УСИЛИТЕЛЬ СВЧ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ
MAGNETOELECTRIC SHF AMPLIFIER

Изобретение относится к области электроники и позволяет усилить сверхвысокочастотный (СВЧ) сигнал наиболее простым и дешевым способом, уменьшить габариты изделия, улучшить технологичность. Использование в технике СВЧ для усиления СВЧ сигналов.
Основное применение усилителей СВЧ заключается в усилении сигнала с минимальным уровнем вносимых искажений и шумов. Усилители СВЧ применяются в телекоммуникации и связи, радиолокации, системах космической связи, радиоастрономии, системах высококачественного телевидения, радионавигации и т.п.
Известен аналог предлагаемого усилителя СВЧ, где используется конструкция, состоящая из циркулятора, фильтра нижних частот, резонатора, параметрического диода, полосового фильтра и генератора накачки [1] (стр.199).
Недостатком аналога является то, что усилитель имеет сложную конструкцию, большие габариты, сложен и дорог в изготовлении и настройке.
Наиболее близким по техническому решению, принятому за прототип, является известный в технике СВЧ-усилитель на основе феррита [2] (стр.563). Конструкция прототипа состоит из двух дисков, изготовленных из монокристалла марганцевого феррита, расположенных в центре полоскового резонатора по обе стороны от центрального проводника.
Недостатком прототипа является то, что он имеет сложную конструкцию, большие габариты, сложен и дорог в изготовлении и настройке.
Задачей изобретения является усиление СВЧ сигналов наиболее простым и дешевым способом, уменьшение габаритов изделия, улучшение технологичности.
Для решения данной задачи предложен усилитель СВЧ магнитоэлектрический, содержащий микрополосковую диэлектрическую подложку с установленным на ней элементом преобразования энергии, в котором для усиления СВЧ сигнала в конструкции микрополоскового резонатора расположен магнитоэлектрический планарный элемент, работающий в области магнитоакустического резонанса, установленный в микрополосковую подложку и расположенный под микрополосковым резонатором с размером 1/2 длины волны усиливаемого сигнала и с двумя шлейфами 1/8 и 3/8 длины волны усиливаемого сигнала, соединенный с одной стороны через полосно-пропускающий фильтр частоты накачки с входом генератора накачки, а с другой стороны через полосно-пропускающий фильтр частоты усиливаемого сигнала и циркулятор со входом и выходом СВЧ сигнала, постоянный магнит расположен около магнитоэлектрического элемента.
Для пояснения предлагаемого изобретения предложены следующие изображения:
Фиг.1. Топология усилителя - вид сверху, где:
1 - вход СВЧ сигнала;
2 - циркулятор;
3 - выход СВЧ сигнала;
4 - диэлектрическая подложка;
5 - полосно-пропускающий фильтр на частоту сигнала;
6 - микрополосковый резонатор;
7 - магнитоэлектрический элемент;
8 - магнит;
9 - два шлейфа 1/8 и 3/8 длины волны усиливаемого сигнала;
10 - полосно-пропускающий фильтр на частоту накачки;
11 - вход СВЧ сигнала генератора накачки.
Фиг.2. Магнитоэлектрический элемент - вид в разрезе, где:
12 - металлизация;
13 - пьезокерамическая пленка;
14 - пленка железо-итриевого граната;
15 - подложка галлий-гадолиниевого граната.
Фиг.3. Амплитудно-частотная диаграмма.
Фиг.4. Структурная схема устройства.
Принцип действия магнитоэлектрического усилителя СВЧ основан на свойствах магнитоэлектрического материала, которые характеризуются магнитоэлектрическим (МЭ) взаимодействием, численно выражаемым через МЭ восприимчивость или МЭ коэффициент. Магнитоэлектрические взаимодействия в твердых телах приводят к изменению магнитных характеристик вещества под действием электрического поля и изменению электрических характеристик вещества под действием магнитного поля. Такие взаимодействия обнаружены в монокристаллах и в искусственных композитных материалах, обладающих одновременно как электрическим, так и магнитным упорядочением. Магнитоэлектрический коэффициент в композитном феррит-пьезоэлектрическом элементе вычисляется следующим образом [3]:
a
ME
кoмпoзит
композит
композит
фeppит
пьeзoэлeктpuк
=(dE/dH)=(dx/dH)(dE/dx)=(dx/dH)(dE/dx),
FMR
EMR
2FMR
где H, E - это напряженности магнитного и электрического полей, dx/dH характеризует изменение размеров материала в магнитном поле в результате магнитострикции, dE/dx - величина, характеризующая изменение размеров элемента в электрическом поле из-за пьезоэлектрического эффекта. В конструкции создается внешнее подмагничивающее поле, создаваемое магнитами. Магнитное поле настраивается таким образом, чтобы вызвать резонанс на частоте однородной прецессии (f) ферритовой компоненты МЭ элемента. В качестве внешнего генератора накачки может быть выбран любой удовлетворяющий заданным требованиям прибор. Работа прибора возможна в двух режимах. Первый режим (фиг.3a), когда частота сигнала совпадает с частотой однородной прецессии ферритовой компоненты МЭ элемента. Частота накачки равна удвоенной частоте сигнала и совпадает с частотой электромеханического резонанса (f). Накачка осуществляется посредством магнитоэлектрического преобразования электрической составляющей энергии СВЧ-поля в магнитную энергию однородной прецессии. Для более эффективного взаимодействия конструкция МЭ элемента рассчитывается так, чтобы сигнал совпадал с частотой магнитоакустического резонанса (MAP). Частота MAP зависит от толщины пленки пьезоэлектрика в составе МЭ элемента [4]. За счет электромеханического резонанса (ЭМР) на частоте накачки происходит преобразование энергии на частоту ферромагнитного резонанса и далее, усиление сигнала. В устройстве имеется резонатор, настроенный на частоту сигнала. Резонатор служит для повышения добротности системы. Сигнал через циркулятор и полосно-пропускающий фильтр (ППФ) поступает на МЭ элемент, установленный в резонаторе, усиливается и затем, отражаясь, возвращается через ППФ на циркулятор и попадает на выход устройства. Второй режим (фиг.3б), когда частота сигнала совпадает с частотой электромеханического резонанса пьезоэлектрической компоненты МЭ элемента и с частотой однородной прецессии ферритовой компоненты (ФМР) МЭ элемента. Частота накачки равна удвоенной частоте сигнала и совпадает с удвоенной частотой однородной прецессии ферритовой компоненты МЭ элемента (f). За счет нелинейных свойств феррита происходит преобразование энергии с частоты накачки на частоту сигнала. Для более эффективного взаимодействия магнитной и электрической компонент СВЧ-поля на частоту сигнала настроены частота ФМР и частота ЭМР МЭ элемента. Посредством магнитоэлектрического преобразования осуществляется преобразование энергии на частоте сигнала. Для более эффективного взаимодействия конструкция МЭ элемента рассчитывается так, чтобы сигнал совпадал с частотой магнитоакустического резонанса (MAP). Таким образом происходит усиление сигнала. Резонатор настроен на частоту сигнала. Сигнал через циркулятор и полосно-пропускающий фильтр (ППФ) поступает на МЭ элемент, установленный в резонаторе, усиливается и затем, отражаясь, возвращается через ППФ на циркулятор и попадает на выход устройства.
На сегодняшний день усилители СВЧ разрабатываются с использованием немагнитоэлектрических эффектов. Известно также, что разработаны достаточно эффективные магнитоэлектрические материалы, которые можно использовать для создания магнитоэлектрического усилителя СВЧ.
Устройство состоит из микрополосковой диэлектрической подложки 4 с установленным в ней магнитоэлектрическим элементом 7, расположенным под микрополосковым резонатором 6 с размером 1/2 длины волны усиливаемого сигнала и с двумя шлейфами 1/8 и 3/8 длины волны усиливаемого сигнала 9, соединенный с одной стороны через полосно-пропускающий фильтр частоты накачки 10 со входом генератора накачки 11, а с другой стороны через полосно-пропускающий фильтр частоты усиливаемого сигнала 5 и циркулятор 2 со входом 1 и выходом СВЧ сигнала 3, постоянный магнит 8 расположен около магнитоэлектрического элемента. Магнитоэлектрический элемент выполнен из композиционного объемного или слоистого материала, имеющего магнитоэлектрические свойства, например состава феррит - пьезокерамика, с различным процентным содержанием ферритовых и пьезоэлектрических компонентов (фиг.2).
Устройство работает следующим образом. Устройство предварительно помещено в постоянное подмагничивающее поле определенного значения и определенной ориентации. На вход 1 подается СВЧ сигнал (фиг.1). Затем через циркулятор 2 и ППФ 5 сигнал поступает на резонатор 6 с установленным под ним, в подложке, МЭ элементом 7 (фиг.2). С другой стороны со входа 11, через ППФ 10 приходит сигнал накачки. За счет магнитоэлектрического преобразования в области MAP происходит взаимодействие сигнала накачки и усиливаемого сигнала с преобразованием энергии в усиливаемый сигнал (фиг.3). Затем усиленный сигнал, отразившись от ППФ 10, через ППФ 5 и циркулятор 2, проходит на выход 3. Структурная схема предлагаемого устройства приведена на фиг.4. В устройстве использован магнитоэлектрический эффект в области магнитоакустического резонанса (MAP) [4].
Теоретически доказана возможность эффективного переноса энергии между фононами, спиновыми волнами и электрическим и магнитным полями при магнитоакустическом резонансе. СВЧ-энергия преобразуется в слое пьезоэлектрика в механические акустические колебания, которые взаимодействуют с ферритовым слоем. Если постоянное магнитное поле настроено на ферромагнитный резонанс, а размеры образца удовлетворяют условию электромеханического резонанса, то происходит экстремальное увеличение магнитоэлектрического коэффициента в области магнитоакустического резонанса. Результатом описанного взаимодействия является преобразование сигнала в резонаторе. Усиление в устройстве может достигать от десятков до сотен децибел. Для существенного повышения рабочей частоты возможна работа усилителя на гармониках.
В отличие от известного и применяемого в технике СВЧ-усилителя на ферритах, усилитель с использованием магнитоэлектрического эффекта обладает значительным преимуществом, заключающимся в том, что для преобразования энергии используется МЭ преобразование в области MAP, в отличие от прототипа. Это позволяет преобразовывать значительно большую часть энергии накачки. Предлагаемый нами усилитель имеет компактную форму благодаря используемому магнитоэлектрическому элементу. В устройстве нет необходимости использовать цепи смещения, как в аналогах. Это позволяет существенно сократить габаритные размеры предлагаемого СВЧ-усилителя и применять его в устройствах микро- и наноэлектроники. Резонатор имеет специальную форму со шлейфами 1/8 и 3/8 длины волны усиливаемого сигнала, необходимую для создания СВЧ-поля с круговой поляризацией, что позволяет более эффективно использовать ферритовую компоненту МЭ элемента. Размеры резонатора подобраны таким образом, чтобы соответствовать 1/2 длины волны сигнала с тем, чтобы обеспечить условия резонанса.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет усилить СВЧ сигнал наиболее простым и дешевым способом, уменьшить габариты изделия, улучшить технологичность.
Источники информации
1. Микроэлектронные устройства СВЧ. / Ред. Г.И.Веселова, - М.: Высш. шк., 1988. - 280 с.
2. Б.Лакс и К.Баттон. Сверхвысокочастотные ферриты и ферримагнетики. / Ред. А.Г.Гуревича, Москва, «Мир», 1965, 675 стр.
3. Junyi Zhai, Jiefang Li, D. Viehland, M.I.Bichurin Large magnetoelectric susceptibility: The fundamental property of piezoelectric and magnetostrictive laminated composites / JAP 101, 014102 (2007).
4. M.I.Bichurin, V.M.Petrov, O.V.Ryabkov, S.V.Averkin, G.Srinivasan Theory of magnetoelectric effects at magnetoacoustic resonance in single-crystal ferromagnetic-ferroelectric heterostructures Phys. Rev. В 72, 060408(R) (2005).