Магнонный перестраиваемый СВЧ-генератор Российский патент 2023 года по МПК H03B7/00 

Предлагаемое устройство относится к радиотехнике и может быть использовано в системах телекоммуникаций и СВЧ-измерений в качестве планарного перестраиваемого источника монохроматического сигнала с низким уровнем фазовых шумов.

Из существующего уровня техники известен генератор СВЧ-сигнала (Chang N. S., Hayamizu T., Matsuo Y., YIG-tuned Gunn effect oscillator // Proceedings of the IEEE. Т. 55. №. 9. p. 1621-1621, 1967, US 3546624 A, US 3573659 A), состоящий из последовательно включенных по кольцевой схеме сферического резонатора из железо-иттриевого граната (ЖИГ-резонатора), находящегося в магнитной системе, СВЧ-усилителя и СВЧ направленного ответвителя. Перестройка частоты генератора реализовывается при помощи ЖИГ-резонатора через изменение поля подмагничивания, создаваемого магнитной системой. Недостатком данного генератора является объемность конструкции. Данный недостаток вытекает из объемной формы ЖИГ-резонатора и необходимости ручного монтажа ЖИГ-резонатора в схему генератора.

Из существующих публикаций известен генератор (Никитин А. Б., Хабитуева Е. И. Широкополосный СВЧ-генератор, управляемый напряжением // Проблемы СВЧ-электроники, Т. 3, с. 89-90, 2017), состоящий из кремний-германиевого гетеропереходного биполярного транзистора, двух управляющих варикапов, подключенных к эмиттеру и базе транзистора, а также согласующей нагрузочной цепи, выполненной в микрополосковом исполнении. Данный генератор обладает планарностью конструкции за счет размеров элементов, составляющих данный генератор. Перестройка частоты генерируемого сигнала осуществляется за счет изменения емкости управляющих варикапов через изменение напряжения. Недостатком данного генератора является высокий уровень фазовых шумов. Данный недостаток обусловлен низкой добротностью микрополоскового фильтра.

Наиболее близким по технической сущности заявляемому генератору является генератор СВЧ-сигнала, описанный в статье «TunablemagnetostaticwaveoscillatorsusingpureanddopedYIGfilms» (Ishak W., Reese E., Baer R. & Fowler M. TunablemagnetostaticwaveoscillatorsusingpureanddopedYIGfilms // IEEETransactionsonMagnetics, vol. 20, №. 5, p. 1229-1231, 1984). Данный генератор СВЧ-сигнала состоит из последовательно соединенных в кольцевую схему спин-волновой линии задержки, находящейся в магнитной системе, СВЧ-усилителя и СВЧ направленного ответвителя. Данный генератор изготовлен в планарном исполнении. Перестройка частоты генерируемого сигнала осуществляется за счет перестройки рабочей частоты частотозадающего элемента – спин-волновой линии задержки, путем изменения магнитного поля, создаваемого магнитной системой.

Известная конструкция прототипа имеет существенный недостаток, заключающийся в большом уровне фазовых шумов, и имеет большие размеры. Данный факт обусловлен тем, что спин-волновая линия задержки, используемая в данной конструкции, вносит большие потери на распространение СВЧ-сигнала порядка 20 дБ/мкс и изготовлена на толстой пленке (Вапнэ Г. М., СВЧ-устройства на магнитостатических волнах // Обзоры по электронной технике, Сер. 1, вып. 8-1060, с. 125, 1984). Увеличение времени задержки спин-волновой линией задержки требует увеличения расстояния между антеннами спиновых волн, что ведет к возрастанию размеров генератора, исчисляемых квадратными сантиметрами, к возрастанию потерь в кольцевой системе и к возрастанию величины уровня фазовых шумов.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является миниатюризация магнонного перестраиваемого СВЧ-генератора с низким уровнем фазовых шумов.

Для решения поставленной задачи предлагаемая конструкция перестраиваемого СВЧ-генератора, также, как и известная, содержит спин-волновую линию задержки, помещенную в магнитную систему, выполненную с возможностью изменения величины поля подмагничивания для перестройки резонансных частот, СВЧ-усилитель, выход которого соединен со входной антенной через СВЧ направленный ответвитель, выходная антенна соединена с СВЧ-усилителем. Но, в отличие от известного решения, в предлагаемом устройстве линия задержки выполнена на основе пленочного микроволновода нанометровой толщины, а каждая антенна выполнена в виде трехполосковой микроантенны, соединенной с копланарной линией передачи, сужающейся к микроантенне, причем ширина микрополосков выбрана из условия обеспечения согласования и развязки между антеннами, при этом концы центрального и боковых полосков микроантенн соединены, а начало центрального полоска соединено с центральным сигнальным полоском копланарной линии передачи, при этом начала боковых полосков соединены с заземленными боковыми электродами копланарной линии передачи, а создаваемый системой монохроматический СВЧ-сигнал выводится из генератора при помощи СВЧ направленного ответвителя.

Технический результат заключается в уменьшении размеров генератора. Данный результат достигается за счет уменьшения толщины пленки ЖИГ и перехода от навесного к планарному исполнению генератора. При уменьшении толщины спин-волновой линии задержки возрастают потери на распространение СВЧ-сигнала. Для уменьшения потерь необходимо уменьшать расстояние между антеннами, но при этом будет возрастать электромагнитная наводка с входной спин-волновой антенны на выходную. Уменьшить электромагнитную наводку позволяет специально разработанная трехполосковая конструкция антенн.

Изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг. 1 приведена блок-схема полезной модели генератора. На фиг. 2 приведены результаты расчета наводки с входной антенны на выходную в отсутствие ферромагнитной пленки. На фиг. 3 приведен результат теоретического расчета предлагаемой конструкции генератора до порога генерации. На фиг. 4 приведены результаты экспериментального и теоретического исследования фазовых шумов магнонного перестраиваемого СВЧ-генератора.

Рассмотрим конструкцию СВЧ-генератора, приведенную на фиг. 1. На подложку 1 из галлий-гадолиниевого граната (ГГГ) наносится слой ЖИГ. Затем на подложке 1 вытравливается спин-волновая линия задержки, которая может быть выполнена в виде магнитного пленочного микроволновода спиновых волн 2. Далее изготавливаются входная 3 и выходная 4 медные антенны, каждая из которых состоит из трехполосковой микроантенны, наносимой на поверхность волновода 2, и копланарной линии передачи (ЛП), помещенной на остальную часть подложки 1. Боковые электроды копланарной ЛП заземлены, центральный электрод используется для подачи сигнала. Копланарная ЛП сужается на конце и соединяется с трехполосковой микроантенной. Спин-волновая линия задержки помещена в магнитную систему 5. Выход спин-волновой линии задержки соединен с входом СВЧ-усилителя 6. Выход СВЧ-усилителя 6 через СВЧ направленный ответвитель 7 соединен с входной трехполосковой антенной спиновых волн 3.

Принцип действия генератора основан на следующей последовательности процессов: тепловой шум, присутствующий в системе, возбуждает широкополосный СВЧ сигнал в СВЧ-усилителе 6, который усиливает сигнал и через СВЧ направленный ответвитель 7 подает его в спин-волновую линию задержки 2 на входную трехполосковую антенну спиновых волн 3. СВЧ-сигнал, пройдя спин-волновую линию задержки, поступает на выходную трехполосковую антенну спиновых волн 4. Спин-волновая линия задержки, включающая в себя волновод спиновых волн 2, входную трехполосковую антенну спиновых волн 3 и выходную трехполосковую антенну спиновых волн 4, находится внутри магнитной системы 5. СВЧ-сигнал с выхода спин-волновой линии задержки поступает на вход СВЧ-усилителя 6 и через СВЧ направленный ответвитель 7 подается на входную антенну спин-волновой линии задержки 3. Генерация СВЧ-сигнала в генераторе возникает при компенсации суммарных потерь сигнала в схеме генератора СВЧ-усилителем 6. Описанная схема является резонансной и отбирает внутри себя на основе закона баланса фаз и закона баланса амплитуд единственную частоту, на которой генерируется сигнал. Создаваемый системой монохроматический СВЧ-сигнал выводится из генератора при помощи СВЧ направленного ответвителя 7. Перестройка резонансных частот осуществляется путем изменения величины поля подмагничивания, создаваемого магнитной системой 5. Достоинствами схемы генератора является возможность планарной реализации частотозадающего элемента генератора, низкий уровень фазовых шумов генерируемого СВЧ-сигнала, а также малые размеры всей конструкции.

Рассмотрим конструкцию спин-волновой линии задержки на примере ее использования для построения генератора. Ферромагнитная пленка, использующаяся в линии задержки, изготовлена из пленки ЖИГ толщиной 100 нм, намагниченностью насыщения 1750 Гс и полушириной кривой ферромагнитного резонанса 0.7 Э. Намагничивание пленки ЖИГ осуществляется постоянным магнитом с напряженностью поля 1083 Э. Возбуждение спиновых волн происходит за счет переменного магнитного поля, создаваемого переменным током, текущим по трехполосковой микроантенне. Длина трехполосковой микроантенны составляет 35 мкм. Толщина полосков микроантенн равна 100 нм. Микроантенны состоят из трех полосков: одного центрального полоска и двух боковых полосков. Ширина центрального полоска равна 648 нм, а ширина боковых полосков – 324 нм. Боковые полоски разнесены от центрального на расстояние, равное 334 нм. Расстояние между центрами симметрии входной и выходной микроантенн составляет 58 мкм. Концы центрального и боковых полосков микроантенн соединены. Начало центрального полоска соединено с центральным сигнальным полоском копланарной линии передачи. Начала боковых полосков соединены с заземленными боковыми электродами копланарной линии передачи.

На фиг. 2 представлены результаты моделирования S-параметров линии задержки без ферромагнитной пленки в пакете AnsysHFSS. По данным результатам видно, что уровень наводки (S₂₁ и S₁₂) с входной антенны на выходную составляет около -85 дБ. Это означает, что входная антенна не будет искажать сигнал, переносимый спиновыми волнами через ферромагнитную пленку. При наличии ферромагнитной пленки амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) линии задержки была рассчитана при помощи оригинальной теории. Результаты расчета показали, что минимальные потери, вносимые такой линией задержки, составляют 35 дБ.

АЧХ генератора до порога автогенерации представлена на фиг. 3. Она была рассчитана по формуле

(1)

где κ – коэффициент ослабления направленного ответвителя, используемого для ввода и вывода СВЧ-сигнала; G – коэффициент усиления по амплитуде СВЧ-усилителя; и – модуль и фаза коэффициента передачи спин-волновой линии задержки с учётом возбуждения и приема спиновых волн антеннами, соответственно.

Как видно из фиг. 3, АЧХ генератора представляет собой набор эквидистантных резонансных пиков. Резонансные пики соответствуют синфазному сложению волн, циркулирующих в генераторе. При этом набег фазы волн пропорционален 2π. Генерация сигнала возможна при компенсации усилителем всех потерь в кольце.

Таким образом, описание генератора доказывает достижение технического результата - уменьшение размеров магнонного перестраиваемого СВЧ-генератора и снижение уровня фазового шума.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в системах телекоммуникаций и СВЧ-измерений в качестве миниатюрного перестраиваемого источника монохроматического сигнала с низким уровнем фазовых шумов. Техническим результатом является уменьшение размеров магнонного перестраиваемого СВЧ-генератора и снижение уровня фазового шума. Для этого предложен магнонный перестраиваемый СВЧ-генератор, содержащий спин-волновую линию задержки 2, изготовленную из микроволновода нанометровой толщины, входную 3 и выходную 4 трехполосковые микроантенны спиновых волн, соединенные с копланарными линиями передачи, сужающимися к микроантенне. Спин-волновая линия задержки 2 помещена в магнитную систему 5. Выход спин-волновой линии задержки соединен с входом СВЧ-усилителя 6. Выход СВЧ-усилителя 6 через СВЧ направленный ответвитель 7 соединен с входной трехполосковой микроантенной спиновых волн 3. 4 ил.

Магнонный перестраиваемый СВЧ-генератор, содержащий спин-волновую линию задержки, помещенную в магнитную систему, выполненную с возможностью изменения величины поля подмагничивания для перестройки резонансных частот, СВЧ-усилитель, выход которого соединен со входной антенной через СВЧ направленный ответвитель, выходная антенна соединена с СВЧ-усилителем, отличающийся тем, что линия задержки выполнена на основе пленочного микроволновода нанометровой толщины, а каждая антенна выполнена в виде трехполосковой микроантенны, соединенной с копланарной линией передачи, сужающейся к микроантенне, причем ширина микрополосков выбрана из условия обеспечения согласования и развязки между антеннами, при этом концы центрального и боковых полосков микроантенн соединены, а начало центрального полоска соединено с центральным сигнальным полоском копланарной линии передачи, при этом начала боковых полосков соединены с заземленными боковыми электродами копланарной линии передачи, а создаваемый системой монохроматический СВЧ-сигнал выводится из генератора при помощи СВЧ направленного ответвителя.