НАПРАВЛЕННЫЙ 3D ОТВЕТВИТЕЛЬ НА МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ
DIRECTIONAL 3D COUPLER ON MAGNETOSTATIC WAVES

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, в частности к приборам на магнитостатических волнах и может быть использовано в качестве частотно-избирательного ответвителя мощности.
Известен направленный ответвитель мощности на магнитостатических волнах (патент РФ на изобретение №2623666 по кл. МПК Н01Р5/18, 28.06.2017), содержащий антенны для возбуждения магнитостатических волн, размещённые на микроволноводе, состоящим из пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ), размещенной на подложке галий-гадолиниевого граната. Дополнительно введенный слой пьезоэлектрического материала, снабженный металлическими электродами для подачи электрического напряжения, размещенный на поверхности микроволновода с возможностью пьезомагнитного взаимодействия, при этом микроволновод образован тремя параллельными микроволноводами равной ширины, каждый из которых имеет прямоугольную форму и установлен с зазором друг относительно друга с обеспечением режима многомодовой связи, а антенны расположены на концах микроволноводов таким образом, что входная антенна размещена на одном конце серединного микроволновода, одна выходная антенна размещена на противоположном конце серединного микроволновода, а две других – на смежных с ним концах периферийных микроволноводов.
Недостатком данного устройства является сложная конструкция, требующая введения дополнительного пьезоэлектрического слоя для управления электрическим полем. Конструкция устройства не позволяет осуществлять вертикальную передачу информационных сигналов в многослойных интегральных магнонных схемах.
Известен микрополосковый направленный ответвитель на нерегулярных связанных линиях (см. патент РФ на полезную модель №107644 по кл. МПК Н01Р5/18, опуб. 20.08.2011). Он содержит основную диэлектрическую подложку, на которой расположены связанные микрополосковые линии, в зазор которых перпендикулярно основной подложке установлена дополнительная диэлектрическая подложка. На нижней части боковых поверхностей дополнительной подложки нанесены микрополосковые линии, причем электрический контакт с линиями на основной и дополнительной подложке расположен вдоль линии касания подложек. Микрополосковые линии выполнены в виде ступенчато-нерегулярных линий.
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности управления частотными характеристиками ответвителя (перестройка частотного диапазона) и невозможность использования широкой полосы частот. Ввиду особенностей конструкции устройства невозможно реализовать передачу информационных сигналов в вертикальном направлении в многопортовом режиме.
Известен также направленный ответвитель (см. патент РФ на изобретение №2571302, по кл. МПК Н01Р5/18, опуб. 20.12.2015), выполненный на диэлектрической подложке с нанесенной топологией направленного ответвителя, состоящей из четырех отрезков подводящих полосковых линий и области связанных однородных полосковых линий, при этом в область связанных однородных полосковых линий введены два одинаковых участка дополнительных связанных полосковых линий, расположенных по краям области связанных однородных полосковых линий симметрично относительно ее центра, при этом суммарная длина области связанных полосковых линий L=(0.2÷0.3)λсв, где λсв - длина волны области связанных полосковых линий на центральной частоте.
Недостатком данного устройства является невозможность расширения полосы частот работы ответвителя.
Наиболее близким к заявляемому является волноводный ответвитель, использующий поверхностные магнитостатические волны (см. заявку DE 4204299 (A1), Non-reciprocal waveguide coupler using magnetostatic surface waves -whose direction of propagation on epitaxial garnet film is at right angles to fundamental magnetic field, SIEMENS AG, по кл. МПК H01P1/215, опуб.18.09.1993). Ответвитель содержит подложку из галлий-гадолиниевого граната (ГГГ), выращенную на данной подложке пленку из железо-иттриевого граната (ЖИГ) и располагающиеся на данной пленке микрополосковые антенны, обеспечивающие возбуждение спиновых волн в пленке железо-иттриевого граната. Устройство может быть использовано в качестве n-портового направленного ответвителя на частотах по меньшей мере нескольких ГГц, а также фазовращателя.
Основным недостатком известной конструкции является отсутствие средств регулирования характеристик распространения магнитостатических волн (МСВ) в широком диапазоне частот.
Техническая проблема изобретения заключается в создании 3D ответвителя СВЧ мощности, обеспечивающего возможность вертикальной передачи сигналов в многослойных устройствах с управляемым коэффициентом передачи, в том числе в интегральных магнонных схемах.
Технический результат заключается в осуществлении возможности регулирования характеристик распространения магнитостатических волн в широком диапазоне частот в многопортовом режиме.
Технический результат достигается тем, что направленный ответвитель на магнитостатических волнах, содержащий основной микроволновод из пленки железо-иттриевого граната, размещенной на подложке из галлий-гадолиниевого граната, микрополосковую антенну для возбуждения магнитостатических волн, расположенную на одном из торцевых концов плёнки железо-иттриевого граната основного микроволновода, согласно изобретению, он содержит дополнительные микроволноводы, каждый из которых выполнен в виде плёнки  железо-иттриевого граната, размещенной на подложке из галлий-гадолиниевого граната, а также содержит микрополосковые антенны для приёма магнитостатических волн, при этом дополнительные мкироволноводы 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.
Ширина пленки железо-иттриевого граната дополнительных микроволноводов составляет от 50 до 500 мкм, толщина пленки - от 1 до 10 мкм, а расстояние (зазор) между дополнительными микроволноводами составляет от 10 до 50 мкм.
Длина пленки железо-иттриевого граната основного микроволновода составляет от 100 до 500 мкм.
Изобретение поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 представлена конструкция заявляемого устройства,
- на фиг. 2 изображен спектр мощности выходного сигнала для первого вертикального волновода (сплошная кривая) и основного микроволновода (пунктирная кривая).
Позициями на фиг. 1 обозначены:
1 – антенна для возбуждения магнитостатических волн;
2 – основной микроволновод, выполненный на основе плёнки ЖИГ в форме полоски шириной w, длиной R и толщиной пленки h;
3 – подложка на основе галлий-гадолиниевого граната шириной w, длиной R и толщиной t;
4 – дополнительные микроволноводы, установленные перпендикулярно основному микроволноводу, отстоящие друг от друга на расстоянии S, выполненные на основе плёнки ЖИГ шириной w, высотой L и толщиной h;
5 – подложка на основе галлий-гадолиниевого граната шириной w, высотой L, толщиной t;
6 – антенны для приема магнитостатических волн.
Направленный ответвитель содержит антенну для возбуждения магнитостатических волн 1, расположенную на основном микроволноводе 2, выполненном из пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ), размещенной на подложке 3 из галлий-гадолиниевого граната (ГГГ). При этом, антенна 1 размещена на торцевом свободном конце плёнки ЖИГ основного микроволновода 2.
Устройство содержит дополнительные микроволноводы 4, выполненные также на основе плёнки ЖИГ, размещённой на подложке 5 из ГГГ и содержит антенны 6 для приёма магнитостатических волн, при этом каждая из антенн 6 расположена на торцевых концах каждого из дополнительных микроволноводов 4.
Дополнительные микроволноводы 4 размещены перпендикулярно к микроволноводу 2 на расстоянии S друг от друга.
Основной микроволновод 2 и дополнительные микроволноводы 4 представляют собой элементы электромагнитной связи.
Вертикально сформированные в форме удлинённых полосок различной ширины дополнительные микроволноводы, напыленные на вертикальные подложки ГГГ, образуют структуру типа «штыри».
Ширина w полосок плёнки ЖИГ дополнительных микроволноводов (см. фиг. 1) составляет от 50 до 500 мкм, а расстояние S между дополнительными микроволноводами может меняться от 10 до 50 мкм.
Длина пленки ЖИГ основного микроволновода может быть от 100 до 500 мкм, при этом толщина h дополнительных микроволноводов 4 может быть варьироваться от 1 до 10 мкм.
Намагниченность насыщения пленок ЖИГ составляет М=139 Гс. Микрополосковые антенны для возбуждения и приема магнитостатических волн имеют ширину от 10 до 30 мкм. Подложка 3, представляющая собой пленку галлий-гадолиниевого граната (ГГГ), имеет размеры 100 мкм × 500 мкм × 10 мкм (ШхДхТ).
Устройство работает следующим образом.
Входной микроволновый сигнал, частота которого должна лежать в диапазоне частот, определяемым величиной внешнего постоянного магнитного поля, направленного по оси Oy, подается на входную антенну 1. Далее микроволновый сигнал преобразуется в поверхностную магнитостатическую волну (ПМСВ), распространяющуюся вдоль микроволновода 2 и ответвляющуюся в дополнительные микроволноводы 4. Следовательно, в такой системе возможно частотно-селективное ответвление с вертикальной передачей сигнала.
На фигуре 2 показаны амплитудо-частотные характеристики основного волновода (пунктирная линия) и первого дополнительного вертикального волновода (сплошная линия). Ширина линии пропускания составляет порядка 600 МГц. Зона падения уровня сигнала в амплитудо-частотном спектре объясняется генерацией коротких волн на дефекте структуры в области поворота сигнала в вертикальный микроволновод.
Таким образом, созданный 3D направленный ответвитель обеспечивает возможность вертикальной передачи сигналов в многослойных устройствах с управляемым коэффициентом передачи, в том числе в интегральных магнонных схемах.