МОДУЛЯТОР СВЧ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве функционального элемента для обработки сигналов в широкополосных СВЧ-системах различного назначения.

Известно, что устройства на магнитостатических волнах (МСВ) и, в частности, на поверхностных МСВ (ПМСВ), распространяющихся в пленках ферритов, перспективны для целей обработки СВЧ-сигналов в диапазоне десятков-сотен ГГц. Описаны различные устройства для этой цели, в том числе с использованием различных регулирующих элементов, позволяющих влиять на характеристики ПМСВ. Так, известна линия задержки на ПМСВ (US 4400669, J.D.Adam; M.R.Daniel; R.A.Moore, 1983), состоящая из магнитной пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ) заданной толщины, помещенной в постоянное магнитное поле, двух преобразователей, предназначенных для возбуждения и приема МСВ в пленке, и металлического экрана, размещенного между входным и выходным преобразователями. С помощью выбора зазора между поверхностью магнитной пленки и металлическим экраном обеспечивается повышение линейности зависимости групповой задержки от частоты. Известны также конструкции фильтров на МСВ резонаторного типа и на основе линии задержки (US 5017896, J.D.Adam; S.H.Talisa, 1991), в которых требуемая мода МСВ выделяется из многомодового сигнала с помощью размещения металлических экранов по обе стороны от пленки ЖИГ, в которой распространяется МСВ.

Известно устройство на МСВ для обработки сигналов на высоких частотах (US 6356165, D.S.Jeon, et al, 2002), в котором слой металла включается в состав многослойной структуры, содержащей магнитные пленки, с целью улучшения развязки между входным и выходным преобразователями. Известно также устройство на МСВ со специально подобранным расстоянием между ферритовой пленкой и расположенными по обе стороны от нее металлическими экранами (US 6114929, Н.Kurata, 2000), что повышает добротность резонансной фильтрации.

Известно устройство на ПМСВ (JP 2009003150, I.Mitsuteru, S.Hikariko, Т.Kenji, 2009 - ближайший аналог), в котором на поверхности пленки ЖИГ между входным и выходным преобразователями МСВ располагается периодическая металлическая структура в виде меандра, с помощью которой можно управлять длиной магнитостатической волны.

Вышеуказанные устройства на ПМСВ обладают общим недостатком - при выбранной величине поля подмагничивания не обеспечивается функция модуляции сигнала. Иными словами, отсутствует возможность управления частотной зависимостью уровня пропускания СВЧ-сигнала в процессе эксплуатации.

Известны также функциональные СВЧ-устройства различного назначения, использующие т.н. магнонные кристаллы в качестве среды для распространения ПМСВ (С.А.Никитов, Ю.А.Филимонов, С.Л.Высоцкий, Е.С.Павлов, Н.Н.Новицкий, А.И.Стогний. "Физические основы фильтрации СВЧ сигналов с использованием магнонных кристаллов". // Сборник научных трудов "Гетеромагнитная микроэлектроника". - 2008. - В.5. - С.78-86. Магнонные кристаллы представляют собой пленки ЖИГ с вытравленными поверхностными структурами в виде канавок, ось которых перпендикулярна направлению распространения ПМСВ. Пленка ЖИГ размещается между входным и выходным микрополосковыми преобразователями СВЧ.

Наиболее близким к патентуемому является модулятор уровня пропускания СВЧ, включающий протяженную структуру на основе магнонного кристалла из ферритовой пленки ЖИГ, микрополосковые преобразователи для возбуждения и приема ПМСВ, размещенные на противоположных концах структуры, источник постоянного магнитного поля, элемент для регулирования параметров распространения ПМСВ - металлическая пленка в форме меандра, по которой пропускается ток (A.V.Chumak, Т.Neumann, А.А.Serga, В.Hillebrands and М.Р.Kostylev. "A current-controlled, dynamic magnonic crystal". // J.Phys. D.: 2009. - V.42. - P.205005 - ближайший аналог). Пленка ЖИГ имеет вытравленные структуры в виде канавок, ось которых перпендикулярна направлению распространения ПМСВ. В результате рассеяния ПМСВ на поверхностной периодической структуре (периодически изменяющемся внутреннем магнитном поле, возникающем при пропускании тока по меандру) в спектре передачи сигнала возникают полосы непропускания, являющиеся областью режекции СВЧ-сигнала.

Однако для управления указанным модулятором СВЧ требуется пропускание тока величиной 0,25 А по указанной пленке в форме меандра при величине поля подмагничивания 1600 Э. Это, как следует из публикации, обеспечивает на частоте 6,5 ГГц изменение уровня пропускания с -40 дБ до уровня заграждения -65 дБ.

Патентуемый модулятор СВЧ на магнитостатических волнах включает протяженную структуру на основе магнонного кристалла из ферритовой пленки, микрополосковые преобразователи для возбуждения и приема в ферритовой пленке поверхностных магнитостатических волн, размещенные на противоположных концах структуры, источник постоянного магнитного поля, элемент для регулирования параметров распространения магнитостатических волн.

Отличие изобретения состоит в том, что магнонный кристалл выполнен на основе пленки из железоиттриевого граната с поверхностной периодической структурой в виде параллельных канавок, глубина которых составляет 0,005-0,5 толщины пленки, размещенных перпендикулярно оси протяженной структуры. Элемент для регулирования параметров распространения магнитостатических волн размещен со стороны канавок и представляет собой металлический экран, подвижный в направлении, перпендикулярном плоскости периодической структуры и связанный с пьезоприводом, подключенным к электрическому генератору модулирующего сигнала.

Устройство может характеризоваться тем, что пленка из железоиттриевого граната имеет толщину 18-25 мкм с намагниченностью насыщения 1600-1800 Гс, канавки имеют период 170-230 мкм, ширину 1,5-3,5 мкм и глубину 0,1-0,3 мкм, при этом источник постоянного магнитного поля обеспечивает напряженность не менее 700 Э.

Устройство может характеризоваться и тем, что пьезопривод выполнен с возможностью перемещения металлического экрана в диапазоне от непосредственного механического контакта с поверхностью периодической структуры и удалении по меньшей мере до 200 мкм, а также тем, что металлический экран выполнен из пленки немагнитного материала толщиной 6-8 мкм на подложке.

Технический результат изобретения - возможность управления уровнем режекции СВЧ-сигнала в полосе частот без необходимости обеспечения протекания управляющего постоянного тока по металлической пленке.

Сущность изобретения поясняется на фигурах, где на:

фиг.1 показана конструкция модулятора СВЧ на ПМСВ;

фиг.2 - амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики при отсутствии влияния металлического экрана (t>200 мкм);

фиг.3 - амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики при наличии металлического экрана (t=0);

фиг.4 - построенные на основе экспериментальных измерений дисперсионные кривые при t=500 мкм (кривая 1) и при t=0 (кривая 2).

Конструкция устройства представлена на фиг.1, где: 1 - пленка ЖИГ с поверхностной периодической структурой, образующей ферритовый магнонный кристалл; 2, 3 - входной и выходной преобразователи ПМСВ; 4,5 - микрополосковые линии связи; 6 - немагнитный регулировочный элемент - металлический экран; 7 - пьезопривод для перемещения металлического экрана 6, подключенный к электрическому генератору модулирующего сигнала (генератор условно не показан); 8 - регулируемый источник постоянного магнитного поля. Двусторонней стрелкой 9 показано направление перемещения экрана 6, поз.10 - направление поля подмагничивания.

Поверхностная периодическая структура выполнена на пленке 1 ЖИГ в виде параллельных канавок 11, глубина которых составляет 0,005-0,5 толщины пленки 1. Канавки 11 размещены перпендикулярно оси протяженной структуры, на концах которой расположены преобразователи 2, 3, подключенные к тракту СВЧ посредством полосковых линий 4, 5.

Пленка ЖИГ имеет толщину s в диапазоне s=18-25 мкм с намагниченностью насыщения 1600-1800 Гс. Канавки 11 имеют период d=170-230 мкм, ширину w=1,5-3,5 мкм и глубину h=0,1-0,3 мкм, при этом источник постоянного магнитного поля обеспечивает напряженность не менее 700 Э.

Немагнитный регулировочный элемент - металлический экран 6 может быть выполнен в виде пленки из золота, платины или других хорошо проводящих веществ толщиной 6-8 мкм, образованной на подложке. Эта подложка связана с пьезоприводом 7, который обеспечивает перемещение экрана 6 в диапазоне расстояний от непосредственного механического контакта с поверхностью периодической структуры на пленке 1, и удаления от нее, по меньшей мере, до расстояния t>d=200 мкм, где d - период поверхностной структуры.

Устройство функционирует следующим образом. При подключении микрополосковых линий 4, 5 связи к СВЧ-тракту, в результате взаимодействия ПМСВ, падающей на решетку и отраженной от канавок 11, в дисперсионной характеристике МСВ f(q) возникают запрещенные зоны, которым в амплитудно-частотной характеристике линии задержки соответствуют участки непропускания сигнала. Центральные частоты полос непропускания f_n (i=1, 2,…n) соответствуют волновым числам ПМСВ q_n=πn/d и могут перестраиваться с помощью изменения величины внешнего магнитного поля от источника 8. ПМСВ существует в области частот f₀-f₁>f₀, с ростом частоты потери на распространение растут. Чем меньше период решетки из канавок, тем дальше первая полоса режекции отстоит от f₀, где потери минимальны. Поскольку для модулятора важно соотношение потерь вне полосы режекции и в полосе режекции, оптимальной является такой период d, при котором первая полоса близка к f₀. При приближении к поверхности пленки 1 металлического экрана 6 дисперсионная зависимость f(q) изменяется. При этом на частотах f_n условие q_n-πn/d перестает выполняться, и уровень пропускания сигнала увеличивается до величины, соответствующей распространению ПМСВ в свободной пленке 1 ЖИГ. Таким образом, на частотах f_n амплитудой выходного сигнала можно управлять с помощью приближения (удаления) металлического экрана, то есть обеспечивать модуляцию выходного СВЧ сигнала и управлять уровнем режекции. В отличие от ближайшего аналога для этой цели не требуется протекание управляющего постоянного тока по металлической пленке.

На фиг.2, 3 приведены экспериментальные данные - амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики модулятора СВЧ на ПМСВ при отсутствии металлического экрана (t>100 мкм) и при его контакте с поверхностью пленки 1(t=0), соответственно. Пленка ЖИГ имела толщину s=22 мкм, намагниченность насыщения 1680 Гс. Параметры поверхностной структуры h=0,2 мкм, w=3 мкм, d=200 мкм. Величина постоянного магнитного поля 800 Э. Видно, что в полосе 70 МГц с центральной частотой 4310 МГц происходит изменение уровня СВЧ сигнала с - 15 дБ до - 30 дБ. Анализ показывает, что при оптимизации геометрических параметров структуры следует ожидать, что потери вне полосы заграждения могут быть уменьшены до - 7 дБ, а в полосе заграждения увеличены до >50 дБ.

На фиг.4 приведены построенные на основе экспериментальных измерений дисперсионные кривые ПМСВ при t=0,5 мм (кривая 1) и при t=0 (кривая 2). Видно, что приближение металлического экрана к поверхности изменяет частоту, соответствующую q₁-πn/d, с величины f₁ до величины f₂.

Таким образом, представленные данные свидетельствуют о достижении технического результат изобретения - возможность обеспечения управления уровнем режекции СВЧ-сигнала в полосе частот без необходимости обеспечения протекания управляющего постоянного тока по металлической пленке. Такая возможность расширяет набор функций устройств на спиновых волнах, перспективных для обработки СВЧ-сигналов.