Умножитель частоты на тонкой магнитной пленке
FREQUENCY MULTIPLIER ON A THIN MAGNETIC FILM

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и предназначено для умножения частоты СВЧ сигналов в системах связи, радиолокации, радионавигации, различной измерительной и специальной радиоаппаратуре.
Известен умножитель частоты [патент РФ №2108656, опубл. 10.04.1998, Бюл. №10], содержащий каскадно соединенные входной и выходной микрополосковые фильтры и варакторные диоды, включенные параллельно им. Выходной резонатор входного фильтра является одновременно входным резонатором выходного фильтра, одна или обе половины его полоскового проводника замкнуты на землю через варакторные диоды. Первая резонансная частота выходного резонатора входного фильтра равна частоте входного сигнала, вторая резонансная частота равна частоте выходного сигнала. Первая резонансная частота входного резонатора входного фильтра равна частоте входного сигнала, третья резонансная частота выше частоты выходного сигнала, а входная мощность поступает в него в точке узла напряжения на частоте второго резонанса. Вторая резонансная частота выходного резонатора выходного фильтра равна частоте выходного сигнала, а выходной сигнал снимается с резонатора в точке узла напряжения на частоте входного сигнала. Первая резонансная частота выходного резонатора выходного фильтра равна частоте выходной мощности.
Недостатком конструкции известного устройства является низкая радиационная стойкость, так как в качестве нелинейного элемента в нем используется варакторный диод.
Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков является умножитель частоты [патент РФ №2734448, опубл. 16.10.2020, Бюл. №29], содержащий каскадно-соединенные входной и выходной микрополосковые фильтры, в которых выходной резонатор входного фильтра одновременно является входным резонатором выходного фильтра, его первая резонансная частота равна частоте входного сигнала, вторая резонансная частота выходного резонатора входного фильтра равна частоте выходного сигнала устройства, при этом резонансная частота выходного резонатора выходного фильтра также равна частоте выходного сигнала. В качестве нелинейного элемента в устройстве используется магнитная пленка, помещенная на полосковый проводник выходного резонатора входного фильтра. Устройство обладает повышенной радиационной стойкостью, так как в качестве нелинейного элемента в нем используется тонкая магнитная пленка.
Существенным недостатком конструкции-прототипа является низкий коэффициент преобразования (при частоте входного сигнала 1 ГГц и входной мощности 10 Вт коэффициент преобразования составляет всего 0.01%).
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение коэффициента преобразования устройства при сохранении радиационной стойкости.
1
1
Заявляемый технический результат достигается тем, что в умножителе частоты на тонкой магнитной пленке, содержащем экран, диэлектрическую подложку, отрезки микрополосковых линий и тонкую магнитную пленку, используемую в качестве нелинейного элемента, новым является то, что в нем в нем отрезки микрополосковых линий на диэлектрической подложке вместе с отрезком несимметричной воздушной полосковой линии образуют нерегулярный четвертьволновый резонатор, размеры полосковых проводников которого подобраны таким образом, что резонансная частота его второй моды колебания ровно в два раза выше резонансной частоты первой моды колебаний ƒ, а резонансная частота третьей моды колебаний некратна частоте ƒ, при этом тонкая магнитная пленка помещается между полосковым проводником и экраном в отрезке несимметричной воздушной полосковой линии, один конец которой соединен с экраном.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием нерегулярного четвертьволнового резонатора, в котором один конец отрезка несимметричной воздушной полосковой линии, содержащий тонкую магнитную пленку, соединен с экраном.
Существенным отличием является то, что размеры полосковых проводников четвертьволнового резонатора подобраны таким образом, что резонансная частота его второй моды колебания ровно в два раза выше резонансной частоты первой моды колебаний, а резонансная частота третьей моды колебаний некратна резонансной частоте первой моды колебаний.
Другим существенным отличием является то, что тонкая магнитная пленка помещается между полосковым проводником и экраном в отрезке несимметричной воздушной полосковой линии, один конец которой соединен с экраном.
Таким образом, перечисленные выше отличительные от прототипа признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».
Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
СВЧ
0
Сущность изобретения поясняется чертежами: на фиг. 1 показана конструкция заявляемого умножителя частоты на тонкой магнитной пленке; на фиг. 2 показана ориентация оси легкого намагничивания (ОЛН) тонкой магнитной пленки, а также направления высокочастотного Н и постоянного подмагничивающего Н магнитных полей в устройстве; на фиг. 3 приведена амплитудно-частотная характеристика умножителя частоты, на фиг. 4 приведена его передаточная характеристика.
1
1
СВЧ
0
СВЧ
0
Заявляемый умножитель частоты на тонкой магнитной пленке содержит (фиг. 1) металлическое основание (1), на котором помещена диэлектрическая подложка (2). На подложке (2) нанесены соединенные последовательно отрезки микрополосковых линий (3), (4) и (5). Отрезок микрополосковой линии (5) соединен с проводником (6) отрезка несимметричной воздушной полосковой линии. Второй конец полоскового проводника (6) соединен с основанием (1). Таким образом, полосковые проводники (3), (4), (5) и (6) образуют четвертьволновый резонатор, в точке соединения проводника (6) с основанием располагается пучность СВЧ магнитного поля, как для первой моды колебания резонатора, так и для второй. Под проводником (6) размещается тонкая магнитная пленка (ТМП), например, из пермаллоя, нанесенная на подложку (7). Длины и ширины проводников (3), (4), (5) и (6) подобраны так, чтобы отношение резонансной частоты второй моды колебаний резонатора к резонансной частоте первой моды ƒ равнялось 2, а резонансная частота третьей моды была некратна частоте ƒ. К полосковому проводнику (3) через емкость связи (8) подключается источник сигнала, а сигнал с удвоенной частотой снимается с полоскового проводника (5) через емкость связи (9). На фиг. 2 показана подложка (7) с тонкой магнитной пленкой и ориентация оси легкого намагничивания (ОЛН) тонкой магнитной пленки, а также направления высокочастотного Н и постоянного подмагничивающего Н магнитных полей в устройстве. Ориентация ОЛН тонкой магнитной пленки совпадает с направлением высокочастотного магнитного поля Н, создаваемого СВЧ током в полосковой линии (6, фиг 1). Внешним источником создается постоянное подмагничивающее поле H (фиг. 2) под углом ϕ к ОЛН.
1
1
1
1
1
Умножитель частоты на тонкой магнитной пленке работает следующим образом. Входная мощность сигнала с частотой ƒ поступает через емкость связи (8) на вход четвертьволнового резонатора (фиг. 1), образованного полосковыми проводниками (3), (4), (5) и (6). В четвертьволновом резонаторе возбуждаются электромагнитные колебания на его резонансной частоте ƒ, под действием которых происходят вынужденные колебания магнитного момента в ферромагнитной пленке, в спектре которых имеются частоты гармоник кратные частоте ƒ. Колебания магнитного момента в пленке создают переменный магнитный поток на всех гармониках, генерирующий электрические СВЧ колебания в полосковом проводнике резонатора. Однако наиболее эффективно генерируется сигнал в полосковом резонаторе от второй гармоники колебаний магнитного момента, так как ее частота 2ƒ совпадает с резонансной частой второй моды колебаний четвертьволнового резонатора. Выходная мощность сгенерированного сигнала, имеющего частоту 2ƒ, снимается через емкость связи (9).
1
80
20
k
0
1
1
Для иллюстрации работоспособности заявляемого устройства был изготовлен действующий макет умножителя частоты на тонкой магнитной пленке (фиг. 1). Использовалась диэлектрическая подложка (2) с относительной диэлектрической проницаемостью ε=3.55, толщиной 0.5 мм и размерами 16 мм × 25.6 мм. Отрезки микрополосковых линий (3), (4) и (5) имеют размеры 2.45 мм × 4.1 мм, 15.3 мм × 0.2 мм и 8.75 мм × 4.65 мм соответственно. Проводник (6) выполнен шириной 1 мм и длиной 5.9 мм. Устройство рассчитано на удвоение частоты входного сигнала ƒ=1 ГГц. Тонкая однослойная магнитная пленка пермаллоя состава NiFe, толщиной 100 нм, полученная методом вакуумного осаждения на стеклянную подложку толщиной 0.5 мм, располагалась между проводником (6) и металлическим основанием (1). Одноосная магнитная анизотропия в плоскости ТМП наводилась планарным постоянным магнитным полем, приложенным во время осаждения пленки, при этом величина наведенного поля анизотропии H=3.3 Э. Постоянное однородное подмагничивающее поле H=7.2 Э подавалось под углом ϕ=35° к оси легкого намагничивания ТМП. В качестве емкостей связи (8) и (9) использованы конденсаторы поверхностного монтажа номинальной емкостью 0.5 пФ для обеспечения необходимой степени связи четвертьволнового резонатора с внешними линиями передачи. Общие размеры устройства составили 16 мм × 31.5 мм. Для подавления высших гармоник СВЧ генератора при проведении испытаний он подключался к входу устройства через узкополосный полосовой фильтр с центральной частотой 1 ГГц, а выход устройства подключался к анализатору спектра. На фиг. 3 приведена амплитудно-частотная характеристика умножителя. Видно, что резонансная частота второй моды колебаний умножителя ровно в два раза выше резонансной частоты первой моды колебаний ƒ, а резонансная частота третьей моды колебаний не кратна ƒ. На фиг. 4 приведена передаточная характеристика умножителя, показывающая зависимость выходной мощности сигнала на частоте второй гармоники 2 ГГц от мощности входного сигнала на частоте 1 ГГц. При входной мощности 2150 мВт выходная мощность составила 17.6 мВт, что соответствует коэффициенту преобразования устройства равному 0.8% (коэффициент преобразования конструкции прототипа в 80 раз меньше - 0.01%).