ГИРАТОР СВЧ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ
MAGNETOELECTRIC MICROWAVE GYRATOR

Изобретение относится к области электроники и позволяет повысить диапазон рабочих частот гиратора (Г), преобразовывать импеданс и сигнал наиболее простым и дешевым способом, уменьшить габариты изделия, улучшить технологичность. Использование в технике СВЧ для инвертирования импеданса, для поворота фазы электромагнитной волны на 180°, для преобразования электрического тока в электрическое напряжение или, наоборот, для преобразования электрического напряжения в электрический ток.
Основное применение гираторов заключается в создании участков цепи, имитирующих индуктивность. Поскольку катушки индуктивности далеко не всегда могут применяться в электрических цепях (например, в микросхемах), использование гираторов позволяет обходиться без катушек. Известен аналог предлагаемого гиратора, где используется цепь, состоящая из конденсатора, операционного усилителя или транзисторов и резисторов, используемый для преобразования импеданса [1]. Недостатком аналога является то, что известные гираторы на базе операционного усилителя имеют ограниченный частотный диапазон, который обусловлен быстродействием усилителя. Наиболее близким по техническому решению, принятому за прототип, является применяемый в технике СВЧ гиратор на основе феррита [2]. Гиратор - (англ. gyrator - от греч. gyros - круг), однонаправленный ферритовый фазовращатель, который обеспечивает фазовый сдвиг электромагнитных волн, распространяющихся в противоположных направлениях и отличающихся по фазе на 180°. Принцип действия гиратора основан на необратимых свойствах намагниченного феррита (эффект Фарадея), вызывающих поворот плоскости поляризации, фазовый сдвиг и т.д. Он используется, главным образом, в качестве отдельного элемента в модуляторах, циркуляторах и других сверхвысокочастотных устройствах.
Простейший гиратор представляет собой отрезок круглого радиоволновода, в который помещен намагниченный в продольном направлении ферритовый стержень определенных размеров. Недостатком прототипа является то, что известные ферритовые СВЧ гираторы на эффекте Фарадея реализуют изменение фазы в феррите без преобразования импеданса. По определению, данному Бернардом Теллегеном в своей статье от 1948 года [3], гиратор - это базовый элемент электрической цепи, который может быть выполнен с использованием магнитоэлектрического элемента, отвечающий общим уравнениям четырехполюсника:
1
11
1
12
2
V=ZI+ZI,
2
21
1
22
2
V=ZI+ZI,
11
22
12
21
где V - напряжение, I - ток, Z - входной импеданс индуктивного характера, Z - выходной импеданс емкостного характера, Z и Z - коэффициенты гирации, связанные с магнитоэлектрическим коэффициентом по формулам [4]:
, ,
me
em
me
ME
эф
em
EM
эф
эф
эф
где α, α - магнитоэлектрические восприимчивости, связанные с магнитоэлектрическим коэффициентом соотношением α=α·ε [5] и α=α·ε [5]; ε и µ - эффективные диэлектрическая и магнитная постоянные, d и l - толщина и длина магнитоэлектрического элемента.
В нашем случае магнитоэлектрический коэффициент можно вычислить как:
ME
композит
композит
композит
феррит
BaTiOз
m
α=(dE/dH)=(dx/dH(dE/dx=v(dx/dH)(dE/dx),
m
EM
где H, Е это напряженности магнитного и электрического полей, dx/dH характеризует изменение размеров материала в магнитном поле в результате магнитострикции, dE/dx - величина, характеризующая изменение размеров образца в электрическом поле из-за пьезоэлектрического эффекта, v - объемная доля феррита. По аналогии вычисляется и коэффициент α.
На сегодняшний день гираторы разрабатываются с использованием немагнитоэлектрических эффектов. Известно также, что разработаны достаточно эффективные магнитоэлектрические материалы, которые можно использовать для создания магнитоэлектрического гиратора.
В отличие от известного и применяемого в технике СВЧ гиратора на эффекте Фарадея, который осуществляет поворот фазы на 180°, гиратор с использованием магнитоэлектрического эффекта обладает способностью также инвертировать входной импеданс и преобразовывать входное напряжение в ток и наоборот. Предлагаемый нами гиратор имеет компактную форму благодаря используемому магнитоэлектрическому элементу. Это позволяет существенно сократить габаритные размеры предлагаемого СВЧ гиратора и применять его в устройствах микро- и наноэлектроники. Входная и выходная линии гиратора расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях и, таким образом, связь между ними осуществляется только за счет магнитоэлектрического эффекта.
Задачей изобретения является повышение диапазона рабочих частот, преобразование импеданса и сигнала наиболее простым и дешевым способом, уменьшение габаритов изделия, улучшение технологичности.
Для решения данной задачи предложен гиратор СВЧ магнитоэлектрический, содержащий микрополосковую диэлектрическую подложку - 1 с двумя расположенными во взаимно перпендикулярных плоскостях микрополосковыми линиями, входная микрополосковая линия - 3 за счет электромагнитной связи связана с входным микрополосковым элементом линии передачи - 4, выполненным в виде индуктивности, служащим входным элементом гиратора, выходная микрополосковая линия - 5 за счет электромагнитной связи связана с выходным микрополосковым элементом линии передачи - 6, выполненным в виде емкости, служащим выходным элементом гиратора, между элементами гиратора расположен установленный на микрополосковую подложку магнитоэлектрический планарный элемент - 7.
Предлагаемое изобретение позволяет получить следующий технический результат: повысить диапазон рабочих частот, преобразовать импеданс и сигнал наиболее простым и дешевым способом, преобразовать волновые сопротивления линии передачи, уменьшить габариты изделия, улучшить технологичность.
Для пояснения предлагаемого изобретения предложены чертежи.
Фиг.1 Топология гиратора: вид сбоку. 1 - микрополосковая подложка, 2 - металлизация микрополосковой подложки, 3 - СВЧ линия-вход, 4 - планарная индуктивность (верхний элемент гиратора), 5 - СВЧ линия-выход, 6 - планарный конденсатор (нижний элемент гиратора), 7 - магнитоэлектрический элемент.
Фиг.2 Топология гиратора: вид сверху.
Фиг.3 Принципиальная схема устройства.
Устройство состоит из магнитоэлектрического элемента - 7, выполненного в форме диска, пластины или иного тела, на торцы которого нанесены металлические электроды в виде полосковых линий передачи, служащие для подвода и съема сигнала - 4, 6. Электроды выполнены в виде резонаторов, связанных электромагнитной связью с линией передачи - 3, 5.
Магнитоэлектрический элемент выполнен из композиционного объемного или слоистого материала, имеющего магнитоэлектрические свойства, например состава феррит - пьезокерамика, с различным процентным содержанием магнитных и пьезоэлектрических компонент. Компоненты гиратора расположены на микрополосковой подложке - 1.
Устройство работает следующим образом. Устройство предварительно помещено в постоянное подмагничивающее поле определенного значения и определенной ориентации. На вход линии передачи - 3 подается СВЧ сигнал (фиг.1, 2). Входная линия передачи соединена посредством электромагнитной связи с микрополосковой индуктивностью, которая служит входным элементом гиратора - 4. Выходная линия передачи - 5 соединена посредством электромагнитной связи с микрополосковой емкостью - 6, которая служит выходным элементом гиратора. На диэлектрической подложке - 1, между обкладками гиратора, расположен магнитоэлектрический элемент - 7. При подаче СВЧ сигнала происходит следующее. Входная цепь имеет реактивность индуктивного характера. За счет магнитоэлектрического эффекта, подробно описанного в литературе, происходит преобразование импеданса. Принципиальная схема предлагаемого устройства приведена на фиг.3. В устройстве использован магнитоэлектрический эффект в области магнитоакустического резонанса (MAP) [6]. Теоретически доказана возможность эффективного переноса энергии между фононами, спиновыми волнами и электрическим и магнитным полями при магнитоакустическом резонансе. СВЧ энергия преобразуется в слое пьезоэлектрика в механические акустические колебания, которые взаимодействуют с ферритовым нанослоем. Если постоянное магнитное поле настроено на ферромагнитный резонанс, а размеры образца удовлетворяют условию электромеханического резонанса, то происходит экстремальное увеличение магнитоэлектрического коэффициента в области магнитоакустического резонанса. Результатом описанного взаимодействия является преобразование импеданса в линии передачи. Входные и выходные элементы гиратора могут работать как в резонансном режиме (при условии кратности отрезков линий передач длине волны), так и в нерезонансном режиме. Емкость входного элемента гиратора может быть в пределах от десятых долей до сотен пикофарад, индуктивность выходного элемента может быть от десятых долей до сотен наногенри. Для существенного повышения рабочей частоты возможна работа гиратора на гармониках.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить диапазон рабочих частот, преобразовывать импеданс и сигнал наиболее простым и дешевым способом, уменьшить габариты изделия, улучшить технологичность.
Литература
1. А.Ф.Харвей «Техника сверхвысоких частот» / «Советское радио», - М., 1965 г., стр.476.
2. П.Хоровиц, У.Хилл «Искусство схемотехники» / Москва, «Мир», 1986, т.1, стр.269.
3. В.D.H.Tellegen, Philips Res. Rep.3, 81 (1948).
4. Junyi Zhai, Jiefang Li, Shuxiang Dong, D.Viehland, M.I.Bichurin A quasi (unidirectional) Tellegen gyrator / JAP 100, 124509 (2006).
5. Junyi Zhai, Jiefang Li, D.Viehland, M.I.Bichurin Large magnetoelectric susceptibility: The fundamental property of piezoelectric and magnetostrictive laminated composites / JAP 101, 014102 (2007).
6. M.I.Bichurin, V.M.Petrov, O.V.Ryabkov, S.V.Averkin, G.Srinivasan Theory of magnetoelectric effects at magnetoacoustic resonance in single-crystal ferromagnetic-ferroelectric heterostructures Phys. Rev. В 72, 060408(R) (2005).