ДЕМУЛЬТИПЛЕКСОР СВЧ-СИГНАЛА

Полезная модель относится к радиотехнике СВЧ, в частности к приборам на магнитостатических волнах, и может быть использована в качестве демультиплексора СВЧ-сигнала.
Известна конструкция нелинейного делителя мощности СВЧ-сигнала на спиновых волнах (см. патент РФ № 2666969, по кл. МПК H01P 1/22, опубл. 13.09.2018). Микроволноводная структура делителя выполнена на основе пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ) в форме двух удлиненных полосок равной ширины, размещенных параллельно друг другу с зазором, выбранным из условия обеспечения режима многомодовой связи магнитостатических волн. Концы одной полоски микроволноводной структуры имеют отводы, на которых образованы микрополосковые антенны для возбуждения и приема магнитостатических волн, связанные соответственно с единым входным портом и первым выходным портом.
Недостатком данного устройства является сложность создания идентичных волноводов.
Известен демультиплексор на магнитостатических волнах (см. патент РФ № 2691981 по кл. МПК G02F 1/00, опуб.19.06.2019), содержащий подложку с размещенными на ней первым и вторым протяженными микроволноводами из железоиттриевого граната, входную микрополосковую антенну, первую и вторую выходные микрополосковые антенны, источники магнитного поля, связанные со средствами управления. Устройство дополнительно содержит третью выходную микрополосковую антенну, первый микроволновод размещен непосредственно на подложке и выполнен с возможностью возбуждения поверхностной магнитостатической волны, причем входная и первая выходная антенны размещены на противолежащих концах первого микроволновода, второй микроволновод закреплен над первым микроволноводом перпендикулярно последнему и установлен с перекрытием их центральных частей с зазором, обеспечивающим возможность перекачки поверхностной магнитостатической волны из первого микроволновода во второй, причем вторая и третья выходные антенны размещены на противолежащих концах второго микроволновода с возможностью приема обратнообъемной магнитостатической волны.
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности управлять направлением выходного сигнала.
Наиболее близким к заявляемому является фильтр-демультиплексор СВЧ-сигнала (см. патент РФ № 2754086 по кл. МПК H01P 1/218, опуб. 26.08.2012), содержащий размещенную на подложке из галлий-гадолиниевого граната пленку железо-иттриевого граната прямоугольной формы, образующую первый микроволновод, с входным и выходным преобразователями поверхностных магнитостатических волн, второй микроволновод, выполненный из железо-родия и расположенный на пленке железо-иттриевого граната в её центральной части перпендикулярно продольной оси первого микроволновода, источник управляющего внешнего магнитного поля, при этом высота второго микроволновода выбрана в диапазоне от 3 до 500 мкм, а ширина первого микроволновода равна длине второго.
Недостатком устройства является отсутствие возможности перенаправления спин-волнового сигнала на разные выходы.
Технической проблемой заявляемой полезной модели является расширение функциональных возможностей демультиплексоров на магнитостатических волнах за счёт осуществления возможности управления выходом спиновых волн.
Технический результат - возможность управления спиновыми волнами посредством изменения намагниченности и размера слоя из железо-родия.
Для достижения технического результата демультиплексор СВЧ-сигнала, содержащий размещенный на подложке из галлий-гадолиниевого граната первый микроволновод прямоугольной формы из пленки железо-иттриевого граната с входным и выходным преобразователями поверхностных магнитостатических волн, второй микроволновод, выполненный из железо-родия и расположенный на первом микроволноводе в его центральной части перпендикулярно продольной оси первого микроволновода, источник управляющего внешнего поля, согласно полезной модели демультиплексор дополнительно содержит третий, подобный первому, микроволновод прямоугольной формы из пленки железо-иттриевого граната с выходными преобразователями поверхностных магнитостатических волн, который размещён также на подложке галлий-гадолиниевого граната и ориентирован параллельно первому микроволноводу, при этом первый и третий микроволноводы размещены латерально с зазором между собой 40 мкм из условия обеспечения режима многомодовой связи магнитостатических волн, длина второго микроволновода выбрана в диапазоне от 50 до 150 мкм, намагниченность насыщения слоя железо-родия выбрана от 40 до 215 КА/м.
Полезная модель поясняется чертежами, где представлены:
на фиг. 1 - заявляемая структура демультиплексора;
на фиг. 2 - структура в поперечном сечении;
на фиг. 3 - амплитудно-частотная характеристика магнитостатических волн (МСВ), распространяющихся в плёнках ЖИГ при длине железо-родия, равной 50 мкм, и намагниченности насыщения 139 КА/м, полученная численным моделированием;
на фиг. 4 - амплитудно-частотная характеристика МСВ, распространяющихся в исследуемой структуре, при длине железо-родия, равной 150 мкм, и намагниченности насыщения 139 КА/м, полученная численным моделированием;
на фиг. 5 - амплитудно-частотная характеристика МСВ, распространяющихся в исследуемой структуре, при длине железо-родия, равной 50 мкм, и намагниченности насыщения 40 КА/м, полученная численным моделированием;
на фиг. 6 - амплитудно-частотная характеристика МСВ, распространяющихся в исследуемой структуре, при длине железо-родия, равной 50 мкм, и намагниченности насыщения 215 КА/м, полученная численным моделированием.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - подложка из пленки галлий-гадолиниевого граната (ГГГ);
2 - первый микроволновод, выполненный из пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ);
3 - второй микроволновод, выполненный из слоя железо-родия (ЖР);
4 - третий микроволновод, выполненный из пленки ЖИГ;
5 - входной преобразователь поверхностных магнитостатических волн (ПМСВ);
6, 7, 8 - выходные преобразователи ПМСВ.
Источник магнитного поля на чертежах не показан.
Демультиплексор СВЧ-сигнала представляет собой структуру, состоящую из подложки (ГГГ) 1, на которой латерально расположены первый и третий микроволноводы 2 и 4 из пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ), имеющие форму прямоугольников. Поперек пленки ЖИГ (перпендикулярно продольной оси первого и третьего микроволноводов) в центральной части расположен второй микроволновод 3 из пленки антиферромагнитного материала - железо-родия (ЖР). На коротких гранях микроволноводов 2 и 4 размещены преобразователи ПМСВ 5, 6, 7, 8. Структура помещена в магнитное поле.
Принцип работы демультиплексора состоит в том, что входной СВЧ-сигнал, частота которого должна находиться в диапазоне частот, определяемом величиной внешнего постоянного магнитного поля, подается на входной преобразователь 5. Затем сигнал преобразуется в МСВ, распространяющуюся вдоль длины ЖИГ и перекачивающуюся между первым и третьим микроволноводами. Далее после прохождения ЖР модифицирует свои характеристики. В данной системе наблюдается перераспределение спиновых волн из одного слоя в другой в разных направлениях.
С помощью магнитоэлектрического взаимодействия есть возможность осуществлять электрическую перестройку частоты в структуре между ЖИГ и ЖР. Это возможно благодаря тому, что материалы на основе железо-родия с вариациями изотопов в составе имеют высокую намагниченность в ферромагнитной фазе при небольших температурах, а также обладают значительным магнитоэлектрическим, пироэлектрическим и пьезоэлектрическим эффектами, возникающими вблизи метамагнитного фазового перехода 1-го рода. Увеличение температуры на поверхности антиферромагнитного материала 3 приводит к возрастанию его намагниченности насыщения и вследствие чего происходит магнитоэлектрический эффект. Возникает электрическое поле, приводящее к изменению распространения ПМСВ вдоль длины латеральных волноводов. Варьируя длину слоя ЖР, можно управлять его степенью влияния на динамику СВ в ЖИГ (с увеличением длины влияние также увеличивается). Следовательно, в данном демультиплексоре можно управлять распространением спиновых волн с помощью двух режимов, меняя величину намагниченности и размеры пленки ЖР.
На фиг. 3 представлена амплитудно-частотная характеристика волны, распространяющейся в первом и третьем микроволноводах на основе ЖИГ при длине слоя ЖР 50 мкм и намагниченности насыщения 139 КА/м.
2
На фиг. 4-6 показаны результаты амплитудно-частотной характеристики при изменении параметров слоя ЖР, происходит изменение этой характеристики и величины магнитного поля. На фиг. 4 длина ЖР d=150 мкм и намагниченность насыщения М=139 КА/м, амплитуда на выходных преобразователях 6 и 7 значительно уменьшилась примерно на 30 дБ.
2
На фиг. 5-6 длина ЖР d=50 мкм и намагниченность насыщения М=40 и М=215 КА/м соответственно, в первом случае амплитуды сигналов на всех выходных преобразователях примерно равны, а во втором сильно уменьшается значение амплитуды на выходных преобразователях 6, 7 примерно на 20 дБ.
0
1
1
1
2
1
В примере конкретного выполнения подложка из галлий-гадолиниевого граната (ГГГ) имела размеры Ширина х Длина х Толщина=600×7000×500(мкм). На поверхности подложки 1 сформированы первый и третий микроволноводы 2 и 4 (магнонный кристалл) соответственно на основе пленок железо-иттриевого граната (ЖИГ) с намагниченностью насыщения М= 139 КА/м, имеющие форму прямоугольников, на коротких гранях которых размещены преобразователи ПМСВ 6, 7, 8. Сверху ЖИГ поперек расположен слой антиферромагнитного материала - железо-родия (ЖР) с намагниченностью насыщения, изменяющейся в диапазоне от 40 КА/м до 215 КА/м. Размеры первого и третьего микроволноводов: длина d = 7 мм, ширина w= 200 мкм, высота h = 10 мкм, расстояние между ними ∆w = 40 мкм. Длина второго микроволновода из ЖР изменяется от 50 до 150 мкм, ширина w= 200 мкм, высота h = 30 мкм.
Таким образом, представленные данные подтверждают достижение технического результата, а именно построение демультиплексора на основе структуры железо-иттриевый гранат/железо-родий с возможностью появления пространственной селекции мод и управления спиновыми волнами путём изменения намагниченности и размера слоя из железо-родия. Таким образом, расширяются функциональные возможности устройства, которые позволяют использовать его также для устройств магнонной логики и обеспечивать перенаправление информационного сигнала на разные выходы, что и обуславливает особенность этого устройства.