ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО НА МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ 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 демультиплексора.

Известен делитель мощности СВЧ сигнала, содержащий единый входной порт, первый и второй выходные порты. Элементы электромагнитной связи выполнены в виде микроволноводной структуры для магнитостатических волн на подложке из галлий-гадолиниевого граната. Микроволноводная структура 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. Свободный конец другой полоски размещен с торцевым зазором в направлении единого входного порта, а ее второй конец имеет отвод, на котором образована микрополосковая антенна для приема магнитостатических волн, связанная со вторым выходным портом (см. RU2666969, H01P 1/22, опубл. 13.09.2018). Изобретение направлено на расширение функциональных возможностей двухканального микроволнового делителя мощности СВЧ сигнала с управлением частотным диапазоном деления и шириной полосы частот делителя посредством изменения мощности подаваемого сигнала.

Недостатком данного устройства является сложность создания идентичных микроволноводов.

Известно логическое устройство для обработки сигналов (US 2007230858 G02B6/00, опубл. 04.10.2007), имеющее два оптических канала, расположенных внутри полупроводниковой матрицы. Компоненты оптического сплиттера объединены в конфигурацию интерферометра Маха-Цендера с помощью двух волноводных секций также расположенных в полупроводниковой матрице. Устройство работает путем расщепления прямых и обратных оптических волн на две части, распространяющихся вдоль первого и второго участков волноводной структуры, расположенные внутри полупроводниковой матрицы. На выходной волноводной секции получается либо конструктивно скомбинированные первая и вторая прямая оптическая волна, либо деструктивно скомбинированные первая и вторая оптическая волна.

Недостатками данного устройства являются отсутствие возможности управления частотными характеристиками (перестройка частотного диапазона).

Известное логическое устройство (CN 10477934, H01L43/00, опубл. 15.08.2017), основанное на интерференции спиновых волн - поверхностных магнитостатических волн (ПМСВ) в мультиферроидном материале. Логическое устройство состоит из пяти функциональных зон, а именно зоны возбуждения спиновой волны, зоны частотного разделения спиновой волны, зоны регулирования и управления электрическим полем, зоны интерференции спиновых волн и зоны обнаружения спиновой волны. Функционирование логического устройства обеспечивается через среду передачи спиновой волны, регулирования дисперсионного соотношения спиновых волн в среде, направления передачи спиновой волны и изменения модели в случае внешнего магнитного поля или изменения внутреннего поля.

Недостатком данного устройства является сложная конструкция, требующая введения дополнительного пьезоэлектрического слоя для управления электрическим полем.

Наиболее близким к заявляемому устройству является логическое устройство на магнитостатических волнах (RU2690020, МПК H01P 1/20, опубл. 30.05.5019), содержащее размещенный на подложке микроволновод из пленки железоиттриевого граната (ЖИГ), имеющий раздвоенную среднюю часть, размещенные на сплошных частях микроволновода входной и выходной преобразователи магнитостатических волн, элементы управления, источник внешнего магнитного поля. Раздвоенная часть микроволновода выполнена в виде интерферометра Маха-Цендера, входной и выходной преобразователи магнитостатических волн в виде микрополосковых антенн размещены на оконечностях сплошных частей микроволновода, внешнее магнитное поле направлено по касательной к пленке из ЖИГ, при этом элементы управления выполнены в виде средств изменения намагниченности указанной пленки ЖИГ путем локального ее нагрева на раздвоенных частях микроволновода.

Недостатком устройства является относительно большое число отражений и искажений сигнала, обусловленных формой микроволновода из пленки ЖИГ.

Технической проблемой является разработка логического устройства с функцией демультиплексора на основе системы связанных спин-волновых интерферометров, которое позволит реализовать простое управления сигналом за счет изменения величины внешнего магнитного поля.

Технический результат заключается в создании логического устройства с функцией демультиплексирования входного сигнала с управлением частотным диапазоном посредством воздействия статическим магнитным полем и повышение качества выходного сигнала путем снижения искажений сигнала из-за иной геометрии, уменьшающей отражения.

Для достижения технического результата логическое устройство на магнитостатических волнах, содержащее размещенный на подложке первый микроволновод из пленки железоиттриевого граната (ЖИГ), выполненный в виде интерферометра Маха-Цендера, имеющего разделитель в виде отверстия в пленке, размещенные на сплошных частях микроволновода входной и выходной преобразователи магнитостатических волн в виде микрополосковых антенн, источник внешнего магнитного поля с направлением по касательной к микроволноводу, согласно решению, дополнительно содержит второй микроволновод идентичный первому микроволноводу и расположенный над ним, причем микроволноводы разделены слоем диэлектрика, а второй микроволновод снабжен выходной антенной, расположенной над выходной антенной первого микроволновода, при этом разделителем в каждом волноводе выбрано отверстие восьмиугольной формы, источник внешнего магнитного поля выполнен с возможностью изменения величины и полярности магнитного поля.

Изобретение поясняется чертежами, где представлено:

фиг. 1 - схематическое изображение предлагаемого устройства, общий вид;

фиг. 2 - структура из микроволноводов, разделенных слоем диэлектрика, на подложке, в поперечном сечении;

фиг. 3 - схематическое изображение микроволновода, вид сверху;

фиг. 4-6 - карты распределения амплитуды векторов намагниченности в структуре при разных частотах магнитостатических волн (МСВ).

Позициями на чертежах обозначены: входной 1 и выходные 2, 3 преобразователи магнитостатических волн (антенны); 4 - интерферометры из пленки ЖИГ; 5 - отверстия; 6 - немагнитная подложка; 7 - направление внешнего магнитного поля.

Общие размеры структуры: длина l = 3500 мкм, ширина w = 1500 мкм, толщина d = 530 мкм. Ширина волновода во входной части и в плечах интерферометров pl - 500 мкм.

Устройство содержит подложку 6, представляющую собой пленку галлий-гадолиниевого граната (ГГГ) с размерами (ШхДхТ) 500 мкм × 3500 мкм × 1500 мкм. На поверхности пленки ГГГ 6 расположена структура, сформированная из двух микроволноводов 4 на основе пленки ЖИГ толщиной 10 мкм и намагниченностью насыщения M₀=139Гс, имеющих конфигурацию интерферометра Маха-Цендера, со слоем диэлектрика между ними толщиной 10 мкм. На микроволноводах 4 расположены микрополосковые антенны 1, 2, 3 шириной 30 мкм, обеспечивающие возбуждение и прием ПМСВ. При этом входная антенна 1 расположена на одной оконечности сплошной части нижнего микроволновода, а выходные антенны 2, 3 - на другой оконечности сплошной части микроволновода в нижнем и верхнем слое соответственно. Внешнее магнитное поле Н_о направлено касательно магнитного поля с направлением по касательной к микроволноводам вдоль оси у.

Микроволноводы выполнены прямоугольной формы в центральной части, ширина которых равна ширине подложки.

Намагниченность насыщения пленок ЖИГ составляет М=139Гс, их толщина - 10 мкм.

В зависимости от частоты МСВ меняется карта векторов намагниченности в структуре.

На фиг. 3 схематично изображен микроволновод, вид сверху. Указанные на фигуре размеры обеспечивают наиболее оптимальное прохождение волны вдоль структуры, наименьшее число отражений сигнала, при этом сохраняя общие размеры устройства компактными. Само устройство будет иметь два слоя с зазором между ними 10 мкм. Данная величина зазора обеспечивает оптимальную перекачку сигнала между слоями за счет провисающего поля.

На фиг. 4 показан результат перекачки при частоте 5.3 ГГц. При данной частоте сигнала распределение интенсивности практически идентично и в первом (нижнем), и во втором (верхнем) интерферометрах. На обоих выходах получен одномодовый сигнал, удобный для считывания, практически без искажений.

На фиг. 5 показан результат при увеличении частоты сигнала до 5.4 ГГц. На данной частоте становится более заметна разница в картах распределения между двумя слоями ближе к выходной части интерферометров. В верхнем интерферометре в зоне выхода сильнее проявляются некоторые отражения сигнала по сравнению с нижним слоем.

На фиг. 6 показан результат на частоте МСВ 5.5 ГГц. При данной частоте разница в распределении векторов намагниченности в верхнем и нижнем слое еще более заметна, сильнее меняется профиль сигнала в выходной части верхнего интерферометра в сравнении с нижним, но и на этой частоте сигнал на верхнем выходе пригоден для считывания и декодирования.

Устройство работает следующим образом.

Входной сигнал, частота которого лежит в диапазоне, определяемым величиной внешнего постоянного магнитного поля, подается на входную микрополосковую антенну 1. Далее сигнал преобразуется в поверхностную магнитостатическую волну (ПМСВ) и распространяется вдоль обоих микроволноводов 4, имеющих конфигурацию интерферометра Маха-Цендера и выполненных в виде нерегулярной структуры с отверстиями 5. В результате расщепления ПМСВ на две части в каждом микроволноводе 4 вокруг области отверстия волноводной структуры в выходной части структуры наблюдается либо конструктивная, либо деструктивная интерференция ПМСВ. Восьмиугольная форма отверстия со скругленными краями дает наименьшее число отражений и искажений сигнала в сравнении с макетами с отверстиями другой формы. За счет, так называемого, провисающего магнитного поля, при возбуждении ПМСВ только в нижнем слое структуры, сигнал распространяется к обеим выходным антеннам 2 и 3, что позволяет устройству выступать в качестве демультиплексора сигнала.

Таким образом, представленные результаты подтверждают достижение технического результата - логического устройства с функцией демультиплексирования сигнала на основе системы связанных спин-волновых интерферометров с управлением частотным диапазоном посредством воздействия внешним статическим магнитным полем и при уменьшении размеров (до микроразмерной области).

Использование: изобретение относится к радиотехнике СВЧ, в частности к приборам на магнитостатических волнах, и может быть использовано в качестве демультиплексора. Сущность: логическое устройство на магнитостатических волнах содержит размещенный на подложке первый микроволновод из пленки железоиттриевого граната (ЖИГ), выполненный в виде интерферометра Маха-Цендера, имеющего разделитель в виде отверстия в пленке, размещенные на сплошных частях микроволновода, входной и выходной преобразователи магнитостатических волн в виде микрополосковых антенн, источник внешнего магнитного поля с направлением по касательной к микроволноводу, при этом дополнительно содержит второй микроволновод, идентичный первому микроволноводу и расположенный над ним, причем микроволноводы разделены слоем диэлектрика, а второй микроволновод снабжен выходной антенной, расположенной над выходной антенной первого микроволновода, при этом разделителем в каждом волноводе выбрано отверстие восьмиугольной формы, источник внешнего магнитного поля выполнен с возможностью изменения величины и полярности магнитного поля. Технический результат: создание логического устройства с функцией демультиплексирования входного сигнала с управлением частотным диапазоном посредством воздействия статическим магнитным полем и повышение качества выходного сигнала путем снижения искажений сигнала из-за иной геометрии, уменьшающей отражения. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Логическое устройство на магнитостатических волнах, содержащее размещенный на подложке первый микроволновод из пленки железоиттриевого граната (ЖИГ), выполненный в виде интерферометра Маха-Цендера, имеющего разделитель в виде отверстия в пленке, размещенные на сплошных частях микроволновода входной и выходной преобразователи магнитостатических волн в виде микрополосковых антенн, источник внешнего магнитного поля с направлением по касательной к микроволноводу, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит второй микроволновод, идентичный первому микроволноводу и расположенный над ним, причем микроволноводы разделены слоем диэлектрика, а второй микроволновод снабжен выходной антенной, расположенной над выходной антенной первого микроволновода, при этом разделителем в каждом волноводе выбрано отверстие восьмиугольной формы, источник внешнего магнитного поля выполнен с возможностью изменения величины и полярности магнитного поля.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что микроволноводы выполнены прямоугольной формы в центральной части, ширина которых равна ширине подложки.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что намагниченность насыщения пленок ЖИГ составляет М=139 Гс, их толщина - 10 мкм.