РЕГУЛИРУЕМАЯ СВЧ ЛИНИЯ ЗАДЕРЖКИ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ
ADJUSTABLE MICROWAVE DELAY LINE ON SURFACE MAGNETOSTATIC WAVES

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве функционального элемента для обработки сигналов в широкополосных СВЧ системах различного назначения.
Известно, что устройства на магнитостатических волнах - поверхностных (ПМСВ), прямых объемных (ПОМСВ), обратных объемных (ООМСВ), распространяющихся в пленках ферритов, перспективны для целей обработки СВЧ сигналов в диапазоне единиц - десятков ГГц. Описаны различные устройства для этой цели, в том числе с использованием различных регулирующих элементов, позволяющих влиять на характеристики МСВ. Так, известна перестраиваемая линия задержки на ООМСВ (US 3353118, Olson et al., 1967), содержащая монокристаллический ферримагнитный стержень, выступающий в качестве среды передачи СВЧ сигнала и имеющий входной и выходной СВЧ преобразователи, средства для создания магнитного поля в продольном направлении стержня и средство для изменения величины указанного магнитного поля для перестройки времени задержки. В устройстве (US 3935550, Adam, et al., 1976) магнитостатическая линия задержки (на основе тонкой ферримагнитной пленки) с линейной зависимостью времени задержки от частоты сигнала используется для компенсации дисперсии сигнала во внешнем СВЧ тракте. Изменение величины подмагничивающего поля позволяет регулировать время задержки сигнала.
Описано устройство (US 4400669, Daniel et al., 1983), использующее распространение ПМСВ в пленке железоиттриевого граната (ЖИГ) заданной толщины, помещенной в постоянное магнитное поле. Оно включает два преобразователя для возбуждения и приема ПМСВ в пленке и металлический экран, размещенный между преобразователями. С помощью выбора зазора между поверхностью магнитной пленки и металлическим экраном обеспечивается повышение линейности зависимости групповой задержки от частоты.
Известна также линия задержки на ООМСВ (US 4605911, JIN KORDA, 1986), включающая каскад элементов, работающих на различных модах волны с целью получения бездисперсионной линии задержки, и магнитную систему, обеспечивающую равномерный магнитный поток, для управления временем задержки. Описана линия задержки на МСВ (RU 2045814, Вызулин и др., 1995), в которой магнитная система создает неоднородное магнитное поле, приложенное перпендикулярно поверхности ферритовой пленки, и также отличается расположением входной антенны под углом к продольной оси линии задержки, при этом выходная антенна расположена на каустике принимаемой волны. Однако возможность изменения времени задержки сигнала в такой конструкции не описана.
Следует отметить, что вышеуказанные устройства на МСВ обладают общим недостатком - изменение времени задержки СВЧ сигнала требует дополнительного потребления магнитной системой постоянного электрического тока. Известно также регулирование параметров устройств на МСВ (вносимых потерь, времени задержки) путем взаимного поступательного перемещения подложек с преобразователями (см., например, SU 1552958, Кубанский ГУ, 27.01.2001; SU 1596426, ЛПИ им. Калинина, 30.09.1990), что технологически сложно, а кроме того, одновременно нецелевым путем изменяет конфигурацию магнитного поля и его неоднородность.
Частично указанный недостаток может быть устранен посредством механически перемещаемого постоянного магнита. Так, описана регулируемая линия задержки на ПМСВ в конструкции генератора (US 4028639, Hagon, Haworth, 1977 - прототип), которая используется в качестве фазовращателя в цепи обратной связи. Перестройка частоты генератора осуществляется с помощью винта, изменяющего расстояние между полюсами магнита и, как следствие, полосу частот, в которой возможно распространение ПМСВ. При этом расстояние между входным и выходным преобразователями ПМСВ может механически изменяться для обеспечения возможности подстройки фазы прошедшего через линию задержки сигнала. Недостатком этой конструкции является необходимость использования прецизионных механических систем для перемещения как полюса магнитной системы (в этом случае может потребоваться приложение значительных механических усилий), так и микрополоскового преобразователя.
Настоящее изобретение направлено на усовершенствование регулируемой линии задержки на поверхностных магнитостатических волнах.
Патентуемая регулируемая СВЧ линия задержки на магнитостатических волнах содержит установленную неподвижно на основании диэлектрическую подложку с расположенными на ней параллельно и разнесенными друг от друга микрополосковыми преобразователями поверхностных магнитостатических волн (ПМСВ), и магнитоактивный элемент, выполненный в виде прямоугольной пластины из диэлектрика с нанесенной на одну сторону пленкой железоиттриевого граната (ЖИГ), связанный со средством перемещения относительно основания и обращенный пленкой к преобразователям ПМСВ, постоянный магнит подмагничивания, размещенный в зоне нахождения магнитоактивного элемента.
Отличие состоит в том, что на свободной поверхности пленки ЖИГ магнитоактивного элемента образована периодическая структура в виде ряда канавок одинакового размера, средство перемещения магнитоактивного элемента относительно основания выполнено с возможностью вращения в плоскости диэлектрической подложки, при этом наименьшее время задержки соответствует положению продольной оси канавок, параллельной оси преобразователей ПМСВ, а постоянный магнит расположен так, что вектор поля подмагничивания лежит в плоскости диэлектрической подложки и соосно микрополоскам преобразователей ПМСВ.
Линия задержки может характеризоваться тем, что пленка железоиттриевого граната имеет намагниченность насыщения 600-1800 Гс, а ее толщина составляет 6-20 мкм, а также тем, что канавки имеют период 5-15 мкм, ширину 2-6 мкм, а их глубина составляет 0,05-0,2 толщины пленки.
Технический результат изобретения - возможность управления временем задержки СВЧ сигнала без изменения величины поля и положения постоянного магнита за счет изменения внутреннего магнитного поля в пленке железоиттриевого граната.
Существо изобретения поясняется на фигурах, где на
фиг. 1 показана конструкция линии задержки на ПМСВ;
фиг. 2 - форма и размеры канавок поверхностной периодической структуры, вид по стрелке А;
фиг. 3 - топология структуры, вид сверху;
фиг. 4 - построенные на основе экспериментальных измерений дисперсионные зависимости ПМСВ для различных величин угла φ;
фиг. 5 - осциллограммы сигналов ПМСВ, распространяющихся в макете линии задержки с расстоянием между микрополосковыми преобразователями 4 мм, полученные при величине постоянного магнитного поля 700 Э и различных величинах угла φ.
Конструкция устройства представлена на фиг. 1, где 1 - диэлектрическая подложка, установленная неподвижно на основании (не показано); 2 - микрополосковая линия, 3 и 4 - входной и выходной преобразователи, 5 - прямоугольная пластина из диэлектрика; 6 - пленка ЖИГ; 61 - канавки поверхностной периодической структуры; 62 - продольная ось канавок 61; 7 - средство перемещения пластины 5 с пленкой 6 ЖИГ; 8 - постоянный магнит. Поз. 9 показано направление поля Н подмагничивания, создаваемого магнитом 8.
Поверхностная периодическая структура выполнена на пленке 6 ЖИГ в виде параллельных канавок 61, глубина которых составляет 0,05-0,2 толщины пленки 6. Канавки 61 размещены параллельно оси 62 протяженной структуры, на концах которой расположены преобразователи 3, 4, подключенные к тракту СВЧ посредством микрополосковых линий 2.
Пленка ЖИГ имеет толщину s=6-20 мкм с намагниченностью насыщения 1600-1800 Гс. Канавки имеют период d=5-15 мкм, ширину w=2-6 мкм и глубину h=0,4-l,3 мкм, при этом источник постоянного магнитного поля обеспечивает напряженность не менее 700 Э. Вращение пластины 5 осуществляется с помощью средства 7 перемещения.
Устройство функционирует следующим образом. Пластина 5 с пленкой 6 ЖИГ с поверхностной структурой в виде канавок 61 помещается на подложке 1, где образованы входной и выходной микрополосковые преобразователи 3,4. Ось 62 канавки перпендикулярна направлению Н постоянного магнитного поля магнита 8 (угол φ между осью канавки и направлением равен 90 град). В такой геометрии внутреннее магнитное поле в областях между соседними канавками оказывается неоднородным вследствие возникновения полей размагничивания (Amikam Aharoni, "Demagnetizing factors for rectangular ferromagnetic prisms" // J. Appl. Phys. 83 (1998) 3432), при этом область неоднородности распространяется на всю толщину пленки, так что внутреннее магнитное поле в пленке ЖИГ становится периодически неоднородным на всем пути распространения ПМСВ.
Дисперсионная зависимость ПМСВ для этого случая представлена на фиг. 4, где величины φ указаны около кривых. При изменении величины угла φ степень неоднородности внутреннего поля уменьшается, что приводит к изменению наклона дисперсионной кривой ПМСВ и, соответственно, к изменению на фиксированной частоте величины групповой скорости ПМСВ.
Известно, что время задержки сигнала t определяется выражением t=L/V, где L -длина пробега, V - групповая скорость, V=dq/df. Следовательно, при изменении угла φ время задержки сигнала будет изменяться вследствие изменения величины групповой скорости ПМСВ. На фиг. 5 приведены осциллограммы ПМСВ для различных величин угла φ. Видно, что при повороте пластины 5 с канавками 61 задержка изменяется с 400 нс при φ=90° до 50 нс при φ=35°.
Таким образом, представленные данные свидетельствуют о достижении технического результат изобретения - возможности управления временем задержки СВЧ сигнала в полосе частот без изменения величины поля подмагничивания за счет изменения внутреннего магнитного поля в пленке железоиттриевого граната при изменении угла между направлением постоянного магнитного поля и продольной осью канавок. Такая возможность расширяет набор функций устройств на спиновых волнах, перспективных для обработки СВЧ сигналов.