СМЕСИТЕЛЬ ЧАСТОТ Российский патент 2001 года по МПК H03C1/48 

Предполагаемое изобретение относится к области преобразования частот электромагнитных колебаний и может быть использовано в качестве гетеродинного смесителя или амплитудного модулятора в радиотехнике и электронике.

Известен магнитный модулятор [1], в котором смеситель частот построен на ферритовых кольцевых сердечниках с обмотками. К недостаткам устройства следует отнести значительные габариты и ограниченную полосу рабочих частот.

Наиболее близким по сути к предлагаемому техническому решению является амплитудный модулятор [2], содержащий полупроводниковый датчик Холла в качестве магниторезистивного преобразователя, на который воздействует переменное (модулирующее) магнитное поле от источника переменных магнитных полей, выполненного в виде объемного электромагнита. К недостаткам данного устройства можно отнести большие габариты, ограниченность диапазона рабочих частот (датчики Холла потенциально работоспособны до 1 МГц [3]) и хорошо известную зависимость свойств полупроводника от ионизирующих излучений.

Целью предлагаемого технического решения является уменьшение габаритных размеров устройства, расширение рабочего частотного диапазона и обеспечение радиационной устойчивости.

Данная цель достигается тем, что магниторезистивный преобразователь выполнен из тонкопленочного ферромагнитного материала в виде полоски с продольной осью легкого намагничивания. Источник переменных магнитных полей изготовлен в виде тонкопленочных проводников (двух или более), размещенных вблизи полоски, параллельно ей. Все проводники и полоска электрически изолированы между собой тонкопленочными слоями из электроизоляционного материала.

На фиг. 1,а представлена конструкция смесителя частот в поперечном разрезе. Над полоской 1 (с линейными размерами десятки микрометров) из тонкопленочного ферромагнитного материала на основе сплава FeNiCo или FeNi, обладающего анизотропными магниторезистивными свойствами, размещены друг над другом ("сэндвичем") два (в данном частном случае) тонкопленочных проводника 2 и 3 (потенциально могут быть размещены и проводник 5 и последующие, вплоть до проводника n). Полоска 1 и проводники 2 и 3 электроизолированы слоями 4 из электроизоляционного материала - SiO₂(Si₃N₄), то есть между проводниками 2 и 3 и полоской 1 отсутствует гальваническая связь. В то же время толщина зазоров между проводниками 2 и 3 и полоской 1 выбрана такой, что магнитные поля, образованные токами, протекающими по проводникам 2 и 3, эффективно воздействуют на полоску 1. Это условие выполняется, если толщины слоев изоляции 4 примерно на порядок величины меньше, чем значения ширины проводников 2 и 3 [4]. На фиг. 1,б изображен в разрезе второй вариант конструкции смесителя частот. В отличие от варианта фиг. 1,а тонкопленочные проводники 2 и 3 расположены по обе стороны от полоски 1, снизу и сверху параллельно и вдоль нее, причем с нижней стороны могут быть размещены еще несколько проводников, вплоть до проводника m.

Магниторезистивные элементы на основе сплавов FeNiCo, FeNi и др., обладающие анизотропной намагниченностью, в настоящее время широко используются в промышленно развитых странах в качестве магнитосчитывающих головок, элементов памяти и высокочувствительных датчиков и магнитных полей. Магниторезистивные элементы имеют диапазон рабочих частот до 1 ГГц и являются радиационно стойкими [3, 5].

В предлагаемом техническом решении в качестве магниторезистивного преобразователя использована тонкопленочная ферромагнитная полоска 1 с анизотропной намагниченностью, причем ось легкого намагничивания ориентирована вдоль длины полоски 1.

На фиг. 2 представлена электрическая схема предлагаемого устройства. Электрический ток I₁ питания полоски 1 протекает через нее, создавая напряжение U_вых. Электрические токи I₂ и I₃, протекающие по тонкопленочным проводникам, соответственно 2 и 3, создают магнитные поля H₂ и H₃, воздействующие на магниторезистивный материал полоски 1, имеющий коэффициент магниторезистивного эффекта 2 - 3%. Под воздействием магнитных полей H₂ и H₃ изменяется сопротивление полоски 1 току I₁, то есть изменяется величина выходного напряжения U_вых. Зависимость U_вых от внешнего магнитного поля H выражается формулой [4]:

где k - величина магниторезистивного эффекта; R₀ - сопротивление магниторезистивной полоски в отсутствие поля H; H_н - значение поля насыщения магниторезистивной полоски. При этом возможны два варианта реализации смесителя частот.

Первый вариант
Через тонкопленочную магниторезистивную полоску 1 пропускается переменный ток I₁ = I_m1 • cos ωt (с частотой колебаний ω ); через тонкопленочный проводник 2 подается постоянный ток I₂, обеспечивающий магнитное смещение H₂, а через тонкопленочный проводник 3 - переменный ток I₃ = I_m3 • cos Ω t, создающий переменное магнитное поле H₃ = H_m3 • cos Ωt (с частотой колебаний Ω) ). При этом магнитные поля H₂ и H₃ обеспечивают модуляцию сопротивления (магниторезистивного преобразователя) полоски 1. Из выражения (1) получим:

В результате этого в спектре выходного напряжения U_вых появляются переменные составляющие, колеблющиеся с частотами ω±Ω, согласно выражению (2).

Второй вариант
В случае, если требуется обойтись без питания полоски 1 переменным током, возможно обеспечить смещение двух частот при включении смесителя по второму варианту.

Электропитание тонкопленочной магниторезистивной полоски 1 осуществляется пропусканием через нее постоянного тока I₁.

Через тонкопленочные проводники 2 и 3 (фиг. 2) подаются переменные токи, соответственно I₂ = I_m2•cosω₂t и I₃ = I_m3•cosω₃t, которые формируют вокруг проводников 2 и 3 переменные магнитные поля, напряженностями H₂ = H_m2•cosω₂t и H₃ = H_m3•cosω₃t. Данные поля, взаимодействуя с ферромагнитным материалом полоски 1, вызывают изменение ее сопротивления, что вызывает появление в спектре выходного сигнала с полоски 1 переменных комбинационных составляющих. Из выражения (1) получаем:

Потенциально количество тонкопленочных проводников определить и возможное количество смешиваемых частот, что может быть использовано при формировании сигналов сложного спектра.

Литература
1. Авт. св. СССР, N 1046904 A, H 03 C 1/54, 1983 г.

2. Авт. св. СССР, N 173270, H 03 C 1/4, 1965 г.

3. Р. Суху "Тонкие магнитные пленки" М.; Мир 1967, с. 408, 215.

4. Д.Э. Ленц / "Обзор магнитных датчиков" // ТИИЭР, 1990, т. 78, N 6, с. 87 - 102.

5. Н. П. Васильева и др. /"Запоминающие элементы на основе магниторезистивных тонкопленочных многослойных структур"// Зарубежная электронная техника, 1995, N 1, с. 32 - 59.

Изобретение относится к преобразованию частот электромагнитных колебаний и может быть использовано в качестве гетеродинного смесителя или амплитудного модулятора в радиотехнике и электронике. В качестве магниторезистивного преобразователя используется тонкопленочный ферромагнитный материал в виде полоски, параллельно над и под которой размещены через изолирующие слои два или более тонкопленочных проводника. Техническим результатом является получение комбинационных составляющих частот переменных токов, протекающих по тонкопленочным проводникам и через полоску. 2 ил.

Смеситель частот, содержащий магниторезистивный преобразователь и воздействующий на него источник переменных магнитных полей, отличающийся тем, что магниторезистивный преобразователь выполнен в виде полоски из тонкой пленки ферромагнитного сплава с продольной ориентацией оси легкого намагничивания, а источник переменных магнитных полей представляет собой два или более тонкопленочных проводника, расположенных друг над другом по обе стороны от полоски, ориентированных вдоль нее и разделенных между собой и полоской слоями из электроизоляционного материала.