Управляемая линия задержки на обменных спиновых волнах

Изобретение относится к радиотехнике и может применяться в приемно-передающих радиоустройствах и фазированных антенных решетках СВЧ-диапазона. Техническим результатом изобретения является уменьшение габаритов линии задержки при одновременном уменьшении потерь полезного сигнала на преобразование типов волн. Указанный технический результат достигается тем, что управляемая линия задержки на спиновых волнах, содержащая эпитаксиальную ферритовую пленку железо-иттриевого граната, ЖИГ, расположенную на немагнитном слое галлий-гадолиниевого граната, ГГГ, микрополосковые преобразователи СВЧ-сигнала и источник намагничивающего поля, согласно изобретению дополнительно содержит второй немагнитный слой ГГГ, расположенный на поверхности ЖИГ с противоположной стороны от первого, образуя трёхслойную структуру ГГГ-ЖИГ-ГГГ, и также содержит две металлизированные диэлектрические подложки, на одной из которых расположен входной преобразователь СВЧ-сигнала, а на второй - выходной преобразователь, они расположены в одной плоскости так, что их продольные оси совпадают, структура ГГГ-ЖИГ-ГГГ установлена в зазоре, образованном так, что торцевые поверхности немагнитных слоёв ГГГ примыкают к торцам диэлектрических подложек и к торцам преобразователей, намагничивающее поле ориентировано по нормали к поверхности пленки ЖИГ. 8 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике и может применяться в приемно-передающих радиоустройствах и фазированных антенных решетках СВЧ-диапазона.

В эпитаксиальных ферритовых пленках железоиттриевого граната (ЖИГ), выращенных на немагнитной подложке гадолиний-галлиевого граната (ГГГ), могут возбуждаться два типа спиновых волн - дипольные и обменные спиновые волны.

Дипольные спиновые волны (в литературе их чаще называют магнитостатическими волнами (МСВ)) распространяются за счет дальнодействующего диполь-дипольного взаимодействия. В зависимости от направления намагничивающего поля в пленке могут возбуждаться прямые объемные, обратные объемные и поверхностные МСВ (Гуревич А.Г. Ферриты на сверхвысоких частотах. М: Физматгиз, 497 с.).

Обменные спиновые волны (ОСВ) распространяются за счет короткодействующего обменного взаимодействия (Ахиезер А.И., Барьяхтар В.Г., Пелетминский С.В. Спиновые волны. - М.: Наука, 1967, 368 с.). Наиболее сильное обменное взаимодействие формирует в кристалле упорядоченную структуру спиновых моментов, которая проявляется в виде спонтанной намагниченности феррита. При континуальном подходе оба типа спиновых волн представляются одинаково, в виде волн прецессии вектора спонтанной намагниченности, и различаются только длинами. Волны с длинами λ: 10-1000 микрон принято считать в основном дипольными, а с длинами λ≤1 микрона в основном обменными. Наиболее привлекательными являются обменные спиновые волны, поскольку их скорости распространения v : λ на несколько порядков меньше скорости МСВ.

Тем не менее, наиболее широкое применение нашли относительно длинноволновые магнито статические волны. Это стало возможным, благодаря простоте их возбуждения и приема микрополосковыми (МПЛ) преобразователями СВЧ-сигнала. На основе МСВ был предложен целый ряд устройств обработки радиосигналов в диапазоне частот от единиц до десятков ГГц (Никитов В.А., Никитов С.А. Исследования и разработки устройств на магнито статических спиновых волнах. - Зарубежная радиоэлектроника, 1981, №2, С. 41-52.). В частности были предложены варианты конструкции управляемых линий задержки (ЛЗ) СВЧ-сигнала.

Известна управляемая линия задержки на МСВ (см. патент US 4400669, по кл. МПК Н03Н 2/00, опуб. 23.08.1983), состоящая из намагниченной пленки ЖИГ, входного и выходного МПЛ преобразователей СВЧ-сигнала и металлического экрана, расположенного между преобразователями. Регулировка времени задержки в такой ЛЗ осуществляется изменением зазора между пленкой ЖИГ и металлическим экраном.

Известна управляемая линия задержки на МСВ (см. авторское свидетельство СССР №1552958, по кл. МПК Н01Р 1/215, опуб. 27.01.2001), состоящая из намагниченной пленки ЖИГ, входного и выходного МПЛ преобразователей, расположенных на отдельных диэлектрических подложках. Регулировка времени задержки в такой ЛЗ осуществляется за счет изменения длины пробега МСВ при относительном сдвиге одной из подложек МПЛ преобразователя.

Известна также управляемая линия задержки на поверхностных МСВ (см. патент РФ №2594382, по кл. МПК Н03Н 9/38, опуб. 20.08.2016), состоящая из касательно намагниченной пленки ЖИГ с периодической структурой протравленных канавок, входного и выходного МПЛ преобразователей. Регулировка времени задержки в такой ЛЗ осуществляется вращением пленки ЖИГ в плоскости расположения преобразователей.

Недостатком указанных устройств является механическая регулировка времени задержки.

Наиболее близким к заявляемому решению является управляемая линия задержки на МСВ с электрической регулировкой времени задержки СВЧ-сигнала (см. патент US №3935550, по кл. МПК Н03Н 7/14, опуб. 27.01.1976), содержащая эпитаксиальную ферритовую пленку железо-иттриевого граната ЖИГ на слое галлий-гадолиниевого граната ГГГ, входной и выходной преобразователи СВЧ-сигнала и регулируемый током источник намагничивающего поля.

Недостатком прототипа является использование для задержки СВЧ-сигнала относительно длинноволновых дипольных спиновых (магнитостатических) волн.

Проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании управляемой линии задержки на сверхкоротких обменных спиновых волнах.

Техническим результатом изобретения является уменьшение габаритов линии задержки при одновременном уменьшение потерь полезного сигнала на преобразование типов волн.

Указанный технический результат достигается тем, что управляемая линия задержки на спиновых волнах, содержащая эпитаксиальную ферритовую пленку железо-иттриевого граната ЖИГ, расположенную на немагнитном слое галлий-гадолиниевого граната ГГГ, входной и выходной преобразователи СВЧ-сигнала и регулируемый током источник намагничивающего поля, согласно изобретению, дополнительно содержит второй немагнитный слой галлий-гадолиниевого граната ГГГ, расположенный на поверхности пленки железо-иттриевого граната с противоположной стороны от первого, образуя трехслойную структуру ГГГ-ЖИГ-ГГГ, и также содержит две диэлектрических подложки, на одной из которых расположен входной преобразователь СВЧ-сигнала, а на второй - выходной преобразователь, преобразователи выполнены микрополосковыми и расположены в одной плоскости так, что их продольные оси совпадают, структура ГГГ-ЖИГ-ГГГ установлена в зазоре, образованном диэлектрическими подложками и преобразователями так, что торцевые поверхности немагнитных слоев галлий-гадолиниевого граната примыкают к торцам диэлектрических подложек и к торцам преобразователей, диэлектрические подложки на противоположных преобразователям сторонах металлизированы, намагничивающее поле ориентировано по нормали к поверхности пленки ЖИГ.

Изобретение поясняется чертежами, где представлено:

- на фиг.1 конструкция управляемой линии задержки на обменных спиновых волнах;

- на фиг.2 трехслойная структура ГГГ-ЖИГ-ГГГ, где d - толщина пленки ЖИГ, и - векторы электрической и магнитной составляющих падающей и прошедшей плоской электромагнитной ТЕМ волны, распространяющихся в направлении волнового вектора , волнистой стрелкой показано направление распространения ОСВ, прямой стрелкой показано направление намагничивающего поля ;

- на фиг.3 график распределения спонтанной намагниченности по толщине пленки ЖИГ;

- на фиг.4 3d график закона дисперсии ОСВ, рассчитанный при фиксированном значении намагничивающего поля;

- на фиг.5 графики частотной зависимости времени задержки и фазы прошедшего сигнала, рассчитанные при фиксированном значении намагничивающего поля;

- на фиг.6 представлены графики полевой зависимости времени задержки и фазы прошедшего сигнала, рассчитанные при фиксированном значении частоты СВЧ-сигнала;

- на фиг.7 портативная регулируемая током магнитная система для реализации изобретения: а - вид сбоку, б - вид сверху в разрезе;

- на фиг.8 график распределения намагничивающего поля Н₀ в поперечном сечении рабочего зазора магнитной системы, на вставке картина силовых линий магнитного поля внутри и вне рабочего зазора.

На чертежах позициями обозначено:

1 - входной МПЛ преобразователь, 2 - первый немагнитный слой галлий-гадолиниевого граната ГГГ, 3 - эпитаксиальная ферритовая пленка железо-иттриевого граната ЖИГ, 4 - второй немагнитный слой ГГГ, 5 - выходной МПЛ преобразователь, 6, 7 - диэлектрические подложки, 8, 9 - металлизирующие слои диэлектрических подложек, 10, 11 - диффузионные слои пленки ЖИГ, 12, 13 - стальные полюсы магнитной системы, 14, 15 - постоянные магниты (стрелками указано направление остаточного намагничивания), 16, 17 - катушки электрического управления.

Управляемая линия задержки на обменных спиновых волнах содержит (см. фиг.1) эпитаксиальную ферритовую пленку железо-иттриевого граната ЖИГ 3, на противоположных сторонах которой расположены немагнитные слои галлий-гадолиниевого граната ГГГ 2 и 4, образуя структуру ГГГ-ЖИГ-ГГГ. Линия задержки содержит также входной 1 и выходной 5 МПЛ преобразователи, расположенные на диэлектрических подложках 6 и 7. Структура ГГГ-ЖИГ-ГГГ установлена в зазоре, образованном диэлектрическими подложками 6 и 7 и преобразователями 1 и 5 так, что торцевые поверхности немагнитных слоев галлий-гадолиниевого граната 2 и 4 примыкают к торцам диэлектрических подложек и к торцам преобразователей.

Устройство работает следующим образом.

На поверхность нормально намагниченной пленки ЖИГ 3 падает плоская электромагнитная ТЕМ волна (см. фиг.2), которая в пределах толщины диффузионного слоя 10 преобразуется в коротковолновую обменную спиновую волну (ОСВ). Далее ОСВ распространяется в однородной части пленки и в диффузионном слое 11 преобразуется обратно в электромагнитную волну. Задержка прошедшего СВЧ-сигнала определяется длиной пробега и скоростью распространения ОСВ.

С учетом того, что скорость ОСВ на несколько порядков меньше скорости МСВ, длина пробега и, соответственно, габариты линии задержки на ОСВ уменьшаются пропорционально отношению скоростей. Помимо этого в пределах толщины диффузионного слоя возникают эффекты коллинеарного взаимодействия связанных волн, при котором длинноволновая электромагнитная волна плавно трансформируется в коротковолновую обменную спиновую и наоборот. При этом отражения волн на границах пленки ЖИГ не возникает, что существенно снижает потери полезного сигнала на согласование типов волн.

Преобразование электромагнитных и обменных спиновых волн обусловлено магнитной неоднородностью диффузионных слоев, которая всегда формируется в процессе эпитаксиального роста за счет диффузии немагнитных ионов Gd³⁺, Ga³⁺ подложки ГГГ (Gd₃Ga₅O₁₂), частично замещающих магнитные ионы Y³⁺, Fe³⁺ пленки ЖИГ (Y₃Fe₅O₁₂) [Mitra A., Cespedes О., Ramasse Q., АН М., Marmion S., Ward M., Brydson R. M. D., Kinane C. J., Cooper J. F. K., Langridge S., Hickey B. J. Interracial Origin of the Magnetisation Suppression of Thin Film Yttrium Iron Garnet.//Scientific Reports. 2017. Vol.7, P.11774. doi.org/10.1038/s41598-017-10281-6].

Согласно теории диффузии в твердых телах ([H. Mehrer. DiffusioninSolids: Fundamentals, Methods, Materials, Diffusion-Controlled Processes. Springer: 2007. 651 p.), распределение концентрации магнитных ионов в диффузионном слое описывается функцией Гаусса где σ - феноменологический параметр распределения, z - координата в поперечном направлении пленки ЖИГ. С учетом этого в трехслойной структуре ГГГ-ЖИГ-ГГГ распределение спонтанной намагниченности по толщине пленки ЖИГ описывается формулой

где М₀ - однородная намагниченность пленки вне диффузионного слоя, d - толщина пленки ЖИГ. График распределения намагниченности M(z), рассчитанный при заданных параметрах пленки ЖИГ М₀=140G, d=10 μm, σ=10^-5 cm представлен на фиг.3.

Функция распределения намагниченности М (z) использовалась в расчетах закона дисперсии ОСВ k_S (ƒ, H₀, z), где k_S - волновое число ОСВ, ƒ - частота СВЧ-сигнала, Н₀ - напряженность намагничивающего поля (Tikhonov V.V., Litvinenko A.N. Exchange spin waves and their application for diagnostics of the layered structure of epitaxial YIG films.// J. Magn. Magn. Mater. 2020. Vol.515. P.167241. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2020.167241).

На фиг.4 представлен 3d-график закона дисперсии k_S (ƒ, z), рассчитанный при фиксированном поле Н₀=5КЭ. Видно, что в пределах толщин диффузионных слоев волновые числа ОСВ плавно возрастают (уменьшаются) на пять-шесть порядков. При этом на границах пленки ЖИГ, при z=0 и z=d выполняется условие согласования ОСВ с падающей и прошедшей электромагнитной волной k_S (ƒ, 0) = k₀ (ƒ) и k_S (ƒ, d) = k₀(ƒ), причем, как видно на фиг.4, условие согласования и, соответственно, эффективного возбуждения ОСВ выполняется в достаточно широкой полосе частот Δƒ ≈ 5GHz.

Используя закон дисперсии нетрудно было рассчитать время задержки и набег фазы прошедшего СВЧ-сигнала на длине пробега ОСВ

Для примера на фиг.5 представлены частотные зависимости времени задержки τ (ƒ) и набега фазы ϕ (ƒ), рассчитанные при фиксированном поле Н₀=5КЭ.

На фиг.6 представлены полевые зависимости времени задержки τ (H₀) и набега фазы ϕ(Н₀), рассчитанные при фиксированной частоте ƒ = 12ГГц.

Ниже приведен пример реализации изобретения.

Образец структуры ГГГ-ЖИГ-ГГГ имеет габаритные размеры 1×1×0,5 мм. Образец структуры устанавливается в зазоре МПЛ преобразователей, выполненных на металлизированной диэлектрической подложке толщиной 1 мм. Образец структуры вместе с входным и выходным МПЛ преобразователями помещается в рабочий зазор портативной магнитной системы так, чтобы намагничивающее поле было ортогонально поверхности пленки ЖИГ (см. фиг.7). В состав магнитной системы входят пара прямоугольных стальных полюсов из стали Ст.1008 размером 6×10×10 мм и пара прямоугольных неодимовых магнитов марки NdFe35 размером 8×4×10 мм. Полюсы магнитов примыкают к стальным полюсам. При этом в промежутке между полюсами образуется рабочий зазор, достаточный для размещения структуры ГГГ-ЖИГ-ГГГ вместе с преобразователями.

На фиг.8 представлены результаты численного расчета магнитного поля в рабочем зазоре портативной магнитной системы. Расчеты проводились методом конечных элементов с использованием программного комплекса Ansoft Maxwell SV. Исходными данными для расчета являлись геометрические размеры элементов магнитной системы, кривая намагничивания стали Ст.1008 и остаточная индукция неодимовых магнитов, равная 1,2Тл. На графике фиг.8 представлена топология намагничивающего поля в рабочем зазоре магнитной системы. На вставке фиг.8 представлена картина силовых линий магнитного поля внутри и вне рабочего зазора. Видно, что внутри рабочего зазора магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами, практически однородно. При этом дополнительные поля, создаваемые катушками электрического управления, не нарушают однородность поля.

Управляемая линия задержки на спиновых волнах, содержащая эпитаксиальную ферритовую пленку железо-иттриевого граната, ЖИГ, расположенную на немагнитном слое галлий-гадолиниевого граната, ГГГ, входной и выходной преобразователи СВЧ-сигнала и регулируемый током источник намагничивающего поля, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит второй немагнитный слой галлий-гадолиниевого граната, ГГГ, расположенный на поверхности пленки железо-иттриевого граната с противоположной стороны от первого, образуя трёхслойную структуру ГГГ-ЖИГ-ГГГ, и также содержит две диэлектрических подложки, на одной из которых расположен входной преобразователь СВЧ-сигнала, а на второй – выходной преобразователь, преобразователи выполнены микрополосковыми и расположены в одной плоскости так, что их продольные оси совпадают, структура ГГГ-ЖИГ-ГГГ установлена в зазоре, образованном диэлектрическими подложками и преобразователями так, что торцевые поверхности немагнитных слоёв галлий-гадолиниевого граната примыкают к торцам диэлектрических подложек и к торцам преобразователей, диэлектрические подложки на противоположных преобразователям сторонах металлизированы, намагничивающее поле ориентировано по нормали к поверхности пленки ЖИГ.