ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО НА МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ

Полезная модель относится к радиотехнике СВЧ, в частности к приборам на магнитостатических волнах, и может быть использована в качестве логического устройства, позволяющего осуществлять передачу сигнала в трехмерных конфигурациях магнонных сетей.
Известно логическое устройство на магнитостатических волнах (МСВ)  с функцией направленного ответвителя мощности (см. патент РФ 2623666 по кл. МПК H01P1/218, опуб. 28.06.2017), содержащий антенны для возбуждения МСВ размещённые на микроволноводной структуре, состоящей из пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ), размещенной на подложке из галлий-гадолиниевого граната (ГГГ). Слой пьезоэлектрического материала, снабженный металлическими электродами для подачи электрического напряжения, размещен на поверхности микроволноводной структуры с возможностью пьезомагнитного взаимодействия. Микроволноводная структура образована тремя параллельными микроволноводами равной ширины, каждый из которых имеет прямоугольную форму и установлен с зазором друг относительно друга с обеспечением режима многомодовой связи. Антенны  расположены на концах микроволноводов таким образом, что входная антенна размещена на одном конце серединного волновода, одна выходная антенна размещена на противоположном конце серединного волновода, а две других - на смежных с ним концах периферийных волноводов.
Недостатком данного устройства является сложная конструкция, требующая введения дополнительного пьезоэлектрического слоя для управления электрическим полем.
Известно также логическое устройство с функцией направленного ответвителя на магнитостатических волнах (см. патент РФ № 2717257 по кл. МПК H01P1/218, опуб.19.03.2020), содержащий основной микроволновод из пленки ЖИГ, размещенной на подложке из ГГГ, микрополосковую антенну для возбуждения МСВ, расположенную на одном из торцевых концов плёнки ЖИГ основного микроволновода, дополнительные микроволноводы, которые размещены на основном микроволноводе перпендикулярно его поверхности, а каждая из антенн для приема магнитостатических волн расположена на торцевом конце каждой плёнки железо-иттриевого граната дополнительных микроволноводов.
Основным недостатком известной конструкции является отсутствие возможности управления частотным диапазоном при передаче сигнала между слоями многоуровневых устройств, в том числе в интегральных магнонных схемах.
Наиболее близким к заявляемому является логическое устройство на магнитостатических волнах с функцией демультиплексора (патент РФ 2691981 по кл. МПКG02F 1/00, опуб. 19.06.2019), имеющий возможность передачи сигнала между слоями устройства. Демультиплексор содержит подложку, с размещенными на ней первым и вторым протяженными микроволноводами из ЖИГ, входную микрополосковую антенну, первую и вторую выходные микрополосковые антенны, источники магнитного поля, связанные со средствами управления. Устройство также содержит третью выходную микрополосковую антенну. Первый микроволновод размещен непосредственно на подложке и выполнен с возможностью возбуждения поверхностной магнитостатической волны, а 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 МСВ из первого микроволновода во второй. Вторая и третья выходные антенны размещены на противолежащих концах второго микроволновода с возможностью приема обратнообъемной магнитостатической волны (ООМСВ).
Недостатком данного устройства является передача сигнала с помощью перекачки спин-волнового сигнала в связанных микроволноводах, что приводит к значительной потере мощности передаваемого сигнала.
Технической проблемой заявляемой полезной модели является разработка логического устройства на магнитостатических волнах, позволяющего осуществлять передачу сигнала в трехмерных конфигурациях магнонных сетей.
Технический результат заключается в возможности осуществления передачи сигнала на магнитостатических волнах в вертикальном направлении в 3D-топологиях магнонных сетей в широком динамическом диапазоне частот.
Для решения технической проблемы и достижения технического результата логическое устройство на магнитостатических волнах, содержащее подложку из галлий-гадолиниевого граната, размещённый на ней первый протяжённый микроволновод из железоиттриевого граната и перпендикулярно расположенный по отношению к нему второй микроволновод из железоиттриевого граната, входную и выходную микрополосковые антенны, расположенные на первом микроволноводе и расположенную на втором микроволноводе выходную микрополосковую антенну, источники магнитного поля, связанные со средствами управления, согласно изобретению, устройство дополнительно содержит третий и четвёртый микроволноводы с расположенными на них выходными антеннами, а подложка выполнена ступенчатой, образуя нижнюю и верхнюю горизонтальные поверхности, соединённые вертикальной поверхностью, на нижней горизонтальной поверхности подложки размещен второй микроволновод, сочлененный своей торцевой частью с боковой гранью первого микроволновода, размещённого вдоль края нижней горизонтальной части подложки, третий микроволновод расположен на вертикальной поверхности подложки и сочленён торцевой частью со вторым микроволноводом со стороны размещения его выходной антенны, а четвёртый микроволновод расположен на верхней горизонтальной части подложки и сочленён торцевой частью с третьим микроволноводом со стороны размещения его выходной антенны.
Полезная модель поясняется чертежами, где на:
фиг. 1 представлена конструкция логического устройства;
фиг. 2 - амплитудно-частотная характеристика спин-волнового сигнала, детектированного с антенны 4,  полученная численным моделированием;
фиг. 3 - амплитудно-частотная характеристика спин-волнового сигнала, детектированного с антенны 6, полученная численным моделированием;
фиг. 4 - амплитудно-частотная характеристика спин-волнового сигнала, детектированного с антенны 8, полученная численным моделированием;
фиг. 5 - амплитудно-частотная характеристика спин-волнового сигнала, детектированного с антенны 10, полученная численным моделированием;
фиг. 6 - зависимость сдвига частоты ферромагнитного резонанса для обратно объёмных магнитостатических спиновых волн для микроволноводов шириной w = 100, 200, 300 мкм (сплошная линия, пунктирная линия, штрихпунктирная линия);
фиг. 7 - зависимость сдвига частоты ферромагнитного резонанса для поверхностных магнитостатических спиновых волн для микроволноводов шириной w = 100, 200, 300 мкм (сплошная линия, пунктирная линия, штрихпунктирная линия).
Позициями на фиг. 1 обозначены:
1 - подложка на основе галлий-гадолиниевого граната толщиной z;
2 - микрополосковая антенна для возбуждения МСВ;
1
2,
3,
4
3, 5, 7, 9 - микроволноводы из пленки ЖИГ толщиной z, шириной w и длинами l, l l l соответственно;
4, 6, 8, 10 - микрополосковые антенны для приема МСВ.
Логическое устройство содержит подложку 1 из ГГГ в виде ступеньки, образуя нижнюю и верхнюю горизонтальные поверхности, соединённые вертикальной поверхностью. Устройство содержит антенну 2 для возбуждения МСВ, расположенную на входе первого микроволновода 3 из ЖИГ, размещённого вдоль края нижней горизонтальной части подложки 1. На выходе микроволновода 3 установлена антенна 4 для приема сигнала магнитостатических волн.
Второй микроволновод 5 расположен на нижней горизонтальной поверхности подложки 1 перпендикулярно боковой грани микроволновода 3 и сочленен с ней  своей торцевой частью. На выходе второго микроволновода 5 установлена антенна 6 для приема сигнала МСВ.
Третий микроволновод 7 расположен на вертикальной поверхности подложки 1 и сочленён своей торцевой частью со вторым микроволноводом 5 со стороны размещения его выходной антенны 6. На выходе микроволновода 7 установлена антенна 8 для приема сигнала МСВ.
Четвёртый микроволновод 9 расположен на верхней горизонтальной части подложки 1 и сочленён торцевой частью с третьим микроволноводом 7 со стороны размещения его выходной антенны 8. На выходе микроволновода 9 установлена антенна 10 для приема сигнала МСВ.
Микроволноводы 3, 5, 7, 9 представляют собой элементы электромагнитной связи, сформированные в форме удлинённых полосок, напыленных на подложку 1 толщиной 500 мкм, образующие 3D-структуру.
Намагниченность насыщения пленок ЖИГ составляет М = 139 Гс. Микрополосковые антенны для возбуждения и приема магнитостатических волн могут иметь ширину от 10 до 30 мкм. Длина каждой волноведущей секции может варьироваться от 100 до 2000 мкм.
Устройство работает следующим образом.
Для работы устройство необходимо, чтобы микроволноводы были намагничены до насыщения, для этого устройство помещается во внешнее однородное магнитное поле, генерируемое магнитом с возможностью изменения величины магнитного поля. Управление передачей сигнала в устройстве осуществляется за счёт изменения величины внешнего однородного магнитного поля, а вследствие и изменения частоты ферромагнитного резонанса.
Устройство помещается во внешнее однородное магнитное поле, создаваемое магнитом с возможностью управления величиной магнитного поля от 400 до 3000 кЭ направленное по оси Ох. Микроволновый сигнал, возбуждаемый с помощью микрополосковой антенны 2, возбуждает обратно объемную магнитостатическую волну (ООМСВ), распространяющуюся вдоль микроволновода 3 и ответвляющуюся в микроволновод 5, трансформируясь в поверхностную магнитостатическую волну (ПМСВ). Сигнал, распространяющийся вдоль микроволновода 3, также распространяется до принимающей антенны 4, с которой возможно детектирование сигнала. Далее сигнал в виде ПМСВ распространяется вдоль микроволновода 5, ответвляясь в микроволновод 7 в виде ПМСВ. С антенны 6 возможно детектирование сигнала ПМСВ. Распространяясь вдоль микроволновода 7, сигнал в виде ПМСВ ответвляется в выходной микроволновод 9. С антенны 8 возможно детектирование сигнала в виде ПМСВ. Сигнал, распространяющийся вдоль волновода 9, попадает на микроволновую антенну 10, с которой возможно детектирование выходного сигнала.
На фигуре 2 показана амплитудно-частотная характеристика спин-волнового сигнала, детектированного с антенны 4. Демонстрируемая на фигуре 2 амплитудно-частотная характеристика ООМСВ показывает, что устройство передает сигнал во всем спектре возбуждаемых частот от 3,9 ГГц до 5,4 ГГц, кроме частот в области 4,3 ГГц. Фиг. 3, 4, 5 демонстрируют идентичный характер амплитудно-частотных характеристик ПМСВ, детектированных с антенн 6, 8, 10 соответственно. Падение уровня мощности сигнала в амплитудно-частотном спектре на фигурах 3, 4, 5 объясняется потерями при преобразовании ООМСВ в ПМСВ при ответвлении сигнала из микроволновода 3 в микроволновод 5.
Изменяя величину внешнего однородного магнитного поля, оказывается возможным управление частотным диапазоном возбуждаемых магнитостатических волн (фиг. 6 и 7), поскольку изменение внешнего однородного магнитного поля влечет за собой изменение частот возбуждаемых магнитостатических волн.
Таким образом, созданное трехмерное логическое устройство обеспечивает возможность передачи сигналов в многоуровневых интегральных магнонных схемах в различном направлении с управляемым коэффициентом передачи путем изменения внешнего намагничивающего поля.