УПРАВЛЯЕМЫЙ ЧЕТЫРЕХКАНАЛЬНЫЙ ПРОСТРАНСТВЕННО РАСПРЕДЕЛЁННЫЙ МУЛЬТИПЛЕКСОР НА МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ
CONTROLLED FOUR-CHANNEL SPATIALLY DISTRIBUTED MULTIPLEXER ON MAGNETOSTATIC WAVES

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, в частности к устройствам на магнитостатических волнах и может использоваться как пространственно распределенный делитель мощности.
Известен магнитооптический мультиплексор (WO2008067597 (A1), St Synergy Limited, 06.12.2008). Устройство включает в себя первый волновод, поддерживающий распространение сигнала излучения от первого порта ко второму порту; второй волновод, включающий в себя второй порт; и генератор, имеющий замкнутый путь распространения, включающий магнитооптические материалы, причем указанный кольцевой генератор функционально связан с указанными волноводами и реагирует на управляющее воздействие для переключения между первой модой и второй модой. Недостатками устройства является невозможность частотной перестройки.
Известно устройство, выполняющее функции мультиплексора, содержащее волноводный оптический кольцевой резонатор, окруженный верхней и нижней шинами (US6947632 (В2), FISCHER SYLVAIN G, 20.09.2005). Первая резонансная и интенсивная оптическая волна подается в верхнюю шину, а вторая резонансная оптическая волна - в нижнюю шину. Эти резонансные волны распространяются от одной шины к другой через резонатор в противоположных направлениях. Недостатком устройства является наличие нескольких частотных пиков в спектре прохождения ввиду наличия высокодобротной оптической системы.
Известен оптический мультиплексор ввода-вывода (US6928209 (В2), INTEL CORP., 09.08.2005). Недостаток устройства состоит в том, что для настройки параметров используются нагреватели, установленные в ветвях тракта, что является достаточно инерционным процессом, при этом отсутствует возможность перестройки характеристик путем изменения величины и направления внешнего магнитного поля.
Описан мультиплексор ввода-вывода (RU2617143 С1, ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, 21.04.2017 - прототип), который может быть использован в качестве мультиплексора за счет пространственно-частотной фильтрации и  разделения СВЧ сигнала между областями микрополосковых преобразователей СВЧ сигнала. Устройство содержит два параллельных линейных канала распространения магнитостатических спиновых волн (МСВ), имеющих две пары микрополосковых преобразователей. Структура образована на пленке железо -иттриевого граната (ЖИГ), выращенной на диэлектрической подложке из гадолиний-галлиевого граната (ГГГ). Недостатками устройства является невозможность управления пространственно-частотными режимами распространения СВЧ-сигнала в режиме работы в качестве мультиплексора.
Наиболее близким к патентуемому является мультиплексор ввода-вывода (RU2707391 С1, ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, 26.11.2019 - прототип). Содержит размещенную на подложке структуру, содержащую два линейных микроволновода из пленки ЖИГ с микрополосковыми антеннами на концах для возбуждения и приема МСВ, и кольцевой резонатор МСВ, размещенный с зазором между микроволноводами с возможностью обеспечения многомодовой связи, источник управляющего магнитного поля. Резонатор поверхностных МСВ выполнен из пленки ЖИГ в виде прямоугольного замкнутого контура, смежные ребра которого параллельны линейным микроволноводам, а ширина контура равна ширине микроволноводов, причем магнитное поле источника управляющего магнитного поля направлено в плоскости структуры. Недостатками устройства является невозможность управления пространственно-частотными режимами распространения СВЧ-сигнала в вертикальном и латеральном направлении одновременно.
Проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в построении управляемого мультиплексора на МСВ, выполненного с возможностью получения различных режимов пространственно-частотной селекции сигнала.
Предлагаемый мультиплексор ввода-вывода содержит размещенную на подложке структуру, содержащую линейные микроволноводы из пленки ЖИГ, микрополосковые нтенны для возбуждения и приема магнитостатических спиновых волн (МСВ), источник управляющего магнитного поля,
Отличие состоит в том, что содержит четыре линейных микроволновода, из которых первый и второй микроволноводы размещены параллельно друг другу с зазором в плоскости подложки, третий и четвертый микроволноводы - расположены  поверх них через слой немагнитного диэлектрика. Толщины упомянутых зазора и слоя выбраны из условия возбуждения в микроволноводах поверхностных МСВ (ПМСВ) и обеспечения режима многомодовой связи между микроволноводами. Входная антенна для возбуждения ПМСВ размещена на одном конце первого микроволновода, на другом его конце - выходная антенна для приема ПМСВ, причем выходные антенны для приема ПМСВ размещены на концах второго, третьего и четвертого микроволноводов со стороны размещения выходной антенны первого микроволновода, при этом магнитное поле источника управляющего магнитного поля направлено в плоскости структуры.
Н
Мультиплексор может характеризоваться тем, что микроволноводы из ЖИГ имеют длину 8000 мкм, ширину 30 мкм толщину 10 мкм и намагниченность насыщения М=139Гс, при этом зазор составляет 40 мкм, а толщина слоя немагнитного диэлектрика - 80 мкм.
Технический результат - реализация мультиплексора ввода-вывода на поверхностных магнитостатических волнах, в котором управление режимами функционирования возможно осуществлять как путем изменения частоты входного сигнала, так и изменения параметров внешнего магнитного поля.
Изобретение поясняется чертежами, где:
фиг. 1 - конструкция устройства;
фиг. 2 - вид на устройство с торца в направлении оси у;
фиг. 3 - вид на устройство с торца в направлении оси х;
фиг. 4 - амплитудно-частотные характеристики ПМСВ на выходных антеннах;
фиг. 5 - результаты численного эксперимента путем микромагнитного моделирования.
Конструкция мультиплексора ввода-вывода представлена на фиг. 1, 2. Позициями на чертеже обозначены: микроволноводы 1, 2, 3, 4 в форме полосок из пленок ЖИГ, подложка 5 из ГГГ, антенна 6 для возбуждения поверхностных магнитостатических волн (ПМСВ); антенны 7, 8, 9, 10 для приема МСВ.
Элементы электромагнитной связи выполнены в виде микроволноводной структуры для магнитостатических волн на подложке 5 из ГГГ. Микроволноводы 1,2,3,4 выполнены на основе ЖИГ в форме четырех удлиненных полосок длиной L=8000 мкм равной ширины w, две из которых (1, 2) размещены параллельно друг другу с зазором, выбранным из условия обеспечения режима многомодовой связи ПМСВ между пленками, а 3 и 4 - расположены над ними, соответственно. На концах указанных полосок микроволноводов 1,2,3,4 образованы микрополосковые антенны 6,7,8,9,10 для возбуждения и приема МСВ.
Режим работы мультиплексора определяется выбранными параметрами распространения ПМСВ: величиной внешнего магнитного поля, а также частотой входного сигнала. Так, от величины внешнего магнитного поля зависит частотный диапазон, в то же время от частоты входного сигнала зависит длина волны ПМСВ, и соответственно длина связи, которая и определяет, по какому из микроволноводов будет распространяться ПМСВ и соответственно на какую из выходных антенн попадет сигнал. Длина связи - это расстояние, на котором ПМСВ, распространяющаяся сначала по микроволноводу 1, полностью перекачивается в микроволноводы 2, 3 и 4.
Н
Подложка 5 представляет собой пленку ГГГ, размеры которой составляют (Ш×Д×Т): 450 мкм × 8000 мкм × 500 мкм. На поверхности пленки ГГГ из пленки ЖИГ толщиной 10 мкм сформирована система микроволноводов 1,2,3 и 4 связанных латерально и вертикально. Расстояние между расположенными параллельно микроволноводами 1,2 в области связи составляет 40 мкм, расстояние между ними и микроволноводами 3,4, определяемое толщиной слоя немагнитного диэлектрика 11, например, из слюды, составляет 80 мкм. Намагниченность насыщения составляет М=139Гс.
0
На системе микроволноводов 1,2,3,4 расположены антенны 6,7,8,9,10 шириной w=30 мкм, обеспечивающие возбуждение и прием магнитостатических волн. Входная антенна 6 расположена на одном конце микроволновода 1, на другом - выходная антенна 8. Другие выходные антенны 7, 9 и 10 расположены на концах микроволноводов 2, 3 и 4, соответственно. Внешнее магнитное поле Н направлено касательно вдоль оси х (см. фиг. 1).
0
Принцип работы данного устройства заключается в том, что входной микроволновый сигнал, частота которого должна лежать в диапазоне частот, определяемым величиной Н внешнего постоянного магнитного поля, подается на входную антенну 6. Далее микроволновый сигнал преобразуется в ПМСВ, распространяющуюся вдоль микроволновода 1. Далее по мере распространения, ПМСВ будет перекачиваться из микроволновода 1 в микроволновод 2, при этом также ПМСВ будет перекачиваться в микроволновод 3 и микроволновод 4. В зависимости от выбранной конфигурации магнитного поля и частоты, сигнал попадет на выходные антенны 7, 8, 9 либо 10.
На фиг. 4 приведены результаты численного микромагнитного моделирования. Показаны амплитудно-частотные характеристики ПМСВ на выходных антеннах 7, 9 и 10, которые были получены методом Фурье-преобразования по временной реализации z-компоненты динамической намагниченности в области выходных антенн.
Кривая 12 соответствует сигналу на выходной антенне 7, кривая 13 - на антенне 9, кривая 14 - на антенне 10. Видно, что система связи, выполненная в вертикальной и латеральной геометрии, оказывает влияние на распределение амплитуды выходного сигнала на антеннах 7, 9, 10. Моделирование показывает, что если подать на входную антенну 6 сигнал частотой 5,25 ГГц, то ПМСВ дальше будет распространяться в сторону выходных антенн 7 и 9. В то же время, если подавать на входную антенну 6 сигнал с частотой 4,86 ГГц, то ПМСВ будет приниматься выходной антенной 10.
На фиг. 5 показаны результаты численного эксперимента путем микромагнитного моделирования. На верхней фотографии показано распределение интенсивности ПМСВ в нижних микроволноводах 1,2, а на нижнем рисунке - в верхних микроволноводах 3 и 4. Видно, что верхние микроволноводы влияют на распределение интенсивности, так как ПМСВ перекачивается еще и по вертикальной связи с микроволноводами 3 и 4. Таким образом, на выходе можно получить режимы пространственно - частотной селекции сигнала.
Таким образом, представленные данные подтверждают достижение технического результата, а именно возможность реализации мультиплексора ввода-вывода на поверхностных магнитостатических волнах, в котором управление режимами функционирования возможно осуществлять как путем изменения частоты входного сигнала, так и изменения параметров внешнего магнитного поля.