ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ ИНВЕРТОР-ПОВТОРИТЕЛЬ НА МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ
INVERTER-REPEATER LOGIC ELEMENT ON MAGNETOSTATIC WAVES

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, в частности к приборам на магнитостатических волнах и может использоваться как логическое устройства типа инвертор-повторитель в системах обработки сигналов.
Известно устройство типа инвертор-повторитель (RU 93029592 A, Институт проблем кибернетики РАН, 27.03.1997). Устройство содержит первый и второй токовые переключатели на входе и опорные n-p-n- и p-n-p-транзисторы и токовые генераторы с противоположными направлениями тока. Известно логическое устройство типа инвертор, относящееся к вычислительной технике, в частности к быстродействующим цифровым схемам транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) в интегральном исполнении (SU 1269252 A1, Московский институт электронной техники, 07.11.1986). Недостатками обоих устройств является невозможность частотной перестройки.
Известно логическое устройство, являющееся генератором спиновой волны, реализующее обнаружение спиновой волны и технологию клапана для информационных сигналов (US 2016105176 A1, Hitachi Ltd, 14.04.2016). В устройстве прикладывается электрическое поле к первому электроду немагнитного материала с использованием тонкого линейного тела, включающего в себя первый ферромагнитный слой и немагнитный слой, тем самым генерируется спиновая волна в первом ферромагнитном слое и обнаруживается фаза или амплитуда спиновой волны, которая распространяется в первом ферромагнитном слое с использованием второго электрода ферромагнитного материала с эффектом магнитосопротивления. Логическая схема устройства применяет арифметическую операцию посредством интерференции спиновых волн из нескольких входных сигналов. Недостатком такого устройства является необходимость создания электрического поля для генерации спиновой волны в одном из ферромагнитных слоев.
Известно логическое устройство, имеющее шину спиновой волны и блок приема входного сигнала (US 7528456 (B1), University of California, 01.03.2005). Спиновая волна возбуждается сигналом, закодированным в ориентации спиновой волны, соответствующей входному сигналу. Логическое устройство представляет собой логический элемент из группы логических вентилей, состоящих из двухбитовых логических элементов «AND», «OR» и «NOT». Недостатком устройства является необходимость связи его с источником электрического напряжения.
Известно логическое устройство на основе спиновых волн, способное выполнять обработку информации на сверхвысокой скорости (US 8164148 (B2), Seoul National University University-Industry Foundation, 24.04.2012). Оно включает в себя блок генерирования спиновых волн, блок подачи энергии и микроволновод, которые находятся на подложке. Блоки устройства соединены для выполнения логических операций с использованием спиновых волн в качестве сигналов, так что возможны логические операции, такие как OR, XOR, NOR, AND, вентиль NAND, инвертор и их комбинации. Недостатком является отсутствие управления режимами работы.
Наиболее близким к патентуемому является магнонный логический элемент (WO 2016193552 A1, AALTO UNIV FOUND, 08.12.2016 - прототип), который содержит слой ферромагнитного материала, включающий, по меньшей мере, одну доменную магнитную стенку и электрический привод, обеспечивающий ток возбуждения. Элемент может использоваться как элемент, эмитирующий спиновую волну, как компонент магнонной логики, как магнонный транзистор или элемент с магнонной логикой, выполняющий операции AND, NAND, OR, XOR или XNOR, или устройство магнитной памяти. Недостатком этого устройства является необходимость создания доменных стенок.
Проблема, на решение которой направлено изобретение, состоит в построении логического устройства типа инвертор/повторитель с возможностью управления режимами работы устройства путем подачи сигнала на управляющий микроволновод.
Патентуемый логический элемент содержит входной и выходной порты, управляющий порт, элементы электромагнитной связи на магнитостатических волнах. Отличие состоит в следующем.
Элементы электромагнитной связи выполнены в виде микроволноводной структуры, содержащей три микроволновода равной ширины, два из которых размещены непосредственно на подложке параллельно друг другу с зазором, выбранным из условия обеспечения режима многомодовой связи магнитостатических волн, а третий микроволновод размещен параллельно и симметрично упомянутым двум микроволноводам поверх них с перекрытием упомянутого зазора. Микроволноводы представляют собой удлиненные полоски равной толщины из пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ) на подложке из галлий-гадолиниевого граната, а входной, выходной и управляющий порты образованы микрополосковыми антеннами для возбуждения и приема поверхностных магнитостатических волн, при этом входной и выходной порты расположены на концах одной из размещенных на подложке полосок, а управляющий порт - на конце полоски третьего микроволновода со стороны входного порта.
Логический элемент может характеризоваться тем, что полоски пленки ЖИГ имеют длину в диапазоне от 5000 до 10000 мкм, толщину в диапазоне от 8 до 12 мкм и намагниченность М насыщения в диапазоне от 130 до 150 Гс.
Логический элемент может характеризоваться и тем, что ширина полоски h пленки ЖИГ составляет от 150 до 250 мкм, а зазор - от 10 до 60 мкм, а также тем, что третий микроволновод размещен поверх двух микроволноводов на пленке диэлектрика толщиной d от 10 до 70 мкм.
Технический результат - создание логического устройства типа инвертор-повторитель на магнитостатических волнах с возможностью управления режимами работы путем возбуждения магнитостатической волны на управляющем элементе.
Изобретение поясняется чертежами, где:
фиг. 1 - конструкция устройства;
фиг. 2 - конструкция устройства (вид спереди);
фиг. 3 - конструкция устройства (вид сбоку);
фиг. 4 - результаты численного эксперимента путем микромагнитного моделирования;
фиг. 5 - карта зависимости длины связи от геометрических параметров s и d.
Конструкция логического устройства типа инвертор/повторитель на магнитостатических спиновых волнах представлена на фиг. 1. Позициями на чертеже обозначены: антенны 1,6 для возбуждения магнитостатических волн; антенна 4 для приема магнитостатических волн; микроволноводы 2, 3, 5 в форме полосок из пленок железо-иттриевого граната (ЖИГ); 51 - пленка диэлектрика; подложка 7 из галлий-гадолиниевого граната (ГГГ).
Элементы электромагнитной связи выполнены в виде микроволноводной структуры для магнитостатических волн на подложке из галлий-гадолиниевого граната (ГГГ). Микроволноводы 2,3,5 выполнены на основе пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ) в форме трех удлиненных полосок равной ширины h, две из которых (2,3) размещенных параллельно друг другу с зазором s, выбранным из условия обеспечения режима многомодовой связи магнитостатических волн, а третья (5) расположена над ними. На концах полоски микроволновода 2 структуры образованы микрополосковые антенны 1 и 4 для возбуждения и приема магнитостатических волн.
На конце микроволновода 5 образована микрополосковая антенна 6 для возбуждения магнитостатических волн, для управления режимами работы устройства.
Подложка 7, представляет собой пленку галлий-гадолиниевого граната (ГГГ), размеры которой могут варьироваться в зависимости от выбранных геометрических параметров системы. В основном меняться будет только ширина, так диапазон размер будет составлять от (Ш×Д×Т) 410 мкм × 8000 мкм × 500 мкм, до 460 мкм × 8000 мкм × 500 мкм. На поверхности пленки ГГГ сформирована система латерально связанных микроволноводов 2, 3 и 5 из железо-иттриевого граната (ЖИГ) толщиной 10 мкм, расстояние между расположенными параллельно пленками в области связи составляет от 10 до 60 мкм, расстояние между ними и микроволноводом 5, определяемое толщиной пленки 51 диэлектрика, может составлять от 10 до 70 мкм. Намагниченность насыщения М=139Гс. Назовем «первым каналом» микроволновод 2, «вторым каналом» - микроволновод 3 и «управляющим каналом» - микроволновод 5. На системе связанных микроволноводов расположены микрополосковые антенны 1, 4 и 6, шириной 30 мкм, обеспечивающие возбуждение и прием магнитостатических волн. При этом входная антенна 1 расположена на одном конце микроволновода 2, выходная антенна 4 расположена на втором конце микроволновода 2, антенна 6 расположена на конце микроволновода 5. Внешнее магнитное поле Но направлено касательно вдоль оси у (см. фиг. 1).
Принцип работы данного логического устройства заключается в том, что входной микроволновый сигнал, частота которого должна лежать в диапазоне частот, определяемым величиной внешнего постоянного магнитного поля, подается на входную антенну 1. Далее микроволновый сигнал преобразуется в поверхностную магнитостатическую волну (ПМСВ), распространяющуюся вдоль микроволновода 2 (первый канал). Далее по мере распространения, ПМСВ будет перекачиваться из первого канала во второй, то есть из микроволновода 2 в микроволновод 3, в ходе явления перекачки сигнала в латеральных микроволноводах, и в зависимости от выбранных параметров сигнал попадет на выходную антенну 4, что будет считаться за логическую "1" или не попадет, что будет считаться за логический "0". При подаче сигнала еще и на микроволновод 5 (управляющий канал) через микрополосковую антенну 6 изменится длина связи ПМСВ в первом и втором канале. Таким образом, появляется возможность изменять режим работы данного устройства.
На фиг 2 показаны результаты численного эксперимента путем микромагнитного моделирования. Сверху показано распределение интенсивности ПМСВ в двух нижних микроволноводах 2, 3, на нижнем рисунке показано распределение интенсивности в верхнем микроволноводе 5. Данные результаты соответствуют величинам s=20 мкм и d=40 мкм. Видно, что верхний микроволновод 5 влияет на распределение интенсивности, разводя волны к внешним краям микроволноводов 2,3 и изменяя длину связи. Таким образом, на выходе можно получить разные режимы работы устройства, путем изменения геометрических параметров.
На фиг. 3 изображена карта зависимости длины связи для геометрических параметров s в диапазоне от 10 до 60 мкм и толщины пленки диэлектрика d в диапазоне от 10 до 70 мкм. Более темные участки указывают на меньшую длину связи. Данная карта была рассчитана для частоты f=5,2 ГГц. На этой карте видны характерные области, на которых длина связи имеет практически идентичное значение. То есть в границах данных геометрических параметров будет сохраняться выбранный режим работы логического устройства.
Таким образом, представленные данные подтверждают достижение технического результата, а именно создание логического устройства типа инвертор/повторитель на магнитостатических волнах с возможностью управления режимами работы путем возбуждения магнитостатической волны на управляющем элементе. Таким образом, расширяются функциональные возможности устройства.