УПРАВЛЯЕМЫЙ СПИН-ВОЛНОВОЙ КОНЦЕНТРАТОР СВЧ МОЩНОСТИ

Полезная модель относится к волноведущим системам, в частности к приборам на магнитостатических волнах, и может быть использована в качестве спин-волнового концентратора мощности.
Известен вид концентратора, выполненного из двух ферромагнитных текстурированных стержней с конусными наконечниками, причем конусный наконечник каждого стержня выполнен в виде цилиндрического хвостовика, на котором размещена конусная втулка, состоящая из сегментов, в текстурированном материале которых плоскость легкого намагничивания наклонена под углом к оси стержня так, что пересекает эту ось в рабочем зазоре концентратора (см. патент РФ на изобретение №1757364, МПК H01F5/00).
Недостатком данного устройства является невозможность расширения полосы частот работы концентратора.
1
2
2
3
2
1
1
3
Также известен вид концентратора, представляющий собой магнитную систему открытого типа в виде каскада с насадкой в виде конуса. Концентратор магнитного поля содержит формирователь магнитного поля в виде каскада, подключенного к внешнему источнику питания, нижняя часть которого представляет собой индуктор, выполненный в виде цилиндрического ферромагнитного корпуса диаметром D высотой h=L-1, в котором выполнен глухой паз глубиной h ограниченный диаметрами D d, предназначенный для размещения обмотки возбуждения. Верхняя часть концентратора на расстоянии l=l-l от индуктора имеет форму усеченного конуса диаметрами D и d, на расстоянии l верхняя часть концентратора имеет форму цилиндра диаметром d, где на глубине h в цилиндрической верхней части концентратора выполнена выемка радиусом R. Предложенная конструкция обеспечивает повышение модуля вектора магнитной индукции и напряженности магнитного поля концентратора (см. патент РФ на полезную модель №153850, МПК H01F7/02).
Недостатком данного устройства является невозможность работы в области сверхвысоких частот.
Известен градиентный концентратор, состоящий из проводящих электродов, размещенных на общей подложке. Эти электроды выполнены в виде квазиплоской пары острие-антиострие и разнесены на расстояние, обеспечивающее туннелирование электронов и соизмеримое с радиусом кривизны острия. При этом возможно выполнение двумерной матрицы, состоящей из градиентных концентраторов. В результате получена возможность эффективного выпрямления тока в тяжелых температурных условиях, при малых напряжениях, со снижением приложенного напряжения до ничтожно малых значений (см. патент РФ на изобретение №2162257, МПК H01L49/00, H01J1/02, H01J1/30).
Недостатками данного устройства являются отсутствие возможности управления частотными характеристиками концентратора (перестройка частотного диапазона) и невозможность использования широкой полосы частот.
Наиболее близким к заявляемому устройству является ответвитель мощности, содержащий плоскую подложку, линию передачи сигнала, расположенную на подложке, входную антенну, первую и вторую выходные антенны. Подложка выполнена из галлий гадоллиниевого граната, линия передачи сигнала представляет собой две латерально связанные пленки железо-иттриевого граната с зазором между ними, при этом входная антенна расположена на одном конце первой пленки железо-иттриевого граната, первая выходная антенна расположена на втором конце первой пленки железо-иттриевого граната, вторая выходная антенна расположена на конце второй пленки железо-иттриевого граната со стороны первой выходной антенны, ответвитель содержит сегнетоэлектрический слой, расположенный на поверхности плёнок железо-иттриевого граната между антеннами (см. патент РФ на полезную модель №166410, МПК H01P5/18).
Недостатками данного устройства являются отсутствие возможности концентрировать энергию поверхностных магнитостатических волн и отсутствие возможности управлять коэффициентом затухания магнитостатических волн с помощью постоянного электрического тока.
Технической проблемой настоящей полезной модели является создание спин-волнового концентратора мощности СВЧ сигнала с возможностью управления.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в устранении недостатков прототипа, расширении функциональности (по сравнению с имеющимися аналогами) ввиду возможности двойного управления частотным диапазоном при уменьшении размеров (до микроразмерной области) и упрощении конструкции, а также в обеспечении возможности управлять коэффициентом затухания магнитостатических волн с помощью постоянного электрического тока.
2
1
2
2
1
Указанная техническая проблема решается тем, что в концентраторе мощности, содержащем плоскую подложку, выполненную из пленки галлий гадоллиниевого граната, пленку железо-иттриевого граната, расположенную на подложке, входную и выходную микрополосковые антенны, расположенные на противоположных концах пленки железо-иттриевого граната, где ширина пленки железо-иттриевого граната под входной антенной имеет величину w, согласно решению пленка железо-иттриевого граната имеет линейно изменяющуюся ширину до величины под выходной антенной w < w, концентратор содержит два электрода, выполненных из хрома, расположенных на пленке железо-иттриевого граната под углом, превышающим α=arctan[(w–w)/(2L)], где L - длина пленки железо-иттриевого граната.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема устройства. На фиг. 2 - экспериментально измеренная зависимость коэффициента прохождения от частоты. На фиг. 3 приведена фазово-частотная характеристика. На фиг. 4 представлена карта распределения интенсивности магнитостатических волн. На фиг. 5 приведены результаты экспериментального измерения зависимости плотности мощности S волны от продольной координаты z.
Позициями и обозначениями на чертежах отмечены:
1 - плёнка галлий гадоллиниевого граната (ГГГ);
2 - входная микрополосковая антенна;
3 - плёнка ЖИГ;
4 - электроды;
5 - выходная микрополосковая антенна;
6 - частота входного сигнала;
7 - область возбуждения МСВ входной микрополосковой антенны;
8 - первая область локализации мощности МСВ в концентраторе;
9 - вторая область локализации мощности МСВ в концентраторе;
10 - плотность мощности, соответствующая частоте 2,24 ГГц и отсутствию приложенного электрического тока к электродам;
11 - плотность мощности, соответствующая частоте 2,4 ГГц и отсутствию приложенного электрического тока к электродам;
12 - плотность мощности, соответствующая частоте 2,4 ГГц и приложению электрического тока к электродам.
2
1
2
2
1
0
Заявляемое устройство содержит плоскую подложку 1, выполненную из пленки галлий гадоллиниевого граната (ГГГ). На поверхности пленки ГГГ 1 сформирован магнитный волновод на основе пленки 3 железо-иттриевого граната (ЖИГ) с линейно изменяющейся шириной. На противоположных концах пленки железо-иттриевого граната расположены микрополосковые антенны, обеспечивающие возбуждение и прием магнитостатических волн: входная 2 и выходная 5, при этом ширина пленки железо-иттриевого граната под входной антенной имеет величину w, а под выходной антенной w< w. На поверхности пленки ЖИГ 3 между входной 2 и выходной 5 антеннами расположены два источника постоянного тока 4 в виде двух электродов из хрома, расположенных под углом к торцу пленки ЖИГ 3, превышающим α=arctan[(w–w)/(2L)], где L - длина пленки железо-иттриевого граната. Внешнее магнитное поле H направлено касательно вдоль оси x.
2
1
1
2
2
1
max
max
2
1
Для описания геометрических характеристик концентратора удобно ввести коэффициент линейного изменения ширины: угол α=arctan[(w–w)/(2L)], где w - ширина узкой части пленки ЖИГ 3, w - ширина широкой части пленки ЖИГ 3, L - длина пленки ЖИГ 3. Для выполнения условия эффективной концентрации СВЧ мощности при распространении спиновой волны вдоль волновода необходимо, чтобы коэффициент линейного изменения ширины α=arctan[(w–w)/(2L)] не превышал значения α=0.112. При значении коэффициента α>α магнитостатическая спиновая волна будет отражаться по мере распространения вдоль оси волновода, поскольку линейное изменение ширины магнитного микроволновода при касательном намагничивании и распространении поверхностной магнитостатической волны приводит к изменению величины внутреннего магнитного поля. При этом, если w>w, то наблюдается уменьшение величины внутреннего магнитного поля на оси концентратора мощности, что приводит к увеличению величины продольного волнового числа поверхностной магнитостатической волны и, как следствие, к уменьшению величины групповой скорости. Последнее, в свою очередь, приводит к тому, что мощность поверхностной магнитостатической волны будет резко уменьшаться по мере распространения вдоль концентратора.
Принцип работы данного концентратора заключается в том, что входной микроволновый сигнал, частота которого лежит в диапазоне частот, определяемых величиной внешнего постоянного магнитного поля, подают на плёнку ЖИГ 3. Далее микроволновый сигнал преобразуется в поверхностную магнитостатическую волну (МСВ), распространяющуюся вдоль пленки 3. При распространении МСВ линейное затухание волн вдоль оси z компенсируется изменением ширины волновода (вдоль оси x).
Был изготовлен образец заявляемого устройства, в котором подложка представляет собой пленку 1 галлий гадоллиниевого граната (ГГГ) с размерами (Ш×Д×Т) 2500 мкм × 10000 мкм × 500 мкм. На поверхности пленки ГГГ 1 сформирован магнитный волновод на основе пленки 3 железо-иттриевого граната (ЖИГ) с толщиной - 10 мкм, длиной 10000 мкм и с линейно изменяющейся шириной от 2500 до 250 мкм, и намагниченностью насыщения М=112 Гс. На волноводе расположены микрополосковые антенны 2 и 5 шириной 30 мкм, обеспечивающие возбуждение и прием магнитостатических волн.
На фиг. 2 приведена амплитудно-частотная характеристика, полученная при исследовании изготовленного образца с помощью векторного анализатора цепей. Видно, что МСВ эффективно возбуждается в диапазоне частот от 2.04 до 2.41 ГГц. Известно, что при изменении величины внешнего магнитного поля спектр МСВ будет смещаться по частоте.
При исследовании изготовленного образца с помощью векторного анализатора цепей получена фазово-частотная характеристика МСВ (см. фиг. 3), демонстрирующая изменение набега фаз МСВ в диапазоне частот от 2.04 до 2.41 ГГц.
Рассмотрим случай частоты входного сигнала, равной 2.24 ГГц, отмеченной точкой 6 на фиг. 2 и 3.
Методом Мандельштам-Бриллюэновского рассеяния света (МБРС) проведено экспериментальное исследование особенностей распространения ПМСВ в изготовленном образце на частоте входного сигнала 2.24 ГГц. На фиг. 4 представлена карта распределения интенсивности МСВ. Видно, что на фиг. 4 происходит образование трёх характерных максимумов в распределении интенсивности МСВ в концентраторе. Область 7 соответствует области возбуждения МСВ входной микрополосковой антенной 2. Область 8 соответствует первой области локализации (концентрации) мощности МСВ в концентраторе, что обусловлено линейным уменьшением ширины волновода. Область 9 соответствует второй области локализации мощности МСВ в концентраторе.
На фиг. 5 приведены результаты экспериментального измерения методом МБРС зависимости плотности мощности S волны от продольной координаты z. Кривая 10 соответствует значению частоты входного сигнала 2.24 ГГц. При увеличении частоты до 2.4 ГГц изменяется режим работы концентратора, показанный на кривой 11, видно, что в данном режиме плотность мощности S значительно уменьшается вдоль координаты z. Стоит отметить, что увеличение значения частоты на величину 0.16 ГГц соответствует увеличению величины приложенного магнитного поля на 57 Э. Таким образом, выбирая значение магнитного поля при постоянной частоте входного сигнала, также получают возможность управления режимом работы концентратора СВЧ мощности.
При приложении постоянного тока к электродам 4 они образуют волноводный канал с ещё более сужающимися краями, скос углов концентратора становится ещё больше (55 градусов), вследствие этого плотность мощности начинает линейно возрастать, что соответствует кривой 12 и наблюдается другой режим работы концентратора, в отличие от режима, соответствующего наличию двух максимумов плотности мощности (кривая 11).
Предлагаемый концентратор мощности СВЧ излучения обладает возможностью перестройки характеристик как с помощью изменения величины приложенного магнитного поля, так и с помощью пропускания постоянного электрического тока через электроды, что позволяет расширить функциональные возможности концентратора в телекоммуникационных системах с большой плотностью информационного сигнала.