УПРАВЛЯЕМАЯ ЛИНИЯ ЗАДЕРЖКИ НА ОБМЕННЫХ СПИНОВЫХ ВОЛНАХ Российский патент 2024 года по МПК H03H9/30 

Область техники

Изобретение относится к радиотехнике и может применяться в приемно-передающих радиоустройствах и фазированных антенных решетках СВЧ-диапазона.

Уровень техники

В эпитаксиальных ферритовых пленках железоиттриевого граната (ЖИГ), выращенных на немагнитной подложке гадолиний-галлиевого граната (ГГГ), могут возбуждаться два типа спиновых волн - дипольные и обменные спиновые волны. Дипольные спиновые волны (в литературе их чаще называют магнитостатическими волнами (МСВ)) распространяются за счет дальнодействующего диполь-дипольного взаимодействия. В зависимости от направления намагничивающего поля в пленке могут возбуждаться прямые объемные, обратные объемные и поверхностные МСВ (Гуревич А.Г. Ферриты на сверхвысоких частотах. М: Физматгиз, 497 с.).

Обменные спиновые волны (ОСВ) распространяются за счет короткодействующего обменного взаимодействия (Ахиезер А.И., Барьяхтар В.Г., Пелетминский С.В. Спиновые волны. - М.: Наука, 1967, 368 с.). Наиболее сильное обменное взаимодействие формирует в кристалле упорядоченную структуру спиновых моментов, которая проявляется в виде спонтанной намагниченности феррита.

При континуальном подходе оба типа спиновых волн представляются одинаково, в виде волн прецессии вектора спонтанной намагниченности, и различаются только длинами. Волны с длинами λ>10-1000 микрон принято считать в основном дипольными, а с длинами λ≤1 микрона в основном обменными.

Наиболее привлекательными являются обменные спиновые волны, поскольку их длины волн и, соответственно, скорости распространения на несколько порядков меньше скорости МСВ. Тем не менее, наиболее широкое применение нашли относительно длинноволновые магнитостатические волны. Это стало возможным, благодаря простоте их возбуждения и приема микрополосковыми (МПЛ) преобразователями СВЧ-сигнала. На основе МСВ был предложен целый ряд устройств обработки радиосигналов в диапазоне частот от единиц до десятков ГГц (Никитов В.А., Никитов С.А. Исследования и разработки устройств на магнито статических спиновых волнах. - Зарубежная радиоэлектроника, 1981, №2, С. 41-52.). В частности были предложены варианты конструкции управляемых линий задержки (ЛЗ) СВЧ-сигнала.

Известна управляемая линия задержки на МСВ (см. патент США 4400669, МПК Н03Н 2/00, опубл. 23.08.1983), состоящая из намагниченной пленки ЖИГ, входного и выходного МПЛ преобразователей СВЧ-сигнала и металлического экрана, расположенного между преобразователями. Регулировка времени задержки в такой ЛЗ осуществляется изменением зазора между пленкой ЖИГ и металлическим экраном.

Известна управляемая линия задержки на МСВ (см. авторское свидетельство СССР №1552958, МПК Н01Р 1/215, опубл. 27.01.2001), состоящая из намагниченной пленки ЖИГ, входного и выходного МПЛ преобразователей, расположенных на отдельных диэлектрических подложках. Регулировка времени задержки в такой ЛЗ осуществляется за счет изменения длины пробега МСВ при относительном сдвиге одной из подложек МПЛ преобразователя.

Известна управляемая линия задержки на поверхностных МСВ (см. патент РФ 2594382, МПК Н03Н 9/38, опубл. 20.08.2016), состоящая из касательно намагниченной пленки ЖИГ с периодической структурой протравленных канавок, входного и выходного МПЛ преобразователей. Регулировка времени задержки в такой ЛЗ осуществляется вращением пленки ЖИГ в плоскости расположения преобразователей.

Недостатком указанных устройств является механическая регулировка времени задержки.

Известна линия задержки на МСВ с электрической регулировкой времени задержки СВЧ-сигнала (см. патент США 3935550, МПК Н03Н 7/14, опубл. 27.01.1976), содержащая эпитаксиальную ферритовую пленку ЖИГ, входной и выходной преобразователи СВЧ-сигнала и регулируемый током источник намагничивающего поля.

Недостатком данной ЛЗ является большие габариты при использовании относительно длинноволновых магнитостатических волн.

Наиболее близким к заявляемому решению является электрически управляемая линия задержки на основе коротковолновых обменных спиновых волн (см. патент РФ 2786486, H03H 9/30, опубл. 21.12.2022), содержащая эпитаксиальную ферритовую пленку железо-иттриевого граната, расположенную на немагнитном слое гадолиний-галлиевого граната (ГГГ), входной и выходной преобразователи СВЧ-сигнала и регулируемый током источник намагничивающего поля, второй немагнитный слой ГГГ, расположенный на внешней поверхности пленки ЖИГ, образуя трехслойную структуру ГГГ-ЖИГ-ГГГ, содержит две диэлектрические подложки, на одной из которых расположен входной преобразователь СВЧ-сигнала, а на второй - выходной преобразователь, преобразователи выполнены микрополосковыми и расположены в одной плоскости так, что их продольные оси совпадают. Структура ГГГ-ЖИГ-ГГГ установлена в зазоре, образованном диэлектрическими подложками и преобразователями так, что торцевые поверхности немагнитных слоев гадолиний-галлиевого граната примыкают к торцам диэлектрических подложек и к торцам преобразователей, диэлектрические подложки на противоположных преобразователям сторонах металлизированы, намагничивающее поле ориентировано по нормали к поверхности пленки ЖИГ.

Однако данная конструкция не обеспечивает длительное время задержки.

Раскрытие сущности изобретения

Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в оптимизации конструкции управляемой линии задержки на обменных спиновых волнах.

Техническим результатом изобретения является кратное увеличение времени задержки при уменьшении габаритов управляемой линии задержки на обменных спиновых волнах.

Указанный технический результат достигается тем, что управляемая линия задержки на обменных спиновых волнах, содержащая трехслойную структуру ГГГ-ЖИГ-ГГГ, входной и выходной преобразователи СВЧ-сигнала и регулируемый током источник намагничивающего поля, согласно решению, трехслойная структура ГГГ-ЖИГ-ГГГ выполнена в виде диска, состоящего из монокристаллического слоя ЖИГ, на противоположных поверхностях которой расположены эпитаксиальные пленки ГГГ, входной и выходной преобразователи СВЧ-сигнала выполнены в виде соосно расположенных коаксиальных линий передачи, внешний диаметр которых совпадает с диаметром диска трехслойной структуры ГГГ-ЖИГ-ГГГ, структура ГГГ-ЖИГ-ГГГ установлена соосно в зазоре образованном коаксиальными линиями передачи так, что торцевые поверхности структуры ГГГ-ЖИГ-ГГГ примыкают к торцевым поверхностям коаксиальных линий, структура ГГГ-ЖИГ-ГГГ помещена в постоянное намагничивающее поле, ориентированное по нормали к слою ЖИГ, которое создается портативной управляемой магнитной системой, состоящей из двух идентичных кольцевых постоянных магнитов с внутренним диаметром, совпадающим с диаметром трехслойной структуры, двух идентичных конусообразных стальных полюсных наконечников с соосным отверстием, совпадающим с внутренним диаметром постоянных магнитов, и катушки электрического управления полем, расположенной в зазоре между полюсами и магнитами, структура ГГГ-ЖИГ-ГГГ вместе с коаксиальными преобразователями установлена симметрично внутри рабочего зазора магнитной системы.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами: на фиг. 1 изображена конструкция управляемой линии задержки на обменных спиновых волнах; на фиг. 2 - конструкция входного и выходного коаксиальных преобразователей СВЧ-сигнала и векторы электрических и магнитных полей падающей и прошедшей TEM волны, распространяющейся вдоль оси коаксиальной линий передачи; на фиг. 3 - трехслойная структура ГГГ-ЖИГ-ГГГ, где d - толщина слоя ЖИГ, и векторы электрической и магнитной составляющих падающей и прошедшей плоской электромагнитной ТЕМ волны, распространяющихся в направлении волнового вектора , волнистой стрелкой показано направление распространения ОСВ, прямой стрелкой показано направление намагничивающего поля; на фиг. 4 - график распределения спонтанной намагниченности по толщине слоя ЖИГ; на фиг. 5 - 3d-график закона дисперсии ОСВ, рассчитанный при фиксированном значении намагничивающего поля; на фиг. 6 - графики частотной зависимости времени задержки и фазы прошедшего сигнала, рассчитанные при фиксированном значении намагничивающего поля; на фиг. 7 - графики полевой зависимости времени задержки и фазы прошедшего сигнала, рассчитанные при фиксированном значении частоты СВЧ-сигнала; на фиг. 8 - результаты численного моделирования полей портативной магнитной системы: на графике расчеты распределения полей в рабочем зазоре; на вставке расчеты силовых линий магнитной системы.

На чертежах позициями обозначено:

1 - входной коаксиальный преобразователь СВЧ-сигнала;

2 - кольцевой постоянный магнит;

3 - конусообразный стальной полюсной наконечник с соосным отверстием;

4 - катушка электрического управления полем;

5 - первая пленка ГГГ;

6 - монокристаллический слой ЖИГ;

7 - вторая пленка ГГГ;

8 - выходной коаксиальный преобразователь СВЧ-сигнала;

9 - внешний металлический экран коаксиальной линии передачи;

10 - внутренний проводник коаксиальной линии передачи;

11, 12 - переходные диффузионные слои на границах ГГГ-ЖИГ и ЖИГ-ГГГ.

Осуществление изобретения

Управляемая линия задержки на обменных спиновых волнах (см. фиг. 1), содержащая трехслойную структуру из двух слоев галлий-гадолиниевого граната ГГГ и расположенного между ними слоя железо-иттриевого граната ЖИГ 6. Входной 1 и выходной 8 преобразователи СВЧ-сигнала и регулируемый током источник намагничивающего поля. Трехслойная структура ГГГ-ЖИГ-ГГГ выполнена в виде диска. Слой ЖИГ 6 представляет собой монокристаллический слой, а слои ГГГ - эпитаксиальные пленки 5, 7. Входной 1 и выходной 8 преобразователи СВЧ-сигнала выполнены в виде идентичных коаксиальных линий передачи, состоящих из внешнего металлического экрана 9 и внутреннего проводника 10. Внешний диаметр коаксиальных линий совпадает с диаметром диска структуры ГГГ-ЖИГ-ГГГ. Регулируемый током источник намагничивающего поля выполнен в виде комбинированной магнитной системы, состоящей из двух идентичных кольцевых постоянных магнитов 2, двух конусообразных стальных полюсных наконечников с осевым отверстием 3 равным внутреннему диаметру постоянных магнитов и электрической катушки управления 4, расположенной в зазоре постоянных магнитов и полюсных наконечников. Структура ГГГ-ЖИГ-ГГГ установлена в центре рабочего зазора так, что ее плоские поверхности примыкают к торцам входной и выходной коаксиальной линии передачи.

Устройство работает следующим образом.

На поверхность нормально намагниченного слоя ЖИГ падает плоская электромагнитная ТЕМ волна (см. фиг. 2-3), которая в пределах толщины диффузионного слоя 11 преобразуется в коротковолновую ОСВ, бегущую поперек слоя ЖИГ, и в диффузионном слое 12 преобразуется обратно в электромагнитную волну. Задержка прошедшего СВЧ-сигнала определяется длиной пробега и скоростью распространения ОСВ.

С учетом того, что скорость ОСВ на несколько порядков меньше скорости МСВ, длина пробега и, соответственно, габариты линии задержки на ОСВ уменьшаются пропорционально отношению скоростей. Важно отметить, что в пределах толщин диффузионных слоев возникают эффекты коллинеарного взаимодействия электромагнитных и обменных спиновых волн, при котором эффективность преобразования типа волн достигает максимальных значений. Помимо этого на границах слоя ЖИГ выполняется условие согласования ОСВ в внешним СВЧ трактом, что существенно снижает потери СВЧ-сигнала на отражение падающих волн.

Эффекты преобразования электромагнитных и обменных спиновых волн обусловлены магнитной неоднородностью диффузионных слоев, которая всегда формируется в процессе эпитаксиального роста за счет диффузии немагнитных ионов Gd³⁺, Ga³⁺ подложки ГГГ (Gd₃Ga₅O₁₂), частично замещающих магнитные ионы Y³⁺, Fe³⁺ пленки ЖИГ (Y₃Fe₅O₁₂) [Mitra A., Cespedes О., Ramasse Q., АН М., Marmion S., Ward M., Brydson R. M. D., Kinane C. J., Cooper J. F. K., Langridge S., Hickey B. J. Interracial Origin of the Magnetisation Suppression of Thin Film Yttrium Iron Garnet. // Scientific Reports. 2017. Vol. 7, P. 11774. doi.org/10.1038/s41598-017-10281-6]. Согласно теории диффузии в твердых телах ([H. Mehrer. DiffusioninSolids: Fundamentals, Methods, Materials, Diffusion-Controlled Processes. Springer: 2007. 651 p.), распределение концентрации немагнитных ионов в диффузионном слое описывается функцией Гаусса N(z)=exp(-z²/σ²) где σ - феноменологический параметр распределения, z - координата в поперечном направлении слоя ЖИГ. С учетом этого распределение спонтанной намагниченности по толщине слоя ЖИГ описывается формулой

где M₀ - однородная намагниченность пленки вне диффузионного слоя, d - толщина слоя ЖИГ.

На фиг. 4 представлен график распределения намагниченности , рассчитанный при заданных параметрах слоя ЖИГ .

Функция распределения намагниченности использовалась в расчетах закона дисперсии ОСВ , где - волновое число ОСВ, - частота СВЧ-сигнала, - напряженность намагничивающего поля (Tikhonov V.V., Litvinenko A.N. Exchange spin waves and their application for diagnostics of the layered structure of epitaxial YIG films.// J. Magn. Magn. Mater. 2020. Vol. 515. P. 167241. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2020.167241).

На фиг. 5 представлен 3d-график закона дисперсии , рассчитанный при фиксированном поле . Видно, что в пределах толщин диффузионных слоев волновые числа ОСВ плавно возрастают (уменьшаются) на пять-шесть порядков. При этом на границах пленки ЖИГ, при и выполняется условие согласования ОСВ с падающей и прошедшей электромагнитной волной, причем, как видно на фиг. 5, условие согласования и, соответственно, эффективного возбуждения ОСВ выполняется в достаточно широкой полосе частот .

Используя закон дисперсии , нетрудно было рассчитать время задержки и набег фазы прошедшего

СВЧ-сигнала на заданной длине пробега ОСВ.

Для примера на фиг. 5 представлены частотные зависимости времени задержки и набега фазы , рассчитанные при фиксированном поле на длине пробега ОСВ равной толщине слоя ЖИГ .

На фиг. 6 представлены полевые зависимости времени задержки и набега фазы , рассчитанные при фиксированной частоте на длине пробега ОСВ равной толщине слоя ЖИГ .

Ниже приведен пример реализации изобретения.

В качестве входного и выходного преобразователя СВЧ-сигнала используется жесткий немагнитный коаксиальный кабель SR86CUTPM172M с волновым сопротивлением 50 Ом, состоящий из трубчатого экрана CuSn с внешним диаметром 2.2 мм. Образец структуры ГГГ-ЖИГ-ГГГ изготовлен в виде диска, диаметр которого совпадает с внешним диаметром коаксиального кабеля. Образец структуры ГГГ-ЖИГ-ГГГ вместе с входным и выходным коаксиальным преобразователем СВЧ-сигнала установлен в центре рабочего зазора портативной магнитной системы, как показано на фиг. 1, 8. Поле в рабочем зазоре, ориентировано по нормали к поверхности структуры ГГГ-ЖИГ-ГГГ. На фиг. 8 представлены результаты численного моделирования намагничивающих полей. Расчеты проводились методом конечных элементов с использованием программного комплекса Ansoft Maxwell SV. Исходными данными для расчета являлись геометрические размеры кольцевых магнитов и конусных полюсных наконечников: внешний диаметр 8 мм, внутренний диаметр 2.2 мм, толщина 3мм; кривая намагничивания стали Ст. 1008 и остаточная индукция неодимовых магнитов 1,2 Тл. На графике фиг. 8 представлена топология намагничивающего поля в рабочем зазоре магнитной системы. На вставке фиг. 8 представлена картина силовых линий магнитного поля внутри и вне рабочего зазора. Видно, что в центре рабочего зазора поле намагничивающее слой ЖИГ практически однородно, напряженность поля составляет . При этом габариты магнитной системы составляют: диаметр 8 мм, длина 12 мм. Дополнительные поля, создаваемые встроенной катушкой электрического управления, не нарушают топологию намагничивающего поля.

Изобретение относится к радиотехнике и может применяться в приемно-передающих радиоустройствах и фазированных антенных решетках СВЧ-диапазона. Техническим результатом является кратное увеличение времени задержки при уменьшении габаритов управляемой линии задержки на обменных спиновых волнах. Указанный технический результат достигается тем, что управляемая линия задержки на обменных спиновых волнах, содержащая трехслойную структуру из двух слоев галлий-гадолиниевого граната ГГГ и расположенного между ними слоя железо-иттриевого граната ЖИГ, входной и выходной преобразователи СВЧ-сигнала и регулируемый током источник намагничивающего поля, согласно решению, трехслойная структура ГГГ-ЖИГ-ГГГ выполнена в виде диска, слой ЖИГ представляет собой монокристаллический слой, а слои ГГГ - эпитаксиальные пленки, входной и выходной преобразователи СВЧ-сигнала выполнены в виде идентичных коаксиальных линий передачи, внешний диаметр которых совпадает с диаметром диска структуры ГГГ-ЖИГ-ГГГ, регулируемый током источник намагничивающего поля выполнен в виде комбинированной магнитной системы, состоящей из двух идентичных кольцевых постоянных магнитов, двух конусообразных стальных полюсных наконечников с осевым отверстием, равным внутреннему диаметру постоянных магнитов и электрической катушки управления, расположенной в зазоре постоянных магнитов и полюсных наконечников, структура ГГГ-ЖИГ-ГГГ установлена в центре рабочего зазора так, что ее плоские поверхности примыкают к торцам входной и выходной коаксиальной линии передачи. 8 ил.

Управляемая линия задержки на обменных спиновых волнах, содержащая трехслойную структуру из двух слоев галлий-гадолиниевого граната ГГГ и расположенного между ними слоя железо-иттриевого граната ЖИГ, входной и выходной преобразователи СВЧ-сигнала и регулируемый током источник намагничивающего поля, отличающаяся тем, что трехслойная структура ГГГ-ЖИГ-ГГГ выполнена в виде диска, слой ЖИГ представляет собой монокристаллический слой, а слои ГГГ – эпитаксиальные пленки, входной и выходной преобразователи СВЧ-сигнала выполнены в виде идентичных коаксиальных линий передачи, внешний диаметр которых совпадает с диаметром диска структуры ГГГ-ЖИГ-ГГГ, регулируемый током источник намагничивающего поля выполнен в виде комбинированной магнитной системы, состоящей из двух идентичных кольцевых постоянных магнитов, двух конусообразных стальных полюсных наконечников с осевым отверстием, равным внутреннему диаметру постоянных магнитов и электрической катушки управления, расположенной в зазоре постоянных магнитов и полюсных наконечников, структура ГГГ-ЖИГ-ГГГ установлена в центре рабочего зазора так, что ее плоские поверхности примыкают к торцам входной и выходной коаксиальной линии передачи.