Управляемый ответвитель СВЧ сигнала на магнитостатических волнах
CONTROLLED MICROWAVE SIGNAL COUPLER AT MAGNETOSTATIC WAVES

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, в частности к приборам на магнитостатических волнах и может быть использовано в качестве частотно-избирательного ответвителя мощности.
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.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 подложке пленку из железо-иттриевого граната (ЖИГ) и располагающиеся на пленке микрополосковые антенны, обеспечивающие возбуждение спиновых волн в пленке ЖИГ. Устройство может быть использовано в качестве n-портового направленного ответвителя на частотах, по меньшей мере, нескольких ГГц, а также фазовращателя.
Известен ответвитель, описанный в заявке JP 2003179413 (А) - MIC COUPLER, 27.06.2003. Он содержит ферритовую подложку с двумя волноводными линиями, клеммы на концах волноводов и электромагнит, который расположен на ферритовой подложке. При подаче тока на электромагнит, магнитное поле постоянного тока прикладывается к ферритовой подложке для генерирования явления электронного спина, что изменяет распределение электромагнитного поля в структуре ответвителя, т.е. уровень выходного сигнала. Магнит установлен на нерабочей поверхности ферритовой подложки.
Наиболее близким к патентуемому устройству является ответвитель мощности СВЧ сигнала на поверхностных магнитостатических волнах (ПМСВ) (RU66410 U1, 27.11.2016), содержащий плоскую подложку, расположенную на подложке линию передачи сигнала, входную антенну, первую и вторую выходные антенны. Подложка выполнена из галлий-гадолиниевого граната, линия передачи сигнала представляет собой две латерально связанные пленки ЖИГ с зазором между ними. Входная антенна расположена на одном конце, а первая выходная антенна расположена на другом конце первой пленки ЖИГ. Вторая выходная антенна расположена на конце второй пленки ЖИГ со стороны первой выходной антенны. Ответвитель содержит сегнетоэлектрический слой, расположенный на поверхности пленок ЖИГ между антеннами. Недостатком является необходимость создания электрического поля для изменения параметров сегнетоэлектрического слоя.
Проблема, на решение которой направлено изобретение, состоит в построении ответвителя СВЧ мощности на два выхода с возможностью управления режимом работы путем изменения направления внешнего магнитного поля.
Патентуемый ответвитель СВЧ сигнала на магнитостатических волнах содержит подложку из галлий-гадолиниевого граната с размещенными на ней с зазором двумя микроволноводами в форме параллельных удлиненных полосок равной ширины из пленок ЖИГ, антенну для возбуждения магнитостатических волн на одном конце одного микроволновода и антенны для приема магнитостатических волн, размещенные на противоположных концах обоих микроволноводов, элементы управления.
Отличие состоит в том, что элементы управления включают источник постоянного магнитного поля, выполненный с возможностью изменения величины и полярности магнитного поля, и магниточувствительный элемент для изменения связи между микроволноводами, выполненный в виде площадки из сплошной металлической пленки, размещенной поверх полосок из ЖИГ и перекрывающей обе полоски и зазор между ними, при этом площадка находится в магнитной связи с упомянутым источником магнитного поля, а размер площадки по длине составляет не менее 0,5 от длины полосок.
Ответвитель может отличаться тем, что длина полосок микроволноводов составляет 6 мм, ширина 0,2 мм, зазор между полосками 0,04 мм, при этом длина площадки составляет 4 мм, а ее ширина 0,44 мм, а также тем, что намагниченность насыщения пленок ЖИГ составляет М=139Гс, их толщина 10 мкм, толщина металлической пленки составляет 5-10 мкм.
Ответвитель может отличаться и тем, что площадка из сплошной металлической пленки нанесена через подслой из диэлектрика на полоску пленки из ЖИГ.
Технический результат - создание двухканального делителя мощности СВЧ сигнала с управлением частотным диапазоном деления и шириной полосы частот делителя посредством изменения параметров внешнего магнитного поля. Это дает возможность расширить функциональные возможности устройства.
Изобретение поясняется чертежами, где:
фиг. 1 - конструкция устройства;
фиг. 2 - зависимость длины связи от частоты при противоположных направлениях внешнего магнитного поля;
фиг. 3 - результаты численного эксперимента измерения интенсивности ПМСВ, распространяющейся в исследуемой структуре, при одинаковом значении частоты, но при противоположных направлениях внешнего магнитного поля;
фиг. 4 - экспериментально измеренная зависимость коэффициента прохождения от частоты для различных направлений приложенного внешнего магнитного поля.
Конструкция патентуемого ответвителя СВЧ сигнала на спиновых волнах представлена на фиг. 1. Позициями обозначены: антенна 1 для возбуждения магнитостатических волн; микроволноводы 2,3 в форме полосок из пленок железо-иттриевого граната (ЖИГ); антенны 4,5 для приема магнитостатических волн; подложка 6, площадка 7 из сплошной металлической пленки, размещенная поверх полосок из ЖИГ и перекрывающая обе полоски и зазор между ними. Источник внешнего постоянного магнитного поля на фиг. не показан.
Элементы электромагнитной связи выполнены в виде микроволноводной структуры для магнитостатических волн на подложке 6 из галлий-гадолиниевого граната (ГГГ). 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. На концах полоски микроволновода 3 выполнены микрополосковые антенны 1 и 4 для возбуждения и приема магнитостатических волн.
На конце микроволновода 2 размещена микрополосковая антенна 5 для приема ПМСВ, связанная с выходным портом.
Подложка 6 из пленки ГГГ имеет размеры (Ш×Д×Т) 440 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 пленки в области связи составляет 40 мкм. Намагниченность насыщения М=139Гс. Обозначим «первым каналом» микроволновод 2, «вторым каналом» - микроволновод 3. На системе латерально связанных микроволноводов расположены микрополосковые антенны 1,4,5, шириной 30 мкм для возбуждения и приема ПМСВ. Входная антенна 1 расположена в области одного конца микроволновода 2, выходная антенна 4 - в области другого конца микроволновода 2. Выходная антенна 5 расположена на конце микроволновода 3. Ширина микроволноводов 2 и 3 равна 200 мкм. Длина L каждого волновода 6000 мкм. Слой 7 металла покрывает область связи двух волноводов шириной 440 мкм и длиной 4 мм. Внешнее магнитное поле Но направлено касательно вдоль оси Y (см. фиг. 1).
Ответвитель функционирует следующим образом.
0
Входной СВЧ сигнал, частота которого должна лежать в диапазоне частот, определяемым величиной внешнего постоянного магнитного поля, подается на входную антенну 1. Далее сигнал преобразуется в ПМСВ, распространяющуюся вдоль микроволновода 3 (второй канал). В такой системе наблюдается перекачка спиновых волн из одного микроволновода в другой. Если слой 7 металла размещен рядом с латерально расположенными микроволноводами 2 и 3, то это повлияет на их дисперсионные характеристики: при изменении направления внешнего магнитного поля на 180° дисперсионная характеристика примет другой вид. Соответственно, возможно управлять режимом работы данного ответвителя изменяя направление внешнего магнитного поля Н.
0
На фиг. 2 представлена зависимость длины связи, которая рассчитывается как , где М - разница между волновыми числами первой симметричной и первой антисимметричной моды. Линией 8 показана указанная зависимость при распространении ПМСВ вдоль положительного направления оси X, а линией 9 - вдоль отрицательного направления оси X. Этого можно добиться путем изменения направления внешнего магнитного поля Н на 180°.
0
На фиг. 3 изображены результаты численного эксперимента измерения интенсивности ПМСВ, распространяющейся в исследуемой структуре, при одинаковом значении частоты, но при противоположных направлениях внешнего магнитного поля. Верхнее изображение соответствует направлению волны вдоль положительного направления оси X, нижнее изображение - вдоль отрицательного направления оси X. Видно, что длина связи изменилась при изменении направления внешнего магнитного поля Н, что свидетельствует о сильном влиянии слоя 7 металла на характер распространения ПМСВ в данной структуре.
0
0
На фигуре 4 приведена серия амплитудно-частотных характеристик, полученных при изменении направления внешнего магнитного поля Н, приложенного к структуре (вдоль положительного направления оси X - линия 10 и вдоль отрицательного направления оси X - линия 11). Провал на данной характеристике означает перекачку энергии из первого канала во второй. Видно, что при изменении направления внешнего магнитного поля Н изменяется и частотная область данного провала.
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 2, 3 разные частоты можно передавать и разделять многомодовые сигналы. За счет конечной ширины микроволноводов, ответвитель мощности на основе латерально связанной структуры работает в многомодовом режиме, что, в свою очередь, позволяет расширить функциональные возможности ответвителя в телекоммуникационных системах с большой плотностью информационного сигнала. В данном устройстве также реализован способ управления длиной связи путем изменения величины магнитного поля.
Таким образом, представленные данные подтверждают достижение технического результата, а именно возможность управления режимом работы ответвителя СВЧ мощности путем изменения направления внешнего магнитного поля, что позволяет расширить функциональные возможности устройств магнонной логики.