УЗКОПОЛОСНЫЙ РЕЗОНАНСНЫЙ МАГНИТОАКУСТИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР СВЧ Российский патент 2010 года по МПК H01P1/20 

Изобретение относится к СВЧ радиотехнике и может быть использовано в радиотехнических устройствах в качестве полосно-пропускающего фильтра частот или частотно задающего элемента высокостабильных генераторов СВЧ.

Известен фильтр СВЧ на магнитостатических волнах, содержащий подложку из немагнитного материала и ферритовую пленку, на поверхности которой размещены входной и выходной преобразователи магнитостатических волн, отличающийся тем, что входной и выходной преобразователи магнитостатических волн выполнены в виде решетки встречных штырей (авторское свидетельство СССР №953695, Кл. Н03Н 9/00, от 21.03.1979 г.) [1].

Однако указанный фильтр не обеспечивает достаточно высокой избирательности по частоте.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является полосно-пропускающий фильтр СВЧ, состоящий из немагнитной подложки, на противоположные поверхности которой нанесены две ферритовые пленки, входного преобразователя, расположенного на поверхности первой ферритовой пленки, и параллельного к нему выходного преобразователя, расположенного на поверхности второй ферритовой пленки (авторское свидетельство СССР №1091263, Кл. Н01Р 1/218, от 8.01.1984 г.) [2].

Узкополосная фильтрация частот в таком устройстве осуществлялась за счет возбуждения в структуре пленка-подложка-пленка высокодобротных магнитоакустических резонансов на частотах гибридизации магнитостатических волн с волноводными акустическими модами Лэмба (Казаков Г.Т., Тихонов В.В., Зильберман П.Е. Резонансное взаимодействие магнитодипольных и упругих волн в пластинах и пленках железо-иттриевого раната. // ФТТ. - 1983. - Т.25. - №8. - С.2307-2312) [3].

Недостатком данного устройства является наличие множества резонансных полос пропускания СВЧ сигнала, что существенно снижает селективные свойства магнитоакустического фильтра.

Целью изобретения является повышение селективных свойств магнитоакустического фильтра.

Указанная цель достигается тем, что в известное устройство, состоящее из немагнитной подложки, на противоположные поверхности которой нанесены две одинаковые ферритовые пленки, входного преобразователя магнитостатических волн, расположенного на поверхности первой ферритовой пленки, и параллельного к нему выходного преобразователя магнитостатических волн, расположенного на поверхности второй ферритовой пленки, внесены изменения: первая и вторая ферритовые пленки выполнены в виде одинаковых фигур, симметричных относительно поворота на угол 90° (например, квадратов или дисков); входной и выходной преобразователи магнитостатических волн расположены соосно с ферритовыми пленками под углом 90° друг к другу; толщина структуры пленка-подложка-пленка d выбрана из условия

где v_S - скорость звука в немагнитной подложке;

Δf_M - ширина полосы первой резонансной моды магнитостатических волн.

Конструкция устройства представлена на чертеже. Устройство состоит из немагнитной подложки 1; первой 2 и второй 3 ферритовых пленок; входного 4 и выходного 5 преобразователей магнитостатических волн.

Устройство работает следующим образом. Немагнитная подложка 1 вместе с ферритовыми пленками 2, 3 и преобразователями 4, 5 помещается в постоянное магнитное поле . На входной преобразователь 4 подается СВЧ сигнал, который возбуждает в ферритовой пленке 2 интенсивные магнитостатические колебания на частотах возбуждения резонансов магнитостатических волн (МСВ). Частоты возбуждения резонансов МСВ могут перестраиваться регулировкой величины поля H₀.

Магнитостатические колебания в ферритовой пленке 2 сопровождаются магнитострикционным излучением звука, бегущего вглубь подложки 1. При настройке частоты резонанса МСВ на одну из частот акустического резонанса

где

v_S - скорость звука в подложке,

d - толщина структуры пленка-подложка-пленка,

n - номер акустического резонанса,

в поперечном направлении структуры пленка-подложка-пленка возбуждаются высокодобротные магнитоакустические резонансы, которые за счет обратного эффекта магнитострикции возбуждают интенсивные магнитостатические колебания в противоположной ферритовой пленке 3. Эти колебания преобразуются в СВЧ сигнал выходным преобразователем.

5. Фильтрация частот входного сигнала возникает на частотах всех магнитоакустических резонансных мод, попадающих в полосы частот резонансных мод МСВ. Для обеспечения режима одночастотной фильтрации необходимо: во-первых, чтобы в пленочном резонаторе возбуждалась только одна резонансная мода МСВ и, во-вторых, чтобы в полосу резонансных частот МСВ попадало не более одной частоты акустического резонанса. Последнее требование выполняется при условии

где Δf_M - ширина полосы резонансных мод МСВ,

Δf_s≈v_S/(2d) - интервал частот между соседними модами акустического резонанса.

Предварительная селекция мод магнитоакустического резонанса осуществляется в полосе частот наиболее интенсивной первой (полуволновой) резонансной моды МСВ, колебания которой симметричны относительно оси пленочного резонатора 2. Для ее возбуждения входной преобразователь 4 располагается вдоль оси симметрии пленочного резонатора 2. При таком расположении преобразователя возбуждение второй (антисимметричной) резонансной моды МСВ запрещено, а слабые моды более высокого порядка практически не возбуждаются. Ортогональное расположение выходного преобразователя 5 обеспечивает эффективный прием прошедшего сигнала и при этом устраняет индуктивную связь преобразователей, что обеспечивает эффективное заграждение сигнала за полосой возбуждения магнитоакустического резонанса. Ширина полосы первой резонансной моды МСВ Δf_M в основном определяется качеством ферритовой пленки и является фактически заданным параметром. Скорость звука v_S также задана упругими свойствами материала. При заданных значениях Δf_M и v_S условие одночастотной фильтрации (3) может быть выполнено только за счет подбора толщины d. Из (3) непосредственно следует условие (1), которое накладывает ограничения на выбор толщины структуры пленка-подложка-пленка.

Изобретение осуществляется следующим образом. В качестве материала для изготовления магнитоакустического резонатора используется двухпленочная структура железоиттриевого граната (ЖИГ), выращенная методом жидкофазной эпитаксии на плоскопараллельной оптически полированной подложке гадолиний-галлиевого граната (ГГГ). Из пленочной структуры ЖИГ-ГГГ-ЖИГ вырезаются образцы в форме диска или в форме квадрата, как показано на чертеже. Линейные размеры образцов выбираются равными половине длины волны МСВ. При заданной длине волны МСВ 1 мм размеры квадратного ЖИГ-резонатора составляют 0,5×0,5 мм². В качестве преобразователей МСВ используются закороченные на концах микрополосковые линии, которые располагаются на противоположных поверхностях структуры ЖИГ-ГГГ-ЖИГ вдоль ортогональных осей симметрии пленочных резонаторов, как показано на чертеже. Ширины преобразователей выбираются сравнимыми с линейными размерами пленочных резонаторов ≈0,5 мм, что обеспечивает максимальное подавление высших резонансных мод МСВ. Образец вместе с преобразователями помещается в постоянное магнитное поле H₀, ориентированное по нормали к поверхностям пленок. На входной преобразователь 4 подается СВЧ сигнал. При нормальном намагничивании пленки в монокристаллической структуре ЖИГ-ГГГ-ЖИГ возбуждаются магнитоакустические резонансы продольных и поперечных (сдвиговых) звуковых волн, причем, как показано в работе [3], интенсивность возбуждения поперечных волн на 1-2 порядка выше продольных. Фильтрация сигнала осуществляется на частотах наиболее интенсивных поперечных магнитоакустических резонансов. Эти резонансы имеют дополнительное преимущество - они не чувствительны к внешним нагрузкам акустического резонатора. Резонансы продольных звуковых волн легко подавляются аморфным покрытием акустического резонатора. При использовании серийных пленок ЖИГ ширина полосы пленочных резонаторов Δf_M не превышает 10МГц на уровне заграждения СВЧ сигнала 10 дБ. Скорости поперечных звуковых волн в ЖИГ (v_S≈3,7·10⁵ см/с) и в ГГГ (v_S≈3,6·10⁵ см/с) практически совпадают. Исходя из этого, по формуле (1) рассчитывается предельно допустимая толщина структуры ЖИГ-ГГГ-ЖИГ d≤0,36 мм. Для примера толщина структуры может быть выбрана d=0,30 мм. При этом интервал дискретной перестройки частоты магнитоакустического фильтра будет составлять Δf_s≈6 МГц, а относительное подавление сигнала на ближайших частотах магнитоакустического резонанса будет более 10 дБ.

Изобретение относится к СВЧ радиотехнике и может быть использовано в системах радиолокации и связи в качестве полосно-пропускающего фильтра частот или частотно задающего элемента высокостабильных генераторов СВЧ. Повышение селективных свойств магнитоакустического фильтра является техническим результатом изобретения. Устройство представляет собой перестраиваемый фильтр СВЧ, выполненный на основе высокодобротных магнитоакустических резонансов, возбуждаемых в слоистой структуре: ферритовая пленка - подложка - ферритовая пленка. В изобретении реализован режим одночастотной фильтрации СВЧ сигнала за счет селективного возбуждения отдельных мод магнитоакустических резонансов. Селективное возбуждение магнитоакустических мод осуществляется в полосе первой резонансной моды магнитостатических волн (МСВ). Для обеспечения режима одночастотной фильтрации первая и вторая ферритовые пленки в виде резонаторов расположены на противоположных сторонах немагнитной подложки, входной и выходной преобразователи МСВ расположены соосно с ферритовыми пленками и под углом 90° друг к другу, при этом толщина структуры пленка-подложка-пленка d выбрана из условия , где v_S - скорость звука в немагнитной подложке, Δf_M - ширина полосы первой резонансной моды МСВ. 1 ил.

Узкополосный резонансный магнитоакустический фильтр СВЧ, состоящий из немагнитной подложки, на противоположные поверхности которой нанесены две одинаковые ферритовые пленки, с входным и выходным преобразователями магнитостатических волн, отличающийся тем, что в качестве преобразователей магнитостатических волн используются закороченные на концах микрополосковые линии, которые располагаются на противоположных поверхностях пленок вдоль ортогональных осей симметрии пленочных резонаторов, соосно с ферритовыми пленками и под углом 90° друг к другу, при этом ширина преобразователей сравнима с линейными размерами пленочных резонаторов, а толщина d структуры пленка - подложка - пленка выбрана из условия
,
где v_s - скорость звука в немагнитной подложке;
Δf_м - ширина полосы первой резонансной моды магнитостатических волн.