АТТЕНЮАТОР МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ

Полезная модель относится к области электроники СВЧ и позволяет улучшить характеристики аттенюатора. Предлагается использование в радиотехнике СВЧ для снижения уровня сигналов, обеспечивающее фиксированное или регулируемое затухание [1]. Аттенюаторы используются в тех случаях, когда необходимо ослабить сильный сигнал до приемлемого уровня, например, во избежание перегрузки входа какого-либо прибора чрезмерно мощным сигналом. Полезным побочным эффектом является то, что использование аттенюатора между линией и нагрузкой улучшает коэффициент бегущей волны и коэффициент стоячей волны в подводящей линии в случае, когда нагрузка плохо согласована с линией.
Основное применение аттенюаторов заключается в ослаблении проходящего через него сигнала в необходимое количество раз, что необходимо для развязки генератора с нагрузкой. Аттенюатор может быть составной частью устройства, или отдельным прибором. Аттенюатор - это элемент электрической цепи, который может быть выполнен с использованием магнитоэлектрического (МЭ) элемента (резонатора), представляющего собой слоистую феррит-пьезоэлектрическую структуру. Используется микроволновый магнитоэлектрический эффект [2], заключающийся в сдвиге резонансной линии ферромагнитного резонанса (ФМР) под действием управляющего электрического поля.
Для существования ФМР к МЭ резонатору прикладывается внешнее магнитное резонансное поле. Под воздействием управляющего напряжения, прикладываемого к электродам, расположенным на МЭ резонаторе, вследствие микроволнового МЭ эффекта происходит сдвиг линии ФМР и реализуется электрическая перестройка.
В аттенюаторе МЭ резонатор включен в качестве неоднородности в микрополосковую линию передачи. Для случая невзаимной связи МЭ резонатора с линией передачи соотношения для коэффициента прохождения |T| и потерь L имеют вид:
где ξ и k представлены следующими выражениями:
0
r
E
0
где V - объем МЭ резонатора, M - намагниченность насыщения, H - резонансное поле, ΔH - величина сдвига резонансной линии под действием управляющего электрического поля, H - постоянное магнитное поле, ΔH - полуширина линии ФМР, λ - длина волны в линии передачи, z - волновое сопротивление микрополосковой линии передачи, Z - волновое сопротивление свободного пространства, ε - относительная диэлектрическая проницаемость подложки, ξ - обобщенная расстройка, k - коэффициент связи резонатора с микрополосковой линией передачи.
Для расчета параметров аттенюатора и построения его АЧХ необходимо учесть влияние микроволнового МЭ эффекта.
Недостатком известных аттенюаторов является то, что они обладают ограниченным быстродействием.
В технике СВЧ широко применяются ферритовые устройства. Это объясняется тем, что феррит является практически единственной освоенной в производстве средой с управляемым параметром, обладающей невзаимными свойствами. Попытки создать аналогичные приборы на магнитной плазме и сегнетоэлектриках хороших результатов пока не дали.
Переход к интегральному исполнению этих устройств представляет большой интерес. Трудность построения ферритовых приборов на микрополосковой линии связана с тем, что в ней магнитное поле линейно поляризовано. Для создания же невзаимных приборов требуется круговая или близкая к ней поляризация магнитного поля. Потому не все ферритовые СВЧ приборы можно выполнить в микрополосковой конструкции.
Наиболее близким по техническому решению, принятому за прототип, является ферритовый СВЧ аттенюатор, содержащий систему управления и линию передачи (см. патент на полезную модель RU №55512, МПК H01P 1/22, 2006 г.). Устройство содержит магнитную систему управления, с током, установленную относительно вектора эл. поля вх. сигнала так, что прямая линия, проходящая через ось круглого волновода и противоположные узлы поперечного квадрупольного магнитного поля, совпадает с этим вектором.
Недостатком прототипа является низкая степень быстродействия управления устройством, невысокий порядок ослабления сигнала ≤20 дБ, что является затруднением при практическом применении в устройствах.
Задачей полезной модели является увеличение быстродействия управления устройством, расширение полосы рабочих частот, значительное ослабление сигнала, уменьшение габарита и массы, а также переход к интегральному исполнению.
Для решения данной задачи предложен аттенюатор магнитоэлектрический, выполненный на базе несимметричной микрополосковой линии и содержащий два магнитоэлектрических элемента (резонатора) с нанесенными металлическими электродами, служащими для управления ослаблением сигнала. Предлагаемый аттенюатор позволит увеличить быстродействие, уменьшить массогабаритные характеристики, расширить полосу рабочих частот, увеличить ослабление сигнала и перейти к интегральному исполнению устройства.
Предлагаемая полезная модель позволяет получить следующий технический результат: ослаблять сильный сигнал до приемлемого уровня во избежание перегрузки входа какого-либо прибора чрезмерно мощным сигналом, улучшать коэффициент бегущей волны и коэффициент стоячей волны в подводящей линии в случае, когда нагрузка плохо согласована с линией.
Для пояснения предполагаемой полезной модели предложен чертеж - схема аттенюатора магнитоэлектрического,
где 1 - контактные площадки; 2 - МЭ резонаторы; 3 - разрыв микрополосковой линии; 4 - микрополосковый шлейф длиной λ/8; 5 - микрополосковый шлейф длиной 3λ/8; 6 - участок микрополосковой линии длиной l.
3
5
12
3
5
12
1/3
2/3
3
3
Устройство состоит из микрополосковой линии передачи на поликоровой подложке и двух МЭ резонаторов, состоящих из монокристаллической пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ-YFeO) на подложке из гадолиний-галиевого граната (ГГГ-GdGaO) и монокристаллический титанат-ниобата магния (ТНМ-0,68PbMgNbO-0,32PbTiO), поляризованного в электрическом поле. На пьезоэлектрик с верхней стороны нанесен металлический электрод, необходимый для подачи управляющего напряжения, в качестве второго электрода используется микрополосковая линия передачи. Для исключения влияния управляющего напряжения на высокочастотный тракт передачи в микрополосковой линии выполнены разрывы. Для соединения слоев использовалась эпоксидная смола. Круговая поляризация СВЧ поля в объеме резонаторов создается с помощью микрополосковых шлейфов длиной λ/8 и 3λ/8. Расстояние l между резонаторами должно быть кратно целому числу длин полуволн, что необходимо для их согласованной работы.
Устройство работает следующим образом. В основе работы аттенюатора лежит явление микроволнового МЭ эффекта [3]. Для существования ФМР к МЭ резонатору прикладывается внешнее резонансное поле. Под воздействием управляющего напряжения, прикладываемого к электродам, расположенным на МЭ резонаторе, вследствие микроволнового МЭ эффекта происходит сдвиг линии ФМР и реализуется электрическая перестройка.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет увеличить быстродействие, расширить полосу рабочих частот, увеличить ослабление сигнала, уменьшить габариты и массу, перейти к интегральной технологии исполнения устройств.
Источники информации:
[1] M.I.Bichurin, V.M.Petrov, R.V.Petrov, G.N.Kapralov, F.I.Bukashev, A.Yu.Smirnov, A.S.Tatarenko. Magnetoelectric Microwave Devices. Ferroelectrics, 280, 213 (2002).
[2] M.I.Bichurin, I.A.Kornev, V.M.Petrov, A.S.Tatarenko, Yu.V.Kiliba and G.Srinivasan. Theory of magnetoelectric effects at microwave frequencies in a piezoelectric/magnetostrictive multilayer composite. Phys. Rev. B64, 094409 (2001).
[3] S.Shastry and G.Srinivasan, M.I.Bichurin, V.M.Petrov, A.S.Tatarenko. Microwave magnetoelectric effects in single crystal bilayers of yttrium iron garnet and lead magnesium niobate-lead titanate. Phys. Rev. B, 70 064416 (2004).