ДЕЛИТЕЛЬ СВЧ-СИГНАЛА НА ОСНОВЕ СТРУКТУРЫ ФЕРРОМАГНЕТИК-АНТИФЕРРОМАГНЕТИК

Полезная модель относится к радиотехнике СВЧ, в частности к приборам на магнитостатических волнах и может быть использована в качестве делителя СВЧ-сигнала.
Известен сумматор СВЧ-сигналов (см. патент РФ № 2749208C1 по кл. МПК H01P5/16, опуб.06.07.2021), содержащий симметричный тройник, имеющий два входа, расположенные по разные стороны от выхода на расстоянии, равном четверти длины волны, активное сопротивление, включенное между входами, подстроечные элементы, отличающийся тем, что введены две дополнительные полуволновые СВЧ-линии и дополнительное активное сопротивление, при этом центральный проводник одной дополнительной линии одним концом присоединен к одному выводу активного сопротивления, вторым концом к одному выводу дополнительного активного сопротивления, центральный проводник второй линии одним концом присоединен к другому выводу активного сопротивления, вторым концом к другому выводу дополнительного активного сопротивления.
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности управлять характеристики распространения сигналов.
Известен нелинейный делитель мощности СВЧ-сигнала на спиновых волнах (см. патент РФ № 2666969, по кл. МПК H01P1/22, опубл. 13.09.2018). Микроволноводная структура делителя выполнена на основе пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ) в форме двух удлиненных полосок равной ширины, размещенных параллельно друг другу с зазором, выбранным из условия обеспечения режима многомодовой связи магнитостатических волн. Концы одной полоски микроволноводной структуры имеют отводы, на которых образованы микрополосковые антенны для возбуждения и приема магнитостатических волн, связанные соответственно с единым входным портом и первым выходным портом.
Недостатком данного устройства является сложность создания идентичных волноводов.
Наиболее близким к заявляемому является фильтр-демультиплексор СВЧ-сигнала (см. патент РФ № 2754086 по кл. МПК H01P1/218, опуб. 26.08.2012), содержащий размещенную на подложке из галлий-гадолиниевого граната пленку железо-иттриевого граната прямоугольной формы, образующую первый микроволновод, с входным и выходным преобразователями поверхностных магнитостатических волн, второй микроволновод, выполненный из железо-родия и расположенный на пленке железо-иттриевого граната в её центральной части перпендикулярно продольной оси первого микроволновода, источник управляющего внешнего магнитного поля при этом высота второго микроволновода выбрана в диапазоне от 30 мкм до 500 мкм, а ширина первого микроволновода равна длине второго.
Недостатком известного логического устройства является отсутствие возможности деления сигнала и управления связью спин-волнового сигнала.
Технической проблемой заявляемой полезной модели является расширение функциональных возможностей логических устройств на основе структуры ферромагнетик-антиферромагнетик за счёт осуществления возможности управления связью спиновыми волнами.
Технический результат-возможность управления делением спин-волнового сигнала посредством изменения намагниченности железо-родия.
Для достижения технического результата в логическом устройстве на основе структуры антиферромагнетик-ферромагнетик, содержащем размещенный на подложке из галлий-гадолиниевого граната первый микроволновод прямоугольной формы из пленки железо-иттриевого граната с входным и выходным преобразователями поверхностных магнитостатических волн, второй микроволновод, выполненный из железо-родия и расположенный на первом микроволноводе в его центральной части, источник управляющего внешнего магнитного поля, согласно полезной модели, второй микроволновод расположен вдоль продольной центральной оси первого микроволновода длиной, равной длине первого микроволновода, при этом ширина второго микроволновода составляет 50 мкм, намагниченность насыщения слоя железо-родия составляет от 40 кА/м до 215 кА/м.
Полезная модель поясняется чертежами, где представлено:
на фиг. 1 - заявляемая структура делителя;
на фиг. 2 - структура в плоскости xz;
на фиг. 3 - структура в плоскости xy;
на фиг. 4 - карта пространственного распределения интенсивности магнитостатических волн (МСВ), распространяющихся в плёнке ЖИГ при намагниченности 40 кА/м, полученная численным моделированием;
на фиг. 5 - карта пространственного распределения интенсивности МСВ, распространяющихся в плёнке ЖИГ при намагниченности 139 кА/м, полученная численным моделированием;
на фиг. 6 - карта пространственного распределения интенсивности МСВ, распространяющихся в плёнке ЖИГ при намагниченности 215 кА/м, полученная численным моделированием;
Позициями на чертежах обозначено:
1 - подложка из пленки галлий-гадолиниевого граната (ГГГ);
2 - первый микроволновод, выполненный из пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ);
3 - второй микроволновод, выполненный из слоя железо-родия (ЖР);
4 - входной преобразователь поверхностных магнитостатических волн (ПМСВ);
5 - выходные преобразователи ПМСВ.
Источник магнитного поля на чертежах не показан.
Делитель СВЧ-сигнала представляет собой структуру, состоящую из подложки (ГГГ) 1, на которой расположен микроволновод 2 из пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ), имеющий форму прямоугольника. Вдоль пленки ЖИГ (параллельно продольной оси первого микроволновода) в центральной части расположен второй микроволновод 3 из пленки антиферромагнитного материала - железо-родия (ЖР). На коротких гранях микроволновода 2 размещены преобразователи ПМСВ 4, 5. Структура помещена в магнитное поле.
Принцип работы делителя СВЧ-сигнала на основе структуры ферромагнетик-антиферромагнетик состоит в том, что входной СВЧ-сигнал, частота которого должна находиться в диапазоне частот, определяемом величиной внешнего постоянного магнитного поля, подается на входной преобразователь 4. Затем сигнал преобразуется в МСВ, распространяющуюся вдоль длины ЖИГ. Далее при прохождения ЖР модифицирует свои характеристики. В данной системе наблюдается перераспределение спиновых волн из одного слоя в другой в разных направлениях.
Из-за магнитоэлектрического взаимодействия в структуре между ЖИГ и ЖР существует возможность реализации управления связью СВ. Это возможно благодаря тому, что материалы на основе железо-родия обладают рядом уникальных свойств, позволяющих создавать на их основе устройства магноники. К таким свойствам относится довольно простая возможность антиферромагнитного-ферромагнитного перехода, высокая намагниченность в ферромагнитной фазе и сосуществование антиферрмагнитных и ферромагнитных доменных моментов. Увеличение температуры на поверхности антиферромагнитного материала 3 приводит к возрастанию его намагниченности, вследствие чего происходит малое изменение намагниченности в самом микроволноводе из ЖИГ и уменьшается внутренне поле пропорционально нагреву. Возникший провал препятствует распространению некоторых длин волн в микроволноводе 2 и создает некую неоднородность в области соединения ЖИГ и ЖР. Следовательно, в данном делителе можно управлять распространением спиновых волн с помощью изменения намагниченности.
На фиг. 4 представлена карта пространственного распределения интенсивности МСВ, распространяющихся в плёнке ЖИГ при намагниченности 40 кА/м, полученная численным моделированием, СВ не проходят под слоем ЖР, вся интенсивность возле стенок. На фиг. 5 намагниченность изменяется до М=139 кА/м, СВ стали связываться в малых областях, но интенсивность все так же концентрируется вдоль слоя ЖР. На фиг. 6 намагниченность М=215 кА/м, связь увеличилась до значительных областей и СВ не разделяются слоем.
0
1
1
1
2
1
2
1
В примере конкретного выполнения подложка из галлий-гадолиниевого граната (ГГГ) имела размеры: ширина х длина х толщина=600×12000×500(мкм). На поверхности подложки 1 сформированы первый микроволновод 2 (магнонный кристалл) соответственно на основе пленок железо-иттриевого граната (ЖИГ) с намагниченностью насыщения М=139 кА/м, имеющий форму прямоугольника, на коротких гранях которого размещены преобразователи ПМСВ 4, 5. Сверху ЖИГ вдоль расположен слой антиферромагнитного материала - железо-родия (ЖР) с намагниченностью насыщения, изменяющейся в диапазоне от 40 кА/м до 215 кА/м. Размеры первого микроволновода: длина d =10000 мкм, ширина w=500 мкм, высота h = 10 мкм. Длина второго микроволновода из ЖР d =d, ширина w=50 мкм, высота h = 30 мкм.
Таким образом, представленные данные подтверждают достижение технического результата, а именно построение делителя на основе структуры железо-иттриевый гранат/ железо-родий с возможностью управление связью спиновых волн путём изменения намагниченности железо-родия. Таким образом, расширяются функциональные возможности устройства, которые позволяют использовать его также для устройств магнонной логики и обеспечивать управление информационного сигнала на выходе, что и обуславливает особенность этого устройства.