CN102017398B - 频率变换设备和频率变换方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种频率变换装置，其使用磁阻装置并由此能够与硅基MMIC和GaAs基MMIC相对应。根据本发明的频率变换设备包括：频率变换装置，其包括具有磁化自由层、中间层和磁化固定层的磁阻装置；磁场施加机构，用于向频率变换装置施加磁场；本地振荡器，用于向频率变换装置施加本地振荡信号；以及输入端子，其电连接至频率变换装置并用于输入外部输入信号。

Description

频率变换设备和频率变换方法

技术领域

本发明涉及用于在无线电通信设备等中进行频率变换的频率变换设备，并且涉及频率变换方法。 

背景技术

使用诸如半导体二极管和FET的非线性装置作为传统的频率变换装置。频率变换的目的是将具有某一频率的信号输入至频率变换装置中，并且从该频率变换装置输出具有与输入信号的频率分量不同的频率分量的信号。 

作为由非线性装置进行频率变换的最简单的例子，考虑向非线性电阻r(i)施加电流的情况。如由下式所表示，可以在操作点(i₀，v₀)附近的点x＝i-i₀处，对非线性电阻的电流-电压特性进行泰勒展开。 

表达式1

$v\left(x\right)=i_0+{\left(\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{di}}\right)}_{i-i_0}x+\frac{1}{2}{\left(\frac{d^{2}v}{{\mathrm{di}}^2}\right)}_{i-i_0}{x}^2+...=i_0+a_{1}x+a_2{x}^2+a_3{x}^3+...$

当使如下式所表示的具有频率ω的正弦波的电流流入这种非线性电阻装置中时， 

表达式2

x＝m cosωt 

在该非线性电阻装置的两端之间生成由下式所表示的电压。 

表达式3

$v=i_0+a_{1}m\cos \mathrm{\ωt}+\frac{1}{2}{a}_2{m}^2(1+\cos 2\mathrm{\ωt})+\frac{1}{4}{a}_3{m}^3(3\cos \mathrm{\ωt}+\cos 3\mathrm{\ωt})+...\left(1\right)$

由于输出波形的变形，除与输入电流成比例的频率ω的分量以外，可以提取出频率2ω、3ω等的谐波分量。 

接着，考虑输入至非线性装置中的信号是具有不同频率ω_a和ω_b的两个信号的和的情况。当由下式表示输入电流时， 

表达式4

x＝m_a cosω_at+m_b cosω_bt 

在非线性电阻装置的两端之间生成由下式所表示的电压。 

表达式5

$v=i_0+a_1{m}_a\cos {\mathrm{\ω}}_{a}t+a_1{m}_b\cos {\mathrm{\ω}}_{b}t$

$+\frac{1}{2}{a}_2{m_a}^2(1+\cos 2{\mathrm{\ω}}_{a}t)+\frac{1}{2}{a}_2{m_b}^2(1+\cos 2{\mathrm{\ω}}_{b}t)+a_2{m}_a{m}_b\{\cos ({\mathrm{\ω}}_a+{\mathrm{\ω}}_b)t+\cos ({\mathrm{\ω}}_a-{\mathrm{\ω}}_b)t\}+...$

因而，可以提取出作为输入信号的频率的和的频率(ω_a+ω_b)、以及作为输入信号的频率之间的差的频率(ω_a-ω_b)。特别地，将提取输入信号的频率的和的装置称为上变频器，而将提取输入信号的频率之间的差的装置称为下变频器。 

这样，频率变换是指生成具有与输入信号的频率不同的频率的信号。将提取如由表达式1所表示的输入信号的某一频率的两倍或整数倍的频率的频率变换称为倍频。假定根据本发明的频率变换包括倍频。 

频率变换是非常重要的技术。例如，频率变换装置在无线通信领域中用于在发送器或接收器中进行混频。此外，由于不存在能够直接生成具有这些频带的信号的合适的振荡器，因此，微波振荡器和倍频装置的组合用于生成毫米波信号或亚毫米波信号。 

通常，在用于频率变换的非线性装置中，主要使用的是由诸如二极管和FET的半导体装置所展现的非线性特性。在许多情况下，使用肖特基(Schottky)二极管作为在通过将离散装置安 装在介质基板上所形成的微波集成电路(MIC)中使用的频率变换装置。此外，作为用于倍频的频率变换装置，在许多情况下使用反向偏压二极管作为非线性电容装置(变抗器)。 

存在已知的单片微波集成电路(MMIC)，该单片微波集成电路是通过利用半导体工艺在同一基板上全体地且集成地制造有源装置、无源装置和无源有源装置等所实现的。在该MMIC中，在诸如放大器和振荡器的有源装置中使用多个FET，因此，由于制造过程中的一致性等的限制，难以将专门设计用于频率变换的二极管并入MMIC中。因此，在许多情况下，将FET自身的非线性用于MMIC中的频率变换装置。此外，在将频率变换装置并入MMIC中的情况下，从集成度的角度而言，在电路面积方面存在限制。因此，期望频率变换装置还具有小尺寸。将MMIC大致划分为由硅基装置构成的类型和由化合物半导体装置构成的类型。硅基装置和化合物半导体装置这两者均具有优点和缺点。然而，在单片微波集成电路(MMIC)中，难以将这些装置混合地安装在同一基板上。这是因为，在许多情况下各个装置的膜形成过程中所必需的外延生长中，在硅基MMIC中使用硅基板，并且在化合物半导体中使用由GaAs等制成的基板。硅基装置的制造工艺和化合物半导体装置的制造工艺之间的兼容性极低。 

此外，通常，使用半导体的频率变换装置在该频率变换装置自身中不具有频率选择性。因此，在期望仅针对某一特定频率进行频率变换的情况下，有必要设置滤波器等。在使用半导体的频率变换装置中，不可能在频率变换功能自身中设置切换功能。 

另一方面，已经应用展现磁阻效应的巨型磁阻装置(GMR)和隧道磁阻装置(TMR)作为传感器和存储装置。这利用了以下 特性：基于磁阻装置的电阻值根据该磁阻装置中的磁化自由层与磁化固定层的磁矩之间的相对角度而变化这一事实，可以检测外部磁场的变化作为电阻值的变化(传感器效应)，以及获得磁滞作为电阻值的滞后(存储器效应)。此外，近年来，已经推广了除磁阻效应以外还使用自旋注入转矩的装置的应用。如在非专利文献1中所述，该自旋注入转矩是指通过传导电子和本地电子之间的角动量的交换在本地磁矩中生成的磁转矩，其中该交换是在使自旋极化电流流入至强磁材料中时引起的。由于该原因，已经推广了使用由能够在无需使用外部磁场的情况下进行反磁化的自旋注入反磁化所引起的非线性效应、以及由因自旋注入转矩所诱导的磁化进动所引起的非线性效应的微波振荡器、微波检测装置和微波放大器等的应用(专利文献2)。 

在非专利文献3中所述的工作原理是基于零差检测方法的微波检测装置能够检测与输入AC电流信号相对应的DC电压。微波检测装置使用以下非线性效应：当通过由施加至磁阻装置的AC信号所诱导的自旋转矩引起磁阻装置的磁矩进动时，该磁阻装置的电阻值周期性地变化。电阻值的变化频率等于所输入的AC信号的频率，并且展现了如由表达式1所表示的效应。非专利文献3描述了通过使用这种非线性效应来进行零差检测，并且还描述了另一种重要技术。即，非专利文献3描述了使用自旋注入FMR效应的技术。在微小AC电流的情况下，电流值非常小。因而，所诱导的磁化进动也非常小，因此，所输出的DC电压非常小。然而，当输入AC电流信号的频率在强磁共振频率附近时，磁化进动因共振效应而被放大。由此，可以检测到较大的DC电压。将通过使用这种磁阻装置所实现的检测功能称为自旋转矩二极管效应。这样，通过自旋注入转矩还引起强磁共振，并且此外，通过使用强磁共振充分展现了磁阻装置的非线性效应。 因此，期望将这种效应应用于微波频带中。 

非专利文献1：Slonczewski，J.C.Current-driven excitationof magnetic multilayers.J.Magn.Magn.Mater.159，L1-L7(1996)。 

非专利文献2：Tulapurkar，A.A.et al.Spin-torque diodeeffect in magnetic tunnel junctions.Nature 438，339-342(2005)。 

专利文献1：日本专利申请特开2006-295908 

发明内容

使用诸如半导体二极管和FET的半导体的频率变换装置具有宽频带，并因此不能够以频率选择的方式进行频率变换。此外，在这种频率变换装置中，不能向频率变换功能自身提供切换功能。 

在传统的使用半导体装置的频率变换装置中，从制造工艺的角度，在硅基MMIC和GaAs基MMIC中能够使用的材料和装置方面存在限制。然而，通过使用磁阻装置，可以提供在硅基MMIC和GaAs基MMIC这两者中都能够使用的频率变换装置。 

根据本发明的频率变换设备，包括： 

频率变换装置，其包括具有磁化自由层、中间层和磁化固定层的磁阻装置； 

磁场施加机构，用于向所述频率变换装置施加磁场； 

本地振荡器，用于向所述频率变换装置施加本地振荡信号；以及 

输入端子，其电连接至所述频率变换装置，并用于输入外部输入信号。 

磁场施加机构是永磁体。此外，由永磁体所施加的磁场的方向不平行于频率变换装置的磁化固定层的易磁化轴方向。 

所述磁场施加机构被配置为还包括： 

电流磁场施加机构，用于生成电流磁场；以及 

电源，用于向所述电流磁场施加机构施加电流，并且， 

配置所述电源，使得所述电流磁场的磁场施加方向不平行于所述频率变换装置的所述磁化固定层的易磁化轴方向。 

根据本发明的频率变换设备还包括控制部，所述控制部通过控制施加至所述电流磁场施加机构的电流来控制施加至所述频率变换装置的磁场。 

根据本发明的频率变换设备还包括反馈电路，所述反馈电路检测所述频率变换装置的输出，并将反馈施加至所述控制部，使得将强磁共振频率设定为期望频率。 

该控制部被配置为通过接通和断开施加至电流磁场施加机构的电流来使施加至频率变换装置的磁场闭合和断开。 

根据本发明另一方面的频率变换方法是这样的一种方法：将外部输入信号和本地振荡信号输入至包括具有磁化自由层、中间层和磁化固定层的磁阻装置的频率变换装置中，并且对所述外部输入信号的频率进行变换。该方法的特征在于，所述外部输入信号的频率和所述本地振荡信号的频率之一包括在所述频率变换装置的所述磁化自由层的强磁共振频带中。 

在该频率变换方法中，施加与频率变换装置的磁化固定层的易磁化轴方向不平行的磁场。 

当多个输入信号之一的信号频率位于磁阻装置中的磁化自由层的磁共振频率附近时，磁化进动因自旋注入转矩而被放大，使得通过磁阻装置的电阻的非线性对该输入信号进行频率变换，其中该非线性是由放大后的磁化进动引起的。由于磁共振频率的频带窄，因此，仅当输入至磁阻装置中的多个输入信号中的至少一个的频率位于强磁共振频率附近时才进行频率变 换，而当输入信号的频率从强磁共振频带偏离时不进行频率变换。通过利用这些效应，可以以频率选择的方式进行频率变换。此外，通过改变施加至频率变换装置的磁场的大小，可以提供频率变换效应中的切换功能。 

根据本发明的频率变换装置利用由自旋注入转矩所激励的磁共振频率，因此，能够通过选择特定频率进行频率变换。 

附图说明

图1是示出包括频率变换装置的第一频率变换设备的示意性结构的图； 

图2是根据本实施例的频率变换装置的横截面的示意图； 

图3是用于解释中间层的膜厚度和结电阻之间的关系的图； 

图4是用于基于频率变换装置的阻抗匹配来解释传输特性评价的图； 

图5是用于解释频率变换装置的强磁共振频率的外部磁场依赖性的图； 

图6是示出包括频率变换装置的第二频率变换设备的示意结构的图； 

图7是示出通过使用第二频率变换设备进行频率变换的结果的图； 

图8是示出包括频率变换装置的第三频率变换设备的示意性结构的图； 

图9是示出通过使用第三频率变换设备进行频率变换的结果的图； 

图10是示出包括频率变换装置的第四频率变换设备的示意性结构的图；以及 

图11是示出包括频率变换装置的第五频率变换设备的示意 性结构的图。 

具体实施方式

图1示出根据本发明的频率变换设备的示例。频率变换设备100的特征在于包括：频率变换装置10，其由磁阻装置构成；磁场施加机构15，其向频率变换装置10施加磁场；本地振荡器102；输入端子104；以及配线103，其将频率变换装置10电连接至输入端子104和本地振荡器102中的每一个。频率变换设备100是这样的一种设备：通过频率变换装置10进行频率变换，以输出从输入信号源101输入的高频信号f1和由本地振荡器102所施加的高频信号f2之间的差分信号。频率变换设备100包括用于控制频率变换装置的功能的磁场施加部件15。在本实施例中，磁场施加部件(磁场施加机构)由永磁体、线圈等构成。然而，磁场施加机构不限于此，只要该机构能够向频率变换装置10施加磁场即可。 

根据本发明的频率变换装置10包括基于具有磁化自由层(强磁层)、中间层和磁化固定层(强磁层)的三层结构的磁阻装置。作为中间层的材料，列出了铝、氧化镁、铜等。由基于磁阻效应的装置电阻变化引起用于获得频率变换效应的非线性。因此，优选使用具有大的磁阻比(100％以上的MR比)的磁阻装置。 

因而，参考图2，将说明使用具有MgO阻挡层作为中间层的隧道磁阻装置的频率变换装置的结构。然而，在实现本发明时，要使用的磁阻装置不限于仅上述磁阻装置。 

图2是根据本实施例的频率变换装置的横截面的示意图。 

参考图2来说明各个层的具体结构。由PtMn(15nm)构成的反强磁层(dia-ferromagnetic layer)3设置在下部电极层2上，并且 磁化固定层4是由CoFe(2.5nm)/Ru(0.85nm)/CoFeB(3nm)构成的层压含铁固定层(laminated ferri-pinned layer)。由附图标记4b所示的层由CoFeB构成并且与磁化固定层相对应。隧道阻挡层(中间层)5由MgO(1.0nm)构成。磁化自由层6由CoFeB(2nm)构成。使用Ta(5nm)/Ru(7nm)的层压结构作为保护层7。注意，括号内的各数字均表示膜厚度。 

在本实施例中，将磁化固定层和磁化自由层的膜厚度分别设定为3nm和2nm，但各层的厚度不限于此。类似地，上述膜厚度是示例，并且不限于此。然而，磁化固定层的磁矩必须小于磁化自由层的磁矩。这是因为，当磁化固定层的磁矩大于磁化自由层的磁矩时，通过自旋注入转矩在磁化固定层中引起进动。 

通过将磁阻薄膜处理成结面积为1μm²以下的柱状来形成频率变换装置。为了使自旋注入转矩有效地起作用，优选减小频率变换装置的结面积。优选地，将结面积减小至0.04μm²以下。 

由于输入至频率变换装置10的信号是高频信号，因此，优选使用充分考虑了阻抗匹配的槽线、微带线、共面波导等作为配线103。此外，优选还考虑了从输入信号源101到频率变换设备100的配线103中的阻抗匹配。 

此外，优选在频率变换装置10自身中实现阻抗匹配。图3是用于解释中间层的膜厚度和结电阻之间的关系的图。可以通过改变装置尺寸和图2中所示的中间层5的厚度来控制频率变换装置10的阻抗。例如，在使用氧化镁(MgO)作为中间层的情况下，如图3所示，可以通过改变氧化镁层的厚度来控制该装置的标准化电阻值(通过1μm×1μm的面积进行标准化)。因而，可以通过适当地选择氧化镁的膜厚度来获得具有期望结面积的期望电阻值。 

此外，当图3所示的中间层5的厚度固定时，可以通过改变 装置的结面积来控制装置电阻，从而实现阻抗匹配。 

参考图4，将说明基于频率变换装置中的阻抗匹配的传输特性评价。 

实际上，通过改变MgO膜厚度和装置尺寸来准备装置电阻为40Ω的样品和装置电阻为300Ω的样品。然后，通过测量各个样品的S 11(反射率)来评价这些样品的传输特性。在图4中示出了评价结果。如评价结果所示，可以看出，具有较好的阻抗匹配(图4的(A))的装置具有较好的传输特性。在装置电阻为40Ω的样品中，在0～20GHz的整个频域中传输效率是0.8以上，而在装置电阻为300Ω的样品中，传输效率小于0.4。 

接着，将说明使用根据本发明的磁阻装置的频率变换装置具有的重要特征，以及还可以在没有限制基板材料的情况下在基板上制作频率变换装置。 

作为示例，在硅基板上制造的频率变换装置10和在GaAs基板上制造的频率变换装置之间比较标准化电阻值和磁阻比。在表1中示出了比较结果。根据在GaAs基板上制造的频率变换装置和在硅基板上制造的频率变换装置之间标准化电阻值和磁阻比的比较，可以看出，针对各个装置所获得的特性是彼此相当的。此外，分别在具有热氧化硅的硅基板、AlTic基板(陶瓷)、MgO基板、玻璃基板、蓝宝石基板和具有氮化硅的硅基板上类似地制造频率变换装置。然后，在这些装置之间比较标准化电阻值和磁阻比。结果，可以看出，所有频率变换装置的标准化电阻值均是约3Ω，并且标准化电阻值的变化小于1Ω。还可以看出，所有频率变换装置的磁阻比均是100％以上。据此，可以看出，与传统的半导体频率变换设备不同，当使用根据本发明的频率变换装置时，可以消除强加于基板材料的限制。 

表1

表1 

	标准化电阻	磁阻比
			Si	3.2Ω	112％
Si+SiO2	2.9Ω	108％
			AlTiC	2.8Ω	109％
GaAs	2.9Ω	110％
			MgO	3.4Ω	102％
玻璃基板	3.6Ω	106％
			蓝宝石基板	2.6Ω	101％
Si+SiN	2.9Ω	106％

当输入至频率变换装置10的多个信号之一的频率包括在频率变换装置中的磁化自由层的强磁共振频带中时，磁化进动因自旋注入转矩而被放大，从而引起装置电阻的非线性。由此，利用装置电阻的非线性对输入信号的频率进行变换。强磁共振频率的频带窄。由此，仅当输入至磁阻装置的多个信号中的至少一个的频率处于强磁共振频率附近的频带中时，进行频率变换，而当所有输入信号的频率从强磁共振频带偏离时，不进行频率变换。因此，为了通过利用使用磁阻装置的频率变换装置来实现频率变换，输入信号中的至少一个的频率包括在强磁共振频带中是有必要的。磁化自由层6的强磁共振频带是取决于材料的参数，但可以通过向图2所示的磁化自由层6施加外部磁场来改变该强磁共振频带。例如，图5中示出此时制造出的频率变换装置的强磁共振频率的外部磁场依赖性。将自旋转矩二极管效应用于测量强磁共振频率。如测量结果所示，通过施加外部磁场，强磁共振频率可在从约2GHz至约9GHz的范围内变化。测量结果是示例，并且可以通过施加更大的磁场来获得更高的 共振频率。 

图6是示出包括频率变换装置的第二频率变换设备的示意结构的图。如图6所示，以将永磁体15布置在离频率变换装置10一定距离的地方来向频率变换装置10施加适当的外部磁场的这种方式，将强磁共振频率设定为4.72GHz。然而，外部磁场的施加方向被设置在磁化固定层4的磁化和磁化自由层6的磁化很可能指向且相对于磁化固定层4的易磁化轴方向倾斜30°的方向上。在本实施例中，沿倾斜30°的方向设定外部磁场的施加方向，但可以选择除0°或180°以外的任何角度。这是因为，当沿倾斜0°或180°的方向设定外部磁场的施加方向时，并且当磁化自由层6的磁化相对于作为旋转轴的磁化固定层4的易磁化轴方向进动时，磁化自由层6的磁化进行旋转对称运动，使得磁化自由层6的磁矩和磁化固定层4的磁矩之间的相对角度几乎未改变，因此，磁阻装置的电阻未改变。 

注意，在图6中仅将一个永磁体15布置在频率变换设备的一侧上，但还可以将永磁体15布置在频率变换设备的两侧上。 

从输入信号源101将高频信号f₁＝3GHz输入至频率变换设备100中，并且从本地振荡器102将高频信号f₂＝4.72GHz输入至频率变换装置10中。如图6所示，通过永磁体15将把强磁共振频率设定为4.72GHz的磁场施加至频率变换装置10。因此，从频率变换装置10输出3GHz和4.72GHz之间的差分信号。为了观测该差分信号，将频谱分析器20连接至频率变换设备100的输出侧。 

图7示出由频谱分析器20观测到的输出信号。根据观测到与3GHz的输入信号和4.72GHz的本地振荡信号之间的差分信号相对应的1.72GHz的信号的事实，可以看出进行了频率变换。 

图8是示出包括频率变换装置的第三频率变换设备的示意 结构的图。在上述实施例中，使用永磁体作为磁场施加机构15。然而，如图8所示，还可以通过布置线圈21来将电流感应磁场施加至频率变换装置10。在这种情况下，不仅可以通过线圈21的布置位置，还可以通过施加至线圈21的电流的大小和线圈21的匝数来控制磁场的大小。因此，优选设置用于控制流入至线圈21中的电流的控制电源(控制部)25。此外，在本实施例中，使用了线圈21，但还可以通过除使用线圈的方法以外的使用简单的电气配线等的方法来实现电流感应磁场。此外，在图8中仅将线圈布置在频率变换装置10的一侧上，但还可以将线圈布置在频率变换装置10的两侧上。 

此外，在如图8所示使用线圈21作为向频率变换装置施加磁场的部件的情况下，可以通过改变施加至线圈21的电流的大小来改变感应磁场的大小。通过使用该操作，可以改变频率变换装置10的强磁共振频率。 

接着，将说明用于在根据本发明的频率变换设备中提供切换功能的方法。如以上参考图8所述，可以以通过控制控制电源(控制部)25改变施加至线圈21的电流的大小来改变感应磁场的大小的这种方式，改变频率变换装置10的强磁共振频率。此外，可以通过接通和断开施加至线圈21的电流来使感应磁场闭合和断开，改变强磁共振频率。通过使用该特性来使强磁共振频带相对于输入信号的频率偏移，可以执行用于切换是否进行频率变换的切换功能。 

可选地，还可以通过以下方法来提供切换功能。在将3GHz和4.72GHz的输入信号输入至频率变换装置中的状态下，通过移动图6所示的永磁体15将外部磁场的方向设定为与磁化固定层(固定层)4的易磁化轴方向平行(角度被设定为0°)时，发现不能够观测到作为差分信号频率的1.72GHz的频谱(参见图9)，并 且没有获得频率变换效应。如上所述，这是因为，由于将磁化进动的中心轴设定在磁化的易磁化轴上，所以没有获得电阻变化并由此没有获得频率变换效应。 

此外，在将磁场的施加方向类似地设定为与磁化固定层(固定层)的易磁化轴方向反向平行(角度被设定为180°)的情况下，也没有观测到差分信号频率。这样，可以通过将磁场的施加方向相对于磁化固定层的易磁化轴设定为0°或180°来断开频率变换效应。如上所述，在根据本发明的频率变换设备中，以通过移动用于施加外部磁场的永磁体来控制施加至频率变换装置的外部磁场的这种方式，可以提供用于切换是否进行频率变换的切换功能。 

以下是作为用于切换频率变换功能的方法的两种方法。 

作为其中一种方法，存在以下方法，在该方法中，将通过总是向频率变换装置施加适当的外部磁场来获得频率变换效应的状态(接通状态)，通过改变外部磁场而转换为没有获得频率变换效应的状态(断开状态)，或者通过转换强磁共振频带而转换为经频率变换的信号的频率从期望频带偏移的状态。在该方法中，频率变换功能在正常状态下运行，由此，将该方法定义为“常开(normally-on)型方法”。 

图10是示出包括频率变换装置的第四频率变换设备的示意结构的图。为了实现常开型频率变换设备，如图10所示，优选在频率变换装置10附近布置两个磁场施加机构。在本实施例中，通过在频率变换装置10附近布置永磁体15和用作电磁体的线圈21来施加磁场。 

特别地，需要改变外部磁场以实现断开状态，因此，两个磁场施加机构中的至少一个需要施加诸如由线圈21所施加的电流感应磁场的可控磁场。 

当通过使用永磁体15生成实现常开状态所必需的磁场时，可以减少功耗。这是因为，尽管需要电功率以通过使用线圈等来生成电流感应磁场，但在使用永磁体15的情况下仅需要将永磁体15布置在频率变换装置10的一侧上。 

另一方面，在通过改变频率变换装置10的强磁共振频率使频率变换的频率可变的情况下，需要通过使用线圈等所生成的电流感应磁场以实现常开状态。 

此外，在将通过使用线圈等所生成的电流感应磁场用于实现常开状态的情况下，还存在无需使用这两个磁场施加机构而实现断开状态的方法。可以通过使用以下的频率变换装置10来实现断开状态，在该频率变换装置中，通过使磁化自由层6成为单轴磁各向异性，使磁化固定层4的磁各向异性的方向与磁化自由层6的易磁化轴方向一致。在该方法中，当在接通状态下中断施加至线圈等的电流时，不再向频率变换装置10施加磁场。由此，磁化自由层中的磁矩指向易磁化轴方向，从而被设定为与磁化固定层中的磁矩平行或反向平行。结果，可以实现断开状态。 

作为另一种切换方法，其在正常操作时实现断开状态并仅当要求频率变换功能时才实现接通状态。在该方法中，由于在正常操作时断开频率变换功能，因此，将该方法定义为“常关(normally-off)型方法”。 

为了实现该常关型方法，使用由线圈等生成的电流感应磁场是有必要的。在正常操作时，不向频率变换装置施加磁场。当要接通频率变换功能时，通过向线圈等供给电流来将外部磁场施加至频率变换装置。由此，实现了获得频率变换效应的状态。在期望使频率变换的频率可变的情况下，使由线圈等生成的电流感应磁场可控是有必要的。 

描述了通过将线圈21作为磁场施加机构15布置在频率变换装置10的一侧上来切换是否存在频率变换效应的实施例。 

设定施加至用于生成电流感应磁场的线圈的电流的值，使得将频率变换装置的强磁共振频率设定为4.72GHz。线圈布置在与磁化自由层很可能指向的方向平行且相对于磁化固定层的易磁化轴倾斜30°的方向上。当在这种状态(常开状态)下将3GHz和4.72GHz的信号输入至频率变换装置10中时，与图7类似，能够观测到1.72GHz的差分信号频率。 

当在这种状态下通过断开控制电源25来中断施加至线圈21的电流时，不能观测到作为输入信号的差分信号的1.72GHz的信号。这样，可以通过控制施加至线圈21的电流的值来实现常开型方法。 

此外，当在不向线圈21供给电流的状态(断开状态)下通过接通控制电源25来将电流供给线圈21时，观测到作为差分信号频率的1.72GHz的信号。这是在常关状态下的操作。 

这样，通过适当地选择磁场施加部件，可以实现能够与常开型方法和常关型方法这两者相对应的频率变换设备。 

图11是示出包括频率变换装置的第五频率变换设备的示意结构的图。 

如图11所示，将线圈21和可以控制施加至线圈21的电流的控制电源(控制部)25布置在频率变换装置10附近。此外，设置了电连接至频率变换装置10的输出侧并电连接至用于线圈的控制电源25的反馈电路35。 

从本地振荡器102输入期望在频率变换装置10中被设定的强磁共振频率的本地振荡信号，并且从外部信号源101输入高频信号。例如，将强磁共振频率设定为4GHz，并且将外部输入信号设定为具有3.8GHz的频率。由此，要从频率变换装置10输出 0.2GHz的信号。由反馈电路35检测到所输出的信号。当没有正确地输出差分信号频率时，反馈电路35能够向控制电源(控制部)25施加反馈，以控制由线圈21生成的电流感应磁场的大小，从而获得期望输出。这样，当使用反馈电路时，可以在频率变换装置中设置变换频率调节功能。 

然而，作为用于相对于3.8GHz的信号生成0.2GHz的差分信号频率的频率，除4GHz的信号以外还存在3.6GHz的信号。因此，当仅进行上述调节处理一次时，不能区分所设定的强磁共振频率是4GHz还是3.6GHz。因而，通过将外部输入信号的频率设定为除3.8GHz以外的频率，再次进行上述调节处理。例如，将外部输入信号f1设定为3.4GHz。如果在上述调节处理中将强磁共振频率设定为4GHz，则从频率变换装置10输出0.6GHz的信号。然而，在上述调节处理中将强磁共振频率设定为3.6GHz的情况下，输出0.2GHz的信号。在这种情况下，再次重复调整处理是有必要的。由于该原因，优选将存储设备安装至反馈电路35或用于线圈的控制电源25。 

在本实施例中，本地振荡器用于输出强磁共振频率的信号，但还可将外部信号源的输出信号用作强磁共振频率。 

附图标记说明

2     下部电极层 

3     反强磁层(下部电极层) 

4     磁化固定层 

5     隧道阻挡层(中间层) 

6     磁化自由层 

7     外涂(保护)层 

10    频率变换装置 

15    磁场施加机构 

25     控制电源(控制部) 

101    外部信号源 

102    本地振荡器 

103    配线 

104    输入端子 

Claims (7)

1.一种频率变换设备，包括：

磁阻装置，其包括磁化自由层、中间层和磁化固定层；

输入端子，用于将第一频率的输入信号从外部输入至所述磁阻装置；

本地振荡器，用于将第二频率的本地振荡信号输入至所述磁阻装置；以及

磁场施加部，用于向所述磁阻装置施加外部磁场；

其中，所述频率变换设备用于通过由所述磁阻装置中的磁化自由层的磁化进动所引起的电阻变化输出所述第一频率与所述第二频率之间的差分信号，或者输出所述第一频率与所述第二频率的和信号。

2.根据权利要求1所述的频率变换设备，其特征在于，

所述磁场施加部包括控制部，所述控制部用于进行控制以使得所述外部磁场为第一磁场或第二磁场，其中，所述第一磁场不平行于所述磁化固定层的易磁化轴方向并且所述第一磁场的大小使得所述磁阻装置的强磁共振频率等于所述第一频率或所述第二频率，所述第二磁场与所述磁化固定层的易磁化轴方向平行或反向平行，以及

所述控制部在接通状态和断开状态之间进行切换，其中，在所述接通状态下，施加所述第一磁场，以使所述频率变换设备输出所述差分信号或所述和信号，而在所述断开状态下，施加所述第二磁场，以使所述频率变换设备不输出所述差分信号及所述和信号。

3.根据权利要求1所述的频率变换设备，其特征在于，

所述磁场施加部是永磁体，以及

由所述永磁体施加的磁场的方向不平行于所述磁阻装置的所述磁化固定层的易磁化轴方向。

4.根据权利要求1所述的频率变换设备，其特征在于，

所述磁场施加部包括：

电流磁场施加部，用于生成电流磁场；以及

电源，用于向所述电流磁场施加部施加电流，

其中，所述电流磁场的磁场施加方向不平行于所述磁阻装置的所述磁化固定层的易磁化轴方向。

5.根据权利要求4所述的频率变换设备，其特征在于，

还包括控制部，所述控制部通过控制施加至所述电流磁场施加部的电流来控制施加至所述磁阻装置的磁场，从而所述控制部能够使所述磁化自由层的强磁共振频带偏离所述第一频率或所述第二频率；以及

所述控制部在接通状态和断开状态之间进行切换，其中，在所述接通状态下，所述第一频率或所述第二频率在所述强磁共振频带内，并且所述频率变换设备输出所述差分信号或所述和信号，而在所述断开状态下，所述第一频率和所述第二频率均不在所述强磁共振频带内，并且所述频率变换设备不输出所述差分信号及所述和信号。

6.根据权利要求5所述的频率变换设备，其特征在于，还包括反馈电路，所述反馈电路检测所述磁阻装置的输出，并将反馈施加至所述控制部以将所述输出设定为具有期望的强磁共振频率。

7.根据权利要求5所述的频率变换设备，其特征在于，所述控制部通过接通和断开施加至所述电流磁场施加部的电流来控制施加至所述磁阻装置的磁场。

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