УПРАВЛЯЕМЫЙ МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ФИЛЬТР СВЧ-СИГНАЛА НА ОСНОВЕ МАГНОННОГО КРИСТАЛЛА
CONTROLLED MULTICHANNEL FILTER FOR MICROWAVE SIGNAL BASED ON MAGNONIC CRYSTAL

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, в частности к приборам на магнитостатических волнах, и может быть использовано в качестве многоканального фильтра.
Устройства на магнитостатических волнах (МСВ) обладают возможностью перестройки параметров (коэффициенты передачи, время задержки) и частотных режимов работы за счет регулирования как величины, так и угла магнитного поля (см., например, обзор «Магноника - новое направление спинтроники и спин-волновой электроники», УФН, т. 185, №10, 2015, с.с. 1099-1128). Характеристики макетов некоторых устройств на МСВ приводятся на сайте www.magneton.ru.
Известен частотный фильтр СВЧ-сигнала на МСВ, описанный в заявке (JP 2003179413 (А), 13.09.2018). Содержит размещенный на подложке магнитный элемент, выполненный из пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ), пьезоэлектрический элемент с металлическими электродами, образованный на поверхности магнитного элемента, входной и выходной преобразователи МСВ. Магнитный элемент представляет собой магнонный кристалл, который имеет форму протяженного прямоугольника с заостренными по продольной оси торцами и периодическими геометрическими неоднородностями в форме треугольных элементов, размещенных на противолежащих сторонах прямоугольника.
Описан частотный фильтр на основе магнонного кристалла, используемый для управления частотой спиновых волн (WO 2009145579 А2, 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 отсутствия возможности управления свойствами спектра спиновых волн путем изменения управляющих параметров.
-1
-1
В патенте (RU 2666968 С1, ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, 13.09.2018) описан одноканальный частотный фильтр СВЧ-сигнала на МСВ. Содержит магнитный элемент, представляющий собой магнонный кристалл, имеющий форму протяженного прямоугольника с заостренными по продольной оси торцами и периодическими геометрическими неоднородностями в форме треугольных элементов. Период треугольных элементов выбран из условия образования брэгговской запрещенной зоны в диапазоне волновых чисел от 100 см до 300 см. Имеется пьезоэлектрическое средство управления частотным диапазоном фильтра и шириной полосы частот.
В другом изобретении (US 10033078 (В2), IMEC VZW; Katholieke Universiteit Leuven, 24.07.2018) описано перестраиваемое устройство, содержащее волновод со спиновой волной, структуру магнонного кристалла в волноводе со спиновой волной и магнитоэлектрическую ячейку, функционально связанную с кристаллической структурой магнона. Структура приспособлена для выборочной фильтрации спектральной составляющей спиновой волны. Магнитоэлектрическая ячейка содержит электрод для управления спектральной составляющей спиновой волны посредством взаимодействия, зависящего от управляющего напряжения, между магнитоэлектрической ячейкой и магнитным свойством магнонного кристалла.
Однако это устройство, как и ранее описанное (RU 2666968), имеет только один канал и не предусматривает многоканальной реализации.
Наиболее близким к патентуемому устройству является многоканальный фильтр на МСВ (RU 1807536 С, Савин А.К., 07.04.1993 - прототип). Устройство содержит входной и N (например, три) выходных преобразователей МСВ, ферритовые пленки, каждая из которых выполнена из материала с разной намагниченностью насыщения, катушки намагничивания и перестраиваемую магнитную систему. Диапазон перестройки устройства обеспечивается выбором намагниченностей насыщения ферритовых пленок, значений частотной расстройки между каналами и полей, создаваемых в катушках намагничивания, однако устройство сложно в реализации и управлении.
Проблема, на решение которой направлено изобретение, состоит в построении управляемого многоканального фильтра на основе магнонного кристалла с возможностью управления режимом работы путем изменения направления внешнего магнитного поля.
Патентуемый многоканальный фильтр СВЧ-сигнала содержит размещенную на подложке ферромагнитную пленочную структуру, сопряженную с входным и выходными преобразователями поверхностных магнитостатических волн (ПМСВ), источники управляющего внешнего магнитного поля.
-1
-1
Отличие состоит в следующем. Структура образована пленкой железо-иттриевого граната (ЖИГ) и имеет форму прямоугольника, на коротких гранях которого вдоль длинной оси в теле пленки ЖИГ выполнены симметрично две локальные разделительные дорожки с образованием четырех площадок для размещения преобразователей поверхностных магнитостатических волн. Между концами разделительных дорожек по линии длинной оси прямоугольника образован магнонный кристалл, представляющий собой совокупность отверстий в пленке, размещенных с одинаковым периодом, выбранным из условия образования брэгговской запрещенной зоны в диапазоне волновых чисел от 100 см до 300 см.
Фильтр может характеризоваться тем, что намагниченность насыщения пленок ЖИГ составляет М=139 Гс, их толщина - 10 мкм, а также тем, что диаметр отверстий в пленке составляет 70 мкм, а расстояние между ними 150 мкм.
Фильтр может характеризоваться и тем, что источники управляющего внешнего магнитного поля выполнены с возможностью изменения величины и полярности магнитного поля.
Технический результат - возможность управления режимом работы многоканального фильтра на основе магнонного кристалла путем изменения направления внешнего магнитного поля.
Изобретение поясняется чертежами, где:
фиг. 1 - конструкция фильтра;
фиг. 2 - структура на подложке, в поперечном сечении;
фиг. 3-5 - карты интенсивности ПМСВ в исследуемой структуре при различных значениях частоты, полученные численным моделированием.
Конструкция патентуемого многоканального фильтра СВЧ-сигнала на ПМСВ представлена на фиг. 1-2. Позициями на чертежах обозначены: входной 1 и выходные 2,3,4 преобразователи ПМСВ; 11,21,31,41 - площадки для размещения преобразователей ПМСВ; 5 - пленка ЖИГ; 6 -локальные разделительные дорожки; 61, 62 - концы разделительных дорожек; 63 - линия длинной оси; 7 - магнонный кристалл; 71 - отверстия; 8 - немагнитная подложка. Источник магнитного поля на фиг. не показан.
Общие размеры прямоугольной пленки: длина w=4000 мкм, ширина d=470 мкм, толщина h=10 мкм. Ширина разделительных дорожек 6 равна 70 мкм, ширина площадок 11, 21, 31, 41 - а=200 мкм; протяженность магнонного кристалла 7 - S=4000 мм; диаметр отверстий b=70 мкм.
Элементы электромагнитной связи представляют собой микроволноводную структуру для ПМСВ из пленки ЖИГ. Принцип работы патентуемого фильтра заключается в том, что входной СВЧ-сигнал, частота которого должна лежать в диапазоне частот, определяемом величиной внешнего постоянного магнитного поля, подается на входной преобразователь 1. Далее сигнал преобразуется в ПМСВ, распространяющуюся вдоль оси X микроволновода. В такой системе наблюдается перекачка спиновых волн из одного микроволновода в другой в разных направлениях. Следовательно, можно управлять режимом работы данного фильтра меняя направление внешнего магнитного поля.
На фиг. 3-5 показаны карты интенсивности ПМСВ в исследуемой структуре при различных значениях частоты. Карты получены методом Мандельштам-Бриллюэновской спектроскопии для внешнего магнитного поля со значением 1200Э, направленного вдоль оси Y, лежащей в плоскости структуры. Схематично показаны места размещения преобразователей относительно магнонного кристалла. ПМСВ возбуждается входным преобразователем 1 в области 91 и может распространяться в трех направлениях: в сторону выходных преобразователей 2 или 3 или 4, что соответствует областям 92, 93, 94.
Спектр ПМСВ, распространяющихся в магнонном кристалле, состоит из чередующихся зон пропускания и непропускания. Зоны непропускания, называемые также запрещенными зонами, образуются на частотах, где волновые числа удовлетворяют условию брэгговского резонанса.
На частоте СВЧ-сигнала 5,160 ГГц ПМСВ распространяется в область 93 (фиг. 3), поскольку на данной частоте волновое число ПМСВ не удовлетворяет условию брэгговского резонанса. Отверстия 71 магнонного кристалла 7 не оказывают влияния на распространения ПМСВ, так как в случае идентичных латеральных магнитных полос мощность ПМСВ периодически передается от одного волновода к другому. Соответственно, сигнал будет присутствовать на выходном преобразователе 3, а на преобразователях 2,4 - отсутствовать.
На частоте СВЧ-сигнала 5,190 ГГц (фиг. 4) наблюдается передача сигнала, возбуждаемого входным преобразователем 1, из области 91 в область 92 за счет брэгговского отражения от периодической решетки, образованной отверстиями 71 магнонного кристалла 7. При этом видно, что наблюдается затухание ПМСВ в положительном направлении оси X, за счет чего сигнал не достигает областей 93 и 94. Соответственно выходной сигнал будет присутствовать на выходном преобразователе 2 и отсутствовать на преобразователях 3,4.
На частоте СВЧ-сигнала 5,35 ГГц (фиг. 5) ПМСВ, возбуждаемая входным преобразователем 1, локализуется в области 91 и достигает области 94, ввиду выполнения условия брэгговского отражения и отсутствия перекачки энергии ПМСВ из области 91 возбуждения. Соответственно, выходной сигнал будет присутствовать на преобразователе 4, а на выходных преобразователях 2,3 - отсутствовать.
Таким образом, представленные данные подтверждают достижение технического результата, а именно возможность управления режимом работы управляемого многоканального фильтра СВЧ-мощности путем изменения направления внешнего магнитного поля, что позволяет использовать его в устройствах магнонной логики.