Моделирование магнитоэлектрического СВЧ вентиля-аттенюатора, реализованного на щелевой линии передачи

УДК 621.372

МОДЕЛИРОВАНИЕ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СВЧ ВЕНТИЛЯ-АТТЕНЮАТОРА, РЕАЛИЗОВАННОГО НА ЩЕЛЕВОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ

Д.В.Снисаренко, А.С.Татаренко, Д.В.Коваленко, В.Н.Лобекин

MODELING OF A MAGNETOELECTRIC (ME) MICROWAVE ISOLATOR-ATTENUATOR

FORMED ON A SLOT LINE

D.V.Snisarenko, A.S.Tatarenko, D.V.Kovalenko, V.N.Lobekin

Институт электронных и информационных систем НовГУ, Alexandr.Tatarenko@novsu.ru

Рассмотрена возможность реализации магнитоэлектрического (МЭ) СВЧ вентиля-аттенюатора на щелевой линии передачи, управляемого электрическим полем. Представлены результаты компьютерного моделирования различных

89

конструкций МЭ СВЧ вентилей-аттенюаторов с резонатором на основе слоистой феррит-пьезоэлектрической структуры, реализованных на щелевой линии передачи.

Ключевые слова: МЭ СВЧ вентиль-аттенюатор, щелевая линия передачи, феррит-пьезоэлектрический резонатор

This paper considers the possibility of designing an electrically controlled magnetoelectric (ME) microwave isolator-attenuator based on a slot line. The authors presented the computer simulation results of different ME microwave isolator-attenuators' design based on layered ferrite-piezoelectric resonators on the slot line.

Keywords: ME microwave isolator-attenuator, slot line, ferrite-piezoelectric resonator

Введение

Разработка МЭ СВЧ устройств является в настоящее время одним из перспективных направлений развития СВЧ-техники, поскольку такие устройства имеют существенные преимущества перед феррито-выми СВЧ невзаимными устройствами. В феррито-вых прототипах управление параметрами реализуется магнитной управляющей системой, поэтому они имеют низкое быстродействие, высокое энергопотребление и не могут быть изготовлены в интегральном исполнении [1].

Отличие МЭ СВЧ невзаимных устройств от ферритовых заключается в замене ферритового резонатора и магнитной управляющей системы на феррит-пьезоэлектрический резонатор и электрическую управляющую систему, состоящую из двух электродов, на которые подается управляющее напряжение.

Управление электрическим полем позволяет реализовывать невзаимные СВЧ устройства в интегральном исполнении, что приводит к уменьшению стоимости устройств; повышает их быстродействие; уменьшает мощность, потребляемую в цепи управления; избавляет от наводок, возникающих при управлении магнитным полем [2].

Основой конструкции магнитоэлектрического СВЧ вентиля-аттенюатора является щелевая линия передачи на подложке из диэлектрического материла и МЭ резонатор, размещенный в щели. На обратной стороне подложки металлизация отсутствует, подмагничивающее поле направлено по касательной (рис.1).

3

Рис.1. Конструкция МЭ СВЧ вентиля-аттенюатора, реализованного на щелевой линии передачи: 1 — диэлектрическая подложка; 2 — феррит-пьезоэлектрический резонатор; 3 — металлические проводники, образующие щелевую линию передачи

Принцип действия устройства основан на микроволновом МЭ эффекте, заключающемся в сдвиге линии ФМР под действием приложенного электрического поля.

1

Рис.2. Феррит-пьезоэлектрический резонатор: 1 — пьезоэлектрическая компонента; 2 — ферритовая компонента; 3 — металлические электроды

Феррит-пьезоэлектрический резонатор (рис.2) представляет собой образец композита цирконат-титанат свинца (ЦТС) — железо иттриевый гранат (ЖИГ, толстые пленки) в форме пластины. Необходимое для выбора рабочей частоты подмагничивающее поле в объеме резонатора создается постоянным магнитом, к электродам подводится управляющее напряжение.

Моделирование МЭ СВЧ вентиля, реализованного на щелевой линии передачи

Результаты компьютерного моделирования для различных конструкций МЭ СВЧ вентилей, реализованных на щелевой линии передачи, представлены на рис.3-10 и в обобщающей таблице.

Рис.3. Модель МЭ СВЧ вентиля-аттенюатора, реализованного на щелевой линии передачи с уширением щели

Рис.4. Зависимость затухания (дБ) от частоты (ГГц). Размеры резонатора: 10*1x0,1 мм; ширина щели: 0,2 мм, уширение щели до 1,2 мм (вид конструкции см. на рис.3); относительная диэлектрическая проницаемость подложки: 10, толщина подложки: 2 мм; подмагничивающее поле: 3142 Э

12.50 -

14.65 -=|-т-т-т--г----Т-Т-т

7.87 9.00

Г

Рис.5. Зависимость затухания (дБ) от частоты (ГГц). Размеры резонатора: 10*1x0,2 мм; ширина щели: 0,2 мм, уширение щели до 1,2 мм (вид конструкции см. на рис.3); относительная диэлектрическая проницаемость подложки: 10, толщина подложки: 2 мм; подмагничивающее поле: 2765 Э

9.12 Э-Й"1 Т Т ' 9.50 ' Т Т 9.75 * * Ю.'оо' ' ' 10.25 * * '10.50

^ГГц)

Рис.6. Зависимость затухания (дБ) от частоты (ГГц). Размеры резонатора: 10*1x0,1 мм; ширина щели: 0,45 мм, уширение щели до 1,2 мм (вид конструкции см. на рис.3); относительная диэлектрическая проницаемость подложки: 20, толщина подложки: 2 мм; подмагничивающее поле: 3142 Э

I

Рис.7. Зависимость затухания (дБ) от частоты (ГГц). Размеры резонатора: 10*1 *0,2 мм; ширина щели: 0,45 мм, уширение щели до 1,2 мм (вид конструкции см. на рис.3); относительная диэлектрическая проницаемость подложки: 20, толщина подложки: 2 мм; подмагничивающее поле: 3142 Э

о —[

-2.50 -5.00 -7.50 -

ч-10.00 -

-12.50-15.00 -17.50

9.00

9.50

6.53 7.00 7.50 8.00 8.50

Г

Рис.8. Зависимость затухания (дБ) от частоты (ГГц). Размеры резонатора: 10*1 * 0,2 мм; ширина щели: 0,62 мм, уширение щели до 1,2 мм (вид конструкции см. на рис.3); относительная диэлектрическая проницаемость подложки: 30, толщина подложки: 2 мм; подмагничивающее поле: 2514 Э

Рис.9. Модель МЭ СВЧ вентиля-аттенюатора, реализованного на щелевой линии передачи без уширения щели

о.оо-

-5.00 -

w -10.00 —

-15.00

-20.00

-23.34 - -

6.22 6.50 7.00 7.50 8.00 8.50 9.00

^ГГц)

Рис.10. Зависимость затухания (дБ) от частоты (ГГц). Размеры резонатора: 10*0,3*0,1 мм; ширина щели: 0,62 мм (вид конструкции см. на рис.9); относительная диэлектрическая проницаемость подложки: 30, толщина подложки: 2 мм; подмагничиваю-щее поле: 2262 Э

Результаты компьютерного моделирования различных конструкций прототипов МЭ СВЧ вентилей,

реализованных на щелевой линии передачи

Конструкция Размеры резонатора ЖИГ, мм3 Ширина щели линии Относительная диэлектрическая проницаемость подложки Прямые потери, дБ Обратные потери, дБ Вентильное отношение

Рис.4 10x1x0,1 0,2 мм, ушире-ние до 1,2 мм 10 2,68 10,27 3,83

Рис.5 10x1x0,2 2,80 11,65 4,16

Рис.6 10x1x0,1 0,45 мм, ушире-ние до 1,2 мм 20 1,50 15,50 10,33

Рис.7 10x1x0,2 2,50 28,50 11,40

Рис.8 10x1x0,1 0,62 мм, ушире-ние до 1,2 мм 30 1,45 18,20 12,55

Рис.10 10 x 0,3 x 0,1 0,62 мм 3,90 22,30 5,72

Вентильное отношение возрастает с увеличением диэлектрической проницаемости подложки, поскольку улучшается эллиптичность линии передачи. Также на величину вентильного отношение оказывает влияние форма ферритового резонатора. Увеличение толщины пленки ЖИГ и длины образца приводит к увеличению как обратных, так и прямых потерь, а вентильное отношение при этом увеличивается незначительно.

Анализ проведенного компьютерного моделирования показал, что для создания МЭ СВЧ вентиля-аттенюатора на щелевой линии передачи необходимо, чтобы толщина слоя ЖИГ была в пределах (0,1...0,5) мм, поскольку для достижения максимального МЭ коэффициента в структуре ЖИГ — ЦТС требуется соблюдать определенное соотношение толщин данных слоев структуры: увеличение толщины ЖИГ повлечет за собой увеличение толщины ЦТС, что вызовет необходимость в приложении большего управляющего напряжения к электродам.

Таким образом, для увеличения величины вентильного отношения МЭ СВЧ вентиля-аттенюатора на основе щелевой линии необходимо использовать линию передачи с уширением щели на подложке с диэлектрической проницаемостью от 20 до 30 и резонатор размерами порядка 10x1x0,1 мм.

Заключение

Рассмотрена возможность реализации МЭ СВЧ вентиля-аттенюатора на щелевой линии передачи, управляемого электрическим полем. Представлены результаты компьютерного моделирования различных конструкций МЭ СВЧ вентилей-аттенюаторов с резонатором на основе слоистой феррит-пьезоэлектрической структуры, помещенном в щелевую линию передачи. Результаты моделирования сведены в таблицу, сделаны выводы об оптимизации структуры предлагаемого устройства.

Статья подготовлена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках конкурсной части государственного задания (грант N3.1639. 2014/К).

1. Вамберский М.В., Абрамов В.П., Казанцев В.И. Конструирование ферритовых развязывающих приборов СВЧ / Под ред. М.В.Вамберского. М.: Радио и связь, 1982. 136 с.

2. Бичурин М.И., Петров В.М., Филиппов Д.А. и др. Магнитоэлектрические материалы. М.: Академия естествознания, 2006. 296 с.

References

1. Vamberskii M.V., Abramov V.P., Kazantsev V.I. Kon-struirovanie ferritovykh razviazyvaiushchikh priborov SVCh [The design of ferrite decoupling microwave devices]. Moscow, "Radio i sviaz'" Publ., 1982, pp. 3-4.

2. Bichurin M.I., Petrov V.M., Filippov D.A., Srinivasan G., Nan S.V. Magnitoelektricheskie materialy [Magnetoelectric materi-

als]. Moscow, "Akademiia Estestvoznaniia" Publ., 2006. 296 p.