УПРАВЛЯЕМЫЙ ПРОСТРАНСТВЕННО-ЧАСТОТНЫЙ ФИЛЬТР СВЧ СИГНАЛА НА СПИНОВЫХ ВОЛНАХ Российский патент 2024 года по МПК H01P1/218 

Область техники

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, в частности к приборам на магнитостатических волнах и может использоваться как частотный фильтр СВЧ сигнала на спиновых волнах.

Уровень техники

Известно, что большое число устройств для обработки сигналов на магнитостатических волнах может быть реализовано на основе магнонных кристаллов - искусственных периодических структур, содержащих магнитоупорядоченную компоненту (С.А. Никитов и др. "Магноника - новое направление спинтроники и спин-волновой электроники", УФН, 185:10 (2015), 1099-1128).

Известно устройство на магнитостатических волнах (патент US 7528688, МПК H01P 1/19, опубл. 05.05.2009), которое содержит подложку из галлий-гадолиниевого граната, пьезоэлектрический слой, расположенную между ними пленку из ЖИГ, входной и выходной электроды. При этом электрическое поле в пьезоэлектрическом слое создает магнитострикцию, а дополнительное магнитное поле в ферритовом слое вызывает изменение резонансной частоты, тем самым настраивая рабочую частоту. Данный тип структуры может быть использован в качестве микроволновых резонаторов, полосовых фильтров и линий задержки.

Недостатком данного устройства является отсутствие возможности управления свойствами спектра спиновых волн путем изменения внешнего магнитного поля.

Известен невзаимный перестраиваемый полосовой фильтр (заявка WO2014052913, МПК H01P1/20, опубл. 03.04.2014), включающий преобразователь, содержащий параллельно соединенные проводящие линии и ферритовый слой, так что параллельные края ферритового слоя наклонены под ненулевым углом Θ относительно параллельных сопряженных микрополосковых линий микрополоскового преобразователя. Благодаря такой конструкции отраженная от боковых граней ферритовой пленки поверхностная волна преобразуется обратно в объемную, не образуя стоячую волну, и, следовательно, не попадает в выходной сигнал. Таким образом, осуществляется невзаимная фильтрация спиновых волн, что позволяет подавить побочные моды, образующиеся из-за пространственного резонанса во взаимных фильтрах, но вносит значительные потери, что и является недостатком данного устройства.

Известен частотный фильтр на основе магнонного кристалла, используемый для управления частотой спиновых волн (патент US8487391, МПК H01L29/82, опубл. 16.07.2013). Устройство состоит из волновода на основе тонкой магнитной пленки. Волновод имеет три секции, одна из которых представляет собой периодическую структуру - магнонный кристалл, образованный путем периодического изменения ширины либо толщины ферромагнитной пленки.

Недостатком данного устройства является отсутствие возможности работы в двухчастотных диапазонах.http://www1.fips.ru/fips_servl/BiEndhttp://www1.fips.ru/fips_servl/AbStart

Наиболее близким к патентуемому устройству является функциональное устройство магноники на многослойной ферромагнитной структуре (патент RU2702915, МПК H01P1/218, опубл. 14.10.2019), содержащее подложку из немагнитного диэлектрика, ферромагнитные слои железоиттриевого граната (ЖИГ), микрополосковые преобразователи для возбуждения и приема МСВ, источник магнитного поля, при этом оно выполнено в виде многослойной 3D структуры, включающей внешний и внутренний ферромагнитные слои, отделенные друг от друга прослойкой немагнитного вещества и расположенные один над другим, поверхность подложки в сечении имеет форму меандра, образованного совокупностью периодических канавок, продольная ось которых перпендикулярна направлению распространения МСВ, внешний и внутренний ферромагнитные слои имеют период, совпадающий с периодом образованных канавками на поверхности подложки выступов, боковых граней и пазов, а магнитное поле источника магнитного поля ориентировано перпендикулярно к плоскости подложки с возможностью возбуждения в обоих ферромагнитных слоях объемных МСВ. Недостатком данного устройства являются малые толщины пленок ЖИГ, малая намагниченность насыщения пленок вследствие, чего малый частотный диапазон работы устройства.

Раскрытие сущности

Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, состоит в усовершенствовании конструкции спин-волнового фильтра, управляемого внешним магнитным полем, а именно в создании управляемого пространственно-частотного фильтра СВЧ сигнала за счет изменения конфигураций внешнего магнитного поля.

Технический результат - в обеспечении возможности управления режимами работы.

Технический результат достигается тем, что в пространственно-частотном фильтре СВЧ сигнала, содержащем размещенный на галлий-гадолиниевой подложке микроволновод из железоиттриевого граната, внешняя поверхность которого имеет в сечении форму меандра, образованного совокупностью периодических канавок, микрополосковые преобразователи для возбуждения и приема магнитостатических спиновых волн, источник магнитного поля, согласно решению, микроволновод представляет собой двухслойную пленку, слои которой имеют разную намагниченность насыщения, микрополосковые преобразователи размещены на концах внешней поверхности микроволновода, причем магнитное поле источника магнитного поля ориентировано в плоскости подложки с возможностью возбуждения в обоих слоях поверхностных магнитостатических спиновых волн.

Патентуемый управляемый пространственно-частотный фильтр СВЧ сигнала на спиновых волнах содержит подложку из немагнитного диэлектрика, размещенную на подложке двухслойную ферритовую пленку (ФП), выполненную из железоиттриевого граната с разной намагниченностью, в качестве управляющего элемента используется внешнее магнитное поле, входной и выходной преобразователи магнитостатических волн. Внешнее магнитное поле источника магнитного поля ориентировано перпендикулярно длине плоскости подложки.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами, где: фиг. 1 - конструкция устройства; фиг 2 - конструкция, вид сбоку; фиг. 3 - дисперсионная характеристика для высокочастотной области ПМСВ при положительной намагниченности внешнего магнитного поля; фиг. 4 - дисперсионная характеристика для низкочастотной области ПМСВ при положительной намагниченности внешнего магнитного поля; фиг. 5 - дисперсионная характеристика для высокочастотной области ПМСВ при отрицательной намагниченности внешнего магнитного поля; фиг. 6 - дисперсионная характеристика для низкочастотной области ПМСВ при отрицательной намагниченности внешнего магнитного поля.

Позициями на чертеже обозначено:

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

2 - первый слой микроволновода;

3 - второй слой микроволновода;

4 - микрополосковый преобразователь для возбуждения ПМСВ;

5 - микрополосковый преобразователь для приема ПМСВ;

d₁ - толщина второго слоя микроволновода;

d₂ - толщина первого слоя микроволновода;

S - ширина микрополосковых преобразователей;

w₀ - ширина плёнки под микрополосковым преобразователем;

w₁ - длина канавки;

w₂ - длина выступа;

Δd - глубина канавок;

L - длина подложки;

H₀ - внешнее магнитное поле;

k (см^-1) - волновое число.

Осуществление изобретения

Заявляемое устройство представляет собой помещенную в магнитное поле микроволноводную структуру, которая содержит подложку из пленки ГГГ 1, на которой размещен микроволновод для поверхностных магнитостатических волн (ПМСВ), выполненный в виде двухслойной ферромагнитной пленки из железо-итриевого граната (ЖИГ). Первый верхний слой микроволновода 2 имеет в сечении форму меандра, образованного совокупностью периодических канавок, формирующих магнонный кристалл. Второй внутренний слой микроволновода 3 размещен на подложке 1. На концах первого слоя микроволновода 2 расположены микрополосковые преобразователи 4, 5 для возбуждения и приема магнитостатических волн. При этом слои 2, 3 имеют разную намагниченность насыщения.

Режим работы управляемого пространственно-частотного фильтра СВЧ сигнала на спиновых волнах определяется выбранными параметрами распространения ПМСВ: периодом магнонного кристалла, величиной и направлением внешнего магнитного поля. Так, от внешнего магнитного поля зависит частотный диапазон, изменением периода магнонного кристалла, вследствие фазового синхронизма, можно контролировать прохождение спиновых волн, формирование запрещенных зон.

Принцип работы данного устройства заключается в том, что входной микроволновый сигнал, частота которого должна лежать в диапазоне частот, определяемым величиной H₀ внешнего постоянного магнитного поля, подают на входной микрополосковый преобразователь 4. Далее микроволновый сигнал преобразуется в поверхностную магнитостатическую волну (ПМСВ), распространяющуюся вдоль микроволновода 2, 3. Характер распространения спиновых волн будет зависеть от периода магнонного кристалла 2 и внешнего магнитного поля. От направления магнитного поля в плоскости пленки, будет зависеть характер прохождения сигнала. Из-за наличия магнонного кристалла (МК) в устройстве возникают частотные полосы непрохождения сигнала, запрещенные зоны (ЗЗ).

Подложка 1 может иметь размеры: ширина 100 мкм, длина L 1300 мкм, толщина 50 мкм. Толщина первого слоя 2 составляет 8.9 мкм и имеет намагниченность насыщения 1738 Гс, толщина второго слоя 3 - 6.9 мкм, намагниченность насыщения - 940 Гс. Глубина канавок Δd равна 1 мкм при длинах w₁ и w₂ равных 100 мкм. Ширина S микрополосковых преобразователей 4, 5 составляет 30 мкм. Внешнее магнитное поле H₀ направлено параллельно оси x (см. фиг. 1).

На фиг. 3-6 приведены результаты численного моделирования. Показаны дисперсионные характеристики ПМСВ устройства, которые были получены путем решения системы уравнений Максвелла методом конечных элементов. В микроволновой структуре наблюдаются одновременно, как и ВЧ так и НЧ полосы прохождения сигнала. На фиг. 3-6 видно, что при изменении поляризация поля дисперсионные характеристики сильно меняются, особенно в НЧ диапазоне, что характеризует сильное невзаимное поведение спиновых волн в двухслойной структуре. Из-за наличия на поверхности периодически изменяющихся геометрических параметров, то есть магнонного кристалла, на дисперсионной характеристике в ВЧ диапазоне формируются запрещённые зоны (ЗЗ, на фиг. 3, 5). Периодизация структуры позволяет получать запрещённые зоны, в зависимости от периода МК, на разных волновых числах, при этом из-за невзаимного поведения спиновых волн частота, на которой проявляется запрещённая зона, будет отличаться. Если внешнее магнитное поле развернуть на 180 градусов, то локализация ПМСВ будет происходить в противоположной пленке, что изменит пропускающую способность устройства, что проиллюстрировано на Фиг. 3, 5 для высокочастотной области и на Фиг. 4, 6 для низкочастотной области.

Устройство работает следующим образом.

Как описано выше, возможна реализация нескольких режимов работы, которыми возможно управлять, изменяя конфигурацию распределения внутреннего магнитного поля при вариации величины и направления внешнего магнитного поля. Конфигурацию поля можно менять путём изменения величины и направления внешнего магнитного поля. Если внешнее магнитное поле развернуть на 180 градусов, то локализация ПМСВ будет происходить в противоположном слое, что изменит пропускающую способность устройства. Следовательно, можно управлять режимами работы данного устройства меняя направление и величину внешнего магнитного поля.

Таким образом, представленные данные подтверждают достижение технического результата, а именно создание управляемого пространственно-частотного фильтра СВЧ сигнала на спиновых волнах, в котором управление режимами работы возможно осуществлять путём изменения конфигурации внешнего магнитного поля.

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, в частности к приборам на магнитостатических волнах, и может использоваться как частотный фильтр СВЧ сигнала на спиновых волнах. Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, состоит в усовершенствовании конструкции спин-волнового фильтра, управляемого внешним магнитным полем. Заявляемое устройство представляет собой помещенную в магнитное поле микроволноводную структуру, которая содержит подложку из пленки ГГГ 1, на которой размещен микроволновод для поверхностных магнитостатических волн (ПМСВ), выполненный в виде двухслойной ферромагнитной пленки из железоиттриевого граната (ЖИГ). Первый верхний слой микроволновода 2 имеет в сечении форму меандра, образованного совокупностью периодических канавок, формирующих магнонный кристалл. Второй внутренний слой микроволновода 3 размещен на подложке 1. На концах первого слоя микроволновода 2 расположены микрополосковые преобразователи 4, 5 для возбуждения и приема магнитостатических волн. При этом слои 2, 3 имеют разную намагниченность насыщения. Технический результат заключается в обеспечении возможности регулирования режимов работы. 6 ил.

Пространственно-частотный фильтр СВЧ сигнала, содержащий размещенный на галлий-гадолиниевой подложке микроволновод из железоиттриевого граната, внешняя поверхность которого имеет в сечении форму меандра, образованного совокупностью периодических канавок, микрополосковые преобразователи для возбуждения и приема магнитостатических спиновых волн, источник магнитного поля, отличающийся тем, что микроволновод представляет собой двухслойную пленку, слои которой имеют разную намагниченность насыщения, микрополосковые преобразователи размещены на концах внешней поверхности микроволновода, причем магнитное поле источника магнитного поля ориентировано в плоскости подложки с возможностью возбуждения в обоих слоях поверхностных магнитостатических спиновых волн.