ПРОСТРАНСТВЕННО-ЧАСТОТНЫЙ ФИЛЬТР НА МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ Российский патент 2024 года по МПК H01P1/218 

Область техники

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к приборам СВЧ на магнитостатических волнах, и может быть использовано в качестве пространственно-частотного фильтра на магнитостатических волнах.

Уровень техники

Известен фильтр (см. патент РФ на изобретение № 2666968, МПК H01P 1/20, опубл. 13.09.2018), представляющий собой 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.

Известен также фильтр на основе высокодобротных магнитоакустических резонансов, возбуждаемых в слоистой структуре: ферритовая пленка - подложка - ферритовая пленка (см. патент РФ на изобретение RU 2390888, МПК H01P 1/20, опубл. 27.05.2010). Для обеспечения режима одночастотной фильтрации первая и вторая ферритовые пленки в виде резонаторов расположены на противоположных сторонах немагнитной подложки, входной и выходной преобразователи МСВ расположены соосно с ферритовыми пленками и под углом 90° друг к другу.

Недостатками вышеупомянутых устройств являются ограниченность рабочих частот, а также сложность изготовления подобных структур.

Известно устройство на основе магнонного кристалла, используемое для управления частотой спиновых волн (RU 2 758 663, МПК H01P 1/215, H01P 1/218, опубл. 01.11.2021). Устройство содержит ферромагнитную пленку из железо-иттриевого граната, имеющую форму прямоугольника, расположенные на ней входной и выходные преобразователи магнитостатических волн, в плёнке образован ряд отверстий, размещенных с одинаковым периодом. Фильтр содержит второй ряд отверстий в плёнке, идентичный первому и образующий с первым рядом двумерный магнонный кристалл, при этом ряды отверстий расположены симметрично относительно центральной оси прямоугольника вдоль его краёв, причём период следования отверстий составляет 350-400 мкм.

Недостатком данного устройства является отсутствие возможности управления свойствами спектра спиновых волн путем изменения управляющих параметров.

Известен фильтр магнитостатических волн (см. патент РФ на полезную модель № 205097, МПК H01P1/218, опубл. 28.06.2021), содержащий немагнитную органическую подложку в форме меандра, продольная ось пазов которого перпендикулярна направлению распространения магнитостатических спиновых волн (МСВ), размещенную на ней ферромагнитную пленку, микрополосковые преобразователи для возбуждения и приема МСВ в пленке, источник магнитного поля, фильтр выполнен с возможностью изменения ориентации продольной оси пазов параллельно направлению распространения МСВ, при этом пленка выполнена из пермаллоя. Для изменения ориентации фильтр может быть снабжен приводом или источник магнитного поля может быть выполнен с возможностью управления как величиной, так и направлением внешнего магнитного поля.

Недостатком является то, что из-за того, что продольная ось пазов перпендикулярна направлению МСВ, таким образом, в данной структуре происходит отражение волны в обратном направлении, что может негативно сказываться на успешном распространении МСВ.

Наиболее близким к заявляемому является фильтр-демультиплексор СВЧ-сигнала (см. патент РФ на изобретение 2754086, МПК H01P 1/218, опубл. 26.08.2021), 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 железа-родия составляет М=1120 Гс.

Основным недостатком известной конструкции является отсутствие возможности плавного управления частотным диапазоном и запрещенными зонами.

Раскрытие сущности изобретения

Технической проблемой заявляемого изобретения является создание фильтра на магнитостатических волнах с возможностью управления частотным диапазоном и запрещенными зонами.

Техническим результатом является возможность плавного управления запрещенными зонами путем изменения намагниченности структуры.

Технический результат достигается тем, что пространственно-частотный фильтр на магнитостатических волнах, содержащий подложку, выполненную из пленки галлий-гадолиниевого граната, на которой вдоль продольной оси расположен микроволновод из плёнки железо-иттриевого граната, входную и выходную микрополосковые антенны, расположенные с противоположных сторон микроволновода, источник магнитного поля, согласно решению, микроволновод имеет прямоугольные основания на торцах, переходящие в зигзагообразный участок, образованный сегментами прямых участков, связанных между собой углом поворота, внешнее магнитное поле ориентировано касательно плоскости подложки по оси У.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами, где представлены: фиг 1. - конструкция устройства; фиг 2. - амплитудно-частотная характеристика распространения поверхностных магнитостатических волн (ПМСВ) в структуре; фиг 3. - амплитудно-частотная характеристика распространения ПМСВ в структуре при различных величин намагничивания системы.

Позициями на чертежах обозначено:

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

2 - микроволновод;

3 - входная микрополосковая антенна;

4 - выходная микрополосковая антенна;

5 - амплитудно-частотная характеристика референсной структуры зигзагообразного участка;

6 - амплитудно-частотная характеристика зигзагообразной структуры;

7 - амплитудно-частотная характеристика зигзагообразной структуры при M₀=139 Гс;

8 - амплитудно-частотная характеристика зигзагообразной структуры при M₀=135 Гс.

Осуществление изобретения

Устройство (фиг. 1) выполнено на подложке 1, представляющей собой пленку из галлий-гадолиниевого граната (ГГГ) с размерами (Ш×Д×Т) 8000×4000×500(мкм). На поверхности пленки 1 ГГГ сформирован зигзагообразный магнонный кристалл-микроволновод 2. На одном конце микроволновода 2 расположена входная микрополосковая антенна 3 для возбуждения ПМСВ, на втором конце микроволновода 2 расположена выходная микрополосковая антенна 4 для приема ПМСВ. Внешнее магнитное поле H0=1200 Э направлено касательно вдоль оси y (см фиг. 1)

Ширина и длина прямоугольного основания микроволновода равны a=200 мкм и b=400 мкм соответственно, ширина и длина одного сегмента зигзагообразного периода d=170 мкм и c=400 мкм соответственно. Общая длина структуры равна 2828 мкм. Угол наклона зигзагообразного сегмента к прямоугольной части волновода ϕ = 30°.

Устройство функционирует следующим образом.

Входной микроволновый сигнал, частота которого должна лежать в диапазоне частот, определяемым величиной внешнего постоянного магнитного поля, подается на входную микрополосковую антенну 3. Далее микроволновый сигнал преобразуется в ПМСВ, распространяющуюся вдоль микроволновода 2, который имеет конфигурацию зигзагообразного магнонного кристалла. ПМСВ проходит по периодической зигзагообраной структуре, постоянно отражаясь на каждом из изломов, и далее детектируется на выходной микрополосковой антенне 4.

На фиг. 2 показаны результаты численного моделирования процесса распространения в данной структуре. Внешнее магнитное поле ориентировано вдоль оси Y. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) для референсной структуры без изломов (кривая 5), АЧХ структуры с зигзагообразным профилем (кривая 6). Референсная структура представляет собой прямоугольный волновод аналогичной ширины a=200 мкм и такой же общей длины 2878 мкм. В данной референсной структуре не наблюдается никаких неоднородностей на спектре распространении ПМСВ. Добавление геометрической неоднородности в виде периодических изломов приводит к эффекту, основанном на отражениях от стенок периодической структуры, благодаря чему на АЧХ на фоне непрерывного спектра ПМСВ появляются запрещенные зоны в прохождении волны.

На фиг. 3 представлены результаты численного моделирования процесса распространения в данной структуре при изменении величины намагниченности в магнонном кристалле. АЧХ для случая, когда намагниченность M₀=139 Гс (кривая 7), АЧХ для случая, когда намагниченность M₀=135 Гс.

Из представленных результатов видно, что изменение параметра намагниченности в данном зигзагообразном волноводе позволяет выполнять перестройку запрещенных зон. При уменьшении намагниченности запрещенные зоны смещаются в низкочастотную область. При уменьшении намагниченности насыщения пленки ЖИГ запрещенные зоны смещаются в низкочастотную область, данный эффект связан с изменением условий для распространения спиновых волн. Уменьшение намагниченности волновода можно добиться с помощью нагрева лазером в паре с цилиндрической линзой, которая позволяет развернуть лазерный пучок в более широкий и линейный.

Из представленных результатов видно, что, изменяя величину намагниченности пленки ЖИГ в виде зигзагообразного волновода, система имеет возможность перестройки резонансных частот.

Таким образом, представленные данные подтверждают достижение технического результата. За счет реализации структуры в виде волновода с зигзагообразным профилем имеется возможность управления модовым составом ПМСВ. При изменении величины намагниченности пленки ЖИГ появляется возможность плавного управления полосой пропускания частот ПМСВ.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к приборам СВЧ на магнитостатических волнах, и может быть использовано в качестве пространственно-частотного фильтра на магнитостатических волнах. Технической проблемой заявляемого изобретения является создание фильтра на магнитостатических волнах с возможностью управления частотным диапазоном и запрещенными зонами. Техническим результатом является возможность плавного управления запрещенными зонами путем изменения намагниченности структуры. Технический результат достигается тем, что пространственно-частотный фильтр на магнитостатических волнах, содержащий подложку, выполненную из пленки галлий-гадолиниевого граната, на которой вдоль продольной оси расположен микроволновод из плёнки железо-иттриевого граната, входную и выходную микрополосковые антенны, расположенные с противоположных сторон микроволновода, источник магнитного поля, согласно решению, микроволновод имеет прямоугольные основания на торцах, переходящие в зигзагообразный участок, образованный сегментами прямых участков, связанных между собой углом поворота, внешнее магнитное поле ориентировано касательно плоскости подложки по оси Y. 3 ил.

Пространственно-частотный фильтр на магнитостатических волнах, содержащий подложку, выполненную из пленки галлий-гадолиниевого граната, на которой вдоль продольной оси расположен микроволновод из плёнки железо-иттриевого граната, входную и выходную микрополосковые антенны, расположенные с противоположных сторон микроволновода, источник магнитного поля, отличающийся тем, что микроволновод имеет прямоугольные основания на торцах, переходящие в зигзагообразный участок, образованный сегментами прямых участков, связанных между собой углом поворота, внешнее магнитное поле ориентировано касательно плоскости подложки по оси Y.