ЧАСТОТНЫЙ ФИЛЬТР СВЧ СИГНАЛА НА МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ

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

Функциональные элементы на магнитостатических волнах, в которых происходят процессы переноса магнитного момента или спина электрона вместо переноса заряда, открывают новые возможности для применения спиновых волн при построении элементной базы приборов обработки, передачи и хранения информации [Никитов С.А., и др. Магноника - новое направление спинтроники и спинволновой электроники//УФН, Т. 185, №10, с. 1099-1128 (2015)].

Известен невзаимный перестраиваемый полосовой фильтр (WO 2014052913 А1, Northeastern University, 03.04.2014), включающий в себя преобразователь, содержащий параллельно соединенные проводящие линии и ферритовый слой, так что параллельные края ферритового слоя наклонены под ненулевым углом Θ относительно параллельных сопряженных микрополосковых линий микрополоскового преобразователя. Благодаря такой конструкции отраженная от боковых граней ферритовой пленки поверхностная волна преобразуется обратно в объемную, не образуя стоячую волну, и, следовательно, не попадает в выходной сигнал. Таким образом, осуществляется невзаимная фильтрация спиновых волн, что позволяет подавить побочные моды, образующиеся из-за пространственного резонанса во взаимных фильтрах, но вносит значительные потери, что и является недостатком данного устройства.

Известен СВЧ фильтр, содержащий электромагнит, в зазоре которого расположен ферритовый резонатор на диэлектрической подложке с нанесенными на поверхность подложки входной и выходной микрополосковыми линиями (RU 2393594 С1, СГУ, Саратов, 27.06.2010). Недостатком данного устройства является относительно широкополосный режим работы и управление только центральной частотой амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) при изменении внешнего поля подмагничивания, которое необходимо для функционирования устройства.

Известен частотный фильтр на основе магнонного кристалла, используемый для управления частотой спиновых волн (WO 2009145579 А2, Magnonic crystal spin wave device capable of controlling spin wave frequency, Seoul National University Industry Foundation, 03.12.2009). Устройство состоит из волновода на основе тонкой магнитной пленки. Волновод имеет три секции, одна из которых представляет собой периодическую структуру - магнонный кристалл, образованный путем периодического изменения ширины либо толщины ферромагнитной пленки. Недостатком данного устройства является отсутствие возможности управления свойствами спектра спиновых волн путем изменения управляющих параметров.

Известен СВЧ-фильтр (RU 167504 U1, СГУ, Саратов, 10.01.2017). Он содержит слой железоиттриевого граната (ЖИГ) на подложке из галлий-гадолиниевого граната и сегнетоэлектрический слой, расположенный со стороны, противоположной подложке. Согласно решению отношение ширины слоя ЖИГ к его толщине не превышает 350, а поперечные размеры и диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрического слоя выбираются такими, чтобы в рабочем диапазоне частот в сегнетоэлектрическом слое распространялись только младшие поперечные моды ТЕ-волны. Управление как шириной полосы пропускания, так и ее центральной частотой осуществляется вариацией величин внешнего магнитного и электрического полей, а также фазовыми и групповыми скоростями отдельных мод волн. Недостаток данного устройства - отсутствие возможности контроля полосы непропускания и частотной области. Кроме того, изменение полярности приложенного напряжения не позволяет измененить направление смещения полосы непропускания и частотной области.

Наиболее близким к заявляемому является устройство на магнитостатических волнах (US 7528688 (В2), UNIV OAKLAND, USA, 05.05.2009 - прототип). Представляет слоистую структуру на подложке из галлий-гадолиниевого граната, на которой расположена пленка из ЖИГ, которая нагружена пьезоэлектрическим слоем. Данный тип структуры может быть использован в качестве микроволновых резонаторов, полосовых фильтров и линий задержки. Недостатком данных устройств являются большие толщины пленок ЖИГ и вследствие этого необходимость приложения больших величин внешнего магнитного поля и получения широких полос пропускания порядка 500 МГц.

Проблема, на решение которой направлено изобретение, состоит в усовершенствовании конструкции спин-волнового фильтра, управляемого как магнитным, так и электрическим полем.

Патентуемый частотный фильтр СВЧ сигнала на магнитостатических волнах содержит подложку, размещенные на подложке магнитный элемент, выполненный из пленки железоиттриевого граната, пьезоэлектрический элемент с металлическими электродами, образованный на поверхности магнитного элемента, входной и выходной преобразователи магнитостатических волн.

Отличие состоит в том, что магнитный элемент, представляющий собой магнонный кристалл, имеет форму протяженного прямоугольника с заостренными по продольной оси торцами и периодическими геометрическими неоднородностями в форме треугольных элементов, размещенных на противолежащих сторонах прямоугольника. Период треугольных элементов выбран из условия образования брэгговской запрещенной зоны в диапазоне волновых чисел от 100 см^-1 до 300 см^-1, в котором затухание магнитостатической волны минимальное.

Пьезоэлектрический элемент имеет длину, меньшую длины магнитного элемента, а входной и выходной преобразователи магнитостатических волн размещены на свободной поверхности магнитного элемента со стороны заостренных торцов, при этом наружный электрод пьезоэлектрического элемента выполнен сплошным, а электрод, прилегающий к поверхности магнитного элемента, имеет форму встречно-штыревого преобразователя с периодом Т, выбранным из условия Т = 2Р, где Р -период треугольных элементов.

Фильтр может характеризоваться тем, что глубина треугольных элементов П2 определяется из условия h.2=w₀/5, w₀ - ширина магнонного кристалла, а также тем, что треугольные элементы имеют период Р =250 мкм, а глубину - h₂ =200 мкм.

Фильтр может характеризоваться и тем, что подложка выполнена из неферромагнитного галлий-гадолиниевого граната, а кроме того, тем, что входной и выходной преобразователи магнитостатических волн представляют собой микрополосковые элементы.

Фильтр может характеризоваться также тем, что пьезоэлектрический элемент выполнен из поляризированной по толщине пластины керамики цирконата-титаната свинца, при этом металлические электроды выполнены из никеля.

Технический результат - создание частотного фильтра СВЧ сигнала с управлением частотным диапазоном фильтра и шириной полосы частот посредством воздействия статическим электрическим и магнитным полями при уменьшении размеров до микроразмерной области и упрощении конструкции.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг. 1 представлена конструкция устройства;

фиг. 2 - конструкция, вид сверху;

фиг. 3 - то же, что на фиг.2, неоднородности, укрупнено;

фиг. 4 - результат исследования распространения волны в фильтре;

фиг. 5 - частотные зависимости коэффициента передачи S₂₁ при различных значениях приложенного внешнего электрического поля. Позициями на чертежах обозначены:

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

2 - входная микрополосковая антенна;

3, 4 -металлические электроды встречно-штыревого преобразователя;

5 - наружный электрод пьезоэлектрического элемента;

6 - пьезоэлектрический элемент;

7 - магнонный кристалл - магнитный элемент, выполненный из пленки ЖИГ; 71 - треугольные элементы на противолежащих сторонах элемента 7;

8 - выходная микрополосковая антенна.

Устройство (см. фиг. 1-3) содержит подложку 1 из пленки галлий-гадолиниевого граната (ГГГ) с размерами ШхДхТ=1300×4000×500(мкм). На поверхности подложки 1 сформирован магнонный кристалл 7 на основе пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ) толщиной 7,7 мкм и намагниченностью насыщения М₀=139Гс. На пленке расположены входная 2 и выходная 8 микрополосковые антенны шириной 30 мкм, обеспечивающие возбуждение и прием магнитостатических волн. Входная антенна 2 расположена на одном конце магнонного кристалла 7, а выходная антенна 8 расположена на втором конце магнонного кристалла 7. На поверхности магнонного кристалла 7, между входной 2 и выходной 8 антеннами расположен пьезоэлектрический элемент 6 в виде пленки цирконата титаната свинца (ЦТС) с размерами (ШхДхТ) 500 мкм × 3000 мкм × 400 мкм. На верхней части пьезоэлектрического элемента 6 образован сплошной металлический электрод 5 из хрома, обеспечивающий заземление.

На нижней части пьезоэлектрического элемента 6, на поверхности магнонного кристалла 7 расположены металлические электроды 3 и 4 из никеля, которые с помощью лазерной резки выполнены в виде встречно-штыревой системы для подачи разных по знаку значений напряжения (см. фиг. 2, 3). Ширина магнонного кристалла w₀ - 1000 мкм, длина 6 мм. Внешнее магнитное поле H₀ направлено касательно вдоль оси х (см. фиг. 1). Магнонный кристалл 7 может быть образован лазерным скрайбированием или другим известным методом из пленки ЖИГ шириной W₀ путем выполнения периодических неоднородностей в форме треугольных элементов 71 на противолежащих сторонах элемента 7. Период Р треугольных элементов 71 выбран из условия образования брэгговской запрещенной зоны в диапазоне волновых чисел от 100 см^-1 до 300 см^-1, в котором затухание магнитостатической волны минимальное.

Принцип работы данного фильтра заключается в том, что входной микроволновый СВЧ сигнал, частота которого должна лежать в диапазоне, определяемом величиной внешнего постоянного магнитного поля, подается на входную микрополосковую антенну 2. Далее микроволновый сигнал преобразуется в поверхностную магнитостатическую волну (ПМСВ), распространяющуюся вдоль длины магнонного кристалла 7. Периодическая решетка треугольных элементов 71 на макете фильтра имеет период Р =250 мкм и глубину h₂ =200 мкм (см. фиг. 2 и 3) и обеспечивает эффективное создание запрещенной зоны Брэгга.

Электрическая перестройка частоты возможна благодаря магнитоэлектрическому (МЭ) взаимодействию в структуре, которое заключается в следующем. Электрическое поле вызывает деформацию пьезоэлектрического элемента 6 вследствие обратного пьезоэффекта. Деформация передается магнонному кристаллу 7, который механически связан с пьезоэлектрическим элементом 6. Вследствие указанного пьезомагнитного эффекта изменяется внутреннее магнитное поле в магнонном кристалле 7, приводящее к изменению дисперсионной характеристики волнового процесса в структуре. Это позволяет реализовать двойное управление свойствами волны и соответственно, характеристиками устройства. Управление осуществляется путем воздействия на характеристики магнонного кристалла 7 и элемента 6 при изменении приложенных к ним соответственно внешнего магнитного и электрического полей. Как показано на фиг.2, электроды 3 и 4 образуют встречно-штыревую систему преобразователя, и период Т этой системы связан с периодом треугольных элементов 71 боковой поверхности 7 магнонного кристалла Р, как Т =2Р. При этом каждый электрод встречно-штыревой системы имеет ширину W =250 мкм, совпадающую с основанием треугольного элемента 71 и глубину h₁ =800 мкм (см. фиг. 3). Вследствие этого обеспечивается более эффективное управление спиновыми волнами, распространяющимися в предложенном устройстве. Ввиду конечной ширины W₀ магнонного кристалла 7 при распространении ПМСВ реализуется многомодовый режим распространения.

На фиг. 4 представлены результаты экспериментального исследования распространения волны в фильтре. Методом Мандельштам-Бриллюэновского рассеяния света (МБРС) проведено исследование особенностей распространения поверхностной магнитостатической волны (ПМСВ) в изготовленном макете на частоте входного сигнала 2,519 ГГц (а) и 2,55 ГГц (б). Представлена карта распределения интенсивности I магнитостатической волны. Основная роль в формировании пространственной картины распределения интенсивности играет межмодовое взаимодействие волн и их рассеяние на границах магнонного кристалла. Эти механизмы приводят к быстрому пространственному затуханию ПМСВ и образованию широкой запрещенной зоны. При увеличении частоты наблюдается перераспределение интенсивности ПМСВ от края магнонного кристалла до его продольной оси. Эффективность рассеяния ПМСВ на периодических неоднородностях магнонного кристалла 7 уменьшается, и при распространении волны профиль поперечного распределения интенсивности I (x,z) приближается к распределению в виде sin²(πz/w₀), где W₀ - ширина магнонного кристалла 7, для основной моды. В этом случае образуется брэгговская запрещенная зона.

На фиг. 5 представлены частотные зависимости коэффициента передачи S₂₁ при различных значениях приложенного внешнего электрического поля Е: кривая 9 - в случае Е<0; кривая 10 - в случае Е =0; кривая 11 - в случае Е>0.

С помощью векторного анализатора цепей была получена амплитудно-частотная характеристика патентуемого фильтра. Коэффициент передачи S₂₁ в частотной области запрещенной зоны показан кривой 10. Частотный сдвиг запрещенной зоны может быть как положительным, если прикладываемое поле Е>0 (кривая 11), так и отрицательным -если прикладываемое поле Е<0 (кривая 9). Таким образом, имеет место двойное управление в предложенном фильтре.

Таким образом, приведенные результаты обосновывают достижение технического результата. За счет конечной ширины образованного магнонного кристалла, частотный фильтр на магнитостатических волнах на основе слоистой структуры работает в многомодовом режиме. Это позволяет расширить функциональные возможности телекоммуникационных систем с большой плотностью информационного сигнала и использовать как частотный фильтр с двойным управлением как функциональный элемент магнонной сети.