ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО НА ОСНОВЕ ФАЗОВРАЩАТЕЛЯ СВЧ СИГНАЛА НА МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ
LOGIC DEVICE BASED ON PHASE CHANGER OF MICROWAVE SIGNAL ON MAGNETOSTATIC WAVES

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, в частности к приборам на магнитостатических волнах и может быть использовано в качестве фазовращателя.
Известна конструкция дискретного полупроводникового фазовращателя проходного типа (RU 2639992 С1, Крисламов, 25.12.2017). Он выполнен на основе соединения отрезков линий передачи и управляющих элементов, преимущественно диодов. Вход и выход фазосдвигающей цепи фазовращателя соединены через управляющий элемент. Фазосдвигающая цепь фазовращателя содержит фильтр нижних частот в виде последовательного соединения отрезков линии передачи, к местам (точкам) соединения которых подключены шлейфы. Недостатком данного устройства является невозможность расширения полосы частот.
Известно логическое устройство для обработки сигналов (US 2007230858 (А1), INTEL CORPORATION, 04.10.2007), имеющее два оптических канала, расположенных внутри полупроводниковой матрицы. Компоненты оптического сплиттера объединены в конфигурацию интерферометра Маха-Цендера с помощью двух волноводных секций также расположенных в полупроводниковой матрице. Устройство работает путем расщепления прямых и обратных оптических волн на две части, распространяющихся вдоль первого и второго участков волноводной структуры, расположенные внутри полупроводниковой матрицы. На выходной волноводной секции получается либо конструктивно скомбинированные первая и вторая прямая оптическая волна, либо деструктивно скомбинированные первая и вторая оптическая волна. Недостатками данного устройства являются отсутствие возможности управления частотными характеристиками (перестройка частотного диапазона).
Наиболее близким к заявляемому устройству является логическое устройство (CN 104779342 (В), BEIHANG UNIVERSITY, 15.08.2017 - прототип), основанное на интерференции спиновых волн - поверхностных магнитостатических волн (ПМСВ) в мультиферроидном материале. Логическое устройство состоит из пяти функциональных зон, а именно зоны возбуждения спиновой волны, зоны частотного разделения спиновой волны, зоны регулирования и управления электрическим полем, зоны интерференции спиновых волн и зоны обнаружения спиновой волны. Функционирование логического устройства обеспечивается через среду передачи спиновой волны, регулирования дисперсионного соотношения спиновых волн в среде, направления передачи спиновой волны и изменения модели в случае внешнего магнитного поля или изменения внутреннего поля. Недостатком данного устройства является сложная конструкция, требующая введения дополнительного пьезоэлектрического слоя для управления электрическим полем.
Проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в упрощении конструкции и создании логического устройства на основе фазовращателя СВЧ сигнала на ПМСВ с управлением частотным диапазоном и шириной полосы частот посредством воздействия статическим магнитным полями и лазерным излучением при уменьшении размеров (до микроразмерной области).
Патентуемое логическое устройство на магнитостатических волнах содержит размещенный на подложке микроволновод из пленки железоиттриевого граната (ЖИГ), имеющий раздвоенную среднюю часть, размещенные на сплошных частях микроволновода входной и выходной преобразователи магнитостатических волн, элементы управления, источник внешнего магнитного поля.
Отличие состоит в том, что раздвоенная часть микроволновода выполнена в виде интерферометра Маха-Цендера, входной и выходной преобразователи магнитостатических волн в виде микрополосковых антенн размещены на оконечностях сплошных частей микроволновода, внешнее магнитное поле направлено по касательной к пленке из ЖИГ, при этом элементы управления выполнены в виде средств изменения намагниченности указанной пленки ЖИГ путем локального ее нагрева на раздвоенных частях микроволновода.
Устройство может отличаться тем, что локальный нагрев осуществляют лазерным излучением, в частности с длиной волны 532 нм.
Технический результат - создание логического устройства на основе фазовращателя СВЧ сигнала с управлением частотным диапазоном и шириной полосы частот фазовращателя посредством воздействия статическим магнитным полем и лазерным излучением при уменьшении размеров (до микроразмерной области) и упрощении конструкции по сравнению с ближайшим аналогом.
Изобретение поясняется чертежами, где:
фиг. 1 представлена конструкция устройства;
фиг. 2 - результат численного моделирования распространения волны в фазовращателе;
фиг. 3 - зависимость изменения набега фаз φ ПМСВ в диапазоне изменения величины намагниченности;
фиг. 4 зависимость изменения амплитуды ПМСВ при изменении величины намагниченности.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - подложка из пленки галлий-гадолиниевого граната (ГГГ); 2 - входная микрополосковая антенна; 3 - микроволновод на основе пленки ЖИГ; 4 - лазерный луч: 5 - выходная микрополосковая антенна; 6 - первое плечо раздвоенного микроволновода 3; 7 - второе плечо раздвоенного микроволновода 3.
0
Устройство содержит подложку 1, представляющую собой пленку галлий-гадолиниевого граната (ГГГ) с размерами (ШхДхТ) 400 мкм × 3500 мкм × 1500 мкм. На поверхности пленки ГГГ сформирован микроволновод 3 на основе пленки ЖИГ толщиной 7,7 мкм и намагниченностью насыщения M=139Гс, имеющий конфигурацию интерферометра Маха-Цендера. На микроволноводе 3 расположены микрополосковые антенны 2,5 шириной 30 мкм, обеспечивающие возбуждение и прием ПМСВ. При этом входная антенна 2 расположена на одной оконечности сплошной части микроволновода 3, а выходная антенна 5 - на другой оконечности сплошной части микроволновода 3. Локальный нагрев лучом 4 лазерного излучения, в частности с длиной волны 532 нм, проводится на каждое из плеч 6 и 7 раздвоенной части микроволновода 3, образующего интерферометр. Ширина микроволновода 3 составляет 400 мкм, длина - 4000 мкм. Внешнее магнитное поле Но направлено касательно вдоль оси у (см. фиг. 1).
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 2. Далее микроволновый сигнал преобразуется в поверхностную магнитостатическую волну (ПМСВ), распространяющуюся вдоль микроволновода 3, который имеет конфигурацию интерферометра Маха-Цендера и выполнен в виде двух микроволноводных секций: первого 6 и второго 7 плеч раздвоенного микроволновода 3. В результате расщепления ПМСВ на две части в первом и втором плечах волноводной структуры на выходной антенне 5, получается либо конструктивная интерференция ПМСВ, либо деструктивная интерференция ПМСВ. Частотная перестройка возможна за счет воздействия лучом 4 лазерного излучения на каждое из плеч 6 и 7 микроволновода 3, которое заключается в следующем. При воздействии лазерного излучения 4 на плечо 6 в результате нагрева в этой области изменяется величина внутреннего магнитного поля, вследствие этого можно управлять и фазовой характеристикой ПМСВ. Ввиду конечной ширины микроволновода 3 при распространении ПМСВ реализуется многомодовый режим.
x
0
На фиг. 2 показаны распределения компоненты намагниченности m демонстрирующие сдвиг фазы φ спиновой волны при воздействии на плечо 6 луча 4 лазерного излучения, в результате этого воздействия в области 6 происходит нагрев пленки ЖИГ 3 и вследствие чего уменьшается величина намагниченности. На фиг. 2(a) показан случай, когда локальный нагрев лазерным излучением отсутствует.Видно, что входной сигнал разделяется на две волны, далее на выходе из плеч 6 и 7 происходит интерференция двух волн, а также изменяется и длина волны. А в случае нагрева одного из плеч видно, что у выходного сигнала также изменяется и фаза. На фиг. 2 (б) приведен результат для случая, когда нагрев изменяет величину намагниченности до М=130 Гс.
При численном моделировании патентуемого фазовращателя получены зависимости, демонстрирующие изменение набега фаз φ ПМСВ (см. фиг. 3) и амплитуды ПМСВ (см. фиг. 4) при изменении величины намагниченности Мо в диапазоне от 139 Гс до 125 Гс.
Таким образом, представленные результаты подтверждают достижение технического результата - возможность реализации логического устройства на основе фазовращателя СВЧ сигнала с управлением частотным диапазоном и шириной полосы частот фазовращателя посредством воздействия статическим магнитным полем и локальным нагревом микроволновода лазерным излучением при уменьшении размеров (до микроразмерной области) и упрощении конструкции по отношению к ближайшему аналогу.