Циркулятор на магнитоупругих волнах Российский патент 2023 года по МПК H01P1/39 

Изобретение относится к прикладной физике и может быть использовано в антенно-фидерных трактах и прочей многоканальной аппаратуре для развязки проходящего сигнала.

Известно устройство ферритовый циркулятор [1], состоящее из пяти слоев: ферритового диска, полосковой структуры, фторопластовой прокладки и магнитного диска. Ферритовый диск играет роль заземления, вместе с магнитным диском и прокладкой являются комплексной магнитной системой. Полосковая поверхность является структурой Y сочленения и выходящие наружу три полоска имеют две линии изгиба. Первая плоскость изгиба направлена вдоль высоты ферритового диска, а вторая находится на уровне нижней кромки металлического диска. Это устройство не может являться полноценным аналогом предлагаемому циркулятору, поскольку основано на других физических принципах.

Недостатками описанного устройства являются относительно крупный размер: 12.5 мм в диаметре без учета корпуса и ~5 мм толщиной без учета корпуса. Мощностные характеристики и отношение прямых и обратных потерь не превышающее 40. Наличие постоянного магнитного поля, генерируемого ферритовым диском.

Известно также устройство симметричного Y-циркулятора на прямоугольных волноводах [2]. Оно представляет собой три прямоугольных волновода, соединенных между собой под углом 120°. В центре соединения волноводов располагается ферритовый цилиндрический сердечник, намагниченный вдоль оси перпендикулярно широким стенкам волновода внешними постоянными магнитами. Высота сердечника равна или меньше высоты волноводов. Данное устройство также не может считаться полноценным аналогом предлагаемого циркулятора на магнитоупругих волнах, поскольку основано на других физических принципах.

Недостатками Y-циркулятора с ферритовым сердечником является его размер, требование высокой мощности проходящего сигнала, малые потери на развязке плеч, а также диапазон рабочих температур.

Известно также устройство на магнитоупругих волнах - изолятор [3]. Оно представляет из себя пьезоэлектрическую пластину с генерирующим и принимающим поверхностные акустические волны встречно штыревыми преобразователями (ВШП) и гетероструктурой имеющей свойства искусственного антиферромагнетика (ИАФМ) расположенную между ВШП. Устройство двунаправленное и в зависимости от намагниченности структуры ИАФМ возможно управлять потерями в одном из направлений.

Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.

Технический результат - циркулятор, основанный на новейших принципах и обладающий лучшими характеристиками потерь, температурными и массогабаритными параметрами с возможностью управления потерями при прохождении путем изменения поля смещения.

Данный технический результат достигается за счет того, что циркулятор состоит из пластины монокристалла с пьезоэлектрическими свойствами см. Фиг 1. Пьезоэлектрические свойства монокристалла позволяют возбуждать акустические волны на поверхности пластины, так называемые поверхностные акустические волны (ПАВ).

На поверхности, пластины сформированы волноводы, являющиеся направляющими и каналом распространения ПАВ в приборе (1-4) на Фиг. 1 и

Фиг. 2. Волноводы, соединены между собой под углом соответствующем углу симметрии пластины пьезоэлектрического монокристалла. Угол симметрии кристалла указывает угол между осями симметрии в монокристалле, соответственно волноводы должны располагаться параллельно осям симметрии кристалла, для того чтобы механические свойства монокристалла были одинаковыми на всех волноводах.

Для предупреждения распространения акустических волн за пределы волноводов, а также отражения их. от края пластаны, волноводы ограниченны с внутренней (5) на Фиг. 1 и внешней (6) на Фиг. 1 и Фиг. 2 сторон слоем материала с высокими механическими поглощающими свойствами. На концах, волноводов которыми они соединены между собой сформированы встречно-штыревые преобразователи (ВШП) (7-10) Фиг. 1 и Фиг. 2. Места расположения преобразователей называются портами устройства, их количество равняется количеству точек соединения волноводов (11-14) на Фиг. 1 и Фиг. 2. ВШП выступают генераторами и приемниками ПАВ, которые распространяются по поверхности волноводов. ВШП имеют сдвоенную форму располагаясь одновременно на двух волноводах которые соединены в этой конкретной точке. Такая форма ВШП выбрана что бы генерируемые ПАВ распространялись одновременно по каждому волноводу что соединен с портом, а свойства ПАВ, были одинаковыми во всех направлениях.

В центре волноводов между преобразователями размещены массивы из n микрополосков распложенных, под углом к волновому вектору акустической волны и состоящих из трехслойной гетероструктуры со свойствами нескомпенсированного искусственного антиферромагнетика (15-18) на Фиг. 1 и Фиг. 2. Микрополоски представляют из себя два слоя ферромагнетика (19-20) на Фиг. 2 с разделительным слоем металла (21) на Фиг. 2 между ними. Ширина каждого микрополоска много меньше его длины, а высота складывается из толщины слоев его составляющих. Для того чтобы гетероструктура сохраняла свойства искусственного антиферромагнетика толщина слоев ферромагнетика не должна превышать значения 20 нм, при этом толщина слоя метала должна быть не больше расстояния свободного пробега электронов в материале разделителя. Для создания свойства нескомпенсированности, которое позволит сохранить суммарный магнитный момент микрополоска, толщина слоев ферромагнетика должна отличаться, не менее чем на 1 нм, но и не более чем на 15%. Для реализации эффекта усиления невзаимности ПАВ вектор суммарной намагниченности микрополосков -M_SA,ij должен быть направлен под определенным углом к волновому вектору ПАВ -k_ij. Значение угла β между волновым вектором ПАВ -+k_ij для прямого направления волны и вектором суммарной намагниченности ИАФМ -М_SA,ij должно располагаться пределах от 35° до 37° для обеспечения наилучшего пропускания ПАВ. Соответственно значение угла между волновым вектором ПАВ --k_ij

для обратного направления распространения волны должно находиться в диапазоне от 143° до 145° для обеспечения свободного распространения акустической волны по поверхности волновода. Подобное расположение массива микрополосков ИАФМ позволит обеспечить последовательную передачу сигнала от первого порта во второй порт и далее в третий, четвертый и снова в первый.

Кроме того, пластина монокристалла обладает симметрией при повороте на 90° и может быть выполнена из LiNbO3 или LiТаО3. Микрополоски могут быть выполнены из ферромагнетика Со и металла Ru.

Изобретение поясняется следующими иллюстрациями. На Фиг. 1 представлена схема предложенного устройства, на Фиг. 2 - сечение одного из волноводов устройства, на Фиг. 3 - представлена зависимость потерь ПАВ при прохождении в «прямом» на правлении, на Фиг. 4 - представлена зависимость потерь ПАВ при прохождении в «обратном» на правлении, где

1, 2, 3, 4 - акустические волноводы; 5 - слой материала имеющего высокие механические поглощающие свойства ограничивающий внутреннюю сторону волноводов; 6 - слой материала имеющего высокие механические поглощающие свойства ограничивающий внешнюю сторону волноводов; 7, 8, 9, 10 - сдвоенные встречно штыревые преобразователи; 11 - четвертый порт циркулятора; 12 - третий порт циркулятора; 13 - второй порт циркулятора; 14 - первый порт циркулятора; 15, 16, 17, 18 - массивы микрополосков из гетероструктуры со свойствами нескомпенсированного ИАФМ; 19, 20 - слои ферромагнетика в составе ИАФМ (Со); 21 - слой разделителя в составе ИАФМ (Ru)

Принцип функционирования циркулятора состоит в следующем: После возбуждения сдвоенными ВШП поверхностных акустических волн они распространяются в качестве упругих волн по прямоугольным волноводам из пьезоэлектрика в двух направлениях: прямом и обратном. Отражение ПАВ от внешней и внутренней сторон волноводов, а также от края пластины, предупреждается нанесением материала с высокими механическими поглощающими свойствами. В свою очередь ПAB распространяющиеся по волноводу в обратном направлении затухают на массивах микрополосков ИАФМ расположенных под углом к волновому вектору акустической волны. За счет поворота микрополосков относительно волнового вектора акустической волны, распространяющейся по волноводам и, соответственно, поворота вектора суммарной намагниченности микрополосков относительно этого волнового вектора, спектр частот спиновых волн в гетероструктуре ИАФМ смещается так чтобы распространяющаяся в обратном направлении акустическая волна возбуждала ферромагнитный резонанс в ферромагнитных слоях микрополосоков в результате магнитоупругого взаимодействия. Таким: образом волна, распространяющаяся в обратном направлении, тратит свою анергию па возбуждение ферромагнитного резонанса в некомпенсированной ИАФМ. структуре что приводит к значительному повышению потерь акустической волны при прохождении через массив микрополосков в обратном направлении. Например, волны, сгенерированные порте 14 на Фиг. 1 распространяются в направлении портов 13 и 11 на Фиг. 1 и взаимодействуют с массивом микрополосков гетероструктуры нескомпенсированного ИАФМ 17 и 18 на Фиг. 1 расположенных на волноводах 1 и 4 соответственно. В случае волновода 4 упругая волна имеет минимальные потери, обусловленные только механическими свойствами материала волновода, поскольку в гетероструктуре ИАФМ на этом волноводе не возбуждается ферромагнитный резонанс, а в случае волновода 1 резонанс возбуждается, что зависит от угла поворота микрополосков относительно направления распространения волнового вектора. В результате возбуждения ферромагнитного резонанса упругая волна тратит энергию на магнитоупругое взаимодействие и затухает. Результирующая разница потерь в затухании волны в «прямом» направлении, то есть в направлении от первого порта ко второму порту и далее к третьему и четвертому и в «обратном» направлении, то есть в направлении от первого порта к четвертому и далее к третьему и второму, составляет ~100 раз, или 2 порядка что показано на Фиг. 3 и Фиг. 4.

Подобная структура и принципы предполагают целое семейство приборов, предназначенных для генерации ПАВ различных частот в зависимости от характеристик ВШП.

Литература

1. Патент RU 69326 U1 ФЕРРИТОВЫЙ СВЧ ЦИРКУЛЯТОР ПОВЕРХНОСТНОГО МОНТАЖА (аналог)

2. Патент RU 2 106 044 С1 СПОСОБ НАСТРОЙКИ ФЕРРИТОВЫХ ВОЛНОВОДНЫХ ЦИРКУЛЯТОРОВ (описан аналог)

3. Shah, Piyush & Bas, Derek & Lisenkov, Ivan & Matyushov, Alexei & Sun, Nian & Page, Michael. (2020). Giant Nonreciprocity of Surface Acoustic Waves enabled by the Magnetoelastic Interaction, (описан прототип)

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к циркуляторам. Циркулятор на основе усиления невзаимности магнитоупругих волн в гетероструктуре искусственный антиферромагнетик/пьезоэлектрик. Циркулятор состоит из пластины монокристалла с пьезоэлектрическими свойствами, на поверхности которой сформированы волноводы, соединенные между собой под углом, соответствующим углу симметрии пластины пьезоэлектрического монокристалла, ограниченные с внешней и внутренней сторон споем материала с высокими механическими поглощающими свойствами, на местах соединения волноводов сформированы встречно-штыревые преобразователи для возбуждения поверхностных акустических волн, также на волноводах между преобразователями размещены массивы микрополосков, распложенных под углом к волновому вектору акустической волны, микрополоски представляют из себя гетероструктуру со свойствами искусственного антиферромагнетика, которая выполнена из двух слоев ферромагнетика, разделенных слоем металла, толщина слоев ферромагнетика должна отличаться не менее чем на 1 нм, но и не более чем на 15%, значение угла между волновым вектором ПАВ, направленным в прямом направлении, и вектором суммарной намагниченности ИАФМ должно располагаться пределах от 35 до 37°. Технический результат - улучшение характеристик потерь, температурных и массогабаритных параметров с возможностью управления потерями при прохождении путем изменения поля смещения. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Циркулятор на основе усиления невзаимности магнитоупругих волн в гетероструктуре искусственный антиферромагнетик (ИАФМ)/пьезоэлектрик, отличающийся тем, что он состоит из пластины монокристалла с пьезоэлектрическими свойствами, на поверхности которой сформированы волноводы, соединенные между собой под углом, соответствующим углу симметрии пластины пьезоэлектрического монокристалла, ограниченные с внешней и внутренней сторон споем материала с высокими механическими поглощающими свойствами, на местах соединения волноводов сформированы встречно-штыревые преобразователи для возбуждения поверхностных акустических волн, также на волноводах между преобразователями размещены массивы микрополосков, распложенных под углом к волновому вектору акустической волны, микрополоски представляют из себя гетероструктуру со свойствами искусственного антиферромагнетика, которая выполнена из двух слоев ферромагнетика, разделенных слоем металла, толщина слоев ферромагнетика должна отличаться не менее чем на 1 нм, но и не более чем на 15%, значение угла между волновым вектором ПАВ, направленным в прямом направлении, и вектором суммарной намагниченности ИAФМ должно располагаться пределах от 35 до 37°.

2. Циркулятор по п. 1, отличающийся тем, что пластина монокристалла обладает симметрией при повороте на 90°.

3. Циркулятор по п. 2, отличающийся тем, что пластина монокристалла выполнена из LiNbO₃ или LiTaO₃.

4. Циркулятор по п. 1, отличающийся тем, что встречно-штыревые преобразователи выполнены в форме сдвоенной структуры для того, чтобы преобразователи были способны генерировать одинаковые по характеристикам ПАВ сразу на двух соединенных волноводах.

5. Циркулятор по п. 1, отличающийся тем, что микрополоски выполнены из ферромагнетика Со и металла Ru.