МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ФИЛЬТР С ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СЕЛЕКЦИЕЙ НА ОСНОВЕ ДВУМЕРНОГО МАГНОННОГО КРИСТАЛЛА
MULTICHANNEL FILTER WITH SPATIAL SELECTION BASED ON A TWO-DIMENSIONAL MAGNON CRYSTAL

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, в частности к приборам на магнитостатических волнах, и может быть использовано в качестве делителя мощности волнового пучка.
Известно устройство на магнонном кристалле (US 10033078, МПК H01F10/32, опубл. 24.07.2018), содержащее волновод со спиновой волной, структуру магнонного кристалла в волноводе со спиновой волной и магнитоэлектрическую ячейку, функционально связанную с кристаллической структурой магнона. Структура приспособлена для выборочной фильтрации спектральной составляющей спиновой волны. Магнитоэлектрическая ячейка содержит электрод для управления спектральной составляющей спиновой волны посредством взаимодействия, зависящего от управляющего напряжения, между магнитоэлектрической ячейкой и магнитным свойством магнонного кристалла.
Недостатком данного устройства является невозможность полной передачи энергии спиновой волны в одно из плеч.
Известен частотный фильтр на основе магнонного кристалла, используемый для управления частотой спиновых волн (WO 2009145579, МПК H03H2/00, опубл. 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.
-1
-1
Наиболее близким к патентуемому устройству является многоканальный фильтр СВЧ сигнала (см. патент РФ 2706441, H01P1/215, опубл. 19.11.2019), содержащий размещенную на подложке ферромагнитную пленочную структуру, сопряженную с входным и выходными преобразователями поверхностных магнитостатических волн (ПМСВ), источники управляющего внешнего магнитного поля. Структура образована пленкой железо - иттриевого граната (ЖИГ) и имеет форму прямоугольника, на коротких гранях которого вдоль длинной оси в теле пленки ЖИГ выполнены симметрично две локальные разделительные дорожки с образованием четырех площадок для размещения преобразователей поверхностных магнитостатических волн. Между концами разделительных дорожек по линии длинной оси прямоугольника образован магнонный кристалл, представляющий собой совокупность отверстий в пленке, размещенных с одинаковым периодом, выбранным из условия образования брэгговской запрещенной зоны в диапазоне волновых чисел от 100 см до 300 см.
Проблема, на решение которой направлено изобретение, состоит в построении многоканального фильтра с пространственной селекцией на основе двумерного магнонного кристалла.
Технический результат заключается в возможности управления режимом работы при передаче информации за счет изменения амплитуды и фазы спиновой волны.
согласно решению,
Проблема решается тем, что в фильтре СВЧ-сигнала, содержащем ферромагнитную пленку из железо-иттриевого граната, имеющую форму прямоугольника, расположенные на ней входной и выходные преобразователи магнитостатических волн, ряд отверстий, размещенных с одинаковым периодом в плёнке по линии продольной оси прямоугольника,  он содержит второй ряд отверстий в плёнке, идентичный первому, и образующий с первым рядом двумерный магнонный кристалл, при этом ряды отверстий расположены симметрично относительно центральной оси прямоугольника вдоль его краёв, причём период следования отверстий составляет 350-400 мкм.
Фильтр СВЧ-сигнала может иметь 40 отверстий по 20 в каждом ряду, диаметр отверстий в пленке составляет 200 мкм, а расстояние между центрами отверстий – 400 мкм.
Изобретение поясняется чертежами, где:
фиг. 1 – схематическое изображение микроволновода;
фиг. 2 – микроволновод, вид сбоку;
фиг. 3 – спектральные характеристики зависимости коэффициента прохождения волны от частоты на выходах преобразователей 6, 7, 8;
фиг. 4-6 – карты интенсивности МСВ распространяющейся в исследуемой структуре, при различных значениях частоты, полученные численным моделированием.
На чертежах позициями обозначено:
1 – микрополосковая антенна (входной преобразователь),
2 – пленка железо-иттриевого граната (ЖИГ),
3 – отверстия,
4 – магнонный кристалл (микроволновод),
5 – немагнитная подложка,
6, 7, 8 – выходные преобразователи поверхностных магнитостатических волн (ПМСВ),
9, 10, 11 – спектральные характеристики на выходе преобразователей 6, 7, 8 соответственно.
Фильтр СВЧ-сигнала содержит (фиг. 1 и 2) входной преобразователь 1, пленку железо-иттриевого граната 2 прямоугольной формы, в которой по линии длинной оси прямоугольника выполнены два ряда отверстий 3. При этом совокупность отверстий в плёнке образует двумерный магнонный кристалл 4 (микроволновод). Отверстия 3 размещены с одинаковым периодом 350 – 400 мкм. Входной преобразователь 1 и плёнка ЖИГ 2 размещены на немагнитной подложке 5, выполненной из ГГГ. На плёнке 2 расположены выходные преобразователи ПМСВ 6,7.8. Конструкция помещена в магнитное поле. Источник магнитного поля на чертеже не показан.
Общие размеры прямоугольного волновода: длина w = 8000 мкм, ширина d = 940 мкм, толщина h = 10 мкм. Ширина площадки a = 400 мкм, протяженность магнонного кристалла 4 - S = 7800 мкм, диаметр отверстий b = 200 мкм, область между массивами отверстий e = 1500 мкм.
Принцип работы патентуемого фильтра заключается в том, что входной СВЧ сигнал, частота которого должна лежать в диапазоне частот, определяемым величиной внешнего постоянного магнитного поля, подается на входной преобразователь 1. Далее сигнал преобразуется в ПМСВ, распространяющуюся вдоль микроволновода. В такой системе наблюдается перекачка спиновых волн из области между массивами отверстий в микроволновод. На графиках фиг. 4-6 показано как изменяется интенсивность распространения спиновой волны в зависимости от частоты. Следовательно, изменяя частоту сигнала можно добиться максимальной производительности прибора.
Частоты выбраны на основе графика, представленного на фиг. 3. Из спектра видно, что на частотах в диапазоне от 4.9 до 5.6 ГГц происходит основное распространение сигнала, а на частотах 5.1 и 5.5 ГГц сигнал распространяется активнее всего. Следовательно, и производительность прибора на этих частотах будет максимальная.
Далее на фиг. 4-6 представлены карты интенсивности МСВ распространяющейся в исследуемой структуре, для частот в диапазоне от 4.9 до 5.6 ГГц, полученные численным моделированием.
Из спектральных характеристик видно, что сигнал, приходящий на преобразователи 7, 8 отличается от сигнала, приходящего на преобразователь 6, следовательно, фильтром можно управлять, меняя значение частоты.
Таким образом, представленные данные подтверждают достижение технического результата, заключающегося в построении управляемого фильтра СВЧ мощности с возможностью передачи информации, меняя фазу и амплитуду спиновой волны.
Второй ряд отверстий даёт возможность создания трёх каналов с хорошим сигналом. Как показано на фиг. 3, сигнал проходит активно во всех трёх каналах со спектральными характеристиками 9, 10, 11. Это повышает эффективность сигнала и позволят улучшить его прохождение в микроволноводе.