ПРОСТРАНСТВЕННО-ЧАСТОТНЫЙ ФИЛЬТР НА МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ

Полезная модель относится к радиотехнике, в частности к приборам СВЧ на магнитостатических волнах, и может быть использована в качестве пространственно-частотного фильтра.
Известен фильтр, представляющий собой перестраиваемый фильтр СВЧ, выполненный на основе высокодобротных магнитоакустических резонансов, возбуждаемых в слоистой структуре: ферритовая пленка - подложка - ферритовая пленка, в которой происходит одночастотная фильтрация СВЧ-сигнала за счет селективного возбуждения отдельных мод магнитоакустических резонансом. Первая и вторая ферритовые пленки в виде резонаторов расположены на противоположных сторонах немагнитной подложки, входной и выходной преобразователи магнитостатических волн (МСВ) расположены соосно с ферритовыми пленками и под углом 90° друг к другу (см. патент РФ на изобретение RU 2390888, МПК H01P 1/20, опуб. 27.05.2010).
Недостатком данного устройства является ограниченность рабочего диапазона частот.
Известен фильтр, содержащий диэлектрическую пластину, одна поверхность которой металлизирована, а на противоположную поверхность нанесены отрезки протяженных проводящих полосок, расположенных параллельно и разделенных диэлектрическими промежутками. Длина протяженной плоской диэлектрической пластины не меньше суммы ширин всех отрезков проводящих полосок и промежутков, разделяющих их, а ширина протяженной полоски пластины составляет от 0,1 до 0,2 длины волны диэлектрической пластины на центральной частоте фильтра (см. патент РФ на изобретение № 2534957, МПК H01P 1/20, опуб. 10.12.2014).
Также известен фильтр, содержащий подвешенную между экранами диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесены короткозамкнутые на экран с одного края подложки проводники резонаторов, а на вторую сторону подложки нанесены короткозамкнутые на экран с другого края подложки полосковые проводники. При этом фильтр выполнен с возможностью формирования полюсов затухания вблизи полосы затухания (см. патент РФ на изобретение № 2659321, МПК H01P1/205, опуб. 29.06.2018).
Однако недостатком устройств по патентам РФ № 2534957 и № 2659321 является отсутствие возможности управления свойствами спектра волн путем изменения управляющих параметров и сложность их изготовления.
Наиболее близким к заявляемому устройству является спин-волновой фильтр на магнитостатических волнах, содержащий подложку, выполненную из пленки галлий-гадолиниевого граната (ГГГ), на которой вдоль продольной оси расположены с зазором направленные друг на друга два идентичных клинообразных микроволновода из плёнки железо-иттриевого граната (ЖИГ).
Каждый из микроволноводов имеет прямоугольное основание, переходящее в клинообразный участок с усечённой вершиной, образующей торцевые стороны микроволновода, участок образован боковыми поверхностями плёнки с одинаковыми углами наклона по отношению к основанию, на одном из оснований расположена входная микрополосковая антенна, а на другом - выходная, в зазоре, образованном торцевыми сторонами микроволноводов, расположены микрорезонаторы, фильтр имеет источник внешнего магнитного поля. Фильтр выполнен таким образом, что в связанной системе резонаторов спиновых волн и резонатора Фабри-Перо может наблюдаться резонанс типа Фано (Грачев А.А., Бегинин Е.Н., Мартышкин А.А., Хутиева А.Б., Фильченков И.О., Садовников А.В., Нелинейный резонанс Фано в связанной системе магнонный микроволновод - резонатор // Известия вузов. ПНД. 2021., T. 29, № 2. С. 254-271. DOI: 10.18500/0869-6632-2021-29-2-254-271).
Недостатком является сложность изготовления подобной структуры с большим количеством микрорезонаторов. Изменение полосы резонансных частот при изменении намагниченности насыщения микрорезонаторов осуществляется посредством их нагрева, что усложняет конструкцию.
Технической проблемой заявляемой полезной модели является создание фильтра на магнитостатических волнах с возможностью управления частотным диапазоном и шириной полосы частот при изменении магнитного поля без применения нагрева.
Техническим результатом является обеспечение возможности фильтрования входного сигнала на частоте собственной моды микрорезонатора при упрощении конструкции.
Для достижения технического результата в пространственно-частотном фильтре на магнитостатических волнах, содержащем подложку, выполненную из пленки галлий-гадолиниевого граната, на которой вдоль продольной оси расположены с зазором направленные друг на друга два идентичных микроволновода из плёнки железо-иттриевого граната, каждый из микроволноводов имеет прямоугольное основание, переходящее в клинообразный участок с усечённой вершиной, образующей торцевые стороны микроволновода, участок образован боковыми поверхностями плёнки с одинаковыми углами наклона по отношению к основанию, на одном из оснований расположена входная микрополосковая антенна, а на другом - выходная, в зазоре, образованном торцевыми сторонами микроволноводов, расположен микрорезонатор, фильтр имеет источник внешнего магнитного поля, согласно полезной модели, в качестве микрорезонатора выбран резонатор шириной 200 мкм, длиной 180 мкм, каждый микроволновод имеет длину 3000 мкм, а угол наклона боковой поверхности плёнки к основанию составляет 60°, при этом источник внешнего магнитного поля выполнен с возможностью изменения величины поля.
Источник внешнего магнитного поля ориентирован касательно плоскости подложки по оси У.
Полезная модель поясняется чертежами, где представлено:
на фиг. 1 - конструкция устройства;
на фиг. 2 - амплитудно-частотная характеристика распространения поверхностных магнитостатических волн (ПМСВ) в структуре;
на фиг. 3 - амплитудно-частотная характеристика распространения ПМСВ в структуре при различных значениях намагниченности насыщения M0 микрорезонатора;.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - подложка из пленки галлий-гадолиниевого граната (ГГГ);
2 - микроволновод 1;
3 - микроволновод 2;
4 - микрорезонатор;
5 - входная микрополосковая антенна;
6 - выходная микрополосковая антенна;
7 - амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) структуры без микрорезонатора 4;
8 - амплитудно-частотная характеристика структуры с микрорезонатором 4;
9 - амплитудно-частотная характеристика структуры при намагниченности насыщения микрорезонатора M0=0 Гс;
10 - амплитудно-частотная характеристика структуры при намагниченности насыщения микрорезонатора M0=139 Гс.
Устройство (фиг. 1) выполнено на подложке 1, представляющей собой пленку из галлий-гадолиниевого граната (ГГГ) с размерами (Ш×Д×Т) 8000×4000×500 (мкм). На поверхности пленки 1 ГГГ сформированы направленные друг на друга магнонные кристаллы-микроволноводы 2, 3 с намагниченностью насыщения M0=1390 Гс и микрорезонатор 4 с намагниченностью насыщения M0=139 Гс.
Ширина основания микроволноводов w1=2500 мкм, ширина поверхности усечённой вершины конусообразной части микроволноводов w2=200 мкм, длина микроволноводов 3000 мкм.
Между микроволноводами 2 и 3 расположен микрорезонатор 4 c шириной, равной ширине поверхности усечённой вершины конусообразной части w2=200 мкм, и длиной 180 мкм. Между резонатором и микроволноводами выполнен зазор g1=100 мкм. На магнонном кристалле 2 расположен входной преобразователь 5 для возбуждения ПМСВ, на магнонном кристалле 3 расположен микрополосковый преобразователь 6 для приема ПМСВ. Внешнее магнитное поле H0=2350 Э направлено касательно вдоль оси у (см. фиг. 1).
Устройство работает следующим образом.
Входной микроволновый сигнал, частота которого должна лежать в диапазоне частот, определяемым величиной внешнего постоянного магнитного поля, подается на входную микрополосковую антенну 5. Далее микроволновый сигнал преобразуется в ПМСВ, распространяющуюся вдоль микроволновода 2, который имеет конфигурацию сужающегося по ширине магнонного кристалла. За счет диполь-дипольной связи при данном зазоре g1 происходит перекачка энергии ПМСВ в резонатор 4, а после ПМСВ переходит на волновод 3.
На фиг. 2 показаны результаты численного моделирования процесса распространения в данной структуре. Внешнее магнитное поле ориентировано вдоль оси У;. АЧХ структуры без микрорезонатора - кривая 7, АЧХ структуры с микрорезонатором - кривая 8. Добавление микрорезонатора в систему приводит к эффекту, основанному на резонансе, возникающем при взаимодействии распространяющихся спиновых волн в нерегулярных структурах с модами микрорезонатора, благодаря чему на АЧХ появляется характерный провал на частоте около 5.35 ГГц, соответствующей частоте фундаментальной моды ЖИГ микрорезонатора.
На фиг. 3 представлены результаты численного моделирования распространения волны в функциональном элементе при разных значениях намагниченности насыщения микрорезонатра. АЧХ для случая, когда намагниченность насыщения M0=0 Гс (кривая 9) и АЧХ для случая, когда намагниченность насыщения M0=139 Гс (кривая 10). Из представленных результатов видно, что, изменяя параметры намагниченности системы, в частности намагниченность микрорезонатора, система имеет возможность перестройки резонансной частоты.
Таким образом, представленные данные подтверждают достижение технического результата. За счет реализации структуры, состоящей из двух идентичных магнонных кристаллов и микрорезонатора между ними, имеется возможность управления модовым составом ПМСВ. Кроме того, при изменении внешнего магнитного поля, интенсивности спиновых волн и намагниченности насыщения появляется возможность равномерного управления полосой пропускания частот ПМСВ.