РЕЗОНАТОР НА МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ Российский патент 1996 года по МПК H01P1/218 

Изобретение относится к резонаторам, а точнее к устройствам, использующим особенности распространения магнитостатических волн (МСВ) в феррите.

Известны резонаторы на МСВ с конфигурацией типа Фабри-Перо, использующие отражающие решетки из канавок или металлических полосок (Вапнэ Г.М. СВЧ устройства на магнитостатических волнах. Обзоры по электронной технике, сер. 1. Электроника СВЧ, вып. 8 (1060), "Электроника", 1984, с. 48-49).

Использование отражающих решеток усложняет конструкцию, приводит к большим потерям в полосе пропускания и малым уровням подавления боковых лепестков относительно основного.

Известен также безрешеточный кольцевой резонатор на ПМСВ с кольцевым магнитом смещения (там же, с. 49). Магнит формирует кольцевую область, в которой может распространяться магнитостатическая волнa.

Однако этот резонатор обладает целым набором резонансных частот.

Известен также однополосный резонатоp (там же, с. 46-48), содержащий входной и выходной преобразователи в виде микрополосковых линий, расположенные на прямоугольной пластине феррита перпендикулярно направлению распространения МСВ. На краях пластины феррита нанесена отражательная решетка в виде канавок. Магнитостатическая волна отражается от системы канавок и образует стоячую волну в резонаторе. Максимальный коэффициент отражения наблюдается для определенной длины волны МСВ и связан с периодом отражательных решеток.

Недостатки данной конструкции обусловлены применением отражательных решеток. Большой коэффициент отражения решеток требует изготовления большого числа канавок. При этом уменьшается рабочая длина волны резонатора, растут потери в полосе пропускания, увеличивается уровень боковых лепестков.

Наиболее близким к изобретению является резонатор на магнитостатических волнах (авт. св. СССР N 1510027, кл. Н 01 Р 1/218, 1989), содержащий касательно намагниченную внешним магнитным полем прямоугольную ферритовую пластину, входной и выходной преобразователи в виде полосковых линий. Продольные оси полосковых линий лежат на оси симметрии прямоугольной ферритовой пластины, перпендикулярной направлению внешнего магнитного поля, и ширина полосковых линий плавно уменьшается от краев пластины к ее центру.

Недостатком данной конструкции является возможность возбуждения высших пространственных мод по ширине ферритовой пластины, что приводит к росту боковых лепестков амплитудно-частотной характеристики резонатора, к уменьшению уровня внеполосного подавления сигнала.

Целью изобретения является увеличение уровня внеполосного подавления сигнала резонатора.

Цель достигается тем, что в резонаторе на магнитостатических волнах, содержащем намагниченную внешним магнитным полем прямоугольную ферритовую пластину, входной и выходной преобразователи в виде полосковых линий, расположенные в плоскости, параллельной поверхности ферритовой пластины, ширина полосковых линий преобразователей w и ширина ферритовой пластины b выбраны из соотношения
b/w n/2 (1), где n 2, 3, 4, номер пространственной моды.

На фиг. 1 представлен резонатор на магнитостатических волнах, вид сверху; на фиг. 2 то же, поперечный разрез; на фиг. 3 амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики резонатора.

Резонатор содержит входную 1 и выходную 2 закороченные микрополосковые линии (МПЛ) шириной w, расположенные в плоскости параллельной поверхности ферритовой пластины 3 шириной b. Пластина феррита может быть отделена от МПЛ слоем диэлектрика 4. Устройство помещено во внешнее магнитное поле Н₀.

Резонатор работает следующим образом.

В случае, если внешнее магнитное поле Н₀ направлено поперек МПЛ (фиг. 1), входная МПЛ 1 возбуждает, а выходная МПЛ 2 снимает в ферритовой пластине 3 обратную объемную МСВ (ООМСВ), распространяющуюся поперек МПЛ. ООМСВ отражается от так называемой области ветвления, проходящей вблизи краев ферритовой пластины и обусловленной уменьшением внутреннего магнитного поля у края пластины. Энергия МСВ может накапливаться в резонаторе, если отраженные от противоположных краев пластины волны при интерференции образуют стоячую волну, т.е. для длин волн, определяемых поперечными размерами пластины. Вместе с тем, обратная объемная МСВ может распространяться и вдоль микрополосковой линии. Таким образом, вся ферритовая пластина становится резонатором на обратной объемной МСВ. Степень связи резонатора с преобразователями изменяется при изменении толщины диэлектрической прослойки 4.

Преобразователями могут служить закороченные или разомкнутые микрополосковые линии, копланарные, щелевые линии и т.д. Расположение преобразователей по оси симметрии ферритовой пластины позволяет возбуждать низшую моду колебаний (амплитуда стоячей волны поперек ферритовой пластины имеет в этом случае один максимум), при больших длинах МСВ, определяемых поперечными размерами пластины λ= 2b. При этом уровень подавления сигнала в полосе пропускания уменьшается, так как в этом случае велика групповая скорость МСВ, следовательно, малы потери на распространение. Кроме того, резкое изменение внутреннего магнитного поля у края ферритовой пластины приводит к отражению МСВ с малыми потерями, что также обеспечивает малые потери в полосе пропускания. Совпадение осей симметрии преобразователей и пластины затрудняет возбуждение высших четных пространственных мод колебаний. В резонаторе, в котором ширина полоски и ширина ферритовой пластины выбраны в виде соотношения (1), где n 3, 5, затрудняется возбуждение n-ной нечетной моды. Если в резонаторе эффективно возбуждаются четные моды, то в соотношении (1) необходимо выбирать n 2, 4, 6, Мощность, переносимая магнитостатической волной, возбужденной полоской, характеризуется ее сопротивлением излучения R, которое пропорционально следующей функции:
R A• где k волновое число МСВ (Калиникос Б.А. Спектр и возбуждение спиновых волн в ферромагнитных пленках. Изв. вузов. Физика, 1980, N 8, с. 42).

Видно, что R 0 при kw/2 π Считая, что k соответствует волновому числу пространственной моды резонатора k_n 2 π/λ_n и учитывая, что по ширине пластины укладывается целое число полуволн n λ_n/2= b, получим соотношение (1). Для четных мод n 2, 4, 6, для нечетных мод n 3, 5, 7, Например, для подавления ближайшей нечетной моды в предлагаемом резонаторе, когда продольные оси полосковых линий лежат на оси симметрии прямоугольной ферритовой пластины, перпендикулярной направлению внешнего магнитного поля, нужно выбирать условия b/w 3/2. При этом самый высокий лепесток на амплитудно-частотной характеристике резонатора исчезает.

Эти соображения подтверждают и строгие численные расчеты, проведенные для полоски, возбуждающей резонатор в приближении эквивалентной длинной линии с распределенными потерями, обусловленными возбуждением МСВ.

На фиг. 3 приведены амплитудно-частотная (верхние кривые) и фазочастотная (нижние кривые) характеристики такого резонатора на частоте f 1,5 ГГц для следующих его параметров: толщина пленки ЖИГ равна 10 мкм, параметр потерь в пленке ЖИГ α= 1,5·10^-4, длина полоски l 20 мм, толщина диэлектрика h 0, ширина полоски w 1; 2 мм. Ширина ферритовой пластины не изменялась: b 3 мм. Величина амплитуды характеризует либо коэффициент потерь, либо коэффициент передачи, в зависимости от конструкции фильтра.

П р и м е р 1. При w 1 мм мода n 3 дает боковой лепесток с потерями ≈16 дБ при потерях в полосе пропускания ≈28 дБ.

П р и м е р 2. В случае w 2 мм мода, соответствующая n 3, не возбуждается что приводит к полному исчезнове- нию ближайшего бокового лепестка амплитудно-частотной характеристики резонатора.

Отметим, что возбуждение поверхностных МСВ в данной конструкции теоретически невозможно из-за ее симметричности. Результаты экспериментальных исследований показывают, что в частотной полосе распространения поверхностных МСВ дополнительные лепестки АЧХ отсутствуют.

Как видно из вышеизложенного, результаты анализа возбуждения прямоугольного ферритового резонатора имеют общий характер и применимы для резонаторов, в которых возбуждаются прямые объемные и поверхностные МСВ (в зависимости от ориентации внешнего магнитного поля относительно прямоугольной ферритовой пластины).

Особенностью резонатора на ООМСВ является то, что в качестве отражателя ООМСВ с высоким коэффициентом отражения используется область с пониженным магнитным полем, естественным образом образующаяся вблизи края пленки ЖИГ при ее касательном намагничении за счет полей размагничивания. В этом случае на рабочей частоте, лежащей вблизи верхней частотной границы существования обратных объемных МСВ в центральной части пленки ЖИГ, вблизи торца пленки в области пониженного магнитного поля условия для распространения ООМСВ уже не выполняются и волна полностью отражается от этой области. Причем переход к точке отражения в области неоднородного внутреннего магнитного поля сопровождается увеличением длины магнитостатической волны, что резко снижает потери при отражении.

Как показали теоретические расчеты, добротность предлагаемого резонатора на ООМСВ определяется соотношением
Q
(2) где ω рабочая частота резонатора;
ω_н=γ Н₀ частота ферромагнитного резонанса;
γ гиромагнитное отношение;
Н₀ напряженность внешнего магнитного поля;
α параметр потерь пленки ЖИГ.

Из соотношения (2) видно, что параметры резонатора не зависят от толщины пленки ЖИГ, что позволяет снизить требования к пленкам ЖИГ.

Резонатор может найти применение в различных устройствах обработки информации, генераторах на МСВ и других радиотехнических системах.

Использование: в устройствах, использующих особенности распространения магнитостатических волн в феррите. Сущность изобретения: резонатор содержит прямоугольную ферритовую пластину, входной и выходной преобразователи в виде полосковых линий, расположенные в плоскости, параллельной поверхности ферритовой пластины. Ширина полосковых линий w преобразователей и ширина ферритовой пластины b выбраны из соотношения: b/w = n/2, где n 2,3,4... - номер пространственной моды. 3 ил.

РЕЗОНАТОР НА МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ, содержащий касательно намагниченную внешним магнитным полем прямоугольную ферритовую пластину и входной и выходной преобразователи в виде полосковых линий, расположенных в плоскости, параллельной поверхности прямоугольной ферритовой пластины по оси ее симметрии, перпендикулярной направлению внешнего магнитного поля, отличающийся тем, что ширина W полосковых линий и ширина B прямоугольной ферритовой пластины выбраны из соотношения B/W = n/2, где n = 2,3,4... - номер пространственной моды колебаний.