УПРАВЛЯЕМЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ МАГНОНИКИ Российский патент 2021 года по МПК H01P1/22 

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, в частности к приборам на магнитостатических волнах и может быть использовано в качестве перестраиваемого электрическим и магнитными полями частотного фильтра с возможностью ответвления и мультиплексирования сигнала, а также при конструировании приборов на магнитостатических волнах в гигагерцовом диапазоне частот.

Устройства на магнитостатических волнах (МСВ) обладают возможностью перестройки параметров (коэффициенты передачи, время задержки) и частотных режимов работы за счет изменения магнитного поля (см., например, обзор «Магноника - новое направление спинтроники и спин-волновой электроники», УФН, т. 185, №10, 2015, с.с. 1099-1128). Эти характеристики позволяют реализовать устройства для обработки сигналов с множеством функций, например, задержки сигналов, направленного ответвления, фильтрации и др. функций. Технологии микроэлектроники дают возможность выполнить на подложках магнитные пленки с особой конфигурацией, толщиной и свойствами, а также обеспечить логические функции в случае изменения внешнего или внутреннего магнитного поля (см., например, CN 104779342 (В), BEIHANG UNIVERSITY, 15.08.2017).

Известен невзаимный перестраиваемый полосовой фильтр (WO 2014052913 А1, Northeastern University, 03.04.2014), включающий в себя преобразователь, содержащий параллельно соединенные проводящие линии; и ферритовый слой, имеющий два противоположных параллельных края. Отраженная от боковых граней ферритового слоя поверхностная волна преобразуется в обратную объемную, не образуя стоячую волну, и, следовательно, не попадает в выходной сигнал. Осуществляется невзаимная фильтрация спиновых волн, что позволяет подавить побочные моды, образующиеся из-за пространственного резонанса во взаимных фильтрах, однако это вносит потери, что и является недостатком данного устройства.

Известно устройство (CN 106206935 A, UNIV HUAZHONG SCIENCE TECH, 07.12.2016) демонстрирующее метод управления передачей спиновой волны, посредством приложения электрического тока к магнитной структуре, сила обменного взаимодействия в материале магнитного волновода может быть эффективно изменена. Обменная константа контролируется посредством электрического тока, так что отношение дисперсии спиновой волны можно регулировать, чтобы реализовать управление передачей спиновой волны. Недостатком данного метода является отсутствие возможности фильтрации сигнала. При этом, несмотря на возможность управлять свойствами спиновой волны путем приложения электрического тока, данный способ не позволяет, изменяя полярность приложенного напряжения, изменить направление смещения полосы непропускания в частотной области.

Известно устройство на магнитостатических волнах (US 7528688 (В2), UNIV OAKLAND, USA, 05.05.2009). Представляет слоистую структуру на подложке из галлий-гадолиниевого граната, на которой расположена пленка из железоиттриевого граната (ЖИГ), которая нагружена пьезоэлектрическим слоем. Данный тип структуры может быть использован в качестве микроволновых резонаторов, полосовых фильтров и линий задержки. Недостатком данных устройств являются большие толщины пленок железоиттриевого граната и вследствие этого необходимость приложения больших величин внешнего магнитного поля и получения широких полос пропускания, порядка 500 МГц.

Известен ряд устройств (RU 2623666 С1, ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, 28.06.2017; RU 2666968 С1, ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН 13.09.2018; CN 103401047 (В), UNIV JILIANG CHINA, 20.05.2015), содержащих подложку галлий-гадолиниевого граната (ГГГ), микроволноводную структуру из пленки железоиттриевого граната (ЖИГ), антенны для возбуждения МСВ, слой пьезоэлектрического материала, снабженный металлическими электродами для обеспечения пьезомагнитного взаимодействия. Данный тип устройств может обеспечивать ответвление и фильтрацию сигнала с использованием внешнего магнитного и электрического полей. Недостатком данного типа устройств является то, что связь между пьезоэлектрическим слоем и ЖИГ пленкой обеспечивается путем склеивания данных слоев, что в свою очередь уменьшает эффективность пьезомагнитного взаимодействия.

Наиболее близким устройством является функциональный элемент магноники (RU 2697724 С1, ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН 19.08.2019 - прототип). Он содержит немагнитную подложку, размещенную на ней ферромагнитную пленку ЖИГ, микрополосковые преобразователи для возбуждения и приема МСВ в пленке ЖИГ, источник магнитного пол. На поверхности подложки, прилежащей к пленке ЖИГ, образована структура в форме меандра из канавок, продольная ось которых перпендикулярна направлению распространения МСВ. Пленка ЖИГ повторяет контур образованных канавками выступов, боковых граней и пазов, а магнитное поле источника магнитного поля ориентировано перпендикулярно к плоскости подложки с возможностью возбуждения в пленке ЖИГ объемных МСВ.

Недостатком данного устройства является отсутствие возможности перестройки частотных характеристик электрическим полем при фиксированной величине внешнего магнитного поля и геометрических параметров. Следует отметить отсутствие возможности создания дополнительных запрещенных зон в спектре распространяющихся спиновых волн. Ввиду симметрии типа «скользящая плоскость» в меандровой структуре отсутствует полоса непропускания, центральная частота которой соответствует волновому числу первой брэгговской зоны. Кроме того, конструкция данного устройства не позволяет ответвлять входной сигнал.

Проблема, на решение которой направлено изобретение, является расширение функциональных возможностей управления характеристиками МСВ за счет магнитных и электрических полей, а также создание локальных деформаций в магнитной пленке ЖИГ с помощью пьезоэлектрической немагнитной подложки, что позволит обеспечить возможности соединений элементов в многомерные магнонные сети.

Патентуемый управляемый электрическим полем функциональный элемент магноники содержит немагнитную подложку, на поверхности которой образована структура, имеющая канавки в форме меандра, продольная ось которых перпендикулярна направлению распространения магнитостатических волн (МСВ), покрытая ферромагнитной пленкой из железоиттриевого граната, и микрополосковые преобразователи для возбуждения и приема МСВ в ферромагнитной пленке, источник магнитного поля,

Отличие состоит в том, что подложка выполнена из пьезокерамического материала и имеет протяженный прямолинейный участок в форме бруска и V-образное расширение на конце, при этом преобразователь для возбуждения МСВ размещен со стороны прямолинейного участка, а два преобразователя для приема МСВ - на расширенном участке с возможностью ответвления и мультиплексирования входного сигнала, причем канавки в форме меандра размещены на прямолинейном участке со стороны преобразователя для возбуждения МСВ, магнитное поле источника магнитного поля ориентировано параллельно упомянутым продольным осям канавок, а электроды для приложения к подложке управляющего электрического поля размещены на боковых гранях бруска с возможностью пьезомагнитного взаимодействия в структуре для изменения положения и создания дополнительной запрещенной зоны в спектре МСВ.

Пьезокерамический материал представляет собой цирконат-титанат свинца.

Технический результат - расширение функциональных возможностей элемента путем создания локальных деформаций в магнитной пленке ЖИГ посредством пьезоэлектрической немагнитной подложки, управляемой электрическим полем.

Пленка ЖИГ непосредственно нанесена на слой ЦТС, что обеспечивает более эффективную пьезомагнитную связь. Внешнее электрическое поле дает возможным изменять положение запрещенной зоны в спектре МСВ, а также создавать дополнительную запрещенную зону в спектре МСВ.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг. 1 - представлена конструкция устройства;

фиг. 2 - расчет распределения внутреннего магнитного поля в устройстве;

фиг. 3 - расчет амплитудно-частотных характеристик в устройстве;

Позициями на чертежах обозначены:

1 - входная микрополосковая антенна;

2 - пьезоэлектрическая подложка из ЦТС;

2.1 - электрод для подачи управляющего электрического поля;

3 - пленка ЖИГ;

4, 5 - приемные микрополосковые антенны;

6, 7 - выходные порты;

8 - распределение внутреннего магнитного поля в случае V=0 В;

9 - распределение внутреннего магнитного поля в случае V=250 В;

10 - распределение внутреннего магнитного поля в случае V=500 В;

11 - амплитудно-частотная характеристика в случае V=0 В;

12 - амплитудно-частотная характеристика в случае V=500 В.

Устройство (см. фиг. 1) содержит подложку 2 из цирконата-титаната свинца (ЦТС) (Pb(Zr_0.3Ti_0.7)О₃) с размерами ШхДхТ=200x1000х500 (мкм). Подложка выполнена из пьезокерамического материала и имеет протяженный прямолинейный участок в форме бруска и V-образное расширение на конце. На боковой области подложки 2 нанесен электрод 2.1 из хрома для приложения управляющего электрического напряжения. На поверхности подложки 2 ЦТС сформирован магнонный кристалл на основе пленки 3 ЖИГ, толщиной 3 мкм и намагниченностью насыщения М₀=139Гс в виде меандра с прямоугольными канавками. Период меандра много больше толщины пленки 3 и выбран из условия распространения в пленке ЖИГ объемных спиновых МСВ. Глубина канавок не превышает двух толщин ферромагнитной пленки 3 ЖИГ и определяется желаемыми свойствами фильтрации объемных МСВ. Пленка ЖИГ может быть нанесена на поверхность подложки как непосредственно, так и через промежуточный слой диэлектрика, например ТЮ2 (S.A. Sharko, et al., Ceramics International, https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.05.210).

Выходная секция пленки ЖИГ представляет собой два выходных порта 6 и 7, позволяющие ответвлять и мультиплексировать входной сигнал. На пленке 3 расположены входная 1 и две приемных 4, 5 микрополосковые антенны, обеспечивающие возбуждение и прием магнитостатических волн.

Входная антенна 1 расположена на одном конце пленки ЖИГ 3, а антенны 4 и 5 расположены в области волноводных секций 6 и 7. Структура помещена во внешнее магнитное поле Н=400 Э, направленное вдоль оси «у».

На фиг. 2 приведено распределение внутреннего магнитного поля Н_вн в центре пленки 3 ЖИГ в случае напряжения V=0 В к слою подложки 2 ЦТС (кривая 8), V=250 В к слою ЦТС (кривая 9) и V=500 В к слою ЦТС (кривая 10). При приложении напряжения к подложке 2 происходит деформации подложки 2, передающаяся магнонному кристаллу, который связан с пьезоэлектрической подложкой 2. Из-за пьезомагнитного эффекта изменяется внутреннее магнитное поле в магнонном кристалле, приводящее к изменению дисперсионной характеристики волнового процесса в структуре, что и позволяет реализовать двойное управление свойствами волны и, соответственно, характеристиками устройства.

На фиг. 3 показаны амплитудно-частотные характеристики управляемого элемента магноники в случаях V=0 В (сплошная кривая 11) и V=500 В (пунктирная кривая 12). Видно, что при приложении напряжения к слою ЦТС 2 происходит смещение второй запрещенной зоны на частоте 3,1 ГГц. Как было отмечено ранее, в рассматриваемой структуре наблюдается отсутствие первой запрещенной зоны. В случае приложения напряжения к электродам 2.1, симметрия структуры типа скользящая плоскость нарушается ввиду неоднородного распределения созданного упругими деформациями поля анизотропии внутри магнитного материала - пленке 3 ЖИГ, что приводит к появлению на амплитудно-частотной характеристике поз. 12 частотной полосы непропускания, соответствующей первой брэгговской зоне в патентуемом устройстве.

Таким образом, функциональные возможности расширяются путем создания локальных деформаций в магнитной пленке ЖИГ посредством управляемой электрическим полем пьезоэлектрической подложки.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к фильтрам. Фильтр содержит немагнитную подложку, на поверхности которой образована структура, имеющая канавки в форме меандра, продольная ось которых перпендикулярна направлению распространения магнитостатических волн (МСВ), покрытая ферромагнитной пленкой из железоиттриевого граната, и микрополосковые преобразователи для возбуждения и приема МСВ в ферромагнитной пленке, источник магнитного поля. Подложка выполнена из пьезокерамического материала и имеет протяженный прямолинейный участок в форме бруска и V-образное расширение на конце, при этом преобразователь для возбуждения МСВ размещен со стороны прямолинейного участка, а два преобразователя для приема МСВ - на расширенном участке с возможностью ответвления и мультиплексирования входного сигнала, причем канавки в форме меандра размещены на прямолинейном участке со стороны преобразователя для возбуждения МСВ, магнитное поле источника магнитного поля ориентировано параллельно упомянутым продольным осям канавок, а электроды для приложения к подложке управляющего электрического поля размещены на боковых гранях бруска с возможностью пьезомагнитного взаимодействия в структуре для изменения положения и создания дополнительной запрещенной зоны в спектре МСВ. Технический результат - расширение функциональных возможностей элемента. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Управляемый электрическим полем функциональный элемент магноники для
фильтрации сигналов, содержащий немагнитную подложку, на поверхности которой
образована структура, имеющая канавки в форме меандра, продольная ось которых
перпендикулярна направлению распространения магнитостатических волн (МСВ),
покрытая ферромагнитной пленкой из железоиттриевого граната, и микрополосковые
преобразователи для возбуждения и приема МСВ в ферромагнитной пленке, источник
магнитного поля,

отличающийся тем, что

подложка выполнена из пьезокерамического материала и имеет протяженный
прямолинейный участок в форме бруска и V-образное расширение на конце, при этом
преобразователь для возбуждения МСВ размещен со стороны прямолинейного участка, а
два преобразователя для приема МСВ - на расширенном участке с возможностью
ответвления и мультиплексирования входного сигнала, причем канавки в форме меандра
размещены на прямолинейном участке со стороны преобразователя для возбуждения
МСВ, магнитное поле источника магнитного поля ориентировано параллельно
упомянутым продольным осям канавок, а электроды для приложения к подложке
управляющего электрического поля размещены на боковых гранях бруска с
возможностью пьезомагнитного взаимодействия в структуре для изменения положения и
создания дополнительной запрещённой зоны в спектре МСВ.

2. Функциональный элемент магноники по п. 1, отличающийся тем, что
пьезокерамический материал представляет собой цирконат-титанат свинца.