Управляемый многоканальный фильтр свч-сигнала на основе магнонного кристалла

Авторы патента:

H01P1/215 - Волноводы; резонаторы, линии или другие устройства типа волноводов (работающие в оптическом диапазоне G02B; антенны H01Q; цепи, содержащие элементы с сосредоточенным полным сопротивлением H03H)

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к фильтрам. Многоканальный фильтр СВЧ-сигнала содержит размещенную на подложке ферромагнитную пленочную структуру, сопряженную с входным и выходными преобразователями поверхностных магнитостатических волн (ПМСВ), источники управляющего внешнего магнитного поля. Структура образована пленкой железо-иттриевого граната (ЖИГ) и имеет форму прямоугольника, на коротких гранях которого вдоль длинной оси в теле пленки ЖИГ выполнены симметрично две локальные разделительные дорожки с образованием четырех площадок для размещения преобразователей поверхностных магнитостатических волн. Между концами разделительных дорожек по линии длинной оси прямоугольника образован магнонный кристалл, представляющий собой совокупность отверстий в пленке, размещенных с одинаковым периодом, выбранным из условия образования брэгговской запрещенной зоны в диапазоне волновых чисел от 100 см^-1 до 300 см^-1. Технический результат - возможность управления режимом работы многоканального фильтра на основе магнонного кристалла путем изменения направления внешнего поля. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, в частности к приборам на магнитостатических волнах, и может быть использовано в качестве многоканального фильтра.

Устройства на магнитостатических волнах (МСВ) обладают возможностью перестройки параметров (коэффициенты передачи, время задержки) и частотных режимов работы за счет регулирования как величины, так и угла магнитного поля (см., например, обзор «Магноника - новое направление спинтроники и спин-волновой электроники», УФН, т. 185, №10, 2015, с.с. 1099-1128). Характеристики макетов некоторых устройств на МСВ приводятся на сайте www.magneton.ru.

Известен частотный фильтр СВЧ-сигнала на МСВ, описанный в заявке (JP 2003179413 (А), 13.09.2018). Содержит размещенный на подложке магнитный элемент, выполненный из пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ), пьезоэлектрический элемент с металлическими электродами, образованный на поверхности магнитного элемента, входной и выходной преобразователи МСВ. Магнитный элемент представляет собой магнонный кристалл, который имеет форму протяженного прямоугольника с заостренными по продольной оси торцами и периодическими геометрическими неоднородностями в форме треугольных элементов, размещенных на противолежащих сторонах прямоугольника.

Описан частотный фильтр на основе магнонного кристалла, используемый для управления частотой спиновых волн (WO 2009145579 А2, Seoul National University Industry Foundation, 03.12.2009). Устройство состоит из волновода на основе тонкой магнитной пленки. Волновод имеет три секции, одна из которых представляет собой периодическую структуру - магнонный кристалл, образованный путем периодического изменения ширины либо толщины ферромагнитной пленки. Недостатком данного устройства является отсутствия возможности управления свойствами спектра спиновых волн путем изменения управляющих параметров.

В патенте (RU 2666968 С1, ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, 13.09.2018) описан одноканальный частотный фильтр СВЧ-сигнала на МСВ. Содержит магнитный элемент, представляющий собой магнонный кристалл, имеющий форму протяженного прямоугольника с заостренными по продольной оси торцами и периодическими геометрическими неоднородностями в форме треугольных элементов. Период треугольных элементов выбран из условия образования брэгговской запрещенной зоны в диапазоне волновых чисел от 100 см^-1 до 300 см^-1. Имеется пьезоэлектрическое средство управления частотным диапазоном фильтра и шириной полосы частот.

В другом изобретении (US 10033078 (В2), IMEC VZW; Katholieke Universiteit Leuven, 24.07.2018) описано перестраиваемое устройство, содержащее волновод со спиновой волной, структуру магнонного кристалла в волноводе со спиновой волной и магнитоэлектрическую ячейку, функционально связанную с кристаллической структурой магнона. Структура приспособлена для выборочной фильтрации спектральной составляющей спиновой волны. Магнитоэлектрическая ячейка содержит электрод для управления спектральной составляющей спиновой волны посредством взаимодействия, зависящего от управляющего напряжения, между магнитоэлектрической ячейкой и магнитным свойством магнонного кристалла.

Однако это устройство, как и ранее описанное (RU 2666968), имеет только один канал и не предусматривает многоканальной реализации.

Наиболее близким к патентуемому устройству является многоканальный фильтр на МСВ (RU 1807536 С, Савин А.К., 07.04.1993 - прототип). Устройство содержит входной и N (например, три) выходных преобразователей МСВ, ферритовые пленки, каждая из которых выполнена из материала с разной намагниченностью насыщения, катушки намагничивания и перестраиваемую магнитную систему. Диапазон перестройки устройства обеспечивается выбором намагниченностей насыщения ферритовых пленок, значений частотной расстройки между каналами и полей, создаваемых в катушках намагничивания, однако устройство сложно в реализации и управлении.

Проблема, на решение которой направлено изобретение, состоит в построении управляемого многоканального фильтра на основе магнонного кристалла с возможностью управления режимом работы путем изменения направления внешнего магнитного поля.

Патентуемый многоканальный фильтр СВЧ-сигнала содержит размещенную на подложке ферромагнитную пленочную структуру, сопряженную с входным и выходными преобразователями поверхностных магнитостатических волн (ПМСВ), источники управляющего внешнего магнитного поля.

Отличие состоит в следующем. Структура образована пленкой железо-иттриевого граната (ЖИГ) и имеет форму прямоугольника, на коротких гранях которого вдоль длинной оси в теле пленки ЖИГ выполнены симметрично две локальные разделительные дорожки с образованием четырех площадок для размещения преобразователей поверхностных магнитостатических волн. Между концами разделительных дорожек по линии длинной оси прямоугольника образован магнонный кристалл, представляющий собой совокупность отверстий в пленке, размещенных с одинаковым периодом, выбранным из условия образования брэгговской запрещенной зоны в диапазоне волновых чисел от 100 см^-1 до 300 см^-1.

Фильтр может характеризоваться тем, что намагниченность насыщения пленок ЖИГ составляет М=139 Гс, их толщина - 10 мкм, а также тем, что диаметр отверстий в пленке составляет 70 мкм, а расстояние между ними 150 мкм.

Фильтр может характеризоваться и тем, что источники управляющего внешнего магнитного поля выполнены с возможностью изменения величины и полярности магнитного поля.

Технический результат - возможность управления режимом работы многоканального фильтра на основе магнонного кристалла путем изменения направления внешнего магнитного поля.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг. 1 - конструкция фильтра;

фиг. 2 - структура на подложке, в поперечном сечении;

фиг. 3-5 - карты интенсивности ПМСВ в исследуемой структуре при различных значениях частоты, полученные численным моделированием.

Конструкция патентуемого многоканального фильтра СВЧ-сигнала на ПМСВ представлена на фиг. 1-2. Позициями на чертежах обозначены: входной 1 и выходные 2,3,4 преобразователи ПМСВ; 11,21,31,41 - площадки для размещения преобразователей ПМСВ; 5 - пленка ЖИГ; 6 -локальные разделительные дорожки; 61, 62 - концы разделительных дорожек; 63 - линия длинной оси; 7 - магнонный кристалл; 71 - отверстия; 8 - немагнитная подложка. Источник магнитного поля на фиг. не показан.

Общие размеры прямоугольной пленки: длина w=4000 мкм, ширина d=470 мкм, толщина h=10 мкм. Ширина разделительных дорожек 6 равна 70 мкм, ширина площадок 11, 21, 31, 41 - а=200 мкм; протяженность магнонного кристалла 7 - S=4000 мм; диаметр отверстий b=70 мкм.

Элементы электромагнитной связи представляют собой микроволноводную структуру для ПМСВ из пленки ЖИГ. Принцип работы патентуемого фильтра заключается в том, что входной СВЧ-сигнал, частота которого должна лежать в диапазоне частот, определяемом величиной внешнего постоянного магнитного поля, подается на входной преобразователь 1. Далее сигнал преобразуется в ПМСВ, распространяющуюся вдоль оси X микроволновода. В такой системе наблюдается перекачка спиновых волн из одного микроволновода в другой в разных направлениях. Следовательно, можно управлять режимом работы данного фильтра меняя направление внешнего магнитного поля.

На фиг. 3-5 показаны карты интенсивности ПМСВ в исследуемой структуре при различных значениях частоты. Карты получены методом Мандельштам-Бриллюэновской спектроскопии для внешнего магнитного поля со значением 1200Э, направленного вдоль оси Y, лежащей в плоскости структуры. Схематично показаны места размещения преобразователей относительно магнонного кристалла. ПМСВ возбуждается входным преобразователем 1 в области 91 и может распространяться в трех направлениях: в сторону выходных преобразователей 2 или 3 или 4, что соответствует областям 92, 93, 94.

Спектр ПМСВ, распространяющихся в магнонном кристалле, состоит из чередующихся зон пропускания и непропускания. Зоны непропускания, называемые также запрещенными зонами, образуются на частотах, где волновые числа удовлетворяют условию брэгговского резонанса.

На частоте СВЧ-сигнала 5,160 ГГц ПМСВ распространяется в область 93 (фиг. 3), поскольку на данной частоте волновое число ПМСВ не удовлетворяет условию брэгговского резонанса. Отверстия 71 магнонного кристалла 7 не оказывают влияния на распространения ПМСВ, так как в случае идентичных латеральных магнитных полос мощность ПМСВ периодически передается от одного волновода к другому. Соответственно, сигнал будет присутствовать на выходном преобразователе 3, а на преобразователях 2,4 - отсутствовать.

На частоте СВЧ-сигнала 5,190 ГГц (фиг. 4) наблюдается передача сигнала, возбуждаемого входным преобразователем 1, из области 91 в область 92 за счет брэгговского отражения от периодической решетки, образованной отверстиями 71 магнонного кристалла 7. При этом видно, что наблюдается затухание ПМСВ в положительном направлении оси X, за счет чего сигнал не достигает областей 93 и 94. Соответственно выходной сигнал будет присутствовать на выходном преобразователе 2 и отсутствовать на преобразователях 3,4.

На частоте СВЧ-сигнала 5,35 ГГц (фиг. 5) ПМСВ, возбуждаемая входным преобразователем 1, локализуется в области 91 и достигает области 94, ввиду выполнения условия брэгговского отражения и отсутствия перекачки энергии ПМСВ из области 91 возбуждения. Соответственно, выходной сигнал будет присутствовать на преобразователе 4, а на выходных преобразователях 2,3 - отсутствовать.

Таким образом, представленные данные подтверждают достижение технического результата, а именно возможность управления режимом работы управляемого многоканального фильтра СВЧ-мощности путем изменения направления внешнего магнитного поля, что позволяет использовать его в устройствах магнонной логики.

1. Многоканальный фильтр СВЧ-сигнала, содержащий размещенную на подложке ферромагнитную пленочную структуру, сопряженную с входным и выходными преобразователями магнитостатических волн, источники управляющего внешнего магнитного поля,

отличающийся тем, что

структура образована пленкой железо-иттриевого граната (ЖИГ) и имеет форму прямоугольника, на коротких гранях которого вдоль длинной оси в теле пленки выполнены симметрично две локальные разделительные дорожки с образованием четырех площадок для размещения преобразователей поверхностных магнитостатических волн, при этом

между концами разделительных дорожек по линии длинной оси прямоугольника образован магнонный кристалл, представляющий собой совокупность отверстий в пленке, размещенных с одинаковым периодом, выбранным из условия образования брэгговской запрещенной зоны в диапазоне волновых чисел от 100 см^-1 до 300 см^-1.

2. Фильтр по п. 1, отличающийся тем, что намагниченность насыщения пленок ЖИГ составляет М=139Гс, их толщина - 10 мкм.

3. Фильтр по п. 1, отличающийся тем, что диаметр отверстий в пленке составляет 70 мкм, а расстояние между ними 150 мкм.

4. Фильтр по п. 1, отличающийся тем, что источники управляющего внешнего магнитного поля выполнены с возможностью изменения величины и полярности магнитного поля.

Изобретение относится к электровакуумной технике СВЧ, а именно к баночным окнам ввода-вывода энергии СВЧ электровакуумных приборов и ввода энергии СВЧ в ускоряющие структуры ускорителей.

Способ восстановления сопротивления изоляции токопроводов рабочего оборудования электростанций // 2704352

Изобретение относится к способам и устройствам осушения воздуха, применяемого для восстановления сопротивления электроизоляции, и может найти применение как в энергетике, в частности для консервации паровых турбин и котлов, так и в других отраслях промышленности, например в связи, в транспорте, в компьютерной промышленности и т.д.

Волноводный поляризационный селектор с уменьшенным продольным размером // 2703605

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к технике СВЧ, и может быть использовано в волноводных трактах антенных систем для возбуждения и поляризационной селекции двух основных волн с ортогональными линейными поляризациями.

Устройство на магнитостатических волнах для пространственного разделения свч-сигналов разного уровня мощности // 2702916

Использование: для пространственного разделения СВЧ-сигналов разного уровня мощности. Сущность изобретения заключается в том, что устройство на магнитостатических волнах включает микроволноводную структуру, содержащую слой железо-иттриевого граната (ЖИГ) на подложке из галлий-гадолиниевого граната, микрополосковые антенны для возбуждения и приема магнитостатических волн (МСВ), связанные с входным и выходными портами СВЧ-сигнала, внешний источник магнитного поля, при этом микроволноводная структура выполнена в виде первого и второго слоев ЖИГ, размещенных в параллельных плоскостях, причем длина первого слоя в направлении распространения МСВ больше длины второго слоя, а сами слои отделены друг от друга немагнитной диэлектрической прослойкой; на смежных поверхностях слоев ЖИГ выполнена периодическая система канавок с глубиной, много меньшей толщины слоя ЖИГ, а длина второго слоя выбрана из условия , мкм, где F - расстояние, на котором СВЧ-сигнал из первого слоя ЖИГ полностью перекачивается во второй слой ЖИГ, мкм; n=1, 3, 5 …, при этом антенна для возбуждения МСВ, связанная с входным портом, и одна из трех антенн для приема МСВ, связанная с первым выходным портом, размещены на первом слое ЖИГ, а две другие антенны, связанные с вторым и третьим выходными портами, размещены на втором слое ЖИГ, причем для возбуждения поверхностных МСВ магнитное поле внешнего источника направлено касательно плоскости структуры, а для возбуждения прямых объемных МСВ - перпендикулярно ей.

Функциональный компонент магноники на многослойной ферромагнитной структуре // 2702915

Использование: для конструирования приборов на магнитостатических волнах. Сущность изобретения заключается в том, что функциональный компонент магноники содержит подложку из немагнитного диэлектрика, ферромагнитные слои железоиттриевого граната (ЖИГ), микрополосковые преобразователи для возбуждения и приема магнитостатических спиновых волн (МСВ), источник магнитного поля, при этом выполнен в виде многослойной 3D структуры, включающей внешний и внутренний ферромагнитные слои, отделенные друг от друга прослойкой немагнитного вещества и расположенные один над другим, поверхность подложки в сечении имеет форму меандра, образованного совокупностью периодических канавок, продольная ось которых перпендикулярна направлению распространения МСВ, внешний и внутренний ферромагнитные слои имеют период, совпадающий с периодом образованных канавками на поверхности подложки выступов, боковых граней и пазов, а магнитное поле источника магнитного поля ориентировано перпендикулярно к плоскости подложки с возможностью возбуждения в обоих ферромагнитных слоях объемных МСВ.

Насадка для антенны летательного аппарата // 2699237

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике и технике антенных измерений. Насадка для антенны летательного аппарата содержит коаксиальный соединитель, экранирующий корпус, внутри которого расположены проводящая втулка, установленная при помощи изолятора соосно экранирующему корпусу, и элемент связи, электрически соединенный с коаксиальным соединителем, согласно изобретению экранирующий корпус выполнен открытым с одного торца, изолятор и втулка размещены под элементом связи, установленным перпендикулярно оси насадки и выполненным в виде печатной платы с двумя проводниками, расположенными в одной плоскости и изогнутыми под углом 90° с образованием попарно равных коротких и длинных отрезков, длина и ширина которых выбраны таким образом, чтобы разность фаз токов в них составляла 90°, при этом место изгиба одного проводника соединено с центральным проводником коаксиального соединителя, продольная ось которого параллельна оси корпуса, а место изгиба другого проводника - с втулкой, в которой вдоль по направлению к коаксиальному соединителю выполнен срез для осуществления симметрирования токов, при этом коаксиальный соединитель установлен соосно насадке.

Устройство распределения и фазирования сверхвысокочастотного сигнала // 2699041

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) и предназначено для деления или суммирования СВЧ мощности при работе в фазовых антенных решетках (ФАР) или активных фазовых антенных решетках (АФАР) соответственно в режимах передачи и приема с электронным управлением фазой проходящего СВЧ сигнала в каждом из каналов.

Свч фотонный кристалл // 2698561

Использование: для создания СВЧ фотонного кристалла. Сущность изобретения заключается в том, что СВЧ фотонный кристалл выполнен в виде прямоугольного волновода, содержащего периодически чередующиеся в направлении распространения электромагнитного излучения металлические элементы, по крайней мере одну n–i–p–i–n диодную структуру в центральном элементе и источник питания, согласно решению металлические элементы выполнены в виде штырей, в количестве не менее пяти, расположенных вдоль продольной оси широкой стенки волновода, при этом центральный штырь гальванически соединен с обеими противоположными стенками волновода, имеет разрыв для размещения диодной n–i–p–i–n структуры, n-области которой соединены с противоположными концами центрального штыря, а p-область соединена с положительным полюсом источника питания, штыри, расположенные справа и слева от центрального, ближайшие к нему, имеют емкостные зазоры у одной из широких стенок волновода и выполнены с возможностью регулировки величины этих зазоров, последующие штыри, расположенные слева и справа от ближайших к центральному, имеют емкостные зазоры меньшей величины у противоположной широкой стенки, при этом диаметр центрального штыря меньше диаметров остальных штырей.

Волноводный ферритовый переключатель с магнитной памятью // 2698544

Изобретение относится к области радиотехники. Волноводный ферритовый переключатель с магнитной памятью содержит волноводное разветвление, в центре которого между диэлектрическими прокладками расположен ферритовый вкладыш с управляющей обмоткой, при этом ферритовый вкладыш состоит из примыкающих вплотную друг к другу одинаковых ферритовых элементов, число которых соответствует числу плеч устройства и в каждом из которых имеется отверстие для управляющей обмотки, представляющих собой в плане выпуклый пятиугольник, образованный из прямоугольника, в котором одна из коротких сторон заменена на ломаную линию из двух равных отрезков.

Микрополосковый диплексер // 2697891

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к диплексерам. Микрополосковый диплексер состоит из диэлектрической подложки, одна сторона которой металлизирована и выполняет функцию заземляемого основания, а на вторую нанесены полосковые проводники.