Резонатор магнитоэлектрический

Изобретение относится к области электроники и может использоваться для построения генераторов. Достигаемый технический результат - улучшение добротности резонатора, возможность управления добротностью при помощи магнитного поля. Резонатор магнитоэлектрический состоит из композитного магнитоэлектрического материала, представляющего собой слоистую структуру из пьезоэлектрического слоя, ферромагнитного слоя и подмагничивающей системы, при этом на пьезоэлектрический слой со стороны ферромагнитного слоя нанесена топология встречно-штыревого преобразователя (ВШП). 2 ил.

 

Изобретение относится к области электроники и позволяет улучшить характеристики магнитоэлектрического резонатора (Р), работающего в области магнитоакустического резонанса. Предлагается использование в радиотехнике на частотах длинноволнового диапазона сверхвысоких частот (СВЧ) в качестве резонатора с управляемой добротностью.

Основное применение резонаторов заключается в их использовании для построения генераторов и полосно-пропускающих фильтров.

Для частотного диапазона от 30 до 1500 МГц наибольшее распространение получили резонаторы на поверхностных акустических волнах (ПАВ), выполненные на основе встречно-штыревого (ВШП) преобразователя. Резонансная частота такого резонатора определяется как

,

где λ - период преобразователя, V_SAW - скорость ПАВ на частично металлизированной поверхности. Скорость ПАВ на частично металлизированной поверхности можно определить следующим образом:

,

где V_f - скорость ПАВ на свободной поверхности пьезоэлектрического материала, k_s - коэффициент электромеханической связи, d_n - коэффициент металлизации.

Другой тип резонаторов, применяемый на частотах от 300 МГц до 10-20 ГГц, использует ферромагнитный резонанс (ФМР). Резонансная круговая частота таких резонаторов зависит от приложенного к резонатору постоянного магнитного поля Н_e0 и формы резонатора:

ω₀=γ(H_e0-4πМ₀),

где γ - магнитомеханическое отношение, М₀ - постоянная намагниченность ферромагнитного материала, из которого выполнен резонатор. Приведенная формула справедлива для случая бесконечно тонкой пластины и используется, когда резонатор представляет собой тонкую пленку из ферромагнитного материала, а магнитное поле перпендикулярно плоскости ферромагнитной пленки. Зависимость резонансной частоты от напряженности внешнего магнитного поля, приложенного к резонатору, позволяет настраивать подобные резонаторы с помощью подмагничивающих обмоток.

В магнитоэлектрических резонаторах, состоящих из композитного магнитоэлектрического материала, резонансная частота может быть перестроена как магнитным, так и электрическим полем, приложенным к резонатору. В данном изобретении предлагается магнитная перестройка резонансной частоты.

Недостатком известных магнитоэлектрических резонаторов со слоистой структурой (чередующиеся ферромагнитные и пьезоэлектрические слои) является обратная зависимость резонансной частоты магнитоакустического резонанса от толщины пьезоэлектрического слоя резонатора.

Для работы в области СВЧ требуется толщина слоя из пьезоэлектрического материала порядка нанометров. Получение слоев такой толщины представляет технологическую проблему.

Наиболее близким по техническому решению, принятому за прототип, является резонатор на поверхностных акустических волнах, в котором резонансная частота определяется периодом ВШП и скоростью поверхностной волны в пьезоэлектрическом материале (см. Das P., Lanzl С., Tiersten H. А pressure sensing acoustic surface wave resonator / 1979 Ultrason. Symp.1976, P.306-308) [1].

Недостатком прототипа является невозможность получения высоких значений добротности резонатора и управления добротностью с помощью схемотехнических решений.

Задачей изобретения является снижение требований к технологии, улучшение добротности резонатора, возможность управления добротностью при помощи магнитного поля.

Для решения данной задачи предложен резонатор магнитоэлектрический, состоящий из магнитоэлектрического композитного материала, в котором между ферромагнитным слоем и пьезоэлектрическим слоем нанесена топология ВШП. Резонансная частота ВШП определяется его топологическими размерами, как и резонансная частота предлагаемого магнитоэлектрического резонатора в целом. При этом толщина пьезоэлектрического слоя выбирается, исходя из технологических соображений и скорости звука в пьезоматериале. В отличие от резонатора, описанного в [4], магнитоакустический резонанс следует ожидать при совпадении частоты ФМР и частоты резонанса ВШП, а не частот ФМР и акустического резонанса тонкого пьезоэлектрического слоя, что снимает требование к заданной толщине пьезоэлектрического слоя. Прикладывая к резонатору магнитное поле заданной напряженности, можно сдвигать частоту ФМР относительно частоты резонанса ВШП и управлять шириной резонансной полосы, а следовательно, и добротностью резонатора.

Предлагаемое изобретение позволяет получить следующий технический результат: а) управлять добротностью резонаторов в цепях полосно-пропускающих или полосно-заграждающих фильтров СВЧ для управления шириной полосы пропускания или режекции; б) подстраивать полосу пропускания или режекции фильтра СВЧ по частоте в окрестностях центральной частоты.

Для пояснения предполагаемого изобретения предложены чертежи.

Фиг.1 - Конструкция магнитоэлектрического резонатора с управлением магнитным полем.

Фиг.2 - Ориентация полей в магнитоэлектрическом резонаторе.

Устройство состоит из пьезоэлектрического слоя 1, на который методом электронной литографии или фотолитографии нанесена топология ВШП 2 и контактные площадки 3. Поверх ВШП нанесен ферромагнитный слой 4, причем между слоями обеспечен жесткий механический контакт. Полученный магнитоэлектрический композит с ВШП, расположенным между слоями, помещается в магнитное поле, создаваемое подмагничивающей системой 5 с обмоткой управления 6.

Устройство работает следующим образом. В случае несовпадения резонансной частоты ВШП и частоты ФМР ферромагнитного слоя магнитоэлектрический резонатор работает как обычный резонатор на ПАВ. При этом высокочастотный электрический сигнал для возбуждения резонатора подается на контактные площадки 3. Изменяя ток в обмотке управления 6, добиваются совпадения резонансной частоты ВШП и частоты ФМР.

Стоячая акустическая волна в пределах ВШП за счет магнитоупругого взаимодействия вызывает изменение намагниченности механически контактирующего ферромагнитного слоя. В случае, когда частота ФМР оказывается равной резонансной частоте ВШП, возникает магнитоакустический резонанс, что приводит к возрастанию добротности предлагаемого магнитоэлектрического резонатора. Изменение тока в обмотке управления подмагничивающей системы сдвигает частоту ФМР относительно резонансной частоты ВШП, что позволяет управлять добротностью резонатора. Переменное электрическое поле в пределах ВШП Е, переменное магнитное поле в ферромагнитной пленке h и внешнее магнитное поле подмагничивающей системы Н₀ показаны на фиг.2.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет реализовывать магнитоэлектрические резонаторы с управлением добротностью, без необходимости применения пьезоэлектрических слоев в виде тонких пленок, что является более простым и технологически отработанным способом.

Источники информации

1. Das P., Lanzl С., Tiersten H. A pressure sensing acoustic surface wave resonator / 1979 Ultrason. Symp.1976, P.306-308. - прототип.

2. United States Patent, patent Number 3878477, Apr. 15, 1975, J.Fleming, H.Karrer. Acoustic surface wave oscillator force-sensing devices.

3. Мэттьюз Г. Фильтры на поверхностных акустических волнах // М.: Радио и связь, 1981.

4. М.I.Bichurin, V.М.Petrov, V.М.Laletsin, G.Srinivasan. Resonance magnetoelectric effects in layered magnetostrictive-piezoelectric composites / Physical Review В 68, 132408 (2003).

Резонатор магнитоэлектрический, состоящий из композитного магнитоэлектрического материала, представляющего собой слоистую структуру из пьезоэлектрического слоя, ферромагнитного слоя и подмагничивающей системы, отличающийся тем, что на пьезоэлектрический слой со стороны ферромагнитного слоя нанесена топология встречно-штыревого преобразователя (ВШП).