CN102067441B - 频率转换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种频率转换器，其包括频率转换器件，该频率转换器件能够通过使用磁阻元件来适应Si系MMIC和GaAs系MMIC。根据本发明实施例的频率转换器包括：频率转换器件，其包括具有磁化自由层、中间层和磁化固定层的磁阻元件；磁场施加机构，用于向所述频率转换器件施加磁场；本地振荡器，用于向所述频率转换器件施加本地振荡信号；以及输入端子，其电连接至所述频率转换器件，并用于接收外部输入信号。其中，所述本地振荡器包括磁阻元件，该磁阻元件能够通过根据自身的阻抗变化输出交流电压来产生本地振荡信号。

Description

频率转换器

技术领域

本发明涉及一种在无线通信设备等中用于进行频率转换的频率转换器。

背景技术

半导体二极管和FET等非线性元件已被用于以往的频率转换器件。频率转换的目的是将具有特定频率的信号输入至频率转换器件并输出具有与输入信号不同的频率分量的信号。

作为使用非线性元件进行频率转换的最简单的例子，讨论将电流施加至非线性阻抗r(i)的情况。通过在工作点(i₀，V₀)附近对x＝i-i₀进行泰勒展开，可以将非线性阻抗的电流-电压特性表示为如下表达式。

等式1

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

当将等式2所示的由频率为ω的正弦波表示的电流施加至这种非线性阻抗元件时，元件两端产生的电压如等式3所示。

等式2

x＝mcosωt

等式3

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

因而，利用输出波形失真，能够提取出除与输入电流成比例的ω分量以外的2ω和3ω等的高次谐波分量。

下面，讨论另一种情况：输入至非线性元件的信号是具有相互不同的两种频率ω₁和ω₂的信号的和。当输入电流如等式4所示时，在非线性阻抗元件两端产生的电压如等式5所示。

等式4

x＝m_acosω_at+m_bcosω_bt

等式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，能够提取出输入信号频率的和(ω₁+ω₂)以及差(ω₁-ω₂)。特别地，获得频率和的器件和获得频率差的器件分别称为上转换器和下转换器。

以这种方式产生具有与输入信号不同的频率的信号称为频率转换。特别地，如等式(I)中提取出具有特定频率的输入信号的频率的两倍或整数倍的频率转换称为倍频，并且本发明中的频率转换包括倍频。

频率转换是一种重要的技术。例如，频率转换器件用于无线通信领域的发射机和接收机中的混频。另外，对于产生毫米波和亚毫米波，由于不具有直接产生具有这些频带的信号的合适的振荡器，因而通过组合微波振荡器和倍频器件来产生毫米波和亚毫米波。

通常，用于频率转换的非线性元件主要利用由二极管和FET等半导体器件所表现出的非线性特性。经常将肖特基二极管用作通过在电介质基板上安装分立组件而形成的微波集成电路(MIC)所使用的频率转换器件。另外，对于用于倍频的频率转换器件，经常将施加了反向偏压的二极管用作非线性电容元件(变容二极管)。

已知有通过使用半导体工艺将有源元件、无源元件以及无源-有源元件等整体并集成地制作在同一基板上而实现的单片微波集成电路(MMIC)。该MMIC使用FET作为放大器和振荡器等的有源器件，因而由于制作工艺兼容性的限制，难以将专为频率转换而设计的二极管并入到这种MMIC中。因此，经常通过使用FET自身的非线性特性来进行MMIC中的频率转换。另外，当将频率转换器件并入到MMIC中时，从集成度的观点看来，电路面积受到了限制。因此，还希望频率转换器件具有小的大小。

MMIC大致分为由Si系器件构成的MMIC和由化合物半导体器件构成的MMIC。尽管Si系器件和化合物半导体器件各自均具有优点和缺点，然而在单片微波集成电路(MMIC)中难以将这些器件混合地安装在同一基板上。这是因为，由于各器件的膜沉积过程经常需要外延生长，因此Si系MMIC使用硅基板而化合物半导体使用GaAs等基板。Si系器件和化合物半导体器件之间的制作工艺兼容性非常差。

另外，在使用半导体的频率转换器件中，频率转换器件自身通常不具有频率选择能力。因此，当试图仅对特定频率进行频率转换时，需要设置滤波器等。在使用半导体的频率转换器件中，频率转换自身不能具有切换功能。

同时，开发了表现出磁阻效应的巨磁阻元件(GMR)和隧道磁阻元件(TMR)以应用于传感器或存储器元件。这种元件利用如下现象：磁阻元件的阻抗根据磁阻元件中的磁化自由层和磁化固定层之间磁矩的相对角度而改变。即，上述巨磁阻元件或隧道磁阻元件利用作为阻抗变化来检测外部磁场变化(传感器效应)的特性、以及阻抗滞后反映磁滞(存储器效应)的特性。另外，最近开发出了除了磁阻效应以外还利用自旋注入转矩的器件应用。如非专利文献1所记载的，自旋注入转矩是在铁磁体中通过自旋极化电流在传导电子和局部电子之间发生角动量交换时在局部磁矩中产生的磁转矩。因此，通过利用在没有外部磁场的情况下能够实现磁化反转的自旋注入磁化反转、或者通过利用由自旋注入转矩感应出的磁化的进动运动所引起的非线性效应，正在开发微波振荡器、微波检测器件以及微波放大器等应用(参见专利文献1)。

非专利文献3所示的微波检测器件的工作原理是零差检测方法，并且能够针对一个输入AC信号检测DC电压。该器件利用如下非线性效应：由施加至磁阻元件的AC信号感应出的自旋转矩引起磁矩的进动运动，因而磁阻元件的阻抗值周期性地变化。阻抗值变化的频率等于输入AC信号的频率，并且产生由等式(I)表示的效应。在非专利文献3中，在利用该效应进行零差检测时，还使用另一重要技术。该技术利用自旋注入FMR效应。小的AC信号提供非常小的电流值以及非常小的感应出的磁化进动运动，因此输出DC电压非常小。然而，当输入AC信号的频率接近铁磁共振频率时，通过共振效应放大了磁化进动运动。因此，能够检测出较大的DC电压。使用该磁阻元件的检测功能称为自旋转矩二极管效应。通过这种方式，自旋注入转矩还引起铁磁共振，并且通过额外使用铁磁共振，在磁阻元件中能够获得充足的非线性效应，因此期望应用到微波频带中。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2006-295908号公报

非专利文献

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)

发明内容

由于使用半导体二极管或FET等半导体器件的频率转换器件具有宽频带，因此频率转换器件不能进行选频性的频率转换。另外，不能使频率转换功能自身包括切换功能。

从制造工艺的角度看来，对于Si系MMIC和GaAs系MMIC的每一种，使用以往的半导体器件的频率转换器件在可使用的材料或器件上存在限制。本发明可提供一种通过将磁阻元件用作频率转换元件能够适应Si系MMIC和GaAs系MMIC两者的频率转换器件。

本发明的第一方面是一种频率转换器，包括：频率转换器件，其包括具有磁化自由层、中间层和磁化固定层的磁阻元件；磁场施加机构，用于向所述频率转换器件施加磁场；本地振荡器，用于向所述频率转换器件施加本地振荡信号；以及输入端子，其电连接至所述频率转换器件，并用于接收外部输入信号，其中，所述本地振荡器包括磁阻元件，该磁阻元件能够通过根据自身的阻抗变化输出交流电压来产生本地振荡信号。

当多个输入信号中任何一个信号的频率位于磁阻元件中的磁化自由层的磁共振频率附近时，由自旋注入转矩放大磁化进动运动，并且通过所产生的元件阻抗的非线性来进行输入信号的频率转换。由于磁共振频率的频带窄，只有当输入至磁阻元件的多个输入信号中的至少一个输入信号具有磁共振频率附近的频率时进行频率转换，而当输入信号的频率在铁磁共振频带之外时不进行频率转换。通过利用这种效应，能够进行选频性的频率转换。另外，通过改变施加至频率转换器件的磁场的大小，能够使频率转换效应具有切换功能。

本发明提供一种利用由自旋注入转矩所激励的磁共振频率的频率转换器件，因此能够通过选择特定频率来进行频率转换。

附图说明

图1是设置有根据本发明实施例的频率转换器件的频率转换器的示意结构图。

图2是根据本发明实施例的频率转换器件的示意截面图。

图3是示出根据本发明实施例的频率转换器件中的中间层厚度和接合阻抗之间的关系的图。

图4A是示出通过根据本发明实施例的频率转换器件中的阻抗匹配的传输特性评价的图。

图4B是示出通过根据本发明实施例的频率转换器件中的阻抗匹配的传输特性评价的图。

图5A是根据本发明实施例的本地振荡器的示意结构图。

图5B是包括在根据本发明实施例的本地振荡器中的磁阻元件的示意截面图。

图6是示出从包括在根据本发明实施例的本地振荡器中的磁阻元件产生的高频功率的功率谱的图。

图7是根据本发明实施例的本地振荡器的示意结构图。

图8是示出根据本发明实施例的频率转换器件中的铁磁共振频率的外部磁场依赖性的图。

图9是设置有根据本发明实施例的频率转换器件的频率转换器的示意结构图。

图10是示出使用图9所示的频率转换器的频率转换的结果的图。

图11是设置有根据本发明实施例的频率转换器件的频率转换器的示意结构图。

图12是示出对根据本发明实施例的频率转换器设置切换功能的方法的图。

图13是设置有根据本发明实施例的频率转换器件的频率转换器的示意结构图。

图14是设置有根据本发明实施例的频率转换器件的频率转换器的示意结构图。

具体实施方式

下面，参照附图详细说明本发明的实施例。注意，在下面要说明的附图中，具有相同功能的组件由相同的附图标记表示，并且省略其重复说明。

图1示出本发明的频率转换器的例子。频率转换器100包括：具有磁阻元件的频率转换器件10；将磁场施加至频率转换器件10的磁场施加机构15；具有磁阻元件的本地振荡器102；输入端子104；以及将输入端子104和本地振荡器102电连接至频率转换器件10的布线103。频率转换器100是从频率转换器件10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施加的高频信号f₂之间的差信号、并进行频率转换的设备。另外，频率转换器100设置有用于控制频率转换器件的功能的磁场施加机构15，并且在本实施例中，该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这种结构，只要该机构能够将磁场施加至频率转换器件10即可。

本发明的本实施例中的频率转换器件10设置有磁阻元件，该磁阻元件基本上具有磁化自由层(铁磁层)、中间层以及磁化固定层(铁磁层)三层结构。用于中间层的材料包括氧化铝、氧化镁以及铜等。由于用于获得频率转换效应的非线性来自由磁阻效应所引起的元件阻抗变化，因此优选使用具有大的磁阻比(MR比为100％或更高)的磁阻元件。

相应地，参照图2说明使用具有MgO阻挡层作为中间层的隧道磁阻元件的频率转换器件的结构。注意，要用于实施本发明的磁阻元件不限于上述磁阻元件。

图2是根据本实施例的频率转换器件的示意截面图。

参照图2说明各层的具体结构。下电极层2上形成有反铁磁层3，并且反铁磁层3上形成有磁化固定层4。在磁化固定层4中，附图标记4b表示对应于磁化固定层的层。磁化固定层4上形成有隧道阻挡层(中间层)5，隧道阻挡层5上形成有磁化自由层6，并且磁化自由层6上形成有保护层7。在本实施例中，反铁磁层3由PtMn(15nm)制成。另外，磁化固定层4是由CoFe(2.5nm)/Ru(0.85nm)/CoFeB(3nm)制成的层叠铁磁固定层，并且作为层叠铁磁固定层的上层的CoFeB层对应于磁化固定层4b。隧道阻挡层(中间层)5由MgO(1.0nm)制成。磁化自由层6由CoFeB(2nm)制成。使用Ta(5nm)/Ru(7nm)的层叠结构作为保护层7。这里，()内表示厚度。

尽管在本实施例中将磁化固定层和磁化自由层的厚度分别设置为3nm和2nm，但膜厚度不限于这些值。同样，上述的膜厚度仅是例子，并且膜厚度不限于这些例子。注意，需要将磁化固定层的磁矩设置为大于磁化自由层的磁矩。这是因为，如果磁化固定层的磁矩比磁化自由层的磁矩小，则通过自旋注入转矩在磁化固定层中产生进动运动。

通过将磁阻薄膜形成为具有1μm²或更小的接合面积的柱状的工艺来形成频率转换器件。为了更有效地施加自旋注入转矩，最好使器件的接合面积较小，并且接合面积优选为具有0.04μm²或更小的大小。

由于输入到频率转换器件10的信号是高频信号，因此对于布线103，优选使用充分考虑到阻抗匹配的槽线、微带线、共面波导等。另外，优选地，还考虑从输入信号源101到频率转换器100的布线103的阻抗匹配。

优选地，使频率转换器件10自身实现阻抗匹配。图3是示出频率转换器件10的中间层厚度和接合阻抗之间的关系的图。能够通过改变器件的大小和图2中的中间层5的厚度来控制频率转换器件10的阻抗。例如，当将氧化镁(MgO)用于中间层时，如图3所示，能够通过改变氧化镁层的厚度来控制器件的标准化阻抗值(以1μm×1μm的面积进行标准化)。因此，能够通过适当地选择氧化镁层的厚度来在所希望的接合面积下获得所希望的阻抗值。

另外，能够通过固定图3所示的中间层5的厚度并改变器件的接合面积来控制器件阻抗，从而实现阻抗匹配。

对于根据本实施例的频率转换器件，参照图4A和4B说明通过阻抗匹配的传输特性评价。

实际上，改变用于中间层的MgO的膜厚度和器件大小，并且准备器件阻抗为40Ω和300Ω的样品，然后对每个样品执行S11(反射率)测量以评价样品的传输特性。在图4A和4B中示出结果。如这些结果所示，显然，更好的阻抗匹配(图4A)获得了更好的传输特性。器件阻抗为40Ω的样品在从0到20GHz的整个频率范围内获得了0.8或更高的传输效率，而器件阻抗为300Ω的样品的传输效率降低至低于0.4的值。

接着，参照图5A说明具有磁阻元件的本地振荡器102。本地振荡器102包括：磁阻元件30；用于将DC电压源或DC电流源连接至磁阻元件30的DC施加端子32；用于输出在磁阻元件30中产生的高频波的高频输出端子33；以及用于将AC分量与DC分量分离的偏置T31。

图5B示出包括在上述本地振荡器102中的磁阻元件30的例子。

在图5B中，下电极51上形成有磁化固定层52，磁化固定层52上形成有中间层53，中间层53上形成有磁化自由层54，并且磁化自由层54上形成有上电极55。

在本实施例中，对图5B所示的磁阻元件30配置DC电源。即，下电极51接地，并且上电极55经由偏置T31电连接至DC施加端子32。在这种结构中，当将DC电压或DC电流施加至磁阻元件30时，由于自旋转矩，包括在磁阻元件30中的磁化自由层54中的磁矩发生进动运动。这种现象的原理与本说明书“背景技术”中说明的原理相同。磁矩的进动运动是周期性的，并且该运动的周期为铁磁共振频率。随着磁化自由层54中的周期性运动，元件阻抗也周期性地变化(因为元件阻抗由磁化自由层54和磁化固定层52之间的相对角度确定)。

当阻抗在施加有恒定电压或电流的状态下周期性地变化时，从磁阻元件30输出的电流或电压周期性地变化。由于阻抗值和电流值或者阻抗值和电压值以接近铁磁共振频率的频率周期性地变化，因而磁阻元件30输出高频功率。

在本发明中，需要将在磁阻元件30中产生的微波与输入至磁阻元件30的直流电流分离开。设置偏置T31以分离DC和AC。因此，从DC施加端子32输入的直流电流仅被施加至磁阻元件30，并且在磁阻元件30中产生的高频波仅从高频输出端子33输出。

即，在图5B中，当本地振荡器102产生作为本地振荡信号的高频信号f₂时，从DC施加端子32输入预定的DC电压(DC电流)。输入的DC电压经由偏置T31输入至包括在磁阻元件30中的上电极55。通过向该上电极55施加DC电压，向磁化自由层54的磁矩提供自旋转矩，从而导致磁矩的周期性进动运动，并且磁阻元件30的阻抗也随着该周期性进动运动而周期性地变化。这时，磁阻元件30根据阻抗值的上述周期性变化，将高频信号f₂输出至偏置T31。当从磁阻元件30输入高频信号f₂时，偏置T31将该高频信号f₂输出至高频输出端子33，并且高频输出端子33经由布线103将高频信号f₂输出至频率转换器件10。

作为本发明的例子，图5A的DC施加端子32与恒定电压源连接，将0.6V的电压施加至磁阻元件30，将谱分析仪连接至高频输出端子33，并测量在磁阻元件30中产生的高频功率的功率谱。测量结果如图6所示。

从图6明显看出，磁阻元件30中的功率谱的带宽约为350MHz。因此，为了将具有较窄带宽的谱施加至频率转换器件10，如图7所示，需要在偏置T31和高频输出端子33之间设置带通滤波器40。

通过这种方式，在本实施例中，由于将磁阻元件30用作产生本地振荡器102的本地振荡信号的元件，因此能够减小整个频率转换器的大小。

另外，在本发明中，磁阻元件30的结构不限于图5B所示的结构。

如上所述，本发明的实质为如下：在包括在本地振荡器中的磁阻元件中，(通过电流或磁场等外部因素)改变上述磁阻元件的阻抗，并且上述磁阻元件根据阻抗变化输出AC电压(高频功率)。因此，在本发明中，可以使用具有任何结构的磁阻元件，只要该磁阻元件能够根据阻抗变化输出AC电压即可。

接着，将说明使用本发明实施例中的磁阻元件的频率转换器件的重要特征，即可以在不受基板材料限制的情况下在任意基板上制作频率转换器件。

作为例子，对在硅基板上制作的频率转换器件10和在GaAs基板上制作的频率转换器件的标准化阻抗值和磁阻比进行比较。表1示出了结果。在硅基板上制作的频率转换器件和在GaAs基板上制作的频率转换器件的标准化阻抗值和磁阻比中，获得了同等的特性。另外，在具有热氧化硅的硅基板、AlTiC基板(陶瓷)、MgO基板、玻璃基板、蓝宝石基板以及具有氮化硅的硅基板上同样地制作频率转换器件，并比较标准化阻抗值和磁阻比。结果，所有的标准化阻抗值为3Ω左右，并且阻抗值间的偏差落在不大于1Ω的范围内。对于所有的频率转换器件，所有的磁阻比为100％以上。由这些结果可见，与以往的半导体频率转换器不同，根据本发明的频率转换器件的使用没有基板材料的限制。

表1

	标准化阻抗	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％

当输入至频率转换器件10的多个信号中的任何一个信号的频率包括在频率转换器件10的磁化自由层6的铁磁共振频带中时，磁化进动运动被自旋注入转矩放大，并且通过所产生的器件阻抗的非线性来进行输入信号的频率转换。由于铁磁共振频率的频带窄，因此仅当输入至设置于频率转换器件10的磁阻元件的多个输入信号中的至少一个输入信号具有铁磁共振频率附近的频带时进行频率转换，而当所有输入信号的频率在铁磁共振频带之外时不进行频率转换。因此，为了使用采用磁阻元件的频率转换器件10来实现频率转换，输入信号中的至少一个需要具有包括在铁磁共振频带中的频率。

尽管该磁化自由层6的铁磁共振频带是依赖于材料的参数，但可以通过向图2中的磁化自由层6施加外部磁场来改变频带。例如，图8示出了这次制作的频率转换器件10中的铁磁共振频率的外部磁场依赖性。利用自旋转矩二极管效应来测量铁磁共振频率。如该结果所示，通过施加外部磁场，能够将铁磁共振频率大致从2GHz改变至9GHz。该结果仅是一个例子，并且能够通过施加更大的磁场来进一步获得更高的共振频率。

图9是设置有频率转换器件的第二频率转换器的示意结构图。如图9所示，永磁体151被配置在将适当的外部磁场施加至频率转换器件10的距离的位置处，并且永磁体151的配置位置被设置成使得铁磁共振频率为4.72GHz。注意，沿着磁化固定层4和磁化自由层6的磁化优选相互平行、并且相对磁化固定层4的容易轴方向倾斜30度的方向施加外部磁场。尽管在本实施例中外部磁场的施加方向为30度角，但施加方向可以是除了零度和180度以外的任意角度。原因如下：在施加磁场的方向为零度或180度的情况下，磁化自由层6的磁化在以磁化固定层4的容易轴为转动轴的进动运动中进行旋转对称的运动，因此磁化自由层6和磁化固定层4之间的磁矩的相对角度基本不变，并且磁阻元件的阻抗不发生变化。

注意，尽管在图9中仅在频率转换器的一侧配置一个永磁体151，然而可以在频率转换器的两侧均配置永磁体151。

将3GHz的高频信号f₁从输入信号源101输入至频率转换器100，并将4.72GHz的高频信号f₂从本地振荡器102输入至频率转换器件10。如图9所示，通过永磁体151将磁场施加至频率转换器件10以使铁磁共振频率为4.72GHz。因此，频率转换器件10输出具有3GHz(高频信号f₁)和4.72GHz(高频信号f₂)之间的频率差的差信号。谱分析仪20连接至频率转换器100的输出侧以观察该输出。

图10示出通过谱分析仪20观察到的输出信号。从观察到对应于3GHz的输入信号(高频信号f₁)和4.72GHz的本地振荡信号(高频信号f₂)之间的差信号的1.72GHz的信号，发现实现了频率转换。

图11是设置有频率转换器件的第三频率转换器的示意结构图。尽管在图9所示的实施例中将永磁体151用于磁场施加机构15，但如图11所示，可以配置线圈21来向频率转换器件10施加电流感应出的磁场。在这种情况下，不但可以通过线圈21的配置位置，还可以通过施加至线圈21的电流大小以及线圈21的匝数，来控制磁场强度。因此，优选设置用于控制流过线圈21的电流的控制电源(控制器)25。另外，尽管本实施例使用线圈21，但可以通过使用单纯电布线的方法等的、除线圈之外的其它方法来产生电流感应出的磁场。另外，尽管在图11中将线圈配置在频率转换器件10的一侧，然而可以在频率转换器件的两侧均配置线圈。

另外，当如图11所示将线圈21用作将磁场施加至频率转换器件的机构时，能够通过改变施加至线圈21的电流大小来改变感应出的磁场的强度。利用该方法，能够改变频率转换器件10的铁磁共振频率。

接着，将说明使根据本发明的频率转换器具有切换功能的方法。当将3GHz(高频信号f₁)和4.72GHz(高频信号f₂)的信号输入至频率转换器件10时，移动图9所示的永磁体151以使外部磁场的方向平行于磁化固定层4的容易轴方向(角度：零度)。然后，观察不到1.72GHz的差信号频率的谱，并没有获得频率转换效果(参照图12)。这可能是因为磁化进动运动的中心轴与容易轴重合，因此不能实现阻抗变化。

另外，类似地，当磁场施加方向与磁化固定层4的容易轴方向反平行(角度：180度)时，差信号频率消失。以这种方式，通过将磁场施加方向设置为与磁化自由层6的容易轴方向成0度或180度，能够关闭频率转换效果。以这种方式，本发明的频率转换器能够具有如下切换功能：通过移动将外部磁场施加至频率转换器件10的永磁体151并从而控制施加至频率转换器件10的外部磁场，来切换频率转换的有无。

用于切换频率转换功能的方法有两种。

一种方法是将在适当的外部磁场持续地施加至频率转换器件10的情况下具有频率转换效果的状态(转换开启)，通过改变该外部磁场而切换至没有频率转换效果的状态(转换关闭)，或者通过偏移铁磁共振频带而使频率转换后的信号的频率偏离所希望的频带。由于通常状态为频率转换功能工作的状态，因此将该方法定义为“常开”。

图13是设置有频率转换器件的第四频率转换器的示意结构图。为了实现“常开”频率转换器，如图13所示，优选在频率转换器件10的周围配置施加两个磁场的机构。在图13所示的实施例中，在频率转换器件10的周围配置作为电磁体的线圈21和永磁体151以将磁场施加至频率转换器件10。

特别是，由于需要改变外部磁场来实现转换关闭状态，需要使两个磁场施加机构中的至少一个产生如线圈21的电流感应出的磁场等的可控制磁场。

在产生实现“常开”所需的磁场时，可以通过使用永磁体151来降低功率消耗。这是因为永磁体151只需配置在频率转换器件10周围，而线圈等需要用于产生电流感应出的磁场的电功率。

此外，当通过改变频率转换器件10中的铁磁共振频率来使频率转换中的频率可变时，需要由线圈等产生的电流感应出的磁场来产生实现“常开”所需的磁场。

另外，当将由线圈等产生的电流感应出的磁场用于实现“常开”时，有不使用这两个磁场施加机构来实现转换关闭状态的另一种方法。通过使用如下频率转换器件10来实现该方法：在该频率转换器件10中，磁化自由层6具有单轴磁各向异性，并且磁化固定层4的磁各向异性方向与容易轴方向相同。原因如下。在转换开启的状态下，当关断施加至线圈等的电流时，磁场不会被施加至频率转换器件10。因此，磁化自由层6的磁矩朝向容易轴方向，并且与磁化固定层4的磁矩平行或反平行，因而能够实现转换关闭状态。

另一种切换方法是如下方法：通常工作状态为转换关闭状态，仅当需要频率转换功能时获得转换开启状态。由于在通常工作状态期间频率转换功能处于转换关闭状态，因此将该方法定义为“常闭”。

为了实现“常闭”，需要利用由线圈等产生的电流感应出的磁场。在通常工作状态下不向频率转换器件10施加磁场，并且通过对线圈等施加电流来将外部磁场施加至频率转换器件10以产生转换开启状态。因此，频率转换器件10成为具有获得频率转换效果的状态。当希望频率转换的频率可变时，需要使由线圈等产生的电流感应出的磁场可控制。

将示出在频率转换器件10周围配置线圈15、并利用切换操作实现频率转换效果的例子。

对施加至线圈21以产生电流感应出的磁场的电流值进行设置，以使得频率转换器件10的铁磁共振频率为4.72GHz。沿着磁化固定层4和磁化自由层6的磁化优选相互平行、并且相对磁化固定层4的容易轴方向倾斜30度的方向配置线圈21。当在该状态(常开)下将3GHz的信号(高频信号f₁)和4.72GHz的信号(高频信号f₂)输入至频率转换器件10时，与图10相同，观察到1.72GHz的差信号频率。

在这种状态下，当通过关闭线圈控制电源25来关断施加至线圈21的电流时，作为输入信号的差信号的1.72GHz的信号消失。通过这种方式，能够通过控制施加至线圈21的电流值来实现“常开”。

另外，在电流没有施加至线圈21的状态下，当通过开启线圈控制电源25来使电流施加至线圈21时，产生作为差信号频率的1.72GHz的信号。这是“常闭”操作。

以这种方式，通过适当地选择磁场施加机构，能够实现可兼有“常开”和“常闭”两者的频率转换器。

图14是设置有频率转换器件的第五频率转换器的示意结构图。

如图14所示，频率转换器件10的附近配置有线圈21和可以控制施加至线圈21的电流的控制电源(控制器)25。另外，还配置有电连接至频率转换器件10的输出侧并且电连接至线圈控制电源25的反馈电路35。

将要设置的铁磁共振频率的本地振荡信号从本地振荡器102输入至频率转换器件10，并将高频信号从外部信号源101输入至频率转换器件10。例如，分别将铁磁共振频率和外部输入信号频率设置为4GHz和3.8GHz。然后，将从频率转换器件10输出0.2GHz的信号。由反馈电路35检测该输出信号。当没有正确地输出差信号频率时，反馈电路35通过向控制电源(控制器)25提供反馈来控制在线圈21中产生的电流感应出的磁场的大小，并且能够进行设置从而获得所希望的输出。以这种方式，能够通过使用反馈电路为频率转换器件提供转换频率的调整功能。

注意，对于3.8GHz，除了4GHz信号以外，另一个产生0.2GHz差信号频率的信号是3.6GHz的信号。因此，通过进行一次上述调整处理，不能确定所设置的铁磁共振频率是4GHz还是3.6GHz。因此，通过将外部输入信号频率设置为除3.8GHz以外的频率来再次进行上述调整处理。例如，将外部输入信号f₁的频率设置为3.4GHz。如果通过上述调整处理将铁磁共振频率设置为4GHz，则频率转换器件10输出0.6GHz的信号。然而，如果通过上述调整处理设置的铁磁共振频率是3.6GHz，则输出0.2GHz的信号。在这种情况下，再次重复调整处理。因此，优选在反馈电路35或线圈控制电源25上安装存储器件。

尽管在本实施例中从本地振荡器输出铁磁共振频率的信号，但可以将外部信号源的输出信号用作铁磁共振频率的信号。

Claims (6)

1.一种频率转换器，包括：

频率转换器件，其包括具有磁化自由层、中间层和磁化固定层的磁阻元件，所述磁化固定层的磁矩大于所述磁化自由层的磁矩；

磁场施加机构，用于向所述频率转换器件施加外部磁场；

输入端子，用于从外部向所述频率转换器件输入具有第一频率的输入信号；

本地振荡器，用于向所述频率转换器件施加具有第二频率的本地振荡信号；以及

输出端子，用于利用由所述频率转换器件中的磁化自由层的磁化的进动所引起的阻抗变化，输出所述第一频率和所述第二频率之间的差信号或者所述第一频率和所述第二频率的和信号，

其中，所述本地振荡器包括磁阻元件，该磁阻元件能够通过根据自身的阻抗变化输出交流电压来产生本地振荡信号。

2.根据权利要求1所述的频率转换器，其特征在于，

所述磁场施加机构是永磁体，以及

由所述永磁体施加的磁场的方向与所述频率转换器件中的磁化固定层的容易轴方向不平行。

3.根据权利要求1所述的频率转换器，其特征在于，所述磁场施加机构包括：

电流磁场施加机构，用于产生电流磁场；以及

电源，用于向所述电流磁场施加机构施加电流，

其中，由所述电流磁场施加的磁场的方向与所述频率转换器件中的磁场固定层的容易轴方向不平行。

4.根据权利要求3所述的频率转换器，其特征在于，还包括：

控制器，用于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转换器件的磁场。

5.根据权利要求4所述的频率转换器，其特征在于，还包括：

反馈电路，用于检测所述频率转换器件的输出，并向所述控制器提供反馈以获得所希望的铁磁共振频率。

6.根据权利要求4所述的频率转换器，其特征在于，

所述控制器通过开启/关断施加至所述电流磁场施加机构的电流，来开启/关断施加至所述频率转换器件的磁场。

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