УПРАВЛЯЕМЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ ДЕЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ НА МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ С ФУНКЦИЕЙ ФИЛЬТРАЦИИ

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, в частности к приборам на магнитостатических волнах и может быть использовано в качестве делителя мощности волнового пучка.

Устройства на магнитостатических волнах (МСВ) обладают возможностью перестройки параметров (коэффициенты передачи, время задержки) и частотных режимов работы за счет изменения магнитного поля (см., например, обзор «Магноника - новое направление спинтроники и спин-волновой электроники», УФН, т. 185, №10, 2015, с.с. 1099-1128). Эти характеристики позволяют реализовать устройства для обработки сигналов с множеством функций, например, задержки сигналов, направленного ответвления, фильтрации и др. функций. Технологии микроэлектроники дают возможность выполнить на подложках магнитные пленки с особой конфигурацией, толщиной и свойствами, а также обеспечить логические функции в случае изменения внешнего или внутреннего магнитного поля (см., например, CN104779342 (В), BEIHANG UNIVERSITY, 15.08.2017).

Из уровня техники известно устройство на магнитостатических волнах (RU2623666 С1, ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, 28.06.2017), в котором введен слой пьезоэлектрического материала, снабженный металлическими электродами для подачи электрического напряжения, размещенный на поверхности микроволноводной структуры с возможностью пьезомагнитного взаимодействия. Микроволноводная структура образована тремя параллельными микроволноводами равной ширины, каждый из которых имеет прямоугольную форму и установлен с зазором друг относительно друга с обеспечением режима многомодовой связи. Однако это устройство имеет другое назначение и не предназначено для выполнения функций делителя мощности как самостоятельного элемента СВЧ-тракта.

Наиболее близким к патентуемому устройству является делитель мощности СВЧ сигнала на спиновых волнах (RU2666969 С1, ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, 13.09.2018 - прототип). Делитель мощности СВЧ сигнала содержит единый входной порт, первый и второй выходные порты. Элементы электромагнитной связи выполнены в виде микроволноводной структуры для магнитостатических волн на подложке из галлий-гадолиниевого граната. Микроволноводная структура выполнена на основе пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ) в форме двух удлиненных полосок равной ширины, размещенных параллельно друг другу с зазором, выбранным из условия обеспечения режима многомодовой связи магнитостатических волн. Концы одной полоски микроволноводной структуры имеют отводы, на которых образованы микрополосковые антенны для возбуждения и приема магнитостатических волн, связанные соответственно с единым входным портом и первым выходным портом.

Недостатком такого делителя является отсутствие возможности управления спектром МСВ посредством внешнего электрического поля, а поскольку управление энергией МСВ осуществляется изменением мощности входного сигнала, это может привести к появлению нелинейных эффектов, таких как нелинейный набег фазы спиновой волны.

Проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в придании делителю мощности на МСВ функций фильтрации СВЧ сигнала при обеспечении возможности управления частотными характеристиками посредством магнитных и электрических полей, независимых от мощности входного сигнала.

Патентуемый делитель мощности СВЧ сигнала на МСВ содержит размещенную на подложке микроволноводную структуру на основе пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ), входной и два выходных порта, связанные с микрополосковыми антеннами для возбуждения и приема МСВ в микроволноводной структуре, источник управляющего магнитного поля.

Отличие состоит в том, что микроволноводная структура выполнена в виде Т-образного разветвления, основание которого связано с микрополосковой антенной входного порта, а боковые плечи - с микрополосковыми антеннами выходных портов, причем на участках между разветвлением и микрополосковыми антеннами выходных портов размещены средства для обеспечения пьезомагнитного взаимодействия в пленке ЖИГ, выполненные в виде пленки пьезоэлектрика с электродами, подключенными к источнику электрического поля, а управляющее магнитное поле направлено по касательной к пленке ЖИГ.

Делитель может характеризоваться тем, что электроды на пленке пьезоэлектрика выполнены в форме встречных штырей.

Технический результат - придание делителю мощности на МСВ функций фильтрации СВЧ сигнала при обеспечении возможности управления частотными характеристиками посредством магнитных и электрических полей, независимых от мощности входного сигнала.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг. 1 - представлена конструкция устройства;

фиг. 2 - распределения статического внутреннего магнитного поля от нормированной ширины пленок;

фиг. 3 - частотная зависимость коэффициента передачи S₂₁ для разных конфигураций МСВ;

фиг. 4 - фотографии распределения интенсивности ПМСВ при отсутствии (а) и при наличии (б) электрического поля, прикладываемого к пьезоэлектрическому слою;

фиг. 5 - частотная зависимость коэффициента передачи S₂₁ для разных значений внешнего электрического поля.

Позициями на чертежах обозначены:

1 - входная микрополосковая антенна;

2 - микроволновод на основе пленки ЖИГ;

3 - подложка из пленки галлий-гадолиниевого граната (ГГГ);

4 - пьезоэлектрический слой 1;

5 - пьезоэлектрический слой 2;

6 - электрод 1;

7 - электрод 2;

8 - выходная микрополосковая антенна 1;

9 - выходная микрополосковая антенна 2;

10 - профиль внутреннего магнитного поля для микроволновода шириной 3 мм;

11 - профиль внутреннего магнитного поля для микроволновода шириной 500 мкм;

12 - частотная зависимость коэффициента передачи для обратной объемной магнитостатической волны;

13 - частотная зависимость коэффициента передачи для поверхностной магнитостатической волны;

14 - частотная зависимость коэффициента передачи для обратной объемной магнитостатической волны при отсутствии электрического поля;

15 - частотная зависимость коэффициента передачи для обратной объемной магнитостатической волны в случае Е=10 кВ/см.

Устройство содержит подложку 3, представляющую собой пленку галлий-гадолиниевого граната (ГГГ) с размерами (Ш×Д×Т) 3000 мкм × 3500 мкм × 500 мкм. На поверхности пленки ГГГ сформирован Т-образный микроволновод 2 на основе пленки ЖИГ толщиной 7,7 мкм и намагниченностью насыщения М₀=139Гс. На микроволноводе 2 расположены микрополосковые антенны 1,8,9 шириной 30 мкм, обеспечивающие возбуждение и прием магнитостатичесих волн. При этом входная антенна 1 размещена на одной части микроволновода 2, а выходные преобразователи магнитостатических волн размещены на левом и правом плечах микроволновода 2. Между выходными антеннами расположен пьезоэлектрические слои 4,5 цирконата титаната свинца (ЦТС) с размерами (Ш×Д×Т) 500 мкм × 500 мкм × 400 мкм. На слоях 4,5 пьезоэлектрика и под ними, отделяющие микроволновод 2 расположена встречно-штыревая система металлических электродов 6,7 из никеля, для создания более эффективной локальной деформации. Ширина микроволновода 2 составляет 500 мкм, длина вдоль оси x составляет 3000 мкм, а вдоль оси y составляет 3500 мкм. Внешнее магнитное поле Н₀ направлено касательно вдоль оси x (см. фиг. 1).

Устройство функционирует следующим образом.

Входной микроволновый сигнал, частота которого должна лежать в диапазоне частот, определяемым величиной внешнего постоянного магнитного поля, подается на входную микрополосковую антенну 1. Далее микроволновый сигнал преобразуется в поверхностную МСВ (ПМСВ), распространяющуюся вдоль микроволновода 2, который имеет конфигурацию Т-образного микроволновода и выполнен в виде двух микроволноводных секций: правого и левого плеч раздвоенного микроволновода 2. В результате расщепления ПМСВ на две части в первом и втором плечах волноводной структуры сигнал попадает на выходные антенны 8,9.

Электрическая перестройка частоты возможна благодаря магнитоэлектрическому (МЭ) взаимодействию в структуре. Электрическое поле вызывает деформацию слоя пьезоэлектрика, вследствие обратного пьезоэффекта. Деформация передается микроволноводу, который механически связан с пьезоэлектрическим слоем. Из-за пьезомагнитного эффекта изменяется внутреннее магнитное поле в микроволноводе, приводящее к изменению дисперсионной характеристики волнового процесса в структуре, что и позволяет реализовать двойное управление свойствами волны и, соответственно, характеристиками устройства. При этом управление осуществляется путем воздействия на материальные характеристики микроволновода и пьезоэлектрика при изменении приложенных к нему соответственно внешнего магнитного и электрического полей. Ввиду конечной ширины микроволновода 2 при распространении ПМСВ реализуется многомодовый режим.

На фиг. 2 приведены результаты численного моделирования рассчитанных профилей внутреннего магнитного поля в случае, когда ширина микроволновода 2 составляет 3 мм (кривая 10, фиг. 2) и 500 мкм (кривая 11, фиг. 2). Видно, что величина внутреннего магнитного поля в центре микроволновода 2 уменьшается при уменьшении ширины.

На фиг. 3 показаны частотные зависимости коэффициента передачи в случае распространения ПМСВ (кривая 13) и обратных объемных МСВ (кривая 12). Видно, что в диапазоне частот от 5,23 ГГц до 5,35 ГГц наблюдается перекрытие передаточных характеристик. Это означает, что ПМСВ при повороте в плечи микроволновода 2 преобразуется в обратную объемную МСВ и на выходе попадает на микрополосковую антенну 8

На фиг. 4 показаны карты распределения интенсивности МСВ, распространяющейся по микроволноводу 2. При отсутствии электрического поля, прикладываемого к пьезоэлектрическому слою 5, наблюдается ответвление МСВ в оба плеча (фиг. 4,а). При приложении электрического поля (Е=10кВ/см) к слою пьезоэлектрика 5 сигнал ответвляется только в левое плечо, а в правое - практически не проходит (фиг. 4,б). Данный эффект обусловлен трансформацией профиля внутреннего магнитного поля микроволновода 2 в области под пьезоэлектрическим слоем 5.

Следует отметить, что использование электродов типа встречные штыри позволяет создавать запрещенную зону в спектре спиновых волн (фиг. 5). Получены частотные зависимости коэффициента передачи, в случае отсутствия и при приложении внешнего электрического поля Е к пьезоэлектрическому слою. Видно, что при отсутствии внешнего электрического поля (кривая 14) в спектре не содержится падений мощности, соответствующих наличию запрещенных зон. При приложении напряжения к электроду (кривая 15) в спектре наблюдается ярко выраженный провал, соответствующий запрещенной зоне непрохождения сигнала.

Таким образом, представленные результаты подтверждают достижение технического результата - делитель мощности на МСВ обладает функцией фильтрации СВЧ сигнала при обеспечении возможности управления частотными характеристиками посредством магнитных и электрических полей, которые независимы от мощности входного сигнала.