемной магнитостатической волны.

Демультиплексор может характеризоваться тем, что зазор в месте закрепления второго микроволновода над первым микроволноводом фиксирован слоем диэлектрика толщиной в диапазоне от 5 до 10 мкм, а также тем, что источники магнитного поля связаны со средствами управления и выполнены с возможностью изменения напряженности магнитного поля и его направления в плоскости микроволноводов.

Технический результат - возможность управления частотным диапазоном и шириной полосы частот демультиплексора посредством воздействия статическим магнитным полем. При этом важной особенностью предлагаемого класса структур является возможность передачи сигнала в вертикальном направлении. Входной сигнал при этом подается на один вход и далее разделяется в области скрещивания волноводов, при этом происходит частотная селекция.

В данном устройстве передача сигнала из одного микроволновода в другой происходит не в области сочлененения волноведущих секций, а непосредственно путем наложения одного микроволновода на другой, чем обуславливается многоуровневая система обработки сигнала. Достоинством патентуемого устройства, в отличие от прототипа, является то, что при изменении направления внешнего магнитного поля достигается избирательность по направлению распространяющейся волны. Достоинством является возможность эффективного управления характеристиками распространяющейся волны при изменении направления внешнего магнитного поля.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг. 1 - представлена конструкция устройства;

фиг. 2, 3 - результат численного моделирования распространения волны в демультиплексоре;

фиг. 4, 5 - частотные зависимости коэффициента передачи S₂₁ при различных направлениях внешнего магнитного поля.

Позициями на чертежах обозначены:

11 - первый микроволновод; 21 - второй микроволновод; 1 - входная микрополосковая антенна; 2, 3, 4 - выходные микрополосковые антенны; 5 - диэлектрик для фиксации зазора; 6 - подложка из пленки галлий-гадолиниевого граната (ГГГ).

Устройство содержит подложку, представляющую собой пленку 6 галлий-гадолиниевого граната (ГГГ) с размерами (Ш×Д×Т) 5000 мкм × 5000 мкм × 500 мкм. На поверхности пленки 6 ГГГ сформирован первый микроволновод на основе пленки 11 железо-иттриевого граната (ЖИГ) толщиной t=10 мкм, длиной L=5000 мкм, шириной w=500 мкм и намагниченностью насыщения М₀=139 Гс. На микроволноводе 11 расположены входная 1 и выходная 4 микрополосковые антенны. При этом входная антенна 1 расположена на одном конце микроволновода 11, а первая выходная антенна 4 - на другом конце микроволновода 11.

На втором микроволноводе 21 расположены выходные микрополосковые антенны 2, 3 шириной 30 мкм, обеспечивающие прием магнитостатических волн. Антенны 2, 3 также расположены на противолежащих концах микроволновода 21.

Второй микроволновод 21 расположен с зазором через диэлектрик 5 над первым микроволноводом 11 и перпендикулярно ему таким образом, чтобы центральные части микроволноводов перекрывались. Это обеспечивает возможность перекачки поверхностной магнитостатической волны из первого во второй микроволновод. Слой диэлектрика 5 является средством фиксации микроволноводов 11 и 21 между собой. Толщина слоя диэлектрика 5, например, из слюды, может находиться в диапазоне от 5 до 10 мкм.

Источником постоянного статического магнитного поля является двухполюсный электромагнит. Изменение величины магнитного поля происходит при помощи изменения подаваемого тока на полюса магнита. Управление внешним магнитным полем производится при помощи поворота устройства относительно магнита.

Демультиплексор работает следующим образом. Входной микроволновый сигнал, частота которого должна лежать в диапазоне частот, определяемом величиной внешнего постоянного магнитного поля, подается на антенну 1. Далее микроволновый сигнал преобразуется в поверхностную магнитостатическую волну (ПМСВ), распространяющуюся вдоль микроволновода 11. По достижении области перекрытия микроволноводов 11 и 21 ПМСВ связывается с верхним волноводом 21 и частично перекачивается в микроволновод 21. Кроме того, из-за выбранного направления внешнего магнитного поля вдоль оси у и расположения верхнего волновода (ориентирован на 90 градусов по отношению к нижнему волноводу) поверхностная магнитостатическая полна (ПМСВ) преобразуется в обратнообъемную магнитостатическую волну (ООМСВ).

Волна в первом микроволноводе 11 после прохождения области перекрытия так и продолжает распространяться к концу микроволновода, достигая выходной микрополосковой антенны 4, на которой ПМСВ преобразуется в микроволновый сигнал. В то же время, в микроволноводе 21 от центра к периферии распространяется ООМСВ и достигает обоих концов микроволновода, на которых расположены антенны 2, 3 и подвергается съему. Таким образом, осуществляется возможность передачи сигнала в вертикальном направлении.

На фиг. 2, 3 показан результат численного моделирования процесса распространения ПМСВ в данной структуре. Внешнее магнитное поле ориентировано вдоль оси у (90°) для случая на фиг. 2, и немного отклонено влево (95°) для случая, представленного на фиг. 3. Как показано на фиг. 2, микроволноводы 11 и 21 связываются между собой и происходит перекачка волны из нижнего микроволновода в верхний, которая начинает распространяться в обе стороны волновода равнопорционно. На фиг. 3 показано как изменяется распространение волны при небольшом изменении направления внешнего магнитного поля. Визуально заметно, что в верхнем микроволноводе произошло деление магнитостатической волны и на выходной антенне 2 снято больше мощности, чем на выходной антенне 3. Видно, что предлагаемое устройство обеспечивает передачу сигнала в вертикальном направлении.

На фиг. 4, 5 показаны частотные зависимости коэффициента передачи S₂₁ для двух вариантов направления внешнего магнитного поля. Обозначения на графиках: поз. 7-S₂₁ на антенне 4; поз. 8-S₂₁ на антенне 2; поз. 9-S₂₁ на антенне 3. Из фиг. 4 следует, что частотная зависимость коэффициента передачи 8 и 9 идентична. Из фиг. 5 следует, что характер зависимостей изменился и можно добиться такого режима, когда ПМСВ не будет распространяться в одно из плеч микроволновода 21.

За счет использования многоуровневой структуры в данной системе все выходы системы могут быть задействованы для получения сигнала, в отличие от одноуровневой структуры, когда ПМСВ не достигала выхода. Это позволяет расширить функциональные возможности демультиплексора и использовать его как управляемый элемент на магнитостатических волнах и функциональный элемент магнонной сети с возможностью передачи сигнала как в латеральном, так и в вертикальном направлении.