УСТРОЙСТВО НА МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ ДЛЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ СВЧ-СИГНАЛОВ РАЗНОГО УРОВНЯ МОЩНОСТИ
DEVICE ON MAGNETOSTATIC WAVES FOR SPATIAL SEPARATION OF MICROWAVE SIGNALS OF DIFFERENT POWER LEVEL

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, в частности к приборам на магнитостатических волнах, и может быть использовано в качестве устройства, позволяющего осуществлять пространственное разделение сигналов разного уровня мощности.
В отличие от обычных СВЧ-приборов спин-волновые или магнонные приборы имеют расширенные возможности, благодаря управлению с помощью величины и направления внешнего магнитного поля и иных воздействий (например, акустических за счет магнитострикции). В таких устройствах происходят процессы переноса магнитного момента или спина электрона вместо переноса заряда, что открывает новые возможности для построения элементной базы, осуществляющей обработку, передачу и хранение информации [Никитов С.А., и др. Магноника - новое направление спинтроники и спинволновой электроники. УФН, Т. 185, №10, с. 1099-1128 (2015)].
Известны ответвители СВЧ-сигнала на магнитостатических волнах (МСВ), принцип действия которых основан на линейных эффектах. Известен ответвитель (JP 2003179413 (А) - MIC COUPLER, 27.06.2003), содержащий ферритовую подложку, две волноводные линии, лежащие на подложке и электромагнит, который расположен на ферритовой подложке. Когда ток подается на электромагнит, магнитное поле постоянного тока прикладывается к ферритовой подложке и изменяет распределение электромагнитного поля структуры ответвителя, т.е. уровень выходного сигнала. Известен трехканальный ответвитель на МСВ (RU 2623666 С1, ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, 21.10.2016), содержащий три параллельных микроволновода на основе пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ), нагруженных сверху на слой пьезоэлектрика. Приложение управляющего напряжения к слою пьезоэлектрика, в области каждого конкретного ферромагнитного волновода позволяет регулировать уровень мощности на входе каждого из магнитных волноводов. Оба описанных ответвителя работают в линейном режиме и не позволяют оперировать с сигналами разного уровня мощности.
Известны устройства, оперирующие в нелинейном режиме и позволяющие обрабатывать сигналы разного уровня мощности. Описан усилитель отношения сигнал/шум или шумоподавитель, на основе ферромагнитного волновода (US 4283692 (A), WESTINGHOUSE ELECTRIC CORP., 27.07.1979). СВЧ-сигнал с уровнем мощности ниже некоторого порогового значения (слабый сигнал), проходя через данное устройство, ослабляется сильнее, чем СВЧ-сигнал, уровень мощности которого выше порога (сильный сигнал). Недостатком данного устройства является существенное уменьшение величины отношения сигнал/шум при удалении частоты слабого сигнала от частоты сильного сигнала. Известен также шумоподавитель на МСВ (SU 1343470 А1, НИИМФ СГУ, 07.10.1987), который представляет собой слоистую структуру, содержащую два ферромагнитных слоя, между которыми размещен меандровый проводник. Расширение рабочей полосы частот происходит за счет того, что МСВ возбуждаются в двух связанных ферромагнитных слоях, а не в одиночном слое. Общим недостатком двух последних устройств является возможность реализации только одной функции на базе такого устройства - шумоподавления.
Известны устройства на основе периодических ферромагнитных структур, т.н. магнонных кристаллов (МК). МК открывают новые возможности по реализации ряда СВЧ-устройств обработки сигналов за счет наличия в спектре спиновых волн запрещенных зон на частотах, соответствующих выполнению условий брэгговских резонансов. Описан модулятор СВЧ-сигнала на основе пленки ЖИГ с периодической системой канавок на ее поверхности, образующей МК (RU 2454788 С1, ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, 27.06.2012). При приближении и удаления металлического экрана от поверхности происходит частотный сдвиг запрещенной зоны, что позволяет осуществлять модуляцию сигнала на фиксированной частоте. Описано устройство для обработки СВЧ-сигнала на основе МК, созданного путем периодического чередования ферромагнитных слоев с разными ассиметричными обменными константами (константами Дзялошинского-Мории) (KR 20180097028 (A), UNIV KOREA RES & BUS FOUND, 30.08.2018 г.). Недостатком обоих типов устройства на основе МК является невозможность обработки сигналов разного уровня мощности на одной частоте, т.к. увеличение мощности входного сигнала приводит к нелинейному сдвигу запрещенной зоны.
Известно многофункциональное устройство, включающее шумоподавитель, ограничитель мощности и нелинейный фазовращатель (Ustinov А.В., Drozdovskii A.V., Kalinikos В.A. Multifunctional nonlinear magnonic devices for microwave signal processing. Appl. Phys. Lett. 96. 142513 (2010)). Принцип действия такого устройства основан на эффекте нелинейного сдвига запрещенной зоны МК. Недостаток - возможность реализации на данной частоте только одной заявленной функции, а также наличие большого количества дополнительных элементов - фазовращателей, аттенюаторов и делителей мощности.
Известен нелинейный делитель СВЧ-мощности на основе 4-х портовой линии передачи, в одном плече которой размещена пленка ЖИГ [А.В. Ustinov, В.А. Kalinikos Power-dependent switching of microwave signals in a ferrite-film nonlinear directional coupler. Appl. Phys. Lett. 89, 172511 (2006)]. Нелинейный набег фазы при увеличении мощности входного сигнала позволяет реализовать функции шумоподавления и ограничения мощности на одной частоте в зависимости от выбора выходного порта. Недостатком устройства является отсутствие частотной избирательности в полосе МСВ.
Наиболее близким к патентуемому является устройство на МСВ, реализующее функции частотно-избирательного нелинейного делителя мощности на поверхностных МСВ на основе двух латеральных пленок ЖИГ, расположенных в одной плоскости (RU 2666969 С1, ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, 12.12.2017). В зависимости от входной мощности СВЧ-сигнал делится между выходными портами в заданном соотношении. Действие делителя основано на эффекте зависимости длины перекачки мощности между латеральными пленками ЖИГ от мощности входного сигнала. Недостатком данного устройства является реализация деления мощности только на два выхода и невозможность реализации функций шумоподавления и ограничения мощности.
Настоящее изобретение направлено на создание устройства на объемных и поверхностных МСВ, позволяющего осуществлять пространственное разделение СВЧ-сигналов разного уровня мощности на три выхода в микроволновом диапазоне.
Патентуемое устройство включает микроволноводную структуру, содержащую слой ЖИГ на подложке из галлий-гадолиниевого граната, микрополосковые антенны для возбуждения и приема магнитостатических волн (МСВ), связанные с входным и выходными портами СВЧ-сигнала, внешний источник магнитного поля.
Микроволноводная структура выполнена в виде первого и второго слоев ЖИГ, размещенных в параллельных плоскостях, причем длина первого слоя в направлении распространения МСВ больше длины второго слоя, а сами слои отделены друг от друга немагнитной диэлектрической прослойкой.
На смежных поверхностях слоев ЖИГ выполнена периодическая система канавок с глубиной много меньшей толщины слоя ЖИГ, а длина второго слоя выбрана из условия , мкм, где:  - длина второго слоя, мкм; F - расстояние, на котором СВЧ-сигнал из первого слоя ЖИГ полностью перекачивается во второй слой ЖИГ, мкм; n=1, 3, 5 ….
Устройство имеет три выходных порта, одни из которых связан с антенной для приема МСВ, размещенной на первом слое ЖИГ, а второй и третий выходные порты - с антеннами для приема МСВ, размещенными на втором слое ЖИГ. Входной порт, связанный с антенной для возбуждения МСВ, размещен на первом слое ЖИГ, причем для возбуждения поверхностных МСВ магнитное поле внешнего источника направлено касательно плоскости структуры, а для возбуждения прямых объемных МСВ - перпендикулярно ей.
Устройство может характеризоваться и тем, что слои ЖИГ имеют длину, лежащую в диапазоне от 1000 до 6000 мкм, толщину в диапазоне от 8 до 12 мкм, ширину в диапазоне от 500 до 3000 мкм и намагниченность насыщения М в диапазоне от 130 до 150 Гс.
Устройство может характеризоваться также тем, что слои ЖИГ имеют период L, который лежит в диапазоне от 50 до 400 мкм, ширину канавок в диапазоне от 20 до 200 мкм, глубину канавок b в диапазоне от 0,5 до 2 мкм.
Устройство может характеризоваться, кроме того, тем, что диэлектрическая прослойка выполнена из слюды и имеет толщину в диапазоне 5-80 мкм.
Устройство может характеризоваться и тем, что слои ЖИГ имеют: длину первого и второго слоев 9000 мкм и 5000 мкм, соответственно, ширину 2000 мкм, толщину 12 мкм; система канавок имеет ширину 100 мкм, глубину 1 мкм и период 200 мкм, при этом немагнитная диэлектрическая прослойка имеет длину 4500 мкм, ширину 2000 мкм, толщину 50 мкм и выполнена из слюды, а также тем, что магнитное поле внешнего источника магнитного поля лежит в диапазоне 100-2000 Э.
Технический результат - пространственное разделение СВЧ-сигналов разного уровня мощности на три выхода, с функциями выделения сигналов в определенном диапазоне мощностей, ограничения мощности и шумоподавления.
Изобретение поясняется чертежами, где:
фиг. 1 - конструкция устройства, поперечное сечение;
фиг. 2 - то же, что на фиг. 1, центральная часть, укрупнено;
фиг. 3-5 - экспериментальная зависимость интенсивности МСВ от мощности входного СВЧ-сигнала;
фиг. 6 - результат экспериментального исследования перекачки сигнала в зависимости от продольной координаты;
фиг. 7 - зависимость коэффициента передачи каждого из портов от мощности входного сигнала.
Конструкция патентуемого устройства для пространственного разделения сигналов разного уровня мощности на МСВ представлена на фиг. 1, 2. Позициями обозначены: микроволноводы 1, 2 в форме слоев из пленок ЖИГ; подложки 3, 4 из галлий-гадолиниевого граната (ГГГ); диэлектрическая прослойка 5; антенна 6 для возбуждения МСВ; антенны 7, 8, 9 для приема МСВ; входной порт 10; первый 11, второй 12, третий 13 выходные порты, канавки 14.
1
2
1
2
2
Микроволноводы 1, 2 (далее МК1, МК2) выполнены на основе пленки ЖИГ в форме двух слоев равной ширины w и толщины d, имеют длину l и l (l>l), соответственно. Канавки 14 на поверхности пленок ЖИГ расположены с периодом L, имеют ширину а, глубину b. Подложки 3, 4 выполнены на основе пленок ГГГ шириной w, толщиной t, соответственно. Диэлектрическая прослойка 5 имеет ширину w, толщину D и длину l и выполнена, например, из слюды. Микрополосковые антенны 6, 7, 8, 9 расположены на противоположных концах микроволноводов 1,2 и соответствуют входному 10 и выходным 11, 12, 13 портам устройства.
Пленки ЖИГ, из которых выполнены микроволноводы 1 и 2, имеют ширину 2000 мкм, толщину 12 мкм и длину 9000 мкм и 5000 мкм, соответственно. На поверхности пленок ЖИГ сформирована система канавок 14 с периодом L=200 мкм, шириной канавки а=100 мкм, глубиной канавки b=1 мкм. Подложки 3,4 из ГГГ имеют ширину 2000 мкм, толщину 500 мкм, длину 9000 мкм и 5000 мкм, соответственно.
Диэлектрическая прослойка 5 имеет ширину 2000 мкм, толщину 50 мкм, длину 4500 мкм. Намагниченность насыщения пленок ЖИГ М=139 Гс. На системе микроволноводов расположены микрополосковые антенны 6, 7, 8, 9 шириной 30 мкм, обеспечивающие возбуждение и прием МСВ. Антенны 6 и 7 расположены на концах МК1 на расстоянии 7000 мкм друг от друга и соответствуют входному порту 10 и выходному порту 11. Антенны 8 и 9 расположены на концах МК2 на расстоянии 4000 мкм друг от друга и соответствуют входному порту 12 и выходному порту 13.
0
Внешнее магнитное поле Но направлено вдоль оси X по касательной к плоскости структуры, перпендикулярно распространению МСВ (см. фиг. 1). Направление Y совпадает с длиной структуры 1, направление X - с шириной w структуры, направление Z - с нормалью плоскости структуры. Источник магнитного поля выполнен регулируемым в диапазоне напряженностей Н=1-10 кЭ.
Принцип работы патентуемого устройства заключается в следующем. Входной СВЧ-сигнал, частота которого должна лежать в диапазоне частот запрещенной зоны, определяемом величиной и направлением внешнего постоянного магнитного поля, подается через порт 10 на входную антенну 6. Далее микроволновый сигнал преобразуется в поверхностную МСВ (ПМСВ), распространяющуюся в положительном и отрицательном направлениях в МК1 и МК2. При увеличении мощности подаваемого сигнала имеет место эффект двойного нелинейного переключения, обусловленный совместным проявлением нелинейных эффектов, характерных для одиночного МК и двух связанных пленок постоянной толщины: нелинейного сдвига запрещенной зоны и нелинейного подавление перекачки мощности между слоями [М.А. Морозова, О.В. Матвеев, Ю.П. Шараевский Распространение импульсов в нелинейной системе на основе связанных магнонных кристаллов, Физика твердого тела, Т. 58, №10. С. 1899-1906 (2016)]. В результате, путем увеличения входной мощности можно выбрать порт 11 или 12 или 13, из которого выйдет сигнал. Следовательно, возможно осуществлять управление разделением сигнала между выходными портами 11-13 путем изменения мощности сигнала, подаваемого на входной порт 10.
0
Методом Мандельштам-Бриллюэновского рассеяния света (БЛС) подтверждена возможность использования структуры на основе двух связанных МК для пространственного разделения сигналов разного уровня мощности. Внешнее магнитное поле Н=735 Э прикладывалось параллельно плоскости, в которой лежат микрополосковые антенны 6-9, вдоль оси X (фиг. 1). На амплитудно-частотной характеристике такой структуры имеет место четко выраженный минимум -запрещенная зона исследуемой периодической структуры. Рабочая частота выбиралась в центре запрещенной зоны и равнялась ƒ=4,09 ГГц. Сигнал подавался на входной порт 10. На фиг. 3-5 приведены карты пространственного распределения интенсивности рассеянного света (пропорционального интенсивности спиновой волны) в МК2 при мощности входного сигнала 6 дБм (фиг. 3), 20 дБм (фиг. 4), 36 дБм (фиг. 5). При мощности входного сигнала 20 дБм имеет место периодическое чередование максимумов и минимумов интенсивности (с пространственным периодом λ) вдоль направления распространения Y, что обусловлено периодической перекачкой сигнала между МК1 и МК2 (фиг. 6).
Для пояснения принципа пространственного разделения СВЧ-сигналов разного уровня мощности на три выхода, за счет признака: длина  второго слоя выбрана из условия  мкм, где F - расстояние, на котором СВЧ-сигнал из первого слоя ЖИГ полностью перекачивается во второй слой ЖИГ, мкм; n=1, 3, 5 …, выберем точку наблюдения в максимуме сигнала в МК2, например, на расстоянии  (мкм) от входного преобразователя 6 (фиг. 6) (где F=/λ/2 - расстояние, на котором СВЧ-сигнал из первого слоя ЖИГ полностью перекачивается во второй слой ЖИГ, мкм; n=3). Значение длины  второго слоя зависит от толщины диэлектрической прослойки, величины магнитного поля и частоты сигнала.
1
2
1
2
Для выбранного сечения построены передаточные характеристики каждого из выходных портов такой структуры, показанные на фиг. 7: поз. 70 для порта 7; поз. 80 для порта 8, поз. 90 для порта 9 от мощности входного сигнала. Видно, что существуют два пороговых значения мощности P и Р, при которых изменяется динамика системы. Значения Р и Р определяются геометрией структуры, величиной и направлением внешнего магнитного поля, частотой входного сигнала, и могут быть рассчитаны теоретически [см. упомянутую выше публикацию М.А. Морозова, и др., Физика твердого тела, Т. 58, №10. С. 1899-1906 (2016)].
На фиг. 7 можно выделить три области: область 1 - большая часть сигнала выходит через порт 8 при малой мощности (коэффициент пропускания при малой мощности для этого порта 8 превышает коэффициенты пропускания для остальных портов), область 3 - большая часть сигнала выходит через порт 7 - при большой мощности, область 2 - большая часть сигнала выходит через порт 9 - при мощности в определенном диапазоне мощностей. Таким образом, в зависимости от входной мощности сигнал выйдет через один из трех портов структуры, что позволяет разделять сигналы разного уровня мощности.
Если снимать сигнал с порта 7, то устройство позволяет осуществить выделение сигналов большой мощности, а малые сигналы подавляются, т.е. устройство может использоваться, как подавитель малых сигналов. Если снимать сигнал с порта 8, то устройство может использоваться, как ограничитель мощности с большим динамическим диапазоном. Если снимать сигнал с порта 9, то устройство функционирует в обоих описанных режимах, только в разном диапазоне мощностей, т.е. позволяет выделять сигнал в определенном диапазоне мощностей.
Таким образом, представленные данные подтверждают возможность достижения технического результата, а именно реализацию СВЧ-устройства на МСВ, позволяющего осуществлять пространственное разделение сигналов разного уровня мощности на три выхода. Расширяются функциональные возможности устройства за счет реализации функций выделения сигналов в заданном диапазоне мощностей, ограничения мощности, подавления слабых сигналов в зависимости от выбора выходного порта структуры.