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 использована в качестве пространственно-частотного фильтра на магнитостатических волнах.

Уровень техники

Известен фильтр (см. патент РФ на изобретение № 2617143, МПК H01P1/215, опуб. 21.04.2017), представляющий собой элемент на магнитостатических спиновых волнах (МСВ), который имеет две пары микрополосковых преобразователей, которые образуют два параллельных линейных канала распространения МСВ, разнесенных друг от друга на расстояние, обеспечивающее размещение между указанными каналами резонатора МСВ, взаимодействующего с линейными каналами. Каждый линейный канал распространения МСВ выполнен в виде системы одиночных цилиндрических включений из ферромагнитного материала, образованных в базовой ферромагнитной пленке и расположенных равномерно по длине канала, а резонатор МСВ представляет собой систему одиночных цилиндрических включений из ферромагнитного материала, образованных в базовой ферромагнитной пленке и расположенных равномерно по окружности. Включения из ферромагнитного материала имеют большую намагниченность, чем базовая ферромагнитная пленка.

Так же известен СВЧ-фильтр (см. патент РФ на изобретение № 2393594, МПК H01P1/20, опубл. 27.06.2010), содержащий полосовой ферритовый фильтр сверхвысоких частот содержит диэлектрическую подложку с установленным на ней сферическим ферритовым резонатором и с нанесенными на поверхность подложки входной и выходной микрополосковыми линиями, соединенными между собой микрополосковым проводником, диэлектрический элемент в виде тонкого слоя, микрополосковый проводник выполнен в виде витка, охватывающего сферический ферритовый резонатор, при этом диэлектрический элемент расположен на подложке с возможностью обеспечения электрического контакта входной и выходной микрополосковых линий через виток микрополоскового проводника и с одновременным исключением непосредственного электрического контакта входной и выходной микрополосковых линий.

Недостатком данных устройств является сложность изготовления подобных структур, а также невозможность управления модовым составом СВ.

Известен СВЧ-фильтр (см. патент РФ на изобретение № 66612, МПК H01P1/30, опубл. 10.09.2007), который характеризуется тем, что элемент содержит подложку, на одной стороне которой нанесена пленка иттриевого феррограната (ЖИГ) и преобразователи и отличается тем, что пленка ЖИГ выполнена с уменьшенной по ее краям толщиной, а сама подложка выполнена из керамического СВЧ материала, температурный коэффициент расширения которой должен лежать в пределах 0,98 ТКР_жиг<ТКР_n<1,02 ТКР_жиг, где ТКР_жиг- коэффициент линейного расширения материала ЖИГ пленки, а ТКР_n- то же для керамической подложки.

Недостатком данного устройства является высокая зависимость от температурных перепадов, что приводит к ограничениям на ширину рабочих частот фильтра.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является спин-волновой переключатель (см. патент РФ 2697724, МПК HO1P5/18, опубл. 19.08.2019), который содержит немагнитную подложку, размещенную на ней ферромагнитную пленку из железо иттриевого граната (ЖИГ), микрополосковые преобразователи для возбуждения и приема магнитостатических спиновых волн (МСВ) в пленке ЖИГ, источник магнитного поля. На поверхности подложки, прилежащей к пленке ЖИГ, образована структура в форме меандра из пазов, продольная ось которых перпендикулярна направлению распространения МСВ.

Недостатком данного устройства является отсутствие возможности управления частотными зонами непропускания сигнала.

Раскрытие сущности изобретения

Технической проблемой заявляемого изобретения является создание фильтра на магнитостатических волнах с возможностью микромеханического управления зонами непропускания магнитостатических спиновых волн.

Техническим результатом является возможность плавного управления запрещенными зонами путем микромеханического воздействия на систему.

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, дополнительно содержит микромеханический резонатор ромбовидной формы, выполненный из железо-граната на поверхности галлий-гадолиниевого граната, оснащенный микромеханической системой, позволяющей изменять расстояние между резонатором и микроволноводом.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами, на фиг 1. - представлена конструкция заявляемого устройства; на фиг 2. - амплитудно-частотная характеристика распространения поверхностных магнитостатических волн (ПМСВ) в структуре; на фиг 3. - амплитудно-частотная характеристика распространения ПМСВ в структуре при изменении расстояния между микроволноводом и микрорезонатором.

Позициями на чертежах обозначено:

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

2 - зигзагообразный микроволновод;

3 - входная микрополосковая антенна;

4 - выходная микрополосковая антенна;

5 - подложка из пленки ГГГ;

6 - ЖИГ-микрорезонатор;

7 - ось, вдоль которой можно перемещать микрорезонатор;

8 - амплитудно-частотная характеристика референсной структуры зигзагообразного участка;

9 - амплитудно-частотная характеристика зигзагообразного микроволновода;

10 - амплитудно-частотная характеристика зигзагообразного микроволновода с ЖИГ-микрорезонатором на расстоянии 200 мкм;

11 - амплитудно-частотная характеристика зигзагообразного микроволновода с ЖИГ-микрорезонатором на расстоянии 40 мкм.

Осуществление изобретения

Устройство (фиг. 1) выполнено на подложке 1, представляющей собой пленку из галлий-гадолиниевого граната (ГГГ), толщиной 500 мкм. На поверхности пленки 1 ГГГ сформирован зигзагообразный 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 200 мкм и 400 мкм соответственно, ширина и длина одного сегмента зигзагообразного волновода составляет 180 мкм и 420 мкм соответственно. Угол наклона зигзагообразного сегмента к основанию равен 25⁰. Подложка повторяет размеры микроволновода. ЖИГ-микрорезонатор 6 ромбовидной формы диаметрами 500 мм и шириной 280 мм выполнен на подложке из ГГГ 5. Микрорезонатор расположен около центрального сегмента зигзагообразного микроволновода и оснащен микромеханической системой изменения расстояния вдоль оси 7, параллельной оси Y.

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 зигзагообразную конфигурацию под фиксированным углом структуры. ПМСВ распространяется по периодической структуре в виде зигзагообразного сегмента, постоянно отражаясь на каждом из изломов и обмениваясь энергией с микрорезонатором, и далее считывается на выходной микрополосковой антенне 4.

На фиг. 2 показаны результаты численного моделирования процесса распространения в данной структуре. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) для референсной структуры без изломов в виде зигзага (кривая 5), АЧХ структуры с добавлением зигзагообразной секции (кривая 6). Референсная структура представляет собой хорошо изученный прямоугольный волновод аналогичной ширины и длины, в которой не наблюдается никаких неоднородных эффектов в распространении СВ. Добавление геометрической неоднородности в виде зигзагообразной секции приводит к эффекту, основанном на отражениях от стенок периодической структуры, благодаря чему на АЧХ на фоне непрерывного спектра СВ появляются провалы, которые можно охарактеризовать как запрещенные зоны в прохождении СВ.

На фиг. 3 представлены результаты численного моделирования процесса распространения в данной структуре при добавлении в структуру ЖИГ-микрорезонатора. АЧХ для случая, расстояние между микроволноводом и микрорезонатором составляет 200 мкм (кривая 7), АЧХ для случая, когда расстояние между микроволноводом и микрорезонатором составляет 50 мкм.

Из представленных результатов видно, что изменение расстояния между микроволноводом и микрорезонатором позволяет выполнять перестройку запрещенных зон. Из АЧХ видно, что при расстоянии между элементами фильтра 200 мкм, микрорезонатор никак не влияет на распространение СВ, т.к. диполь-дипольная связь вступает в силу на меньшем расстоянии. При уменьшении этого расстояния на АЧХ становится видно, что в спектре СВ выполнилась перестройка запрещенных зон. Помимо перестройки, также выполнилось уменьшение глубины провалов и возникновение дополнительного центрального провала. Данный эффект связан с возникновением усиленной диполь-дипольной связи между микроволноводом и микрорезонатором, в результате чего волна, проходящая по зигзагообразному участку микроволновода, способна перейти на микрорезонатор. После этого в микрорезонаторе происходит взаимодействие СВ с его внутренними модами, и дальнейший переход СВ обратно на микроволновод, в результате чего перешедшая волна обладает новыми свойствами и интерферирует с изначальной волной. В конечном итоге можно наблюдать изменение спектра СВ при уменьшении расстояния между микрорезонатором к микроволноводом. Изменение расстояния между секциями фильтра можно добиться передвижением подложки с микрорезонатором, использую современные средства микромеханики, например, микропозиционеры, предназначенные для точного перемещения объектов на микрометровые расстояния.

Из представленных результатов видно, что, изменяя расстояние между зигзагообразным микроволноводом и микрорезонатором, система имеет возможность управлением состава и расположения запрещенных зон.

Таким образом, представленные данные подтверждают достижение технического результата. За счет реализации структуры в виде зигзагообразного микроволновода и ЖИГ-микрорезонатора, имеется возможность управления модовым составом ПМСВ. При изменении расстояние между микроволноводом и микрорезонатором появляется возможность плавного управления полосой пропускания частот ПМСВ.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к радиотехнике, в частности к приборам СВЧ на магнитостатических волнах и может быть использовано в качестве пространственно-частотного фильтра на магнитостатических волнах. Техническим результатом является возможность плавного управления запрещенными зонами путем микромеханического воздействия на систему. Пространственно-частотный фильтр на магнитостатических волнах содержит подложку, выполненную из пленки галлий-гадолиниевого граната, на которой вдоль продольной оси расположен микроволновод из плёнки железо-иттриевого граната. Также содержит входную и выходную микрополосковые антенны, расположенные с противоположных сторон микроволновода, источник магнитного поля. 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. Дополнительно содержит микромеханический резонатор ромбовидной формы, выполненный из железо-граната на поверхности галлий-гадолиниевого граната, оснащенный микромеханической системой, позволяющей изменять расстояние между резонатором и микроволноводом. 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 У, дополнительно содержит микромеханический резонатор ромбовидной формы, выполненный из железо-граната на поверхности галлий-гадолиниевого граната, оснащенный микромеханической системой, позволяющей изменять расстояние между резонатором и микроволноводом.