ПРОСТРАНСТВЕННО-ЧАСТОТНЫЙ ФИЛЬТР НА МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ

Полезная модель относится к радиотехнике, в частности к приборам СВЧ на магнитостатических волнах и может быть использована в качестве пространственно-частотного фильтра.
Известен фильтр (см. патент РФ на изобретение № 2617143, МПК H01P 1/215, опуб. 2017.04.21), представляющий собой две пары микрополосковых преобразователей, которые образуют два параллельных линейных канала распространения МСВ, разнесенных друг от друга на расстояние, обеспечивающее размещение между указанными каналами резонатора МСВ, взаимодействующего с линейными каналами. Каждый линейный канал распространения МСВ выполнен в виде системы одиночных цилиндрических включений из ферромагнитного материала, образованных в базовой ферромагнитной пленке и расположенных равномерно по длине канала, а резонатор МСВ представляет собой систему одиночных цилиндрических включений из ферромагнитного материала, образованных в базовой ферромагнитной пленке и расположенных равномерно по окружности. Включения из ферромагнитного материала имеют большую намагниченность, чем базовая ферромагнитная пленка.
Известен также фильтр на основе высокодобротных магнитоакустических резонансов, возбуждаемых в слоистой структуре: ферритовая пленка - подложка - ферритовая пленка (см. патент РФ на изобретение RU 2390888, МПК H01P 1/20, опуб. 27.05.2010). Для обеспечения режима одночастотной фильтрации первая и вторая ферритовые пленки в виде резонаторов расположены на противоположных сторонах немагнитной подложки, входной и выходной преобразователи МСВ расположены соосно с ферритовыми пленками и под углом 90° друг к другу.
Недостатками вышеупомянутых устройств являются ограниченность рабочих частот, а также сложность изготовления подобных структур.
Известно устройство на основе магнонного кристалла, используемое для управления частотой спиновых волн (WO 2009145579, МПК H03H2/00, опуб. 03.12.2009). Устройство состоит из волновода на основе тонкой магнитной пленки. Волновод имеет три секции, одна из которых представляет собой периодическую структуру - магнонный кристалл, образованный путем периодического изменения ширины либо толщины ферромагнитной пленки.
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности управления свойствами спектра спиновых волн путем изменения управляющих параметров.
Наиболее близким к заявляемому устройству является пространственночастотный фильтр на магнитостатических волнах (см. патент РФ на полезную модель № 210122 по кл. МПК H01P1/218, опуб. 29.03.2022), содержащий подложку, выполненную из пленки галлий-гадолиниевого граната, на которой вдоль продольной оси расположены с зазором направленные друг на друга два идентичных микроволновода из плёнки железо-иттриевого граната, каждый из микроволноводов имеет прямоугольное основание, переходящее в клинообразный участок с усечённой вершиной, образующей торцевые стороны микроволновода, участок образован боковыми поверхностями плёнки с одинаковыми углами наклона по отношению к основанию, на одном из оснований расположена входная микрополосковая антенна, а на другом - выходная, в зазоре, образованном торцевыми сторонами микроволноводов, расположен микрорезонатор, фильтр имеет источник внешнего магнитного поля, а в качестве микрорезонатора выбран резонатор шириной 200 мкм, длиной 180 мкм, каждый микроволновод имеет длину 3000 мкм, а угол наклона боковой поверхности плёнки к основанию составляет 60°, при этом источник внешнего магнитного поля выполнен с возможностью изменения величины поля.
Недостатком является то, что управление частотным диапазоном происходит путем изменения намагниченности микрорезонатора с помощью его нагрева, что является долгим и неравномерным процессом, а также отсутствие возможности двойного управления частотным диапазоном и шириной полосы частот.
Технической проблемой заявляемой полезной модели является создание фильтра на магнитостатических волнах с возможностью управления частотным диапазоном и шириной полосы частот.
Техническим результатом является возможность плавного управления полосой пропускания частот поверхностных магнитостатических волн под действием упругих деформаций в пьезоэлектрическом слое.
Технический результат достигается тем, что пространственно-частотный фильтр на магнитостатических волнах, содержащий подложку, выполненную из пленки галлий-гадолиниевого граната, на которой вдоль продольной оси расположены с зазором, направленные друг на друга два идентичных микроволновода из плёнки железо-иттриевого граната, каждый из микроволноводов имеет прямоугольное основание, переходящее в клинообразный участок с усечённой вершиной, образующий торцевые стороны микроволновода, участок образован боковыми поверхностями плёнки с одинаковыми углами наклона по отношению к основанию, на одном из оснований расположена входная микрополосковая антенна, а на другом - выходная, в зазоре, образованном торцевыми сторонами микроволноводов, расположен микрорезонатор, фильтр имеет источник внешнего магнитного поля, согласно полезной модели, фильтр имеет прямоугольный пьезоэлектрический элемент из керамики на основе цирконата-титаната свинца, расположенный на микрорезонаторе, длина и ширина пьезоэлектрического элемента равны длине и ширине микрорезонатора, на стороне пьезоэлектрического элемента, примыкающей к микрорезонатору, расположен титановый электрод, а на противоположной стороне - электрод из хрома, внешнее магнитное поле ориентировано касательно плоскости подложки из галлий-гадолиниевого граната по оси У.
Полезная модель поясняется чертежами, где представлено:
фиг 1. -конструкция устройства;
фиг. 2. - амплитудно-частотная характеристика распространения поверхностных магнитостатических волн (ПМСВ) в структуре;
фиг 3. - амплитудно-частотная характеристика распространения ПМСВ в структуре при различных значениях напряженности электрического поля в пьезоэлектрическом слое.
Позициями на чертежах обозначено:
1 - подложка из пленки галлий-гадолиниевого граната (ГГГ);
2 - первый микроволновод;
3 - второй микроволновод;
4 - микрорезонатор;
5 - пьезоэлектрический элемент на основе цирконата-титаната свинца (ЦТС);
6 - электрод из хрома;
7 - электрод из титана;
8 - входная микрополосковая антенна;
9 - выходная микрополосковая антенна;
10 - амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) структуры без микрорезонатора
11 - амплитудно-частотная характеристика структуры с микрорезонатором 4 без прикладывания электрического поля к пьезоэлементу 5 из ЦТС;
12 - амплитудно-частотная характеристика структуры при приложении положительного электрического поля к пьезоэлементу 5 из ЦТС E=10 кВ/см;
13 - амплитудно-частотная характеристика структуры при приложении отрицательного электрического поля к пьезоэлементу 5 из ЦТС E=-10 кВ/см.
Устройство (фиг. 1) выполнено на подложке 1, представляющей собой пленку из галлий-гадолиниевого граната (ГГГ) с размерами (ШхДхТ) 12000х4000х500(мкм). На поверхности пленки 1 ГГГ сформированы направленные друг на друга магнонные кристаллы-микроволноводы 2, 3 и микрорезонатор 4 с намагниченностью насыщения М0=139Гс.
Между резонатором и микроволноводами выполнен зазор g1=50 мкм. На микроволноводе 2 расположена входная микрополосковая антенна 8 для возбуждения ПМСВ, на микроволноводе 3 расположена выходная микрополосковая антенна 9 для приема ПМСВ.
На микрорезонаторе 4 расположен прямоугольный пьезоэлектрический элемент 5 из керамики на основе цирконата-титаната свинца, длина и ширина пьезоэлектрического элемента 5 равны длине и ширине микрорезонатора 4, на стороне пьезоэлектрического элемента, примыкающей к микрорезонатору 4, расположен титановый электрод 7, а на противоположной стороне - электрод из хрома 6. Внешнее магнитное поле H0=2350 Э направлено касательно вдоль оси у (см фиг. 1)
,
Ширина прямоугольной части микроволноводов w1=2500мкм, ширина усеченной боковой стороны микроволноводов w2=200 мкм, длина микроволноводов 4700 мкм. Микрорезонатор 4 и пьезоэлемент 5 имеют ширину w2=200 мкм и длину, равную 500 мкм.
Устройство функционирует следующим образом.
Входной микроволновый сигнал, частота которого должна лежать в диапазоне частот, определяемым величиной внешнего постоянного магнитного поля, подается на входную микрополосковую антенну 8. Далее микроволновый сигнал преобразуется в ПМСВ, распространяющуюся вдоль волновода 2, который имеет конфигурацию сужающегося по ширине магнонного кристалла. За счет диполь-дипольной связи при данном зазоре g1 происходит перекачка энергии ПМСВ в резонатор 4, а после ПМСВ переходит на волновод 3.
На фиг. 2 показаны результаты численного моделирования процесса распространения в данной структуре. Внешнее магнитное поле ориентировано вдоль оси Y. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) структуры без микрорезонатора (кривая 10), АЧХ структуры с микрорезонатором (кривая 11). Добавление микрорезонатора в систему приводит к эффекту, основанному на резонансе Фабри-Перро (ФП), возникающем при энергообмене распространяющейся спиновой волны (СВ) между микроволноводами и микрорезонатором, благодаря чему на АЧХ на фоне непрерывного спектра СВ появляются резонансы с центральными частотами с симметричным профилем и спектр СВ становится квазинепрерывным.
На фиг. 3 представлены результаты численного моделирования распространения волны в пьезоэлектрическом элементе при изменении величины внешнего электрического поля, приложенного к пьезоэлементу: АЧХ для случая, когда прикладывается положительное электрическое поле E=10 кВ/см (кривая 12) и АЧХ для случая, когда прикладывается отрицательное электрическое поле Е=-10кВ/см (кривая 13).
Из представленных результатов видно, что приложение электрического поля позволяет выполнять перестройку резонансных частот. Приложение положительного электрического поля смещает резонансные частоты в низкочастотную область, отрицательного - в высокочастотную. Данный эффект объясняется уменьшением значения внутреннего магнитного поля в случае положительной полярности и увеличением в случае отрицательной полярности внешнего электрического поля из-за упругих деформаций в пьезоэлементе ЦТС под действие электрического поля.
Из представленных результатов видно, что, изменяя величину приложенного напряжения на пьезоэлектрическом элементе, система имеет возможность перестройки резонансных частот.
Таким образом, представленные данные подтверждают достижение технического результата. За счет реализации структуры, состоящей из двух идентичных магнонных кристаллов и микрорезонатора, на котором расположен пьезоэлектрический элемент, имеется возможность управления модовым составом ПМСВ. При изменении величины внешнего электрического поля пьезоэлектрического элемента появляется возможность плавного управления полосой пропускания частот ПМСВ.