Управляемый электрическим полем делитель мощности на магнитостатических волнах с функцией фильтрации

Авторы патента:

Грачев Андрей Андреевич (RU)

Никитов Сергей Аполлонович (RU)

Садовников Александр Владимирович (RU)

H01P1/22 - Волноводы; резонаторы, линии или другие устройства типа волноводов (работающие в оптическом диапазоне G02B; антенны H01Q; цепи, содержащие элементы с сосредоточенным полным сопротивлением H03H)

Владельцы патента RU 2707756:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к делителям сигналов. Делитель мощности СВЧ сигнала на магнитостатических волнах содержит размещенную на подложке микроволноводную структуру на основе пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ), входной и два выходных порта, связанных с микрополосковыми антеннами для возбуждения и приема магнитостатических волн в микроволноводной структуре, источник управляющего магнитного поля. Микроволноводная структура выполнена в виде Т-образного разветвления, основание которого связано с микрополосковой антенной входного порта, а боковые плечи - с микрополосковыми антеннами выходных портов. На участках между разветвлением и микрополосковыми антеннами выходных портов размещены средства для обеспечения пьезомагнитного взаимодействия в пленке ЖИГ, выполненные в виде пленки пьезоэлектрика с электродами, подключенными к источнику электрического поля, а управляющее магнитное поле направлено по касательной к пленке ЖИГ. Технический результат - придание делителю мощности на МСВ функций фильтрации СВЧ сигнала при обеспечении возможности управления частотными характеристиками посредством магнитных и электрических полей, независимых от мощности входного сигнала. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, в частности к приборам на магнитостатических волнах и может быть использовано в качестве делителя мощности волнового пучка.

Устройства на магнитостатических волнах (МСВ) обладают возможностью перестройки параметров (коэффициенты передачи, время задержки) и частотных режимов работы за счет изменения магнитного поля (см., например, обзор «Магноника - новое направление спинтроники и спин-волновой электроники», УФН, т. 185, №10, 2015, с.с. 1099-1128). Эти характеристики позволяют реализовать устройства для обработки сигналов с множеством функций, например, задержки сигналов, направленного ответвления, фильтрации и др. функций. Технологии микроэлектроники дают возможность выполнить на подложках магнитные пленки с особой конфигурацией, толщиной и свойствами, а также обеспечить логические функции в случае изменения внешнего или внутреннего магнитного поля (см., например, CN104779342 (В), BEIHANG UNIVERSITY, 15.08.2017).

Из уровня техники известно устройство на магнитостатических волнах (RU2623666 С1, ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, 28.06.2017), в котором введен слой пьезоэлектрического материала, снабженный металлическими электродами для подачи электрического напряжения, размещенный на поверхности микроволноводной структуры с возможностью пьезомагнитного взаимодействия. Микроволноводная структура образована тремя параллельными микроволноводами равной ширины, каждый из которых имеет прямоугольную форму и установлен с зазором друг относительно друга с обеспечением режима многомодовой связи. Однако это устройство имеет другое назначение и не предназначено для выполнения функций делителя мощности как самостоятельного элемента СВЧ-тракта.

Наиболее близким к патентуемому устройству является делитель мощности СВЧ сигнала на спиновых волнах (RU2666969 С1, ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, 13.09.2018 - прототип). Делитель мощности СВЧ сигнала содержит единый входной порт, первый и второй выходные порты. Элементы электромагнитной связи выполнены в виде микроволноводной структуры для магнитостатических волн на подложке из галлий-гадолиниевого граната. Микроволноводная структура выполнена на основе пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ) в форме двух удлиненных полосок равной ширины, размещенных параллельно друг другу с зазором, выбранным из условия обеспечения режима многомодовой связи магнитостатических волн. Концы одной полоски микроволноводной структуры имеют отводы, на которых образованы микрополосковые антенны для возбуждения и приема магнитостатических волн, связанные соответственно с единым входным портом и первым выходным портом.

Недостатком такого делителя является отсутствие возможности управления спектром МСВ посредством внешнего электрического поля, а поскольку управление энергией МСВ осуществляется изменением мощности входного сигнала, это может привести к появлению нелинейных эффектов, таких как нелинейный набег фазы спиновой волны.

Проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в придании делителю мощности на МСВ функций фильтрации СВЧ сигнала при обеспечении возможности управления частотными характеристиками посредством магнитных и электрических полей, независимых от мощности входного сигнала.

Патентуемый делитель мощности СВЧ сигнала на МСВ содержит размещенную на подложке микроволноводную структуру на основе пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ), входной и два выходных порта, связанные с микрополосковыми антеннами для возбуждения и приема МСВ в микроволноводной структуре, источник управляющего магнитного поля.

Отличие состоит в том, что микроволноводная структура выполнена в виде Т-образного разветвления, основание которого связано с микрополосковой антенной входного порта, а боковые плечи - с микрополосковыми антеннами выходных портов, причем на участках между разветвлением и микрополосковыми антеннами выходных портов размещены средства для обеспечения пьезомагнитного взаимодействия в пленке ЖИГ, выполненные в виде пленки пьезоэлектрика с электродами, подключенными к источнику электрического поля, а управляющее магнитное поле направлено по касательной к пленке ЖИГ.

Делитель может характеризоваться тем, что электроды на пленке пьезоэлектрика выполнены в форме встречных штырей.

Технический результат - придание делителю мощности на МСВ функций фильтрации СВЧ сигнала при обеспечении возможности управления частотными характеристиками посредством магнитных и электрических полей, независимых от мощности входного сигнала.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг. 1 - представлена конструкция устройства;

фиг. 2 - распределения статического внутреннего магнитного поля от нормированной ширины пленок;

фиг. 3 - частотная зависимость коэффициента передачи S₂₁ для разных конфигураций МСВ;

фиг. 4 - фотографии распределения интенсивности ПМСВ при отсутствии (а) и при наличии (б) электрического поля, прикладываемого к пьезоэлектрическому слою;

фиг. 5 - частотная зависимость коэффициента передачи S₂₁ для разных значений внешнего электрического поля.

Позициями на чертежах обозначены:

1 - входная микрополосковая антенна;

2 - микроволновод на основе пленки ЖИГ;

3 - подложка из пленки галлий-гадолиниевого граната (ГГГ);

4 - пьезоэлектрический слой 1;

5 - пьезоэлектрический слой 2;

6 - электрод 1;

7 - электрод 2;

8 - выходная микрополосковая антенна 1;

9 - выходная микрополосковая антенна 2;

10 - профиль внутреннего магнитного поля для микроволновода шириной 3 мм;

11 - профиль внутреннего магнитного поля для микроволновода шириной 500 мкм;

12 - частотная зависимость коэффициента передачи для обратной объемной магнитостатической волны;

13 - частотная зависимость коэффициента передачи для поверхностной магнитостатической волны;

14 - частотная зависимость коэффициента передачи для обратной объемной магнитостатической волны при отсутствии электрического поля;

15 - частотная зависимость коэффициента передачи для обратной объемной магнитостатической волны в случае Е=10 кВ/см.

Устройство содержит подложку 3, представляющую собой пленку галлий-гадолиниевого граната (ГГГ) с размерами (Ш×Д×Т) 3000 мкм × 3500 мкм × 500 мкм. На поверхности пленки ГГГ сформирован Т-образный микроволновод 2 на основе пленки ЖИГ толщиной 7,7 мкм и намагниченностью насыщения М₀=139Гс. На микроволноводе 2 расположены микрополосковые антенны 1,8,9 шириной 30 мкм, обеспечивающие возбуждение и прием магнитостатичесих волн. При этом входная антенна 1 размещена на одной части микроволновода 2, а выходные преобразователи магнитостатических волн размещены на левом и правом плечах микроволновода 2. Между выходными антеннами расположен пьезоэлектрические слои 4,5 цирконата титаната свинца (ЦТС) с размерами (Ш×Д×Т) 500 мкм × 500 мкм × 400 мкм. На слоях 4,5 пьезоэлектрика и под ними, отделяющие микроволновод 2 расположена встречно-штыревая система металлических электродов 6,7 из никеля, для создания более эффективной локальной деформации. Ширина микроволновода 2 составляет 500 мкм, длина вдоль оси x составляет 3000 мкм, а вдоль оси y составляет 3500 мкм. Внешнее магнитное поле Н₀ направлено касательно вдоль оси x (см. фиг. 1).

Устройство функционирует следующим образом.

Входной микроволновый сигнал, частота которого должна лежать в диапазоне частот, определяемым величиной внешнего постоянного магнитного поля, подается на входную микрополосковую антенну 1. Далее микроволновый сигнал преобразуется в поверхностную МСВ (ПМСВ), распространяющуюся вдоль микроволновода 2, который имеет конфигурацию Т-образного микроволновода и выполнен в виде двух микроволноводных секций: правого и левого плеч раздвоенного микроволновода 2. В результате расщепления ПМСВ на две части в первом и втором плечах волноводной структуры сигнал попадает на выходные антенны 8,9.

Электрическая перестройка частоты возможна благодаря магнитоэлектрическому (МЭ) взаимодействию в структуре. Электрическое поле вызывает деформацию слоя пьезоэлектрика, вследствие обратного пьезоэффекта. Деформация передается микроволноводу, который механически связан с пьезоэлектрическим слоем. Из-за пьезомагнитного эффекта изменяется внутреннее магнитное поле в микроволноводе, приводящее к изменению дисперсионной характеристики волнового процесса в структуре, что и позволяет реализовать двойное управление свойствами волны и, соответственно, характеристиками устройства. При этом управление осуществляется путем воздействия на материальные характеристики микроволновода и пьезоэлектрика при изменении приложенных к нему соответственно внешнего магнитного и электрического полей. Ввиду конечной ширины микроволновода 2 при распространении ПМСВ реализуется многомодовый режим.

На фиг. 2 приведены результаты численного моделирования рассчитанных профилей внутреннего магнитного поля в случае, когда ширина микроволновода 2 составляет 3 мм (кривая 10, фиг. 2) и 500 мкм (кривая 11, фиг. 2). Видно, что величина внутреннего магнитного поля в центре микроволновода 2 уменьшается при уменьшении ширины.

На фиг. 3 показаны частотные зависимости коэффициента передачи в случае распространения ПМСВ (кривая 13) и обратных объемных МСВ (кривая 12). Видно, что в диапазоне частот от 5,23 ГГц до 5,35 ГГц наблюдается перекрытие передаточных характеристик. Это означает, что ПМСВ при повороте в плечи микроволновода 2 преобразуется в обратную объемную МСВ и на выходе попадает на микрополосковую антенну 8

На фиг. 4 показаны карты распределения интенсивности МСВ, распространяющейся по микроволноводу 2. При отсутствии электрического поля, прикладываемого к пьезоэлектрическому слою 5, наблюдается ответвление МСВ в оба плеча (фиг. 4,а). При приложении электрического поля (Е=10кВ/см) к слою пьезоэлектрика 5 сигнал ответвляется только в левое плечо, а в правое - практически не проходит (фиг. 4,б). Данный эффект обусловлен трансформацией профиля внутреннего магнитного поля микроволновода 2 в области под пьезоэлектрическим слоем 5.

Следует отметить, что использование электродов типа встречные штыри позволяет создавать запрещенную зону в спектре спиновых волн (фиг. 5). Получены частотные зависимости коэффициента передачи, в случае отсутствия и при приложении внешнего электрического поля Е к пьезоэлектрическому слою. Видно, что при отсутствии внешнего электрического поля (кривая 14) в спектре не содержится падений мощности, соответствующих наличию запрещенных зон. При приложении напряжения к электроду (кривая 15) в спектре наблюдается ярко выраженный провал, соответствующий запрещенной зоне непрохождения сигнала.

Таким образом, представленные результаты подтверждают достижение технического результата - делитель мощности на МСВ обладает функцией фильтрации СВЧ сигнала при обеспечении возможности управления частотными характеристиками посредством магнитных и электрических полей, которые независимы от мощности входного сигнала.

1. Делитель мощности СВЧ сигнала на магнитостатических волнах, содержащий размещенную на подложке микроволноводную структуру на основе пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ), входной и два выходных порта, связанных с микрополосковыми антеннами для возбуждения и приема магнитостатических волн в микроволноводной структуре, источник управляющего магнитного поля,

отличающийся тем, что

микроволноводная структура выполнена в виде Т-образного разветвления, основание которого связано с микрополосковой антенной входного порта, а боковые плечи - с микрополосковыми антеннами выходных портов, причем на участках между разветвлением и микрополосковыми антеннами выходных портов размещены средства для обеспечения пьезомагнитного взаимодействия в пленке ЖИГ, выполненные в виде пленки пьезоэлектрика с электродами, подключенными к источнику электрического поля, а управляющее магнитное поле направлено по касательной к пленке ЖИГ.

2. Делитель по п. 1, отличающийся тем, что электроды на пленке пьезоэлектрика выполнены в форме встречных штырей.

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, в частности к приборам на магнитостатических волнах. Технический результат заключается в создании мультиплексора ввода-вывода с возможностью управления режимами работы устройства за счет изменения конфигурации распределения внутреннего магнитного поля при вариации величины и направления внешнего магнитного поля.

Управляемый многоканальный фильтр свч-сигнала на основе магнонного кристалла // 2706441

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.

Баночное окно ввода-вывода энергии свч // 2705563

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.