СВЧ-ФИЛЬТР С ДВОЙНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ НА ОСНОВЕ ФЕРРИТ-СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ

Полезная модель относится к радиотехнике и магнитоэлектронике и может быть использована в телекоммуникационных, радиолокационных приборах, в лабораторных устройствах для исследования сигнала, при беспроводной передаче данных.
Известен СВЧ-фильтр, содержащий электромагнит, в зазоре которого расположен ферритовый резонатор на диэлектрической подложке и с нанесенными на поверхность подложки входной и выходной микрополосковыми линиями (см. патент РФ на изобретение№2393594, МПКH01P1/20, опубл. 27.06.2010).
Недостатком данного устройства является относительно широкополосный режим работы и управление только центральной частотой амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) при изменении внешнего поля подмагничивания, которое необходимо для функционирования устройства.
Также существуют управляемые микрополосковые фильтры СВЧ, (см. авторское свидетельство РФ на изобретение №2565369, МПК H01P1/203, опубл.20.10.2015), в которых управление реализуется при помощи полупроводниковых полевых транзисторов с барьером Шоттки.
Недостатком является выход из строя при внешнем радиационном воздействии на устройство.
Существуют фильтры на поверхностных магнитостатических волнах, например многоканальный СВЧ-фильтр, содержащий постоянный магнит, входные и выходные преобразователи, каналы, включающие пленки из железоиттриевого граната, отделенные друг от друга немагнитными металлическими экранами (см. авторское свидетельство СССР на изобретение №1840007, МПКH01P1/218, опубл. 10.07.2006).С целью уменьшения массы и габаритов, постоянный магнит выполнен в виде продольно-намагниченной пластины, причем пленки железоиттриевого граната и входные и выходные преобразователи размещены с обеих сторон продольно намагниченной пластины, параллельно ее плоскостям и установлены на различных расстояниях от них.
Недостатками данного устройства являются сравнительно большие размеры волноведущей части, работа с информационным сигналом в фиксированной полосе частот.
Наиболее близким к заявляемому устройству является СВЧ-фильтр на основе мультиферроидной слоистой структуры (см. патент US на изобретение № 8,615,150, МПК G02F1/295, H01P3/00, опубл 13.12.2012), и представляющие собой ферритовые слои на подложке, нагруженные со стороны феррита слоем сегнетоэлектрического материала, что позволяет управлять их характеристиками как при помощи изменения внешнего магнитного, так и при изменении электрического полей.
Недостатками прототипа являются низкая пропускная способность, вызванная одномодовым режимом работы, и невозможность управления спектральными характеристиками различных поперечных мод волн.
Задачей полезной модели является реализация управления как шириной полосы пропускания, так и ее центральной частотой (путем вариации величин внешнего магнитного и электрического полей) а также реализация возможности управления фазовыми и групповыми скоростями отдельных мод волн, распространяющихся в линии задержки.
Технический результат заключается в устранении недостатков прототипа, уменьшении размеров (до микро- и наноразмерной области), расширении функциональности (по сравнению с имеющимися аналогами) ввиду возможности фильтрации сигналов с различными спектральными характеристиками (различная ширина полосы частот), увеличении плотности информационного сигнала, распространяющего в линии задержки фильтра вследствие работы в многомодовом режиме по аналогии с принципом действия многомодового оптического волокна.
Указанный технический результат достигается тем, что СВЧ-фильтр содержит слой железоиттриевого граната на подложке из галлий-гадолиниевого граната, и сегнетоэлектрический слой, расположенный со стороны, противоположной подложке, согласно решению отношение ширины слоя железоиттриевого граната к его толщине не превышает 350, а поперечные размеры и диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрического слоя выбирают так, чтобы в рабочем диапазоне частот в сегнетоэлектрическом слое распространялись только младшие поперечные моды ТЕ волны.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема устройства. На фиг. 2 и 3 –численно рассчитанные дисперсионные кривые первой фундаментальной поперечной моды гибридных волн в слоистой структуре при изменении проницаемости диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрического и при изменении величины магнитного поля соответственно, что демонстрирует возможность двойного управления волновыми характеристиками. На фиг. 4 приведен расчет дисперсионных характеристик спектра мод волнового процесса структуры в многомодовом режиме, что демонстрирует принципиально разное поведение дисперсионных кривых первой и третьей моды. Фиг. 5 демонстрирует экспериментально полученную амплитудно-частотную характеристику волнового процесса (представляющего суперпозицию поперечных мод) ферритового волновода и мультиферроидной структуры при различной проницаемости сегнетоэлектрического слоя, что показывает возможность управления шириной и количеством полос пропускания фильтра. Центральный пик пропускания соответствует первой фундаментальной моде, пики при меньшей частоте – распространению низших мод. На фиг.6 представлены дисперсионные характеристики численно рассчитанных поперечных мод волнового процесса в слоистой структуре (первая и третья) в сравнении с экспериментально полученной дисперсией волнового процесса в слоистой структуре. Также приведены численно рассчитанные дисперсионные кривые поперечных мод (первая и третья) без сегнетоэлектрической нагрузки в сравнении с экспериментальной а также численно рассчитанная мода сегнетоэлектрического волновода (другие нечетные моды в слое таких размеров и с таким ε на данных частотах не распространяются).
in
out
0
0
СЭ
СЭ
Позициями и обозначениями на чертежах отмечены: P и P входная и выходная мощность, поступающая и снимаемая с микрополосковой линии, ЖИГ – ферритовый слой железоиттриевого граната, ГГГ – подложка из галлий-гадолиниевого граната, СЭ – сегнетоэлектрический слой из титаната бария стронция,w – ширина слоев волноведущей линии, d – толщина ферритового слоя ЖИГ, t, L – толщина и длина слоя СЭ,H – величина и направление внешнего магнитного поляxи z– поперечное направление структуры по ширине и продольное направление структуры, совпадающее с направлением распространения волн; 1 –6 дисперсионные кривые первой фундаментальной поперечной моды гибридной волны при значениях диэлектрической проницаемости СЭ слоя 1, 100, 500, 1000 , 2000, 3000 при величине Н=3000 Э,7 – предельные частоты распространения поверхностной магнитостатической волны в ферритовом слое; 8, 10, 12 – численно рассчитанные дисперсионные кривые первой фундаментальной поперечной моды ферритового волновода при соответствующих величинах магнитного поля 1000, 2000, 3000 Э (указаны на фиг.3), 9, 11, 13 – численно рассчитанные дисперсионные кривые первой фундаментальной поперечной моды слоистой структуры при соответствующих величинах магнитного поля 1000, 2000, 3000 Э и при ε = 1000; 14 – экспериментально измеренная АЧХ ферритового волновода, 15, 16 – АЧХ слоистой структуры при ε = 1900 и 2750 соответственно; 17, 18 – численно рассчитанные дисперсионные кривые первой и третьей мод волн ферритового волновода в сравнении с 19 – экспериментально полученной дисперсионной кривой волнового процесса такой структуры, 20 – численный расчет первой поперечной моды сегнетоэлектрического волновода, 21, 22 – дисперсионные кривые первой и третьей поперечных мод волн слоистой структуры, рассчитанные численно, в сравнении с экспериментально полученной дисперсионной кривой в такой структуре –23.
В заявляемой полезной модели используется узкая волноведущая структура на основе пленки железоиттриевого граната, нагруженная с противоположной положке стороны сегнетоэлектрическим слоем. Ограничение размеров структуры в поперечном направлении приводит к значительной разнице по фазовым и групповым скоростям между соседними модами волн, что приводит к различному их взаимодействию с модами волн, возбуждаемыми в сегнетоэлектрическом слое.
min
min
min
0
В заявляемой полезной модели в качестве волноведущей линии задержки использована слоистая структура феррит-сегнетоэлектрик, в качестве феррита используется железоиттриевый гранат на подложке из галлий-гадолиниевого граната, сегнетоэлектрический слой расположен со стороны, противоположной подложке (см. фиг. 1). При этом величина отношения ширины к толщине для слоя ЖИГ должна составлять не больше 350, материальные параметры сегнетоэлектрической нагрузки выбираются таким образом, чтобы рабочий диапазон частот был вблизи нижних граничных частот младших поперечных мод замедленных ТЕ волн. Длина сегнетоэлектрического слоя определяется как 3∙λ, где λ является минимальной длиной волны, распространяющейся в устройстве в рабочем диапазоне изменения управляющих параметров. По краям структуры в продольном направлении относительно оси z (см. фиг.1) выполняются скосы под углом в 43 градуса (Вашковский А.В., Стальмахов В.С., Шараевский Ю.П. Магнитостатические волны в электронике сверхвысоких частот. Саратов: Изд.-во Сарат. ун-та 1993) с целью уменьшить отражение волн от краев структуры. На расстоянии не меньше чем λот скосов с противоположной подложке стороны на поверхности ЖИГ пленки с обоих (относительнооси z) концов структуры расположена область возбуждения и детектирования сигнала соответственно (например, микрополосковая линия возбуждения на фиг. 1, где микрополоски ориентированы вдоль оси x). Внешнее магнитное поле H направлено касательно вдоль оси x(см. фиг. 1). Приложенное к сегнетоэлектрику электрическое поле перпендикулярно осям xи z. (см. фиг.1).
Принцип работы предлагаемого фильтра заключается в том, что в области возбуждения при помощи возбудителя в ферритовом слое формируется поверхностная спиновая волна, которая, добежав до границы с сегнетоэлектриком, возбуждает в нем электромагнитную волну, находящуюся в условии фазового синхронизма с СВ. Взаимодействие этих двух волн ввиду эффекта гибридизации приводит к изменению дисперсионной характеристики волнового процесса в структуре, что и позволяет реализовать двойное управление свойствами волн и, соответственно, характеристиками устройства. При этом управление осуществляется путем воздействия на материальные характеристики слоев феррита и сегнетоэлектрика при изменении приложенных к ним соответственно внешнего магнитного и электрического полей. В области детектирования снимается полезный сигнал.
В отличие от прототипа, используется узкая структура и эффекты многомодового распространения волн в поперечно ограниченной волноведущей линии. При этом за счет размерных эффектов появляется дополнительный нелинейный эффект: взаимодействие парциальных поперечных мод волн, распространяющихся в слоях феррита и сегнетоэлектрика в случае отсутствия между ними связи. Этот эффект зависит от количества возбуждаемых и распространяемых парциальных мод волн в рабочем частотном диапазоне, от значений их точек пересечения по частотам и волновым числам а также от фазовых и групповых скоростей мод волн в этих точках и их окрестности. Управлять данным эффектом можно путем изменения размера слоев феррита и сегнетоэлектрика а также управления материальными параметрами феррита и сегнетоэлектрика вариацией внешних магнитного и электрического полей. Эффект взаимодействия парциальных поперечных мод позволяет как изменять дисперсионную кривую волнового процесса слоистой структуры, так и управлять отдельно взятыми дисперсионными кривыми поперечных мод гибридных волн независимо друг от друга.
Условиями реализации управления модами гибридных волн являются величина отношения ширины к толщине феррита не больше 350, что обеспечивает расстояние по волновым числам между парциальными модами волны ферритового волновода порядка ее длины и больше; геометрические и материальные (диэлектрическая проницаемость) параметры сегнетоэлектрической нагрузки выбираются таким образом, чтобы рабочий диапазон частот был вблизи нижних граничных частот младших поперечных мод замедленных ТЕ волн, что обеспечивает расстояние по волновым числам между ними порядка длины волны ферритового волновода, отсутствие распространяемых ТМ волн в данной частотной области и возможность управления модовым составом (изменением числа распространяемых поперечных мод ТМ волны при изменении управляющего электрического поля). С учетом данных размерных эффектов появляется возможность пропорционального уменьшения поперечных размеров слоев волноведущей структуры, масштабируя предлагаемое устройство в микро- и наноразмерную область.
Таким образом, по аналогии с многогодовым оптическим волокном достигается увеличение пропускной способности переносимой сигналом информации в том же частотном диапазоне, а также возможности реализация управления фазовыми и групповыми скоростями отдельных мод волн, распространяющихся в устройстве.
Указанные результаты были проверены как экспериментально (схема макета с указанием размеров приведена на фиг.1), с использованием в качестве сегнетоэлектрической нагрузки титаната бария стронция, так и с использованием электродинамического моделирования в частотной области при помощи метода конечных элементов. Фиг. 2 и фиг. 3 демонстрируют управление первой фундаментальной поперечной модой гибридной волны при помощи изменения материальных параметров слоя сегнетоэлектрика (кривые 1-6) и путем изменения внешнего магнитного поля (кривые 8, 10, 12) соответственно. Численно рассчитанные дисперсионные кривые 21 и 22 на фиг. 5 (с параметрами, соответствующими экспериментальной структуре) демонстрируют принципиально разное проявление эффекта гибридизации для первой и третьей поперечных мод гибридной волны при взаимодействии парциальных мод, что свидетельствует о возможности обеспечения разного управления поперечными модами гибридных волн в устройстве. Экспериментально полученная дисперсионная кривая волнового процесса (кривая 23), представляющего собой суперпозицию первой и третьей поперечных мод гибридных волн, подтверждает результаты численного расчёта. При этом параметр отношения ширины слоя ЖИГ к его толщине составлял 307.7 (в примере на фиг. 1 d=6,5 мкм, w=2 мм), в слое титаната бария стронция при отсутствии внешнего напряжения в рабочей области частот распространялась только одна нечетная парциальная мода: первая. Расчеты показали, что при увеличении внешнего магнитного поля до смещения рабочих частот выше нижней граничной частоты распространения третьей поперечной парциальной моды сегнетоэлектрического слоя (f ≈ 7.5 ГГц), поведение дисперсионных кривых первой и третьей поперечных мод гибридных волн становится одинаковым, с асимптотами в виде соответствующих поперечных парциальных мод сегнетоэлектрика. Тот же эффект наблюдается при увеличении ε сегнетоэлектрика (ε ≈ 3500). Таким образом осуществляется управление поперечными модами гибридных волн путем взаимодействия парциальных поперечных мод.
Экспериментально полученные кривые АЧХ(15 и 16 на фиг. 4) демонстрируют возможность управления числом, формой и частотной шириной полос пропускания в предлагаемом устройстве, которые теперь определяются не границами распространения поверхностной спиновой волны (кривая 7), а формой дисперсионных кривых поперечных мод гибридной волны.
min
Увеличение параметра отношения ширины пленки ЖИГ к ее толщине ведет к увеличению плотности поперечных мод: расстояние по волновым числам на фиксированной частоте уменьшается как для поперечных мод парциальных волн ферритового волновода, так и для поперечных мод гибридных волн. Расчеты показали, что увеличение данного параметра свыше 350 приводит к уменьшению межмодового расстояния для нечетных мод гибридных волн до значений, больших λ. Наиболее сильно данный эффект выражен в области высоких частот в рабочем диапазоне управления материальными параметрами сегнетоэлектрика. При этом многомодовый режим работы устройства оказывается невозможным ввиду невозможности детектирования и селекции различных поперечных мод гибридных волн. Это связано с тем, что условия распространения данных поперечных мод оказываются одинаковыми (на фиксированной частоте слабо отличающиеся групповые и фазовые скорости, одинаковые значения затухания). Таким образом, частотная, пространственная и временная селекция в линии задержки обеспечивается путем разных условий распространения поперечных мод.