Способ термостабилизации рабочей частоты устройств на поверхностных магнитостатических волнах

 

Использование: при конструировании и разработке устройств аналоговой обработки информации СВЧ диапазона. Сущность изобретения: кристаллографическая ориентация плоскости пленки ЖИГ, используемой в качестве волноведущего элемента, разориентирована на 0 15° от плоскостей (100) или (210) или (110) или (211), в качестве постоянного магнита используют магнит из сплава с неотрицательным температурным коэффициентом напряженности магнитного поля, затем магнит и пленку соединяют, при этом ПМСВ направляют под таким углом и выбранной в плоскости пленки кристаллографической оси, для которого температурный коэффициент частоты ПМСВ в пленке α_F относится к температурному коэффициенту напряженности магнитного поля α_H, как α_F/α_H= H/F (d_F/d_Н), где Н напряженность магнитного поля; F частота ПМСВ. Предлагаемый способ позволяют обеспечить термостабильность рабочей частоты устройства аналоговой обработки СВЧ сигналов в более расширенном интервале температур (от -60 до +85°С). 1 з. п. ф-лы, 3 ил. 1 табл.

Изобретение относится к спинволновой электронике и может быть использовано при конструировании и разработке устройств аналоговой обработки информации СВЧ-диапазона.

Малогабаритные планарные устройства обработки информации на магнитостатических волнах (МСВ), выполненные на основе пленок железоиттриевого граната, способны заменить массивные устройства на объемных монокристаллах ферритов, что позволяет снизить вес и габариты аппаратуры СВЧ, упростить схемы, повысить их надежность и снизить энергопотребление.

Однако широкое использование этих устройств в технике сдерживается недостаточной термостабильностью их параметров, в частности рабочей частоты, что обусловлено зависимостью от температуры окружающей среды ряда параметров составных частей устройства намагниченности насыщения и константы анизотропии пленки ЖИГ, напряженности магнитного поля смешения, создаваемого постоянным магнитом.

Зависимость этих величин от температуры оценивают относительными коэффициентами α_F 1/F_МСВ˙ (dF_МСВ/dT), ^оС^-1 температурный коэффициент частоты МСВ в пленке ЖИГ; α_H= · температурный коэффициент напряженности магнитного поля; ТКЧ · температурный коэффициент частоты устройства на МСВ. Для практического использования устройств на МСВ необходимо, чтобы ТКЧ не превышал 5 ˙10^-5оС^-1 в интервале (-60)-(+85)^оС.

Известен способ термостабилизации СВЧ устройства на прямых объемных магнитостатических волнах (ПОМСВ) [1] по которому для термостабилизации линии задержки на прямых объемных МСВ с рабочей частотой 7,58 ГГц, выполненной на основе эпитаксиальной структуры ЖИГ/ГГГ ориентации (111) применена магнитная система, создающая поле, перпендикулярное плоскости пленки, и имеющая температурный коэффициент, согласованный по величине с температурным коэффициентом частоты в пленке ЖИГ и противоположный по знаку. Это было достигнуто применением в магнитной системе полюсных наконечников из сплавов SmCo₅ c ТКВ_r -0,04% /^оС и RARENET-B с TKB_r -0,09%/^oC. Термостабилизация по данному способу достигается компенсацией изменения частоты ПМСВ в пленке противоположным изменением поля смешения, что позволило получить ТКЧ +6 ˙10^{-6 о}С^-1 в интервале температур от +25 до +70^оС.

Недостатком данного способа является невозможность термостабилизации частоты при поле смешения, параллельном плоскости пленки, что необходимо для возбуждения поверхностных МСВ.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ термостабилизации устройства на МСВ, заключающийся в намагничивании эпитаксиальной пленки ЖИГ ориентации (111) под определенным углом к нормали, который обеспечивается специальной конструкцией магнитной системы на основе постоянных магнитов из сплава SmCo₅ [2] Намагничивание пленки ЖИГ под углом к нормали приводит к возбуждению смешанных (поверхностно-объемных) типов волн, температурный коэффициент которых имеет противоположный знак по сравнению с коэффициентом напряженности магнитного поля магнита, что дает возможность их взаимной компенсации.

Недостатком данного способа является малый температурный диапазон термостабильности частоты (от +24 до +44^оС) и увеличение габаритов и сложности магнитной системы.

Цель изобретения расширение температурного интервала термостабильности при одновременном упрощении конструкции устройства.

Цель достигается тем, что в качестве магнита используют магнит из сплава с неотрицательным температурным коэффициентом напряженности магнитного поля, а в качестве волноведущего элемента пленку ЖИГ или твердого раствора на его основе, эпитаксиально осажденную на подложку из гадолиний-галлиевого граната, плоскость которой разориентирована на угол 0-15^о от плоскости (100) или (210), или (110), или (211), пленку и магнит соединяют, при этом поверхностную МСВ направляют под таким углом к выбранной в плоскости пленки кристаллографической оси, для которого температурный коэффициент частоты ПМСВ в пленке α_F относится к температурному коэффициенту напряженности магнитного поля постоянного магнита α_Н, как α_F/α_H= -H/F · .

Применение магнитов с отрицательным Н приводит к увеличению ТКЧ устройства до значений, превышающих 5˙10^-5оС^-1; применение пленок ЖИГ ориентации (111), где α_F не зависит от угла между направлением распространения волны, не позволяет обеспечить условие термостабильности, что также приводит к увеличению ТКЧ. При угле разориентации плоскости δ большем чем 15^о минимальная величина α_F пленки превышает величину 7˙10^{-4 о}С^-1, что затрудняет подбор соответствующего магнита.

Суть предлагаемого способа можно пояснить следующим образом. Температурная зависимость частоты ПМСВ в пленке ЖИГ определяется зависимостью от температуры намагниченности насыщения 4 π M_S(T) и внутреннего размагничивающего поля Н_i(T). Намагниченность насыщения уменьшается с увеличением температуры в соответствии с законом Кюри, что приводит к уменьшению частоты возбуждения ПМСВ в пленке ЖИГ. Вклад H_i(T) в изменение частоты ПМСВ определяется температурной зависимостью поля кристаллографической анизотропии и зависит от кристаллографической ориентации подложки. Так, например, для пленки ЖИГ ориентации (111) α_F составляет 8,2˙ 10^{-4 о}С^-1 независимо от угла между направлением распространения волны и кристаллографическими осями в плоскости пленки. Для ориентации плоскости (100), (110), (210), (211) α_F непрерывно изменяется с периодом, определяемым симметрией плоскости, и принимает значения от 0 до -10˙ 10^{-4 о}С^-1.

На фиг. 1 приведены значения α_F для вышеперечисленных ориентаций в зависимости от азимутального угла, за точку отсчета принята ось с минимальным значением α_F [100] для плоскостей (100), (110) и (210), и [311] для плоскости (211). Таким образом, для постоянного магнита, имеющего неотрицательный температурный коэффициент α_Н, например РЗМ-ПМ-В, где ПМ-переходный металл, найдется угол ϕ между направлением и кристаллографической осью в плоскости пленки, для которого будет выполнено условие термостабильности, когда изменение частоты возбуждения ПМСВ в пленке ЖИГ при изменении температуры окружающей среды компенсируется эквивалентным по величине и противоположным по знаку изменением напряженности внешнего магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом. Численные соотношения между величинами α_F и α_H определяются из закона дисперсии МСВ: α_F= -α_н· · , (1) где F частота возбуждения МСВ, МГц, Н напряженность внешнего магнитного поля, Э; значение dF/dH может быть определено экспериментально или аналитически из закона дисперсии F F(). В частности, для ПМСВ при К 0 выражение (1) имеет вид: α_F= -α_H , (2) При 4 π M_S 1750 Гс и Н 685 Э α_F -0,64 α_H.

На фиг. 2 приведена схема устройства на ПМСВ: нормаль к поверхности пленки, отстоящая от кристаллографической оси [hkl] на угол разориентации δ; направление распространения ПМСВ, отстоящее от кристаллографической оси [010] лежащей в плоскости пленки, на угол ϕ; направление магнитного поля, 1 постоянный магнит; 2 пленка ЖИГ на подложке ГГГ; 3 основание с входным и выходным преобразователем МСВ.

На фиг. 3 приведена температурная зависимость рабочей частоты широкополосного фильтра на ПМСВ, включающего постоянный магнит из сплава (TbDy) (FeCo)B и пленку ЖИГ на подложке ГГГ с ориентацией плоскости (100) и разориентацией δ 5,2^о, в котором направление распространения ПМСВ составляет с осью (010) в плоскости пленки угол ϕ 5,5^о.

На фиг. 1 приведены зависимости температурного коэффициента частоты ПМСВ α_F в пленках ЖИГ от угла ϕ между направлением распространения волны и осью [100] лежащей в плоскости пленки, при различных ориентациях и разориентациях плоскости пленки. 1 ориентация плос- кости пленки (100), разориентация δ 0 2 То же (100) То же 5,2^о 3 -"- (100) -"- 15^о 4 -"- (210) -"- 0 5 -"- (110) -"- 0 П р и м е р. С использованием предлагаемого способа термостабилизации был изготовлен макет широкополосного фильтра на ПМСВ с рабочей частотой 3200 МГц. Эпитаксиальная феррит-гранатовая пленка состава Y₃Fe₅O₁₂ (4 π M_S 1750 Гс) была выращена на подложке ГГГ ориентации (100) с разориентацией δ 5,2^о методом жидкофазной эпитаксии из раствора-расплава на основе оксида свинца. Измерения зависимости температурного коэффициента частоты ПМСВ в пленке α_F были проведены при помощи измерителя комплексных коэффициентов передач РЧ-38 и термокамеры при постоянном магнитном поле смешения, создаваемом электромагнитом: в зависимости от ϕ α_F изменяется от +1˙10^-4 до -11˙ 10^{-4 о}С^-1.

Постоянный магнит с положительным температурным коэффициентом напряженности магнитного поля α_Н был изготовлен из сплава (NdDyTbHoGd)(FeCo)B по технологии порошковой металлургии. Его характеристики были измерены при помощи тесламетра ЭМЦ 2-17: α_Н +2,4 ˙10^{-4 о}С^-1 и Н при комнатной температуре 650 Э. По формуле (2) было определено необходимое значение α_F -1,8˙ 10^-4оС^-1 и по графику зависимости α_F( ϕ) был определен угол ϕ для направления распространения ПМСВ, он составил 5,5^о.

Сборку макета проводили в следующей последовательности: из феррит-гранатовой структуры вырезали волноведущий элемент в форме квадрата со сторонами, совпадающими с осями <100>, размером 10 х 10 мм;
волноведущий элемент приклеивали к основанию с преобразователями, развернув его на угол 5,5^о относительно направления распространения волны;
сверху на структуру приклеивали постоянный магнит так, чтобы магнитное поле его было направлено параллельно плоскости пленки и перпендикулярно направлению распространения волны.

Характеристики макета исследовали в термокамере при помощи измерителя РЧ-38. ТКЧ данного макета широкополосного фильтра не превышало 5˙10^-5оС^-1 в интервале температур (-60)-(+85)^оС.

Аналогично были изготовлены макеты фильтров на ПМСВ с использованием магнитов различного состава и пленок различной ориентации. Полученные характеристики макетов приведены в таблице. Результаты испытаний макетов устройств позволяют сделать вывод, что сочетание магнитов с неотрицательным температурным коэффициентом напряженности магнитного поля и пленок ЖИГ указанных выше ориентаций позволяет обеспечить термостабильность рабочей частоты устройства в более широком по сравнению с прототипом интервале температур и, кроме того, позволит использовать устройства обработки информации СВЧ диапазона на ПМСВ без применения специальных мер по их термостабилизации, как то: термостабилизирование, автоподстройка частоты или поля при помощи специальных электронных схем.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ РАБОЧЕЙ ЧАСТОТЫ УСТРОЙСТВ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ (ПМСВ), включающий взаимную компенсацию температурных зависимостей напряженности магнитного поля постоянного магнита и частоты ПМСВ волноведущего элемента на основе железоиттриевого граната (ЖИГ), отличающийся тем, что в качестве постоянного магнита берут магнит с неотрицательным температурным коэффициентом напряженности магнитного поля, а в качестве волноведущего элемента пленку ЖИГ или твердого раствора на его основе, эпитаксиально осажденную на подложку гадолинийгаллиевого граната, плоскость которой разориентирована на 0 15^o от плоскости (100), или (210), или (110), или (211), затем магнит и пленку соединяют, при этом поверхностную МСВ направляют под таким углом к выбранной в плоскости пленки кристаллографической оси, для которого температурный коэффициент частоты ПМСВ в пленке α_F относится к температурному коэффициенту напряженности магнитного поля постоянного магнита α_Н как

где H напряженность магнитного поля;
F частота ПМСВ.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что постоянный магнит изготовлен из сплава РЗМ-ПМ-В.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4