Модулятор свч на поверхностных магнитостатических волнах
Владельцы патента RU 2454788:
Учреждение Российской академии наук Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН (RU)
Изобретение направлено на обеспечение управления уровнем режекции СВЧ-сигнала в полосе частот без необходимости обеспечения протекания управляющего постоянного тока по металлической пленке. Технический результат - возможность управления уровнем режекции СВЧ-сигнала в полосе частот без протекания управляющего постоянного тока по металлической пленке. Модулятор СВЧ включает протяженную структуру на основе магнонного кристалла из ферритовой пленки, микрополосковые преобразователи для возбуждения и приема в ферритовой пленке поверхностных магнитостатических волн, размещенные на противоположных концах структуры, источник постоянного магнитного поля, элемент для регулирования параметров распространения магнитостатических волн. Магнонный кристалл выполнен на основе пленки из железоиттриевого граната с поверхностной периодической структурой в виде параллельных канавок, глубина которых составляет 0,01-0,2 толщины пленки, размещенных перпендикулярно оси протяженной структуры. Элемент для регулирования параметров распространения магнитостатических волн размещен со стороны канавок и представляет собой металлический экран, подвижный в направлении, перпендикулярном плоскости периодической структуры и связанный с пьезоприводом, подключенным к электрическому генератору модулирующего сигнала. 3 з.п.ф-лы, 4 ил.
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 (МСВ) и, в частности, на поверхностных МСВ (ПМСВ), распространяющихся в пленках ферритов, перспективны для целей обработки СВЧ-сигналов в диапазоне десятков-сотен ГГц. Описаны различные устройства для этой цели, в том числе с использованием различных регулирующих элементов, позволяющих влиять на характеристики ПМСВ. Так, известна линия задержки на ПМСВ (US 4400669, J.D.Adam; M.R.Daniel; R.A.Moore, 1983), состоящая из магнитной пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ) заданной толщины, помещенной в постоянное магнитное поле, двух преобразователей, предназначенных для возбуждения и приема МСВ в пленке, и металлического экрана, размещенного между входным и выходным преобразователями. С помощью выбора зазора между поверхностью магнитной пленки и металлическим экраном обеспечивается повышение линейности зависимости групповой задержки от частоты. Известны также конструкции фильтров на МСВ резонаторного типа и на основе линии задержки (US 5017896, J.D.Adam; S.H.Talisa, 1991), в которых требуемая мода МСВ выделяется из многомодового сигнала с помощью размещения металлических экранов по обе стороны от пленки ЖИГ, в которой распространяется МСВ.
Известно устройство на МСВ для обработки сигналов на высоких частотах (US 6356165, D.S.Jeon, et al, 2002), в котором слой металла включается в состав многослойной структуры, содержащей магнитные пленки, с целью улучшения развязки между входным и выходным преобразователями. Известно также устройство на МСВ со специально подобранным расстоянием между ферритовой пленкой и расположенными по обе стороны от нее металлическими экранами (US 6114929, Н.Kurata, 2000), что повышает добротность резонансной фильтрации.
Известно устройство на ПМСВ (JP 2009003150, I.Mitsuteru, S.Hikariko, Т.Kenji, 2009 - ближайший аналог), в котором на поверхности пленки ЖИГ между входным и выходным преобразователями МСВ располагается периодическая металлическая структура в виде меандра, с помощью которой можно управлять длиной магнитостатической волны.
Вышеуказанные устройства на ПМСВ обладают общим недостатком - при выбранной величине поля подмагничивания не обеспечивается функция модуляции сигнала. Иными словами, отсутствует возможность управления частотной зависимостью уровня пропускания СВЧ-сигнала в процессе эксплуатации.
Известны также функциональные СВЧ-устройства различного назначения, использующие т.н. магнонные кристаллы в качестве среды для распространения ПМСВ (С.А.Никитов, Ю.А.Филимонов, С.Л.Высоцкий, Е.С.Павлов, Н.Н.Новицкий, А.И.Стогний. "Физические основы фильтрации СВЧ сигналов с использованием магнонных кристаллов". // Сборник научных трудов "Гетеромагнитная микроэлектроника". - 2008. - В.5. - С.78-86. Магнонные кристаллы представляют собой пленки ЖИГ с вытравленными поверхностными структурами в виде канавок, ось которых перпендикулярна направлению распространения ПМСВ. Пленка ЖИГ размещается между входным и выходным микрополосковыми преобразователями СВЧ.
Наиболее близким к патентуемому является модулятор уровня пропускания СВЧ, включающий протяженную структуру на основе магнонного кристалла из ферритовой пленки ЖИГ, микрополосковые преобразователи для возбуждения и приема ПМСВ, размещенные на противоположных концах структуры, источник постоянного магнитного поля, элемент для регулирования параметров распространения ПМСВ - металлическая пленка в форме меандра, по которой пропускается ток (A.V.Chumak, Т.Neumann, А.А.Serga, В.Hillebrands and М.Р.Kostylev. "A current-controlled, dynamic magnonic crystal". // J.Phys. D.: 2009. - V.42. - P.205005 - ближайший аналог). Пленка ЖИГ имеет вытравленные структуры в виде канавок, ось которых перпендикулярна направлению распространения ПМСВ. В результате рассеяния ПМСВ на поверхностной периодической структуре (периодически изменяющемся внутреннем магнитном поле, возникающем при пропускании тока по меандру) в спектре передачи сигнала возникают полосы непропускания, являющиеся областью режекции СВЧ-сигнала.
Однако для управления указанным модулятором СВЧ требуется пропускание тока величиной 0,25 А по указанной пленке в форме меандра при величине поля подмагничивания 1600 Э. Это, как следует из публикации, обеспечивает на частоте 6,5 ГГц изменение уровня пропускания с -40 дБ до уровня заграждения -65 дБ.
Патентуемый модулятор СВЧ на магнитостатических волнах включает протяженную структуру на основе магнонного кристалла из ферритовой пленки, микрополосковые преобразователи для возбуждения и приема в ферритовой пленке поверхностных магнитостатических волн, размещенные на противоположных концах структуры, источник постоянного магнитного поля, элемент для регулирования параметров распространения магнитостатических волн.
Отличие изобретения состоит в том, что магнонный кристалл выполнен на основе пленки из железоиттриевого граната с поверхностной периодической структурой в виде параллельных канавок, глубина которых составляет 0,005-0,5 толщины пленки, размещенных перпендикулярно оси протяженной структуры. Элемент для регулирования параметров распространения магнитостатических волн размещен со стороны канавок и представляет собой металлический экран, подвижный в направлении, перпендикулярном плоскости периодической структуры и связанный с пьезоприводом, подключенным к электрическому генератору модулирующего сигнала.
Устройство может характеризоваться тем, что пленка из железоиттриевого граната имеет толщину 18-25 мкм с намагниченностью насыщения 1600-1800 Гс, канавки имеют период 170-230 мкм, ширину 1,5-3,5 мкм и глубину 0,1-0,3 мкм, при этом источник постоянного магнитного поля обеспечивает напряженность не менее 700 Э.
Устройство может характеризоваться и тем, что пьезопривод выполнен с возможностью перемещения металлического экрана в диапазоне от непосредственного механического контакта с поверхностью периодической структуры и удалении по меньшей мере до 200 мкм, а также тем, что металлический экран выполнен из пленки немагнитного материала толщиной 6-8 мкм на подложке.
Технический результат изобретения - возможность управления уровнем режекции СВЧ-сигнала в полосе частот без необходимости обеспечения протекания управляющего постоянного тока по металлической пленке.
Сущность изобретения поясняется на фигурах, где на:
фиг.1 показана конструкция модулятора СВЧ на ПМСВ;
фиг.2 - амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики при отсутствии влияния металлического экрана (t>200 мкм);
фиг.3 - амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики при наличии металлического экрана (t=0);
фиг.4 - построенные на основе экспериментальных измерений дисперсионные кривые при t=500 мкм (кривая 1) и при t=0 (кривая 2).
Конструкция устройства представлена на фиг.1, где: 1 - пленка ЖИГ с поверхностной периодической структурой, образующей ферритовый магнонный кристалл; 2, 3 - входной и выходной преобразователи ПМСВ; 4,5 - микрополосковые линии связи; 6 - немагнитный регулировочный элемент - металлический экран; 7 - пьезопривод для перемещения металлического экрана 6, подключенный к электрическому генератору модулирующего сигнала (генератор условно не показан); 8 - регулируемый источник постоянного магнитного поля. Двусторонней стрелкой 9 показано направление перемещения экрана 6, поз.10 - направление поля подмагничивания.
Поверхностная периодическая структура выполнена на пленке 1 ЖИГ в виде параллельных канавок 11, глубина которых составляет 0,005-0,5 толщины пленки 1. Канавки 11 размещены перпендикулярно оси протяженной структуры, на концах которой расположены преобразователи 2, 3, подключенные к тракту СВЧ посредством полосковых линий 4, 5.
Пленка ЖИГ имеет толщину s в диапазоне s=18-25 мкм с намагниченностью насыщения 1600-1800 Гс. Канавки 11 имеют период d=170-230 мкм, ширину w=1,5-3,5 мкм и глубину h=0,1-0,3 мкм, при этом источник постоянного магнитного поля обеспечивает напряженность не менее 700 Э.
Немагнитный регулировочный элемент - металлический экран 6 может быть выполнен в виде пленки из золота, платины или других хорошо проводящих веществ толщиной 6-8 мкм, образованной на подложке. Эта подложка связана с пьезоприводом 7, который обеспечивает перемещение экрана 6 в диапазоне расстояний от непосредственного механического контакта с поверхностью периодической структуры на пленке 1, и удаления от нее, по меньшей мере, до расстояния t>d=200 мкм, где d - период поверхностной структуры.
Устройство функционирует следующим образом. При подключении микрополосковых линий 4, 5 связи к СВЧ-тракту, в результате взаимодействия ПМСВ, падающей на решетку и отраженной от канавок 11, в дисперсионной характеристике МСВ f(q) возникают запрещенные зоны, которым в амплитудно-частотной характеристике линии задержки соответствуют участки непропускания сигнала. Центральные частоты полос непропускания fn (i=1, 2,…n) соответствуют волновым числам ПМСВ qn=πn/d и могут перестраиваться с помощью изменения величины внешнего магнитного поля от источника 8. ПМСВ существует в области частот f0-f1>f0, с ростом частоты потери на распространение растут. Чем меньше период решетки из канавок, тем дальше первая полоса режекции отстоит от f0, где потери минимальны. Поскольку для модулятора важно соотношение потерь вне полосы режекции и в полосе режекции, оптимальной является такой период d, при котором первая полоса близка к f0. При приближении к поверхности пленки 1 металлического экрана 6 дисперсионная зависимость f(q) изменяется. При этом на частотах fn условие qn-πn/d перестает выполняться, и уровень пропускания сигнала увеличивается до величины, соответствующей распространению ПМСВ в свободной пленке 1 ЖИГ. Таким образом, на частотах fn амплитудой выходного сигнала можно управлять с помощью приближения (удаления) металлического экрана, то есть обеспечивать модуляцию выходного СВЧ сигнала и управлять уровнем режекции. В отличие от ближайшего аналога для этой цели не требуется протекание управляющего постоянного тока по металлической пленке.
На фиг.2, 3 приведены экспериментальные данные - амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики модулятора СВЧ на ПМСВ при отсутствии металлического экрана (t>100 мкм) и при его контакте с поверхностью пленки 1(t=0), соответственно. Пленка ЖИГ имела толщину s=22 мкм, намагниченность насыщения 1680 Гс. Параметры поверхностной структуры h=0,2 мкм, w=3 мкм, d=200 мкм. Величина постоянного магнитного поля 800 Э. Видно, что в полосе 70 МГц с центральной частотой 4310 МГц происходит изменение уровня СВЧ сигнала с - 15 дБ до - 30 дБ. Анализ показывает, что при оптимизации геометрических параметров структуры следует ожидать, что потери вне полосы заграждения могут быть уменьшены до - 7 дБ, а в полосе заграждения увеличены до >50 дБ.
На фиг.4 приведены построенные на основе экспериментальных измерений дисперсионные кривые ПМСВ при t=0,5 мм (кривая 1) и при t=0 (кривая 2). Видно, что приближение металлического экрана к поверхности изменяет частоту, соответствующую q1-πn/d, с величины f1 до величины f2.
Таким образом, представленные данные свидетельствуют о достижении технического результат изобретения - возможность обеспечения управления уровнем режекции СВЧ-сигнала в полосе частот без необходимости обеспечения протекания управляющего постоянного тока по металлической пленке. Такая возможность расширяет набор функций устройств на спиновых волнах, перспективных для обработки СВЧ-сигналов.
1. Модулятор СВЧ на магнитостатических волнах, включающий протяженную структуру на основе магнонного кристалла из ферритовой пленки, микрополосковые преобразователи для возбуждения и приема в ферритовой пленке поверхностных магнитостатических волн, размещенные на противоположных концах структуры, источник постоянного магнитного поля, элемент для регулирования параметров распространения магнитостатических волн, отличающийся тем, что магнонный кристалл выполнен на основе пленки из железоиттриевого граната с поверхностной периодической структурой в виде параллельных канавок, глубина которых составляет 0,005-0,5 толщины пленки, размещенных перпендикулярно оси протяженной структуры, при этом элемент для регулирования параметров распространения магнитостатических волн размещен со стороны канавок и представляет собой металлический экран, подвижный в направлении, перпендикулярном плоскости периодической структуры, и связанный с пьезоприводом, подключенным к электрическому генератору модулирующего сигнала.
2. Модулятор по п.1, отличающийся тем, что пленка из железоиттриевого граната имеет толщину 18-25 мкм с намагниченностью насыщения 1600-1800 Гс, канавки имеют период 170-230 мкм, ширину 1,5-3,5 мкм и глубину 0,1-0,3 мкм, при этом источник постоянного магнитного поля обеспечивает напряженность не менее 700 Э.
3. Модулятор по п.1, отличающийся тем, что пьезопривод выполнен с возможностью перемещения металлического экрана в диапазоне от непосредственного механического контакта с поверхностью периодической структуры и удалении по меньшей мере до 200 мкм.
4. Модулятор по п.1, отличающийся тем, что металлический экран выполнен из пленки немагнитного материала толщиной 6-8 мкм на подложке.
