СВЧ ЭЛЕМЕНТ НА ЭПИТАКСИАЛЬНОЙ СТРУКТУРЕ

Заявляемая полезная модель относится к области СВЧ техники и может быть использована при создании спин-волновых приборов (приборов на магпитостатических спиновых волнах - МСВ): линий задержки, фильтров и резонаторов, ограничителей уровня мощности и других приборах, реализующих обработку СВЧ информации с использованием тонких магнитных пленок, например, пленок железоиттриевого феррограната (ЖИГ).
Основными требованиями, которые предъявляются к рассматриваемым элементам, являются выполнение одномодового режима работы, простота обеспечения одномодового режима и устойчивость параметров при изменении внешних воздействий.
Известно устройство на МСВ (авт.свидетельство №1737702), использующееся в устройствах задержки и обработки сигналов на СВЧ в монокристаллических ферромагнитных эпитаксиальных пленках ЖИГ.
Устройство содержит подложку из галлий-гадолиниевого граната, пленку ЖИГ и размещенные па ее поверхности преобразователи и поглотители.
Это устройство имеет два недостатка, ограничивающих его практическое применение.
Первый - не предусмотрена термостабилизация устройства.
Второй- сложность получения одномодового режима распространения МСВ. Из-за технологии получения поглотителей, т.к. она требует строго контролируемого режима диффузионного легирования пленки ЖИГ, что в свою очередь приводит к малому проценту выхода годных изделий.
В авторском свидетельстве №1688319 «СВЧ - элемент на эпитаксиалыюй ферритовой структуре» предлагается устранить один из вышеназванных недостатков - отсутствие
термостабильности путем термобиметаллической пластины на другой стороне монокристаллической галлий-гадолиниевой подложки.
Однако введение такой пластины не только осложняет конструкцию, но, что главное, нарушает условие, обеспечивающее одномодовый режим, изменяющийся ввиду изменения волноведущей конструкции элемента.
Наиболее близким аналогом является изобретение «Термостабильный вкладыш на эпитаксиальной ферритовой структуре для СВЧ устройств» (авт.свидетельство №1762350), взятое нами за прототип.
В устройстве пленка ЖИГ размещена на поверхности диэлектрической подложки из галлий-гадолиниевого граната, па противоположной стороне которой жестко закреплена пластина из диэлектрического материала - кварцевого стекла - температурный коэффициент которой меньше, чем температурный коэффициент расширения подложки.
Данное устройство значительно проще предыдущего аналога и позволяет приблизиться к одномодовому режиму при распространении МСВ.
Недостатками данного устройства являются: наличие клеевого слоя между монокристаллической подложкой и диэлектрической кварцевой пластиной и их заданная ровная толщина. Оба эти фактора в совокупности приводят к тому, что заранее нельзя обеспечить необходимую и достаточную величину термокомпепсации, а технология клейки не позволяет добиться требуемой повторяемости термостабилизации от образца к образцу.
Целью заявляемой полезной модели является упрощение конструкции СВЧ элемента на эпитаксиальной структуре при снижении его стоимости и, как следствие, увеличение областей применения элемента.
Эта цель достигается тем, что эпитаксиальная пленка иттриевого феррограната, нанесенная на подложку, выполнена с уменьшением толщины пленки по ее краям, а сама подложка изготовлена из керамического СВЧ материала, температурный коэффициент
жиг
n
жиг
жиг
n
расширения которой должен лежать и пределах 0,98 ТКР<ТКР<1,02 ТКР, где ГКР - коэффициент линейного расширения материала ЖИГ пленки, a TKP - то же для керамической подложки.
Предложенную модель иллюстрируют:
Фиг.1, на которой изображена конструкция предлагаемого СВЧ элемента;
Фиг.2, которая иллюстрирует эффект формирования одномодового режима работы элемента;
Фиг.3, которая иллюстрирует эффект температурной стабилизации.
В предлагаемом устройстве (Фиг.1) изображены
1) - Пленка ЖИГ
2) - Участок пленки с уменьшаемой толщиной
3) - Преобразователь электромагнитной волны в МСВ
4) - Подложка из керамического СВЧ материала
5) - Металлическая заземляющая поверхность
6) - Направление намагничивающего поля Н
7) - Участок пленки с уменьшенной толщиной
8) - Преобразователь МСВ в электромагнитную волну
жиг
n
жиг
В процессе изготовления СВЧ элемента подложка (4) выбиралась из керамического СВЧ материала, например, корунда с добавками или без добавок, толщиной 0,5 мм и выбором остальных размеров в зависимости от применения в конкретных МСВ приборах; температурный коэффициент расширения подложки должен лежать в пределах 0,98 ТКР<ТКР<1,02 ТКР.
Участки (2) и (7) с уменьшенной толщиной пленки ЖИГ формируется при эпитаксии в едином технологическом процессе.
Устройство работает следующим образом.
Преобразователь (3) возбуждает магнитостатическую волну - МСВ в пленке ЖИГ (1), МСВ распространяется в пленке (1), а в преобразователе (8) МСВ возбуждает электромагнитную волну для се последующей обработки.
В пленке ЖИГ (1) в едином технологическом цикле формируются участки пленки (2) и (7) с уменьшенной по сравнению с пленкой (1) толщиной.
Участки (2) и (7) имеют дисперсионные зависимости, отличающиеся от остальной части пленки (1). Вследствие этого происходит затухание МСВ неоднородных типов волн, а основная волна приобретает одномодовый режим распространения при одновременном увеличении спектрального диапазона. При изменении температуры в пленке ЖИГ происходит изменение эффективных полей анизотропии; при этом, т.к. температурные коэффициенты подложки и пленки ЖИГ различны, изменение упругих деформаций подложки компенсируют эффективные поля анизотропии пленки ЖИГ и приводят к стабилизации температурных изменений (например, частотных уходов элемента).
Фиг.2 иллюстрирует эффект формирования одномодового режима работы элемента.
Где (а) - одномодовый режим, характеристика имеет гладкую частотную зависимость;
(б) - многомодовый режим, характеристика имеет изрезанную частотную зависимость за счет других мод;
Фиг.3 иллюстрирует эффект температурной стабилизации, где
(1) - температурная зависимость ухода частоты с термокомпенсацией при использовании в качестве подложки керамического СВЧ материала с характеристикам» температурного коэффициента расширения ТКР, отвечающего приведенному выше состоянию;
(2) - уход частоты без термокомпенсации.
Технический результат при осуществлении предлагаемой полезной модели заключается:
-6
1. В обеспечении регулируемой и заранее заданной термостабилизации за счет выбора пределов по ТКР. Экспериментальные данные (Таблица 1) приведены для расширенного диапазона значений ТКР в рамках выбранных пределов. Критерием взято изменение частоты устройства ΔF (фиг.2), при этом допустимое значение ΔF не должно превышать значение ширины полосы пропускания, в нашем случае 10 МГц. Начальное значение ТКР пленки принято равным α=12*10 1/град.
Таблица 1
ТКР относит.
0,96
0,97
0,98
0,99
1
1,01
1,02
1,03
ΔF, МГц
19
11
5
2
0
4
8
13
2. В исключении в качестве подложки монокристаллического материала из галлий-гадолиниевого граната на дешевый (на порядок) поликристаллический керамический СВЧ; материал с широким и варьируемым диапазоном ТКР;
3. В применении простой технологии по эпитаксии ЖИГ пленки с уменьшенной по краям толщиной пленки;
4. В создании СВЧ элемента для устройств на МСВ, имеющего широкие функциональные возможности вследствие реализации одномодового (существенно снижающего помехи) режима и термостабильного в работе устройства при одновременном упрощении и удешевлении его конструкции.
5. Эти обстоятельства расширяют сферу применения СВЧ элемента в устройствах широкого применения (например, сотовой связи, цифровом телевидении и других областях СВЧ техники).