ЭЛЕМЕНТ ПРОСТРАНСТВЕННО-ЧАСТОТНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ СИГНАЛА НА ОСНОВЕ МАГНОННЫХ КРИСТАЛЛОВ
ELEMENT FOR SPATIAL-FREQUENCY FILTRATION OF A SIGNAL BASED ON MAGNON CRYSTALS

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к приборам СВЧ на магнитостатических волнах и может быть использовано в качестве пространственно-частотного фильтра.
Известно, что большое число устройств для обработки сигналов на магнитостатических волнах может быть реализовано на основе магнонных кристаллов - искусственных периодических структур, содержащих магнитоупорядоченную компоненту (С.А. Никитов и др. "Магноника - новое направление спинтроники и спин-волновой электроники", УФН, 185:10 (2015), 1099-1128).
Описан частотный фильтр СВЧ сигнала на магнитостатических волнах (RU 2666968 С1, ИРЭ РАН, 13.09.2018), в котором магнитный элемент представляет 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. Фильтр включает пьезоэлектрический элемент, образованный на поверхности магнитного элемента, входной и выходной преобразователи магнитостатических спиновых волн (МСВ). Недостатком данного устройства является невозможность использования в многопортовых приложениях.
Известен функциональный элемент магноники (RU 2697724 С1, ИРЭ РАН, 19.08.2019), содержащий немагнитную подложку, размещенную на ней ферромагнитную пленку из железоиттриевого граната (ЖИГ), микрополосковые преобразователи для возбуждения и приема МСВ в пленке ЖИГ, источник магнитного поля. На поверхности подложки, прилежащей к пленке ЖИГ, образована структура в форме меандра из канавок, продольная ось которых перпендикулярна направлению распространения МСВ, при этом пленка ЖИГ повторяет контур образованных канавками выступов, боковых граней и пазов. Магнитное поле источника магнитного поля ориентировано перпендикулярно к плоскости подложки с возможностью возбуждения в пленке ЖИГ объемных МСВ. Недостатком данного устройства является невозможность использования в роли многопортового функционального элемента.
Наиболее близким к патентуемому устройству является функциональный компонент магноники на многослойной ферромагнитной структуре (RU 2702915 С1, ИРЭ РАН, 14.10.2019 - прототип), представляющий собой подложку из немагнитного диэлектрика, ферромагнитные слои железоиттриевого граната (ЖИГ), микрополосковые преобразователи для возбуждения и приема МСВ, источник магнитного поля, при этом выполнен в виде многослойной 3D структуры, включающей внешний и внутренний ферромагнитные слои, отделенные друг от друга прослойкой немагнитного вещества и расположенные один над другим, поверхность подложки в сечении имеет форму меандра, образованного совокупностью периодических канавок, продольная ось которых перпендикулярна направлению распространения МСВ, внешний и внутренний ферромагнитные слои имеют период, совпадающий с периодом образованных канавками на поверхности подложки выступов, боковых граней и пазов, а магнитное поле источника магнитного поля ориентировано перпендикулярно к плоскости подложки с возможностью возбуждения в обоих ферромагнитных слоях объемных МСВ. Однако основным недостатком является невозможность селекции модового состава спиновых волн.
Проблема, на решение которой направлено изобретение, является расширение функциональных возможностей управления модовым составом, а также равномерного и пакетного управления выходными портами и режимами работы устройства при изменении частоты входного сигнала.
Патентуемый элемент пространственно-частотной фильтрации СВЧ сигнала на поверхностных магнитостатических волнах (ПМСВ) содержит подложку из немагнитного диэлектрика в форме меандра, образованного совокупностью периодических канавок, продольная ось которых перпендикулярна направлению распространения ПМСВ, слои железоиттриевого граната, нанесенные на подложку, микрополосковые преобразователи для возбуждения и приема ПМСВ, источник постоянного магнитного поля,
Отличие состоит в следующем.
На подложке, в одной плоскости, размещены две линии периодических канавок, одинаковой конфигурации с разной шириной, покрытые слоем железоиттриевого граната и разделенные по длине зазором, в средней части каждой из линий по направлению распространения ПМСВ образована зона, свободная от канавок, высота которой совпадает с высотой выступов канавок, а длина - удовлетворяет условию резонанса Фабри-Перо для ПМСВ, при этом микрополосковые преобразователи для возбуждения и приема ПМСВ размещены по обе стороны от указанных зон, а магнитное поле источника магнитного поля ориентировано перпендикулярно плоскости подложки.
Элемент может характеризоваться тем, что длина зоны, свободной от канавок, составляет L=n×λ, где λ - период канавок, n-количество периодов канавок.
1
2
Элемент может характеризоваться тем, что линии имеют длину 10000 мкм, ширину w=200 мкм и w=500 мкм, зазор g=40 мкм, длина зоны, свободной от канавок, составляет 600 мкм, а также тем, что слои железоиттриевого граната имеют намагниченность М насыщения в диапазоне от 130 до 150 Гс.
Технический результат - создание функционального элемента магноники на основе магнонного кристалла с возможностью пространственно-частотной фильтрации СВЧ сигнала, расширение функциональных возможностей управления модовым составом, а также равномерного и пакетного управления выходными портами и режимами работы устройства при изменении частоты входного сигнала.
В дальнейшем описании изобретения совокупность периодических канавок из немагнитного диэлектрика в форме меандра одинаковой конфигурации, покрытых слоем железоиттриевого граната именуется как «магнонный кристалл».
Устройство имеет связанную систему неидентичных магнонных кристаллов с одинаковой периодичностью и наличием в каждом из волноводов структурного элемента, выполняющего функции резонатора. Структурный элемент образован зоной, свободной от канавок, в данной конфигурации область протяженностью L=n×λ, где λ - период канавок, n-количество повторений периода канавок, обеспечивающей возникновение резонанса Фабри-Перо для спиновых волн.
Изобретение поясняется чертежами, где:
фиг. 1 представлена конструкция устройства;
фиг. 2-4 - частотные зависимости амплитуды ПМСВ, полученные на приемных преобразователях, расположенных на концах магнонных кристаллов и зонах, свободных от канавок;
фиг. 5-8 - результат численного моделирования распространения ПМСВ в функциональном элементе на заданных частотах, полученных из АЧХ, представленных на фиг. 2.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - подложка из галлий-гадолиниевого граната толщиной t;
2 - магнонный кристалл шириной w,;
2
3 - магнонный кристалл шириной w;
4 - входной микрополосковый преобразователь;
5, 6, 7 - приемные микрополосковые преобразователи;
8 - Частотная зависимость амплитуды на магнонном кристалле 2;
9 - Частотная зависимость амплитуды на магнонном кристалле 3.
1
2
1
2
1
3
2
Устройство выполнено на подложке 1, представляющей собой пленку из галлий-гадолиниевого граната (ГГГ) с размерами (ШхДхТ) 740 мкм х 10000 мкм х 500 мкм. На поверхности пленки 1 ГГГ сформировано два магнонных кристалла 2 и 3 на основе пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ) с характерными толщинами выступов t=10 мкм и пазов t=8,5 мкм, длиной 10000 мкм. Магнонный кристалл 2 имеет ширину w=200 мкм, магнонный кристалл 3 - w=500 мкм. Между магнонными кристаллами 2 и 3 выполнен зазор g=40 мкм. Период А, магнонного кристалла составляет 200 мкм. Намагниченность насыщения пленки ЖИГ составляет 139 Гс. Каждый магнонный кристалл разделен на три области: области с длиной сегмента L и L равные 4700 мкм и зону, свободную от канавок, длиной L=600 мкм.
На магнонном кристалле 2 расположены входной микрополосковый преобразователь 4 для возбуждения ПМСВ и микрополосковый преобразователь 6 для приема ПМСВ. На магнонном кристалле 3 расположены микрополосковые преобразователи 5 и 7 с шириной 30 мкм для приема ПМСВ.
Устройство работает следующим образом.
2
Входной СВЧ сигнал, частота которого должна лежать в диапазоне частот, определяемым величиной внешнего постоянного магнитного поля, подается на входной микрополосковый преобразователь 4. Далее микроволновый сигнал преобразуется в ПМСВ, распространяющуюся вдоль магнонного кристалла 2. За счет диполь-дипольной связи при данном зазоре g происходит перекачка энергии ПМСВ во второй магнонный кристалл 3. Так как магнонные кристаллы 2 и 3 выполнены разными по ширине, то при возбуждении первой моды ПМСВ в магнонном кристалле 2 при перекачке происходит возникновение спиновой волны третьей моды в магнонном кристалле 3. Из-за наличия в магнонных кристаллах 2 и 3 зон, свободных от канавок, удовлетворяющих условию L≈n×λ, где n=3, появляются условия для возникновения Фабри-Перо резонанса, при котором будут появляться дополнительные режимы нераспространения ПМСВ.
2
На фиг. 2-4 показаны результаты численного моделирования процесса распространения ПМСВ в данной структуре. Внешнее магнитное поле ориентировано вдоль оси у. Поз. 8 и 9 отмечены амплитудно-частотные характеристики, полученные для магнонных кристаллов 2 и 3 на разных участках (в начале, в зоне, свободной от канавок и конце). На представленных АЧХ наблюдаются провалы, характеризующие ухудшение прохождения ПМСВ в магнонном кристалле, а также, в случае прохождения ПМСВ через зону L, свободную от канавок (фиг. 3 и 4) на АЧХ формируются дополнительные провалы на частоте Фабри-Перо резонанса.
На фиг. 5-8 показаны результаты численного моделирования распространения волны в функциональном элементе на заданных частотах, построенные на частотах 5,163 ГГц (фиг. 5), 5,219 ГГц (фиг. 6), 5,267 ГГц (фиг. 7) и 5,32 ГГц (фиг. 8). Видно, что обеспечивается несколько режимов работы устройства: равномерное распространение ПМСВ (фиг. 6) в обоих магнонных кристаллах с зонами, свободными от канавок, и пакетный режим (фиг. 5, 7 и 8).
Таким образом, представленные данные подтверждают достижение технического результата. За счет реализации структуры, состоящей из двух неидентичных магнонных кристаллов с зонами, свободными от канавок, имеется возможность управления модовым составом ПМСВ. Кроме того, при изменении частоты входного сигнала появляется возможность равномерного и пакетного управления выходными портами и режимами работы устройства.