ФИЛЬТР-ДЕМУЛЬТИПЛЕКСОР СВЧ-СИГНАЛА Российский патент 2021 года по МПК H01P1/218 

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, в частности к приборам на магнитостатических волнах и может быть использовано в качестве демультиплексора СВЧ сигнала.

Известна конструкция нелинейный делитель мощности СВЧ сигнала на спиновых волнах (RU2666969, H01P 1/22, опубл. 13.09.2018). Микроволноводная структура делителя выполнена на основе пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ) в форме двух удлиненных полосок равной ширины, размещенных параллельно друг другу с зазором, выбранным из условия обеспечения режима многомодовой связи магнитостатических волн. Концы одной полоски микроволноводной структуры имеют отводы, на которых образованы микрополосковые антенны для возбуждения и приема магнитостатических волн, связанные соответственно с единым входным портом и первым выходным портом.

Недостатком данного устройства является сложность создания идентичных волноводов.

Известно устройство на магнитостатических волнах (US7528688, H01P1/217, опубл. 05.05.2009). Представляет слоистую структуру на подложке из галлий-гадолиниевого граната, на которой расположена пленка из ЖИГ, которая нагружена пьезоэлектрическим слоем. Данный тип структуры может быть использован в качестве микроволновых резонаторов, полосовых фильтров и линий задержки.

Недостатком данного устройства является необходимость приложения больших величин внешнего магнитного поля и получения широких полос пропускания порядка 500 МГц.

Наиболее близким к заявляемому устройству является спин-волновой частотный фильтр (RU2666968, H01P 1/20, опубл. 13.09.2018). Сущность изобретения заключается в том, что частотный фильтр СВЧ сигнала на магнитостатических волнах содержит магнитный элемент, представляющий собой магнонный кристалл, имеющий форму протяженного прямоугольника с заостренными по продольной оси торцами и периодическими геометрическими неоднородностями в форме треугольных элементов, период треугольных элементов выбран из условия образования брэгговской запрещенной зоны в диапазоне волновых чисел от 100 см^-1 до 300 см^-1, пьезоэлектрический элемент, имеющий длину меньше длины магнитного элемента, наружный электрод пьезоэлектрического элемента, выполненный сплошным, а электрод, прилегающий к поверхности магнитного элемента, имеет форму встречно-штыревого преобразователя с периодом Т, выбранным из условия Т=2Р, где Р - период треугольных элементов.

Недостатком является многослойность конструкции и отсутствие возможности управления распространением спиновых волн.

Проблемой изобретения является создание фильтра с возможностью управления спиновыми волнами.

Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей фильтра, которые позволяют использовать его также в качестве устройства магнонной логики, в частности - демультиплексора.

Технический результат достигается тем, что в фильтре СВЧ сигнала, содержащем размещенную на подложке из галлий-гадолиниевого граната пленку железо-иттриевого граната прямоугольной формы, образующую первый микроволновод, с входным и выходным преобразователями поверхностных магнитостатических волн, расположенный на пленке железо-иттриевого граната второй микроволновод, источник управляющего внешнего магнитного поля, согласно решению, второй микроволновод выполнен из железо-родия и расположен в центральной части пленки железо-иттриевого граната перпендикулярно продольной оси первого микроволновода, при этом высота второго микроволновода выбрана в диапазоне от 30 мкм до 500 мкм, а ширина первого микроволновода равна длине второго.

Намагниченность насыщения слоя железо-родия составляет М=1120 Гс.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг. 1 - представлена структура на подложке;

фиг. 2 - структура на подложке в поперечном сечении;

фиг. 3 - амплитудно-частотная характеристика магнитостатических волн (МСВ), распространяющихся в плёнке ЖИГ без слоя железо-родия, полученная численным моделированием;

фиг. 4 - амплитудно-частотная характеристика МСВ распространяющихся в исследуемой структуре, при толщине железо-родия равной 30 мкм, полученные численным моделированием;

фиг. 5 - амплитудно-частотная характеристика МСВ распространяющихся в исследуемой структуре, при толщине железо-родия равной 150 мкм, полученные численным моделированием;

фиг. 6 - амплитудно-частотная характеристика МСВ распространяющихся в исследуемой структуре, при толщине железо-родия равной 500 мкм, полученные численным моделированием.

Позициями на чертежах обозначены:

1 - подложка из пленки галлий-гадолиниевого граната (ГГГ);

2 - первый микроволновод, выполненный из пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ);

3 - второй микроволновод, выполненный слоя из железо-родия (ЖР);

4 - входной преобразователь поверхностных магнитостатических волн (ПМСВ);

5 - выходной преобразователь ПМСВ.

Источник магнитного поля на чертежах не показан.

Демультиплексор СВЧ сигнала состоит из подложки (ГГГ) 1, на которой расположен первый микроволновод 2 из пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ), имеющий форму прямоугольника. Поперек пленки ЖИГ (перпендикулярно продольной оси первого микроволновода) в её центральной части расположен второй микроволновод 3 из пленки антиферромагнитного материала - железо-родия (ЖР). Структура помещена в магнитное поле. На коротких гранях микроволновода 2 размещены преобразователи ПМСВ 4, 5.

Принцип работы патентуемого демультиплексора заключается в том, что входной СВЧ сигнал, частота которого должна лежать в диапазоне частот, определяемым величиной внешнего постоянного магнитного поля, подается на входной преобразователь 4. Далее сигнал преобразуется в ПМСВ, распространяющуюся вдоль длины ЖИГ. И после прохождения ЖР изменяет свои свойства. В такой системе наблюдается перекачка спиновых волн из одного слоя в другой в разных направлениях.

Электрическая перестройка частоты возможна благодаря магнитоэлектрическому взаимодействию в структуре между ЖИГ и ЖР, которое заключается в следующем. Сплавы на основе железо-родия проявляют высокую намагниченность насыщения в ферромагнитной фазе, а также обладают высоким магнитокалорическим и пироэлектрическим эффектом, которые проявляются вблизи метамагнитного фазового перехода 1-го рода. Лазерное воздействие на антиферромагнитный материал 3 приводит к изменению намагниченности насыщения и пироэлектрическому эффекту. Возникшее электрическое поле вызывает деформацию распространения МСВ вдоль длины ЖИГ и изменение пространственных мод. В зависимости от высоты ЖР изменяется его влияние на распространение спиновой волны в ЖИГ (с ростом высоты влияние растет). Следовательно, можно управлять режимом работы данного фильтра, меняя направление внешнего магнитного поля и размеры пленки ЖР.

На фиг. 3 представлена амплитудно-частотная характеристика волны в первом микроволноводе на основе ЖИГ без слоя ЖР. На фиг. 4-6 показаны результат амплитудно-частотной характеристики с нагрузкой ЖР, происходит трансформация этой характеристики, уменьшается величина магнитного поля. На фиг. 4 высота ЖР - Н=30 мкм начало спектра сдвинулось примерно на 0.6 Гц, на фиг. 5 Н=150 мкм увеличилось провисание магнитного поля, на фиг.6 Н=500 мкм оно стало еще сильнее.

Таким образом, представленные данные подтверждают достижение технического результата, а именно в построении демультиплексора на основе структуры железо-родий/железо-иттриевый гранат с возможностью появления пространственной селекции мод и управление спиновыми волнами путём лазерного воздействия и изменения размера нагрузки из ЖР. Таким образом, расширяются функциональные возможности устройства, которые позволяют использовать его также для устройств магнонной логики, что и обуславливает особенность этого устройства.

В примере конкретного выполнения подложка из галлий-гадолиниевого граната (ГГГ) имела размеры Ширина х Длина х Толщина=1300×4000×500(мкм). На поверхности подложки 1 сформирован первый микроволновод 2 (магнонный кристалл) на основе пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ) с намагниченностью насыщения М₀=139 Гс, имеющей форму прямоугольника, на коротких гранях которого размещены преобразователи ПМСВ 4, 5. Сверху ЖИГ поперек расположен слой антиферромагнитного материала - железо-родия (ЖР) с намагниченностью насыщения 1120 Гс. Размеры первого микроволновода: ширина 500 мкм, длина w =8 мм, высота h = 10 мкм. Ширина ЖР а = 500 мкм, длина 500 мкм, высота H изменяется в диапазоне от 30 мкм до 500 мкм.

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, в частности к приборам на магнитостатических волнах, и может быть использовано в качестве демультиплексора СВЧ-сигнала. Фильтр СВЧ-сигнала содержит размещенную на подложке из галлий-гадолиниевого граната пленку железо-иттриевого граната прямоугольной формы, образующую первый микроволновод, с входным и выходным преобразователями поверхностных магнитостатических волн, расположенный на пленке железо-иттриевого граната второй микроволновод, источник управляющего внешнего магнитного поля. Второй микроволновод выполнен из железо-родия и расположен в центральной части пленки железо-иттриевого граната перпендикулярно продольной оси первого микроволновода, при этом высота второго микроволновода выбрана в диапазоне от 30 мкм до 500 мкм, а ширина первого микроволновода равна длине второго. Намагниченность насыщения слоя железо-родия составляет М=1120 Гс. Технический результат - расширение функциональных возможностей фильтра, которые позволяют использовать его также в качестве устройства магнонной логики. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Фильтр СВЧ-сигнала, содержащий размещенную на подложке из галлий-гадолиниевого граната пленку железо-иттриевого граната прямоугольной формы, образующую первый микроволновод, с входным и выходным преобразователями поверхностных магнитостатических волн, расположенный на пленке железо-иттриевого граната второй микроволновод, источник управляющего внешнего магнитного поля, отличающийся тем, что второй микроволновод выполнен из железо-родия и расположен в центральной части пленки железо-иттриевого граната перпендикулярно продольной оси первого микроволновода, при этом высота второго микроволновода выбрана в диапазоне от 30 мкм до 500 мкм, а ширина первого микроволновода равна длине второго.

2. Фильтр СВЧ-сигнала по п.1, отличающийся тем, что намагниченность насыщения слоя железо-родия составляет М=1120 Гс.