НЕЛИНЕЙНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ СВЧ СИГНАЛА НА СПИНОВЫХ ВОЛНАХ
NONLINEAR DIVIDER OF UHF SIGNAL POWER ON SPIN WAVES

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, в частности к приборам на магнитостатических волнах, и может быть использовано в качестве частотно-избирательного делителя мощности с нелинейным эффектом.
Известны устройства, являющиеся высокочастотными сумматорами и делителями мощности, в которых радиочастотный сигнал может быть эффективно объединен или разделен, когда содержится в излучаемых модах полых волноводов, а не в радиочастотных сигналах в линиях передачи (см, например, US 9490517 В2, Nuvotronics, Inc., 08.11.2016). Недостатком таких устройств является необходимость создания электрического поля для управления.
Известен делитель мощности, состоящий из входного плеча, подключенного через четвертьволновые отрезки линии передачи к выходным плечам, между которыми включены балластные резисторы, выполненные в виде отрезков линии передачи с потерями и соединенные в звезду, к общей точке которых подключен короткозамкнутый и заземленный на конце шлейф длиной меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона, при этом к каждому выходному плечу подключен короткозамкнутый и заземленный на конце шлейф, также меньше четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона (RU 2485641 С1, Новосибирский ГТУ, 20.06.2013). Недостатком данного устройства является узкая полоса частот работы делителя.
Известен делитель СВЧ сигналов (RU 173580 U1, АО НПО ЛЭЗ, 31.08.2017). Он содержит симметричный тройник, имеющий вход, два выхода, расположенные по разные стороны от входа на расстоянии, равном четверти длины волны, активное сопротивление, подключенное между выходами. Между корпусом радиатора и корпусом делителя введен диэлектрик, который имеет малое значение диэлектрической проницаемости.
Известен СВЧ двухканальный делитель, который содержит печатную плату, помещенную в корпус, обеспечивающий ее электромагнитное экранирование от внешнего пространства, и разъемы для подключения фидеров. Печатная плата выполнена из двусторонне фольгированного материала с толщиной диэлектрика 0,813 мм и толщиной металла 0,035 мм, а конфигурация печатных проводников и номиналы резисторов на печатной плате соответствуют конфигурации печатных проводников и номиналам резисторов (RU 171566 (U1), 06.06.2016) Недостатком обоих указанных выше устройств является невозможность перестройки.
Наиболее близким к заявляемому устройству является делитель СВЧ мощности с двумя выходами с регулируемым распределением мощности между выходами (RU 2623186 С2, ОАО "НПК "НИИДАР", 22.06.2017). Содержит разветвление на два выхода и регулирующие емкости. Разветвление выполнено в виде четырехшлейфного направленного ответвителя, в центрах шлейфов связи между токопроводящими проводниками размещены регулирующие емкости в виде разомкнутых шлейфов с управляемыми длинами. Технический результат заключается в улучшении стабильности коэффициента деления и ширины полосы согласования входа. Перераспределяющая (при сохранении хорошего согласования по входу) регулировка мощности между выходами осуществляется введением параллельной(ых) емкостной(ых) неоднородности(ей) в шлейфах связи выходов вблизи центров шлейфов. Однако диапазон работы такого делителя составляет до 500 МГц.
Устройства на магнитостатических волнах (МСВ) обладают возможностью перестройки параметров (коэффициенты передачи, время задержки) и частотных режимов работы за счет изменения как величины, так и угла магнитного поля (см., например, обзор «Магноника - новое направление спинтроники и спин-волновой электроники», УФН, т. 185, №10, 2015, с. 1099-1128). Так, известен ответвитель на МСВ (DE 4204299 (A1), Non-reciprocal waveguide coupler using magnetostatic surface waves -whose direction of propagation on epitaxial garnet film is at right angles to fundamental magnetic field, SIEMENS AG, 18.09.1993). Он содержит подложку из галлий-гадолиниевого граната, выращенную на данной подложке пленку из железо-иттриевого граната и располагающиеся на данной пленке микрополосковые антенны, обеспечивающие возбуждение спиновых волн в пленке железо-иттриевого граната. Устройство может быть использовано в качестве n-портового направленного ответвителя на частотах по меньшей мере нескольких ГГц, а также фазовращателя. Известен ответвитель (JP 2003179413 (А) - MIC COUPLER, 27.06.2003) - устройство иного назначения. Он содержит ферритовую подложку, две волноводные линии, лежащие на подложке, клеммы на концах волноводов и электромагнит, который расположен на ферритовой подложке. Когда ток подается на электромагнит, магнитное поле постоянного тока прикладывается к ферритовой подложке для генерирования явления электронного спина и изменяет распределение электромагнитного поля структуры ответвителя, т.е. уровень выходного сигнала. Магнит установлен на задней поверхности ферритовой подложки. Вместе с тем, ответвители, несмотря на схожесть конструктивных элементов, не выполняют функции делителя сигнала как самостоятельного функционального элемента СВЧ тракта.
Проблема, на решение которой направлено изобретение, состоит в построении делителя СВЧ мощности на два выхода в диапазоне нескольких ГГц с регулируемым распределением мощности между выходами, с управлением частотным диапазоном деления и шириной полосы частот делителя посредством изменения мощности подаваемого сигнала.
Патентуемый делитель мощности СВЧ сигнала содержит единый входной порт, первый и второй выходные порты, элементы электромагнитной связи.
Отличие состоит в следующем.
Элементы электромагнитной связи выполнены в виде микроволноводной структуры для магнитостатических волн на подложке из галлий-гадолиниевого граната, причем микроволноводная структура 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.
Свободный конец другой полоски размещен с торцевым зазором в направлении единого входного порта, а ее второй конец имеет отвод, на котором образована микрополосковая антенна для приема магнитостатических волн, связанная со вторым выходным портом.
Делитель может характеризоваться тем, что полоски пленки ЖИГ имеют длину L в диапазоне от 4000 до 6000 мкм, толщину t в диапазоне от 8 до 12 мкм и намагниченность М насыщения в диапазоне от 130 до 150 Гс.
Делитель может характеризоваться и тем, что ширина h полосок составляет от 150 до 250 мкм, преимущественно 200 мкм, а также тем, что ширина h полосок и зазор s между ними удовлетворяет условию: s меньше или равно 0,25 h.
Делитель может характеризоваться, кроме того, и тем, что полоски пленки ЖИГ имеют длину 5000 мкм, ширину 200 мкм, толщину 10 мкм и намагниченность насыщения М=139 Гс, а также тем, что микрополосковые антенны для возбуждения и приема магнитостатических волн имеют ширину 30 мкм, при этом ширина w отвода, на котором выполнена антенна для возбуждения магнитостатических волн, превышает ширину h полосок микроволноводов.
Технический результат - расширение функциональных возможностей двухканального микроволнового делителя мощности СВЧ сигнала с управлением частотным диапазоном деления и шириной полосы частот делителя посредством изменения мощности подаваемого сигнала.
Изобретение поясняется чертежами, где:
фиг. 1 - конструкция устройства;
фиг. 2 - результат экспериментального исследования зависимости коэффициента передачи от мощности входного сигнала;
фиг. 3 - результат экспериментального исследования перекачки энергии в зависимости от мощности входного сигнала.
фиг. 4 - схематическая карта режимов работы делителя мощности.
Конструкция патентуемого нелинейного делителя мощности СВЧ сигнала на спиновых волнах представлена на фиг. 1. Позициями на чертеже обозначены: антенна 1 для возбуждения магнитостатических волн; антенны 4, 5 для приема магнитостатических волн; микроволноводы 2, 3 в форме полосок из пленок железо-иттриевого граната (ЖИГ); подложка 6; единый входной порт 11; первый 41 и второй 51 выходные порты; отводы 12 и 42 полоски 2; свободный конец 31 и отвод 52 полоски 3.
Элементы электромагнитной связи выполнены в виде микроволноводной структуры для магнитостатических волн на подложке 6 из галлий-гадолиниевого граната. Микроволноводы 2, 3 выполнены на основе пленки ЖИГ в форме двух удлиненных полосок равной ширины h, размещенных параллельно друг другу с зазором s, выбранным из условия обеспечения режима многомодовой связи магнитостатических волн. Концы полоски микроволновода 2 имеют отводы 12 и 42, на которых образованы микрополосковые антенны 1 и 4 для возбуждения и приема магнитостатических волн, связанные соответственно с единым входным портом 11 и первым выходным портом 41.
Свободный конец 31 полоски микроволновода 3 размещен с торцевым зазором в направлении единого входного порта 11. Второй конец полоски микроволновода 3 имеет отвод 52, на котором образована микрополосковая антенна 5 для приема магнитостатических волн, связанная со вторым выходным портом 51.
0
Подложка 6, представляющая собой пленку галлий-гадолиниевого граната (ГГГ), имеет размеры (Ш×Д×Т) 740 мкм × 6000 мкм × 500 мкм. На поверхности пленки ГГГ сформирована система латерально связанных микроволноводов 2 и 3 из ЖИГ толщиной 10 мкм, расстояние между полосками пленками в области связи составляет 40 мкм. Намагниченность насыщения М=139 Гс. Назовем «первым каналом» микроволновод 2, «вторым каналом» - микроволновод 3. На системе латерально связанных микроволноводов расположены микрополосковые антенны 1, 4, 5, шириной 30 мкм, обеспечивающие возбуждение и прием магнитостатических волн. При этом входная антенна 1 расположена в области отвода 11 микроволновода 2, выходная антенна 4 расположена в области отвода 41 микроволновода 2, выходная антенна 5 расположена в области 51 микроволновода 3. Ширина отвода 12 в области возбуждения равняется 500 мкм, далее полоска микроволновода 2 сужается до 200 мкм. Ширина микроволновода 3 равна 200 мкм. Длина каждого волновода 6000 мкм. Внешнее магнитное поле H направлено касательно вдоль оси y (см. фиг. 1).
Принцип работы патентуемого делителя заключается в том, что входной микроволновый сигнал, частота которого должна лежать в диапазоне частот, определяемом величиной внешнего постоянного магнитного поля, подается на входную антенну 1. Далее микроволновый сигнал преобразуется в поверхностную магнитостатическую волну (ПМСВ), распространяющуюся вдоль микроволновода 2 (второй канал). Перестройка частоты возможна из-за нелинейного эффекта распространения спиновых волн. Путем увеличения мощности возможно управление характеристиками данного делителя. При увеличении мощности подаваемого сигнала происходит изменение формы внутреннего магнитного поля на микроволноводах 2, 3. Следовательно, возможно управлять разделением сигнала между микроволноводом 2 и микроволоноводом 3 путем изменения мощности этого сигнала.
0
0
Методом Мандельштам-Бриллюэновского рассеяния света (МБРС) проведено экспериментальное исследование особенностей распространения ПМСВ в изготовленном образце на частоте входного сигнала 2,24 ГГц. На фиг. 2 представлена карта распределения интенсивности ПМСВ при мощности Р=-25 дбмВт (а) и Р=23 дбмВт (б). Видно, что происходит перекачка спиновой волны из микроволновода 2 в микроволновод 3. Также наблюдается увеличение длины связи при увеличении мощности сигнала. Длина связи определяется как расстояние, на котором максимум интенсивности спиновой волны перекачается из микроволновода 2 в микроволновод 3.
На фиг. 3 показаны результаты экспериментального исследования: амплитудно-частотные характеристики делителя, полученные с помощью векторного анализатора цепей. Провал на амплитудно-частотной характеристике соответствует перекачке энергии из микроволновода 2 в микроволновод 3. Видно, что при изменении мощности входного сигнала, провал смещается по частотной оси, а именно линия 7 соответствует мощности 0 дБмВт, а линия 8 - мощности 19 дБмВт.
1
2
На фигуре 4 приведена схематическая карта режимов работы данного делителя, где область P означает, что сигнал выходит из микроволновода 2, а область Р - сигнал выходит из микроволновода 3. Линией 90 показан режим работы делителя при коэффициенте передачи Т=-3 дБ, при котором сигнал выходит из микроволновода 1. Коэффициент передачи характеризуется как . Режим работы делителя при коэффициенте передачи Т=0 дБ показан линией 91, в этом случае сигнал делится пополам между микроволноводами 2 и 3. А при коэффициенте передачи Т=3 дБ сигнал выходит из микроволновода 3, что показано линией 92.
Поскольку в ограниченной структуре мода сигнала на каждой частоте имеет свою определенную длину связи, которая является расстоянием, за которое сигнал из микроволновода 2 полностью перекачивается в микроволновод 3, то подавая на микроволноводы разные частоты можно передавать и разделять многомодовые сигналы. Таким образом, за счет конечной ширины микроволноводов делитель мощности на основе латерально связанной структуры работает в многомодовом режиме, что, в свою очередь, позволяет расширить функциональные возможности делителя в телекоммуникационных системах с большой плотностью информационного сигнала. В данном устройстве также реализован способ управления длиной связи путем изменения мощности сигнала.
Таким образом, представленные данные подтверждают достижение технического результата, а именно реализации двухканального микроволнового делителя мощности СВЧ сигнала с управлением частотным диапазоном деления и шириной полосы частот делителя посредством изменения мощности подаваемого сигнала. Таким образом, расширяются функциональные возможности устройства: частотно селективные свойства регулируются мощностью входного сигнала, что и обуславливает особенность этого устройства.