Мультиплексор на основе кольцевого резонатора
Владельцы патента RU 2771455:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" (RU)
Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, в частности к приборам на магнитостатических волнах, и может использоваться как мультиплексор. Мультиплексор на основе магнитостатических волн содержит волноведущие микроволноводы из плёнки железо-иттриевого граната, образующие два линейных канала и имеющие антенны для возбуждения и приёма магнитостатических волн, кольцевой резонатор, источник управляющего магнитного поля, согласно изобретению волноведущие микроволноводы выполнены в виде двух прямоугольных структур, длинная сторона которых ориентирована вдоль всей длинной стороны подложки. Антенна для возбуждения расположена на одном из концов микроволновода, а антенны для приёма расположены на трёх других концах микроволноводов, кольцевой резонатор выполнен из пленки железо-иттриевого граната в виде прямоугольного замкнутого контура и расположен с зазором над микроволноводами. Противоположные длинные стороны прямоугольного контура параллельны длинным сторонам микроволноводов, а ширина контура равна расстоянию между внешними сторонами микроволноводов. Магнитное поле источника управляющего магнитного поля направлено касательно вдоль плоскости микроволноводов, при этом величина зазора над микроволноводами составляет d = 10 мкм. 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. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, в частности к приборам на магнитостатических волнах и может использоваться как мультиплексор.
Известно устройство, выполняющее функции мультиплексора, содержащее волноводный оптический кольцевой резонатор, окруженный верхней и нижней шинами (см. патент США US6947632 по кл. МПК G02B6/12, опуб. 20.09.2005). Оптическая волна, длина волны которой удовлетворяет условиям резонанса, определяемым показателем преломления сердцевины и длиной резонатора, распространяется через резонатор. Эта оптическая волна имеет высокую интенсивность, поэтому она способна модулировать показатель преломления сердцевины резонатора за счет эффекта Керра. Это изменение показателя преломления сдвигает резонансные условия резонатора. Таким образом, оптическая волна обеспечивает смещение резонансных кривых кольцевого оптического фильтра. Первая резонансная и интенсивная оптическая волна подается в верхнюю шину, а вторая резонансная оптическая волна - в нижнюю шину. Эти резонансные волны распространяются от одной шины к другой через резонатор в противоположных направлениях.
Недостатком устройства является наличие нескольких частотных пиков в спектре прохождения ввиду наличия высокодобротной оптической системы.
Известен оптический мультиплексор ввода-вывода, сформированный из кольцевых резонаторов (см. патент США US6928209 по кл. МПК G02B6/28; опуб. 09.08.2005). Вместо кольцевого резонатора можно использовать конфигурации интерферометра Маха-Цендера. Интерферометр включает в себя верхнее плечо и нижнее плечо. Верхний рычаг включает в себя вход, нагреватель и порт добавления. Нижний рычаг включает в себя спускной канал, нагреватель и выходной порт. Между верхним и нижним рычагами находится кольцевой резонатор.
Недостаток устройства состоит в том, что для настройки параметров используются нагреватели, установленные в ветвях тракта, что является достаточно инерционным процессом, при этом отсутствует возможность перестройки характеристик путём изменения величины и направления внешнего магнитного поля.
Известен магнитооптический мультиплексор (см. международную заявку WO2008067597 по кл. МПК G02B6/122; опуб. 12.06.2008). Устройство включает в себя первый волновод, поддерживающий распространение сигнала излучения от первого порта ко второму порту; второй волновод, включающий в себя второй порт; и кольцевой генератор, имеющий замкнутый путь распространения, включающий магнитооптические материалы, причем указанный кольцевой генератор функционально связан с указанными волноводами и реагирует на управляющее воздействие для переключения между первой модой и второй модой.
Недостатками устройства является невозможность частотной перестройки.
Наиболее близким к патентуемому является устройство на магнитостатических спиновых волнах (МСВ) (см. патент РФ RU2617143 по кл. МПК H01P 1/215, опуб. 21.04.2017), которое может быть использовано в качестве мультиплексора за счет пространственно-частотной фильтрации и разделения СВЧ сигнала между областями микрополосковых преобразователей СВЧ сигнала. Устройство содержит два параллельных линейных канала распространения МСВ, имеющих две пары микрополосковых преобразователей. Между каналами размещен резонатор МСВ, взаимодействующий с линейными каналами. Структура образована на пленке железо-иттриевого граната (ЖИГ), выращенной на диэлектрической подложке из гадолиний-галлиевого граната (ГГГ).
Недостатками устройства является невозможность управления пространственно-частотными режимами распространения СВЧ-сигнала в режиме работы в качестве мультиплексора.
Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, состоит в создании мультиплексора на МСВ, выполненного с возможностью управления режимами работы.
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.
Для достижения технического результата мультиплексор на основе магнитостатических волн, содержащий волноведущие микроволноводы из плёнки железо-иттриевого граната, образующие два линейных канала, и имеющие антенны для возбуждения и приёма магнитостатических волн, кольцевой резонатор, источник управляющего магнитного поля, согласно изобретению, волноведущие микроволноводы выполнены в виде двух прямоугольных структур, длинная сторона которых ориентирована вдоль всей длинной стороны подложки, при этом антенна для возбуждения расположена на одном из концов микроволновода, а антенны для приёма расположены на трёх других концах микроволноводов, кольцевой резонатор выполнен из пленки железо-иттриевого граната в виде прямоугольного замкнутого контура и расположен с зазором над микроволноводами в виде слоя диэлектрика, при этом противоположные длинные стороны прямоугольного контура параллельны длинным сторонам микроволноводов, а ширина контура равна расстоянию между внешними сторонами микроволноводов, причём магнитное поле источника управляющего магнитного поля направлено касательно вдоль плоскости микроволноводов, при этом величина зазора над микроволноводами составляет d = 10 мкм.
Изобретение поясняется чертежами, где представлены:
на фиг. 1 - конструкция устройства;
на фиг. 2 - вид на устройство с торца в направлении оси х;
на фиг. 3 – амплитудно-частотные характеристики поверхностных магнитостатических волн (ПМСВ) на выходных антеннах;
на фиг.4 – карта распределения интенсивности ПМСВ, полученная методом микромагнитного моделирования на частоте 5,25 ГГц;
на фиг. 5 – то же, что на фиг. 4, на частоте 5,2456 ГГц;
на фиг. 6 – то же, что на фиг. 4, на частоте 5,228 ГГц.
на фиг. 1 и 2 позициями обозначено:
1 и 2 – микроволноводы из плёнки ЖИГ,
3 – кольцевой резонатор,
4 – антенна для возбуждения ПМСВ,
5, 6, 7 – антенны для приёма МСВ,
8 – подложка из галлий-гадолиниевого граната (ГГГ),
9 – диэлектрический слой.
Мультиплексор содержит расположенные на подложке из галлий-гадолиниевого граната (ГГГ) 8 микроволноводы 1,2, выполненные на основе пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ) в форме двух удлиненных полосок равной ширины w, размещенных параллельно друг другу с зазором, выбранным из условия обеспечения режима многомодовой связи ПМСВ между пленками и кольцевым резонатором 3. На концах указанных полосок микроволноводов 1 и 2 образованы микрополосковые антенны 4, 5, 6, 7 для возбуждения и приема магнитостатических волн. При этом, антенна для возбуждения ПМСВ 4 расположена на одном из концов микроволновода 1, а антенна для приёма 5, расположена на другом конце микроволновода 1. Другие антенны для приёма 6 и 7 расположены на противоположных концах микроволновода 2. Кольцевой резонатор 3 выполнен из пленки железо-иттриевого граната в виде прямоугольного замкнутого контура и расположен с зазором d в виде слоя диэлектрика над микроволноводами 1 и 2, при этом противоположные длинные стороны прямоугольного контура параллельны длинным сторонам микроволноводов 1 и 2, а ширина контура равна расстоянию между внешними сторонами микроволноводов 1 и 2, причём магнитное поле источника управляющего магнитного поля (на чертежах источник не показан) направлено касательно вдоль плоскости микроволноводов 1 и 2.
Слой диэлектрика выбирают толщиной d = 10 мкм.
Режим работы мультиплексора определяется выбранными параметрами распространения ПМСВ: величиной внешнего магнитного поля, частотой входного сигнала, а также величиной зазоров между микроволноводами. Так, от величины внешнего магнитного поля зависит частотный диапазон, в то же время от частоты входного сигнала зависит длина волны ПМСВ, и соответственно длина связи, которая и определяет, по какому из микроволноводов будет распространяться ПМСВ и соответственно на какую из выходных антенн попадёт сигнал. Длина связи - это расстояние, на котором ПМСВ, распространяющаяся сначала по микроволноводу 1, полностью перекачивается в микроволновод 2.
Подложка 8 представляет собой пленку галлий-гадолиниевого граната (ГГГ), размеры которой составляют (Ш×Д×Т): 2500 мкм × 8000 мкм × 500 мкм. На поверхности пленки ГГГ сформирована система латерально связанных микроволноводов 1, 2 из пленки ЖИГ толщиной 10 мкм. Расстояние между расположенными параллельно микроволноводами 1, 2 в области связи составляет М=1500 мкм. Над микроволноводами 1, 2 с зазором на расстоянии d = 10 мкм размещен кольцевой резонатор 3. Намагниченность насыщения составляет MН=139 Гс.
На системе связанных микроволноводов 1,2 расположены микрополосковые антенны 4, 5, 6 и 7 шириной w=30 мкм, обеспечивающие возбуждение и прием магнитостатических волн. Входная антенна 4 расположена на одном конце микроволновода 1, на другом - выходная антенна 6. Другие выходные антенны 5 и 7 расположены на концах микроволновода 2. Внешнее магнитное поле H0 направлено касательно вдоль оси y (см. фиг. 1).
Устройство работает следующим образом. Входной микроволновый сигнал, частота которого должна лежать в диапазоне частот, определяемым величиной H0 внешнего постоянного магнитного поля, подается на входную антенну 4. Далее микроволновый сигнал преобразуется в поверхностную магнитостатическую волну (ПМСВ), распространяющуюся вдоль микроволновода 1. Далее по мере распространения, ПМСВ будет перекачиваться из микроволновода 1 в кольцевой резонатор, и далее в микроволновод 2, и в зависимости от выбранной конфигурации магнитного поля и частоты, сигнал попадёт либо на выходную антенну 6 либо 7. Возможна реализация нескольких режимов работы, которыми возможно управлять, изменяя конфигурацию распределения внутреннего магнитного поля при вариации величины внешнего магнитного поля.
На фиг. 3 приведены результаты численного микромагнитного моделирования. Показаны амплитудно-частотные характеристики ПМСВ на выходных антеннах 5-7, которые были получены методом Фурье-преобразования по временной реализации mz компоненты динамической намагниченности в области выходных антенн.
Кривая 10 соответствует сигналу на выходной антенне 5, кривая 12 - на антенне 6, кривая 11 - на антенне 7. Видно, что кольцевой резонатор оказывает влияние на распределение амплитуды выходного сигнала на антеннах 5-7. Моделирование показывает, что если подать на входную антенну 4 сигнал частотой 5,25 ГГц, то ПМСВ дальше будет распространяться в сторону выходной антенны 5. В то же время, если подавать на входную антенну 4 сигналы с частотами 5,2456 ГГц и 5,228 ГГц, то ПМСВ будет распространяться по микроволноводам 1, 2 и приниматься выходными антеннами 6 и 7, соответственно.
Пример выполнения. Микроволноводы 1, 2 из полосок пленки ЖИГ имеют длину L = 8000 мкм, толщину t около 10 мкм и намагниченность М насыщения в диапазоне от 130 до 150 Гс. Кольцевой резонатор имеет длину плеча 2000 мкм вдоль оси х, а вдоль оси y - 1500 мкм. Длина внутреннего плеча кольцевого резонатора вдоль оси х составляет s =1500 мкм, вдоль оси y - g = 1000 мкм. Зазор между полосками составляет 1000 мкм. Кольцевой резонатор расположен над ними так, чтобы расстояние между полосками и резонатором составляло d = 10 мкм, обеспечивая таким образом необходимую вертикальную связь магнитостатических волн между микроволноводами и резонатором.
Микрополосковые антенны для возбуждения и приема магнитостатических волн имеют ширину 30 мкм.
На фиг. 4-6 показаны результаты численного эксперимента путём микромагнитного моделирования. Показаны распределения интенсивности спиновых волн только в магнитных микроволноводах. Приведены все три возможных варианта режимов работы данного устройства.
На фиг. 4 показан первый возможный режим работы, а именно: ПМСВ, возбужденная микрополосковой антенной 5, распространяясь по микроволноводу 1, связывается с кольцевым резонатором 3, далее волна связывается с микроволноводом 2 и движется по направлению к выходной антенне 7. То есть режим работы мультиплексора обеспечивается тем, что при распространении волны в кольцевом резонаторе происходит образование стоячей волны, которая в свою очередь возбуждает волну в микроволноводе 2.
На фиг. 5 также показан возможный режим работы устройства, но со случаем, когда волна попадает на выходную антенну 5.
На фиг. 6 показан случай, когда волна, выходящая из микрополосковой антенны, распространяясь по микроволноводу 1, не связывается с кольцевым резонатором 3, и продолжает распространяться вдоль микроволновода 1 к антенне 6.
Таким образом, представленные данные подтверждают достижение технического результата, а именно создание мультиплексора на поверхностных магнитостатических волнах с кольцевым резонатором, в котором управление режимами работы возможно осуществлять путём изменения величины внешнего магнитного поля.
1. Мультиплексор на основе магнитостатических волн, содержащий волноведущие микроволноводы из плёнки железо-иттриевого граната, образующие два линейных канала и имеющие антенны для возбуждения и приёма магнитостатических волн, кольцевой резонатор, источник управляющего магнитного поля, отличающийся тем, что волноведущие микроволноводы выполнены в виде двух прямоугольных структур, длинная сторона которых ориентирована вдоль всей длинной стороны подложки, при этом антенна для возбуждения расположена на одном из концов микроволновода, а антенны для приёма расположены на трёх других концах микроволноводов, кольцевой резонатор выполнен из пленки железо-иттриевого граната в виде прямоугольного замкнутого контура и расположен с зазором над микроволноводами в виде слоя диэлектрика, при этом противоположные длинные стороны прямоугольного контура параллельны длинным сторонам микроволноводов, а ширина контура равна расстоянию между внешними сторонами микроволноводов, причём магнитное поле источника управляющего магнитного поля направлено касательно вдоль плоскости микроволноводов.
2. Мультиплексор по п.1, отличающийся тем, что величина зазора над микроволноводами составляет d = 10 мкм.
