ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ ИНВЕРТОР-ПОВТОРИТЕЛЬ НА МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ Российский патент 2019 года по МПК H03K19/16 H01P5/00 

Описание патента на изобретение RU2694020C1

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, в частности к приборам на магнитостатических волнах и может использоваться как логическое устройства типа инвертор-повторитель в системах обработки сигналов.

Известно устройство типа инвертор-повторитель (RU 93029592 A, Институт проблем кибернетики РАН, 27.03.1997). Устройство содержит первый и второй токовые переключатели на входе и опорные n-p-n- и p-n-p-транзисторы и токовые генераторы с противоположными направлениями тока. Известно логическое устройство типа инвертор, относящееся к вычислительной технике, в частности к быстродействующим цифровым схемам транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) в интегральном исполнении (SU 1269252 A1, Московский институт электронной техники, 07.11.1986). Недостатками обоих устройств является невозможность частотной перестройки.

Известно логическое устройство, являющееся генератором спиновой волны, реализующее обнаружение спиновой волны и технологию клапана для информационных сигналов (US 2016105176 A1, Hitachi Ltd, 14.04.2016). В устройстве прикладывается электрическое поле к первому электроду немагнитного материала с использованием тонкого линейного тела, включающего в себя первый ферромагнитный слой и немагнитный слой, тем самым генерируется спиновая волна в первом ферромагнитном слое и обнаруживается фаза или амплитуда спиновой волны, которая распространяется в первом ферромагнитном слое с использованием второго электрода ферромагнитного материала с эффектом магнитосопротивления. Логическая схема устройства применяет арифметическую операцию посредством интерференции спиновых волн из нескольких входных сигналов. Недостатком такого устройства является необходимость создания электрического поля для генерации спиновой волны в одном из ферромагнитных слоев.

Известно логическое устройство, имеющее шину спиновой волны и блок приема входного сигнала (US 7528456 (B1), University of California, 01.03.2005). Спиновая волна возбуждается сигналом, закодированным в ориентации спиновой волны, соответствующей входному сигналу. Логическое устройство представляет собой логический элемент из группы логических вентилей, состоящих из двухбитовых логических элементов «AND», «OR» и «NOT». Недостатком устройства является необходимость связи его с источником электрического напряжения.

Известно логическое устройство на основе спиновых волн, способное выполнять обработку информации на сверхвысокой скорости (US 8164148 (B2), Seoul National University University-Industry Foundation, 24.04.2012). Оно включает в себя блок генерирования спиновых волн, блок подачи энергии и микроволновод, которые находятся на подложке. Блоки устройства соединены для выполнения логических операций с использованием спиновых волн в качестве сигналов, так что возможны логические операции, такие как OR, XOR, NOR, AND, вентиль NAND, инвертор и их комбинации. Недостатком является отсутствие управления режимами работы.

Наиболее близким к патентуемому является магнонный логический элемент (WO 2016193552 A1, AALTO UNIV FOUND, 08.12.2016 - прототип), который содержит слой ферромагнитного материала, включающий, по меньшей мере, одну доменную магнитную стенку и электрический привод, обеспечивающий ток возбуждения. Элемент может использоваться как элемент, эмитирующий спиновую волну, как компонент магнонной логики, как магнонный транзистор или элемент с магнонной логикой, выполняющий операции AND, NAND, OR, XOR или XNOR, или устройство магнитной памяти. Недостатком этого устройства является необходимость создания доменных стенок.

Проблема, на решение которой направлено изобретение, состоит в построении логического устройства типа инвертор/повторитель с возможностью управления режимами работы устройства путем подачи сигнала на управляющий микроволновод.

Патентуемый логический элемент содержит входной и выходной порты, управляющий порт, элементы электромагнитной связи на магнитостатических волнах. Отличие состоит в следующем.

Элементы электромагнитной связи выполнены в виде микроволноводной структуры, содержащей три микроволновода равной ширины, два из которых размещены непосредственно на подложке параллельно друг другу с зазором, выбранным из условия обеспечения режима многомодовой связи магнитостатических волн, а третий микроволновод размещен параллельно и симметрично упомянутым двум микроволноводам поверх них с перекрытием упомянутого зазора. Микроволноводы представляют собой удлиненные полоски равной толщины из пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ) на подложке из галлий-гадолиниевого граната, а входной, выходной и управляющий порты образованы микрополосковыми антеннами для возбуждения и приема поверхностных магнитостатических волн, при этом входной и выходной порты расположены на концах одной из размещенных на подложке полосок, а управляющий порт - на конце полоски третьего микроволновода со стороны входного порта.

Логический элемент может характеризоваться тем, что полоски пленки ЖИГ имеют длину в диапазоне от 5000 до 10000 мкм, толщину в диапазоне от 8 до 12 мкм и намагниченность М насыщения в диапазоне от 130 до 150 Гс.

Логический элемент может характеризоваться и тем, что ширина полоски h пленки ЖИГ составляет от 150 до 250 мкм, а зазор - от 10 до 60 мкм, а также тем, что третий микроволновод размещен поверх двух микроволноводов на пленке диэлектрика толщиной d от 10 до 70 мкм.

Технический результат - создание логического устройства типа инвертор-повторитель на магнитостатических волнах с возможностью управления режимами работы путем возбуждения магнитостатической волны на управляющем элементе.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг. 1 - конструкция устройства;

фиг. 2 - конструкция устройства (вид спереди);

фиг. 3 - конструкция устройства (вид сбоку);

фиг. 4 - результаты численного эксперимента путем микромагнитного моделирования;

фиг. 5 - карта зависимости длины связи от геометрических параметров s и d.

Конструкция логического устройства типа инвертор/повторитель на магнитостатических спиновых волнах представлена на фиг. 1. Позициями на чертеже обозначены: антенны 1,6 для возбуждения магнитостатических волн; антенна 4 для приема магнитостатических волн; микроволноводы 2, 3, 5 в форме полосок из пленок железо-иттриевого граната (ЖИГ); 51 - пленка диэлектрика; подложка 7 из галлий-гадолиниевого граната (ГГГ).

Элементы электромагнитной связи выполнены в виде микроволноводной структуры для магнитостатических волн на подложке из галлий-гадолиниевого граната (ГГГ). Микроволноводы 2,3,5 выполнены на основе пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ) в форме трех удлиненных полосок равной ширины h, две из которых (2,3) размещенных параллельно друг другу с зазором s, выбранным из условия обеспечения режима многомодовой связи магнитостатических волн, а третья (5) расположена над ними. На концах полоски микроволновода 2 структуры образованы микрополосковые антенны 1 и 4 для возбуждения и приема магнитостатических волн.

На конце микроволновода 5 образована микрополосковая антенна 6 для возбуждения магнитостатических волн, для управления режимами работы устройства.

Подложка 7, представляет собой пленку галлий-гадолиниевого граната (ГГГ), размеры которой могут варьироваться в зависимости от выбранных геометрических параметров системы. В основном меняться будет только ширина, так диапазон размер будет составлять от (Ш×Д×Т) 410 мкм × 8000 мкм × 500 мкм, до 460 мкм × 8000 мкм × 500 мкм. На поверхности пленки ГГГ сформирована система латерально связанных микроволноводов 2, 3 и 5 из железо-иттриевого граната (ЖИГ) толщиной 10 мкм, расстояние между расположенными параллельно пленками в области связи составляет от 10 до 60 мкм, расстояние между ними и микроволноводом 5, определяемое толщиной пленки 51 диэлектрика, может составлять от 10 до 70 мкм. Намагниченность насыщения М=139Гс. Назовем «первым каналом» микроволновод 2, «вторым каналом» - микроволновод 3 и «управляющим каналом» - микроволновод 5. На системе связанных микроволноводов расположены микрополосковые антенны 1, 4 и 6, шириной 30 мкм, обеспечивающие возбуждение и прием магнитостатических волн. При этом входная антенна 1 расположена на одном конце микроволновода 2, выходная антенна 4 расположена на втором конце микроволновода 2, антенна 6 расположена на конце микроволновода 5. Внешнее магнитное поле Но направлено касательно вдоль оси у (см. фиг. 1).

Принцип работы данного логического устройства заключается в том, что входной микроволновый сигнал, частота которого должна лежать в диапазоне частот, определяемым величиной внешнего постоянного магнитного поля, подается на входную антенну 1. Далее микроволновый сигнал преобразуется в поверхностную магнитостатическую волну (ПМСВ), распространяющуюся вдоль микроволновода 2 (первый канал). Далее по мере распространения, ПМСВ будет перекачиваться из первого канала во второй, то есть из микроволновода 2 в микроволновод 3, в ходе явления перекачки сигнала в латеральных микроволноводах, и в зависимости от выбранных параметров сигнал попадет на выходную антенну 4, что будет считаться за логическую "1" или не попадет, что будет считаться за логический "0". При подаче сигнала еще и на микроволновод 5 (управляющий канал) через микрополосковую антенну 6 изменится длина связи ПМСВ в первом и втором канале. Таким образом, появляется возможность изменять режим работы данного устройства.

На фиг 2 показаны результаты численного эксперимента путем микромагнитного моделирования. Сверху показано распределение интенсивности ПМСВ в двух нижних микроволноводах 2, 3, на нижнем рисунке показано распределение интенсивности в верхнем микроволноводе 5. Данные результаты соответствуют величинам s=20 мкм и d=40 мкм. Видно, что верхний микроволновод 5 влияет на распределение интенсивности, разводя волны к внешним краям микроволноводов 2,3 и изменяя длину связи. Таким образом, на выходе можно получить разные режимы работы устройства, путем изменения геометрических параметров.

На фиг. 3 изображена карта зависимости длины связи для геометрических параметров s в диапазоне от 10 до 60 мкм и толщины пленки диэлектрика d в диапазоне от 10 до 70 мкм. Более темные участки указывают на меньшую длину связи. Данная карта была рассчитана для частоты f=5,2 ГГц. На этой карте видны характерные области, на которых длина связи имеет практически идентичное значение. То есть в границах данных геометрических параметров будет сохраняться выбранный режим работы логического устройства.

Таким образом, представленные данные подтверждают достижение технического результата, а именно создание логического устройства типа инвертор/повторитель на магнитостатических волнах с возможностью управления режимами работы путем возбуждения магнитостатической волны на управляющем элементе. Таким образом, расширяются функциональные возможности устройства.

Похожие патенты RU2694020C1

название год авторы номер документа
ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО НА МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ 2022
  • Хутиева Анна Борисовна
  • Садовников Александр Владимирович
  • Бегинин Евгений Николаевич
RU2786635C1
ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МИКРОВОЛНОВОДОВ 2023
  • Садовников Александр Владимирович
  • Акимова Варвара Романовна
  • Хутиева Анна Борисовна
RU2815014C1
УПРАВЛЯЕМЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ ДЕЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ НА МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ С ФУНКЦИЕЙ ФИЛЬТРАЦИИ 2019
  • Садовников Александр Владимирович
  • Грачев Андрей Андреевич
  • Никитов Сергей Аполлонович
RU2707756C1
НЕЛИНЕЙНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ СВЧ СИГНАЛА НА СПИНОВЫХ ВОЛНАХ 2017
  • Садовников Александр Владимирович
  • Одинцов Сергей Александрович
  • Бегинин Евгений Николаевич
  • Шешукова Светлана Евгеньевна
  • Шараевский Юрий Павлович
  • Никитов Сергей Аполлонович
RU2666969C1
ФИЛЬТР-ДЕМУЛЬТИПЛЕКСОР СВЧ-СИГНАЛА 2020
  • Хутиева Анна Борисовна
  • Садовников Александр Владимирович
  • Саломатова Елена Ивановна
RU2754086C1
Управляемый ответвитель СВЧ сигнала на магнитостатических волнах 2018
  • Садовников Александр Владимирович
  • Одинцов Сергей Александрович
  • Бегинин Евгений Николаевич
  • Шешукова Светлана Евгеньевна
  • Шараевский Юрий Павлович
  • Никитов Сергей Аполлонович
RU2686584C1
ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО НА МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ 2020
  • Хутиева Анна Борисовна
  • Садовников Александр Владимирович
  • Водолагин Олег Александрович
RU2754126C1
РЕКОНФИГУРИРУЕМЫЙ МУЛЬТИПЛЕКСОР ВВОДА-ВЫВОДА НА ОСНОВЕ КОЛЬЦЕВОГО РЕЗОНАТОРА 2019
  • Садовников Александр Владимирович
  • Одинцов Сергей Александрович
  • Бегинин Евгений Николаевич
  • Никитов Сергей Аполлонович
RU2707391C1
НАПРАВЛЕННЫЙ 3D ОТВЕТВИТЕЛЬ НА МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ 2019
  • Садовников Александр Владимирович
  • Мартышкин Александр Александрович
  • Никитов Сергей Аполлонович
RU2717257C1
ПРОСТРАНСТВЕННО-ЧАСТОТНЫЙ ФИЛЬТР НА МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ 2023
  • Садовников Александр Владимирович
  • Фильченков Игорь Олегович
  • Хутиева Анна Борисовна
RU2813706C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 694 020 C1

Реферат патента 2019 года ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ ИНВЕРТОР-ПОВТОРИТЕЛЬ НА МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ

Изобретение относится к логическим элементам на магнитостатических волнах. Технический результат - создание логического устройства типа инвертор/повторитель на поверхностных магнитостатических волнах с возможностью управления режимами работы. Для этого предложен логический элемент, который содержит входной и выходной порты, управляющий порт. Элементы электромагнитной связи на магнитостатических волнах выполнены в виде микроволноводной структуры, содержащей три микроволновода равной ширины, два из которых размещены непосредственно на подложке параллельно друг другу, а третий микроволновод размещен параллельно и симметрично упомянутым двум микроволноводам. Микроволноводы представляют собой удлиненные полоски равной толщины из пленки железо-иттриевого граната на подложке из галлий-гадолиниевого граната. Входной, выходной и управляющий порты образованы микрополосковыми антеннами для возбуждения и приема магнитостатических волн. Входной и выходной порты расположены на концах одной из размещенных на подложке полосок, а управляющий порт - на конце полоски третьего микроволновода со стороны входного порта. 3 з.п.ф-лы, 5 ил.

Формула изобретения RU 2 694 020 C1

1. Логический элемент типа инвертор-повторитель, содержащий входной и выходной порты, управляющий порт, элементы электромагнитной связи на магнитостатических волнах,

отличающийся тем, что

элементы электромагнитной связи выполнены в виде микроволноводной структуры, содержащей три микроволновода равной ширины, два из которых размещены непосредственно на подложке параллельно друг другу с зазором, выбранным из условия обеспечения режима многомодовой связи магнитостатических волн, а третий микроволновод размещен параллельно и симметрично упомянутым двум микроволноводам поверх них с перекрытием упомянутого зазора, причем микроволноводы представляют собой удлиненные полоски равной толщины из пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ) на подложке из галлий-гадолиниевого граната, а входной, выходной и управляющий порты образованы микрополосковыми антеннами для возбуждения и приема поверхностных магнитостатических волн, при этом входной и выходной порты расположены на концах одной из размещенных на подложке полосок, а управляющий порт - на конце полоски третьего микроволновода со стороны входного порта.

2. Логический элемент по п. 1, отличающийся тем, что полоски пленки ЖИГ имеют длину в диапазоне от 5000 до 10000 мкм, толщину в диапазоне от 8 до 12 мкм и намагниченность М насыщения в диапазоне от 130 до 150 Гс.

3. Логический элемент по п. 1, отличающийся тем, что ширина полоски пленки ЖИГ составляет от 150 до 250 мкм, а зазор - от 10 до 60 мкм.

4. Логический элемент по п. 1, отличающийся тем, что третий микроволновод размещен поверх двух микроволноводов на пленке диэлектрика толщиной от 10 до 70 мкм.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2019 года RU2694020C1

Токарный резец 1924
  • Г. Клопшток
SU2016A1
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ НА МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ СПИНОВЫХ ВОЛНАХ 2016
  • Барабаненков Юрий Николаевич
  • Никитов Сергей Аполлонович
  • Осокин Сергей Александрович
  • Калябин Дмитрий Владимирович
RU2617143C1
СПОСОБ ПОДАВЛЕНИЯ КОРОННОГО РАЗРЯДА И СОПУТСТВУЮЩЕГО ЕМУ ЯВЛЕНИЯ ПРОБОЯ 0
SU166410A1
Автомобиль-сани, движущиеся на полозьях посредством устанавливающихся по высоте колес с шинами 1924
  • Ф.А. Клейн
SU2017A1

RU 2 694 020 C1

Авторы

Садовников Александр Владимирович

Одинцов Сергей Александрович

Шешукова Светлана Евгеньевна

Шараевский Юрий Павлович

Никитов Сергей Аполлонович

Даты

2019-07-08Публикация

2018-07-27Подача