СПОСОБ ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ РАБОЧЕЙ ЧАСТОТЫ УСТРОЙСТВ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ Российский патент 1995 года по МПК C30B19/02 C30B29/28 

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^-6оС^-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^-4оС^-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^-4оС^-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^-4оС^-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^-4оС^-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^-4оС^-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.

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.

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.