DE3687930T2

DE3687930T2 - Mikrowellenvorrichtung mit duennschichtigem yttrium-eisen-granat.

Info

Publication number: DE3687930T2
Application number: DE8686305294T
Authority: DE
Inventors: Seigo C O Pat Div Sony Cor Ito; Masami C O Pat Div Sony Miyake; Yoshikazu C O Pat Div Murakami; Hitoshi C O Pat Div Son Tamada; Hideo C O Pat Div Sony Tanaka; Toshiro C O Pat Div Son Yamada
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1985-07-09
Filing date: 1986-07-09
Publication date: 1993-09-16
Anticipated expiration: 2006-07-10
Also published as: EP0208548A3; KR950005157B1; CA1266100A; EP0208548A2; EP0208548B1; KR870001704A; DE3687930D1; US4746884A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Mikrowellenvorrichtung mit dünnschichtigem YIG (Yttrium-Eisen-Granat) und insbesondere auf eine Vorrichtung, die eine den ferrimagnetischen Resonanzeffekt ausnutzende dünnschichtige YIG-Anordnung enthält.
Es sind Mikrowellenvorrichtungen vorgeschlagen worden wie ein Mikrowellenfilter oder ein Mikrowellenoszillator, die die ferrimagnetische Resonanz eines dünnschichtigen Yttrium-Eisen-Granats (YIG) als eines ferrimagnetischen Materials ausnutzen, das auf einem nichtmagnetischen GGG (Gadolinium-Gallium-Granat)- Substrat mit Hilfe eines Flüssigphasenepitaxie-Wachstums (das nachfolgend als LPE bezeichnet wird) gebildet und in eine gewünschte Form wie eine Kreis- oder Rechteckform durch selektives Ätzen mit einer Photolithographietechnik gebracht wird. Die Mikrowellenvorrichtung macht es möglich, einen integrierten Mikrowellenkreis mit einer Übertragungsleitung wie einer Mikrostreifenleitung zu bilden, und leicht eine Hybridverbindung mit einem anderen integrierten Mikrowellenkreis auszuführen. Da Mirowellenvorrichtungen, die sie magnetische Resonanz des dünnschichtigen YIG ausnutzen, durch die LPE und die Photolithographietechniken wie zuvor erwähnt aufbereitet werden können, kann leicht eine Massenproduktivität erreicht werden. Eine derartige Mikrowellenvorrichtung ist vorgeschlagen worden in 1985 IEEE-MIT-S INTERNATIONAL MICROWAVE SYMPOSIUM DIGEST, Saint Louis, Missouri, 4.-6. Juni 1985, Seiten 285-288, IEEE, New York, USA, Y. MURAKAMI et.al. "A bandpass filter using YIG film grown by LPE".
Aus den oben genannten Gründen haben Mikrowellenvorrichtungen, die die magnetische Resonanz des dünnschichtigen YIG ausnutzen, praktische Vorteile gegenüber magnetischen Resonanzanordnungen, die eine YIG-Sphäre verwenden.
Jedoch ist bei Mikrowellenvorrichtungen, die ferrimagnetische Resonanz des dünnschichtigen YIG verwenden, die ferrimagnetische Resonanzfrequenz f des dünnschichtigen YIG in weitem Maße von der Temperatur T abhängig. Deshalb entsteht ein signifikantes Problem beim praktischen Gebrauch, und zwar dadurch, daß die Temperatureigenschaften nicht zufriedenstellend sind.
Ein derartiges Problem wird nun beschrieben. Die ferrimagnetische Resonanzfrequenz f des dünnschichtigen YIG kann in der folgenden Weise durch die Verwendung der Kittel-Gleichung ausgedrückt werden, vorausgesetzt, daß ein anisotroper Feldanteil zur Resonanzfrequenz klein genug ist, um vernachlässigt zu werden.
f(T) = γ{Hg(T)-NzY4πMsY(T)} (1)
wobei γ das gyromagnetische Verhältnis ist (γ = 2,8 MHz/Oe oder 35 kHz/A/m); Hg das DC-Vormagnetisierungsfeld ist; NzY der Entmagnetisierungsfaktor des dünnschichtigen YIG ist, der unter Verwendung der magnetostatischen Modentheorie berechnet wird; und 4πMsY die Sättigungsmagnetisierung der YIG-Schicht ist. f, Hg und 4πMsY sind Funktionen der Temperatur T. In einem Beispiel senkrechter Resonanz einer YIG-Scheibe mit einem Geometrieverhältnis (Dicke/Durchmesser) von 0,01 ist der Demagnetisierungsfaktor NzY 0,9774 und die Sättigungsmagnetisierung 4πMsY ist 1916 G (Gauss) (0,1916 T) bei -20ºC und 1622 G (0,1622 T) bei +60ºC, unter der Annahme, daß das Vormagnetisierungsfeld Hg ungeachtet der Temperatur konstant ist. Entsprechend kann die Resonanzfrequenz f um 835 MHz im Temperaturbereich von -20ºC bis +60ºC variieren.
Um eine Abweichung der Resonanzfrequenz aufgrund der Umgebungstemperatur in der Mikrowellenvorrichtung mit dünnschichtigem YIG zu vermeiden, ist ein Verfahren zur Aufrechterhaltung der dünnschichtigen YIG-Magnetresonanzanordnung auf einer konstanten Temperatur vorgeschlagen worden, bei dem die Anordnung in eine Thermostatkammer gesetzt wird, oder alternativ ein Verfahren zur Konstanthaltung der Resonanzfrequenz der Anordnung durch Änderung des Magnetfelds in Abhängigkeit von der Temperatur mit Hilfe eines Elektromagneten. Diese Verfahren erfordern jedoch externe Energieversorgungsmittel wie eine Stromsteuereinrichtung, die deshalb die Konstruktion kompliziert machen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Mikrowellenvorrichtung mit dünnschichtigem Yttrium-Eisen-Granat vorgesehen, die eine den ferrimagnetischen Resonanzeffekt ausnutzende dünnschichtige Yttrium-Eisen-Granat-Anordnung und einen Magnetkreis enthält, der einen Spalt der Länge 1g hat, in dem die dünnschichtige Yttrium-Eisen-Granat-Anordnung angeordnet ist, und der ein Vormagnetisierungsfeld senkrecht zu einer Schichtoberfläche der dünnschichtigen Yttrium-Eisen-Granat- Anordnung anlegt, wobei der Magnetkreis einen Permanentmagneten mit der Dicke 1m und eine weichmagnetische Platte mit der Dicke 1x einschließt, gekennzeichnet durch den Permanentmagneten, der die Eigenschaften
erfüllt, und durch die weichmagnetische Platte, die die Eigenschaften
erfüllt, wobei:
fo die Resonanzfrequenz der dünnschichtigen Yttrium-Eisen-Granat-Anordnung ist;
γ das gyromagnetische Verhältnis des dünnschichtigen Yttrium-Eisen-Granats ist;
NzY der Entmagnetisierungsfaktor des dünnschichtigen Yttrium-Eisen-Granats ist;
4πMsoY die Sättigungsmagnetisierung des dünnschichtigen Yttrium-Eisen-Granats bei Raumtemperatur ist;
4πMsoX die Sättigungsmagnetisierung der weichmagnetischen Platte ist;
Brº die Remanenz des Permanentmagneten bei Raumtemperatur ist;
α&sub1;B der Temperaturkoeffizient erster Ordnung der Remanenz des Permanentmagneten bei oder in der Nähe der Raumtemperatur ist;
α&sub1;Y der Temperaturkoeffizient erster Ordnung der Sättigungsmagnetisierung des dünnschichtigen Yttrium-Eisen-Granats bei oder in der Nähe der Raumtemperatur ist;
a&sub1;X der Temperaturkoeffizient erster Ordnung der Sättigungsmagnetisierung der weichmagnetischen Platte bei oder in der Nähe der Raumtemperatur ist;
und wobei besagte Dicken 1m und 1x ausgewählt sind, um die Temperatureigenschaften der Resonanzfrequenz der Vorrichtung zu verbessern.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht eine Mikrowellenvorrichtung mit dünnschichtigem YIG vor, die keinen externen Kreis erfordert, um die Temperatureigenschaften zu kompensieren, und die dadurch keinen weiteren Leistungsverbrauch einschließt, um die Temperatureigenschaften zu kompensieren. Die Vorrichtung ist in der Lage, eine Kompensation der Temperatureigenschaften über einen weiten Frequenzbereich auszuführen.
Die bevorzugte Mikrowellenvorrichtung mit dünnschichtigem YIG kann entweder bei einer festen Frequenz oder bei einer variablen Frequenz genutzt werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Mikrowellenvorrichtung der oben genannten Konstruktion vorgesehen, in der der dünnschichtige YIG aus einem substituierten YIG-Material gebildet ist, wobei das dreiwertige Eisenion Fe³&spplus; in dem YIG teilweise durch ein nichtmagnetisches Ion ersetzt ist. Auf diese Weise kann eine Temperaturkompensation durch Auswahl der Dicke 1m des Permanentmagneten, der Dicke 1x der weichmagnetischen Platte und des durch eine Formeleinheit ausgedrückten substituierten Betrags δ erreicht werden.
Die Erfindung wird nun anhand eines Beispiels mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen, in denen gleiche Elemente durch gleiche Bezugszeichen dargestellt sind, beschrieben, und in denen
Fig. 1, 4 und 5 schematische Ansichten einer Mikrowellenvorrichtung mit dünnschichtigem YIG gemäß jeweiligen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Temperatureigenschaften der Sättigungsmagnetisierung eines Mg-Mn-Al-Ferriten zeigt;
Fig. 3 und 6 Diagramme zur Erläuterung der Tempertureigenschaften gegenüber der Resonanzfrequenz in einer bevorzugten Ausführungsform der Mikrowellenvorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 7 ein Diagramm zur Erläuterung der Temperatureigenschaften gegenüber der Sättigungsmagnetisierung des YIG zeigt; und
Fig. 8 ein Diagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen einer Ga-substituierten Menge in dem YIG und einer Änderung Δf in der Resonanzfrequenz zeigt.
Bezug nehmend auf Fig. 1, die eine Mikrowellenvorrichtung mit dünnschichtigem YIG gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, enthält eine Mikrowellenanordnung 1 mit dünnschichtigem YIG Streifenleitungen (nicht gezeigt), die elektromagnetisch mit dem dünnschichtigen YIG gekoppelt sind, und ein Magnetkreis 2 wird angeordnet, um ein Vormagnetisierungsfeld an die Mikrowellenanordnung 1 anzulegen. In einem Beispiel enthält der Magnetkreis 2 ein U- förmiges Joch 3, Permanentmagnete 4, mit jeweils einer Dicke 1m und weichmagnetische Platten 5, beispielsweise aus Weichferrit gemacht, mit jeweils einer Dicke 1x. Die Permanentmagnete 4 und die weichmagnetischen Platten 5 werden auf entgegengesetzten Oberflächen an beidseitigen Endteilen des Jochs 3 angeordnet, um einen Magnetspalt g zu definieren, der einen Abstand 1g zwischen den weichmagnetischen Platten 5 hat. Die Mikrowellenanordnung 1 wird in dem Magnetspalt g angeordnet.
In dem in Fig. 1 gezeigten Magnetkreis werden unter der Annahme, daß der gesamte magnetische Fluß durch den Magnetspalt g fließt, das Magnetfeld in dem Spalt einheitlich ist und die Permeabilität des Jochs unendlich ist, die folgenden Gleichungen aus den Maxwellschen Gleichungen abgeleitet.
Bm = Bx = Bg (2) mHm = gHg + xEx (3)
Darin sind Bm, Bx und Bg die jeweiligen magnetischen Flußdichten in dem Permanentmagneten 4, der weichmagnetischen Platte 5 und dem Magnetspalt g; und Hm, Hx und Hg sind jeweils die magnetischen Feldstärken in dem Permantmagneten 4, der weichmagnetischen Platte 5 und des Magnetspaltes g, wobei die Richtung von Hm entgegengesetzt ist zu denjenigen von Hg, Hx, Bm, Bx und Bg.
Angenommen, daß der Permanentmagnet 4 keinen Kniepunkt hat und die Rücklaufpermeabilität des Permanentmagneten 4 konstant ist, d. h. seine Entmagnetisierungskurve Linearität zeigt, wird die folgende Gleichung (4) erfüllt.
Hm = 1/ur (Br-Bm) = 1/ur (Br-Hg) (4)
Angenommen, daß die weich magnetische (Ferrit-) Platte 5 ausreichend gesättigt ist und ihre Sättigungsmagnetisierungs- und Entmagnetisierungsfaktoren 4πMsX bzw. NzX sind, wird die magnetische Feldstärke Hx in der Weichferritplatte durch die folgende Gleichung (5) ausgedrückt.
Hx = Hg-NzX4πMsX (5)
Angenommen, daß eine Änderung in den Abmessungen des Magnetkreises aufgrund einer thermischen Ausdehnung ausreichend schmal ist und vernachlässigt werden kann, wird die magnetische Feldstärke Hg in dem Spalt des Magnetkreises 2 aus den Gleichungen (3), (4) und (5) abgeleitet, um die folgende Gleichung (6) als eine Funktion der Temperatur T anzugeben.
In Anbetracht der Temperaturkoeffizienten α&sub1;B, α&sub2;B, α&sub1;Y, α&sub2;Y, α&sub1;X und α&sub2;X bis zur zweiten Ordnung des Magneten, des YIG und der Weichferritplatte in einem Temperaturbereich von +/- einigen zehn ºC um die Raumtemperatur To, insbesondere +/- 40ºC, können die Remanenz Br des Permanentmagneten und die Sättigungsmagnetisierung 4πMsY des YIG mit ausreichender Genauigkeit wie folgt ausgedrückt werden:
Br(T) = Brº{1+α&sub1;B(T-To)+α&sub2;B(T-To)²} (7)
4πMsY(T) = 4πMsoY{1+α&sub1;Y(T-To)+α&sub2;Y(T-To)²} (8)
4πMsX(T) = 4πMsoX(1+α&sub1;X(T-To)+α&sub2;X(T-To)²} (9)
Um die Resonanzfrequenz f(T) zu einem von der Temperatur T unabhängigen konstanten Wert zu machen, ist es notwendig, die folgende Gleichung (10) aus den Gleichungen (1) und (6) abzuleiten.
Durch Einsetzen der Gleichungen (7), (8) und (9) in Gleichung (10) und Gleichsetzen jedes Terms der 0., 1. und 2. Ordnung bezüglich der Temperatur T können die folgenden Gleichungen erhalten werden.
( mBrº/ur)+ xNzx4πMsox={ g+( m/ur)+ x} {(fo/γ)+NzY4πMsoY} (11)
( mBrº/α&sub1;B/ur)+ xNzx4πMsoxα&sub1;x={ g+( m/ur)+ x} NzY4πMsoYα&sub1;Y (12)
( mBrºα&sub2;B/ur)+ xNzx4πMsoxα&sub2;x={ g+( m/ur)+ x} NzY4πMsoYα&sub2;Y (13)
Unter der Annahme daß jedes Material für den YIG den Permanentmagneten und die weichmagnetische Platte gegeben ist und auch der Abstand 1g des Magnetspalts gegeben ist, ist es unmöglich, die Kombination von 1m und 1x zu erhalten, die gleichzeitig Gleichungen (11), (12) und (13) erfüllt.
Folglich werden die Koeffizienten der 0. und der 1. Ordnung als Anfangsterme gleichgesetzt. Namentlich sind die Werte 1m und 1x, die Gleichungen (11) und (12) erfüllen, wie folgt gegeben:
Es ist aus den Gleichungen (14) und (15) abschätzbar, daß die folgenden Bedingungen aufgestellt werden müssen, damit 1m und 1x eine positive Lösung haben.
Da Nz 1 im Ausdruck (17), ist es abschätzbar, daß Ausdruck (17) immer erfüllt ist, wenn die folgende Bedingung festgesetzt wird.
4πMsox < (fo/γ) + NzY4πMsoY (20)
Folglich können gute Temperatureigenschaften erreicht werden durch Kombinieren eines Permanentmagnetmaterials, das eine Remanenz Br bei Raumtemperatur größer als (fo/γ) + NzY4πMsoY und einen Temperaturkoeffizienten 1. Ordnung α&sub1;B der Remanenz Br in der Nähe der Raumtemperatur größer als NzY4πMsoYα&sub1;Y/ {(fo/γ) + NzY4πMsoY} hat, mit einer sogenannten weichmagnetischen Platte, die eine Sättigungsmagnetisierung 4πMsoY bei Raumtemperatur kleiner als (fo/γ) + NzY4πMsoY und einen Temperaturkoeffizienten 1. Ordnung α&sub1;X der Sättigungsmagnetisierung 4πMsoX in der Nähe der Raumtemperatur kleiner als NzY4πMsoY·α&sub1;Y/{(fo/γ) + NzY4πMsoY} hat.
In der in Fig. 1 gezeigten Struktur ist die weichmagnetische Platte 5 aus Mg-Mn-Al- Ferrit gebildet, das Temperatureigenschaften wie in Fig. 2 gezeigt hat, und der Permanentmagnet 4 ist gebildet aus einem Nd&sub2;Fe&sub1;&sub4;B-Magneten mit Br = 11000G, α&sub1;B = -1,2 · 10&supmin;³ und α&sub2;B = -0,75 · 10&supmin;&sup6;, einem CeCO&sub5;-Magneten mit Br = 6000 G, α&sub1;B = -0,9 · 10&supmin;³ und α&sub2;B = 0 oder einem SmCo&sub5;-Magneten mit Br = 8500 G, α&sub1;B = -0,5 · 10&supmin;³ und α&sub2;B = 0.
Die Dicken 1x und 1m und die Frequenzabweichung Δf unter Berücksichtigung der Koeffizienten 2. Ordnung in dem Temperaturbereich von -20ºC bis +60ºC sind in Tabelle I, Tabelle II und Tabelle III gezeigt. Tabelle I Tabelle der Mittenfrequenz von YIG und ihrer Änderung Tabelle II Tabelle der Mittenfrequenz von YIG und ihrer Änderung Tabelle III Tabelle der Mittenfrequenz von YIG und ihrer Änderung
Vorstehend wurde der Spaltenabstand 1g zu 3 mm gesetzt, und 4πMsoX = 943,8G (0,09438T), α&sub1;X = -6,38 · 10&supmin;³ und α&sub2;X = -1,40 · 10&supmin;&sup5; wurden im Hinblick auf Fig. 2 gesetzt. In diesem Fall ist es abschätzbar, daß die Bedingungen der Ausdrücke (20) und (18) immer ohne Rücksicht auf die Frequenz fo erfüllt sind. Weiterhin wird es aus den Tabellen I bis III offenbar, daß die realisierbare Frequenz fo einen gewissen Bereich infolge der Art des benutzten Permanentmagneten hat.
Fig. 3 zeigt Temperatureigenschaften gegenüber der Resonanzfrequenz des YIG in dem Fall, daß der Magnetkreis 2 gebildet ist durch die Kombination der Mg-Mn-Al- Weichferritplatte 5 und des Nd&sub2;Fe&sub1;&sub4;B-Magneten 4. Wie es aus Fig. 3 offenbar wird, fällt die Frequenzänderung Δf in einen Bereich von +/- 2,9 MHz mit Bezug auf die Mittenfrequenz von 1,575 GHz in den Temperaturbereich von -20ºC bis +60ºC.
Obwohl der Magnetkreis 2 in der vorstehenden Ausführungsform aus einer Art des Permanentmagneten 4 und einer Art der Weichferritplatte 5 eingerichtet wird, können zwei Magnetarten und eine Art Weichferritplatte statt dessen kombiniert werden, um den Magnetkreis zu bilden.
Fig. 4 zeigt einen Magnetkreis, der durch Kombination aus zwei Arten Permanentmagneten 4a und 4b mit der Weichferritplatte 5 gebildet wird. In diesem Fall wird die folgende Gleichung (21) entsprechend zu Gleichung (6) abgeleitet.
Darin sind Br&sub1; und Br&sub2; die Remanenzen der Permanentmagneten 4a bzw. 4b; ur&sub1; und ur&sub2; sind die Rücklaufpermeabilitäten (reversiblen Permeabilitäten) der Permanentmagnete 4a bzw. 4b; und 1m&sub1; und 1m&sub2; sind die totalen Dicken der Permanentmagnet 4a bzw, 4b.
Wenn die Summe der jeweiligen Dicken der Permanentmagnete 4a und 4b durch 1mt dargestellt wird, kann die folgende Gleichung erhalten werden.
mt = m&sub1; + m&sub2; (22)
Durch Darstellen einer durchschnittlichen Rücklaufpermeabilität der Gesamtheit der Permanentmagnete 4a und 4b durch r, ist 1mt r = (1m&sub1;/ur&sub1;) + (1m&sub2;/ur&sub2;) gegeben und die folgende Gleichung wird daraus abgeleitet.
Durch Darstellen einer durchschnittlichen Remanenz der Permanentmagnete 4a und 4b durch Br(T) kann die folgende Gleichung erhalten werden.
Durch Einsetzen der folgenden Gleichungen in Gleichung (24)
und durch Vergleichen jedes Terms der 0., 1. und 2. Ordnung mit Bezug auf die Temperaturen auf beiden Seiten können die folgenden Gleichungen erhalten werden.
Durch Darstellen eines Verhältnisses der Dicke der Permanentmagneten 4a und 4b durch a = 1m&sub1;/1m&sub2;, eines Verhältnisses der Rücklaufpermeabilitäten der Permanentmagnete 4a und 4b durch b = ur&sub1;/ur&sub2;, und eines Verhältnisses der Remanenzen der Permanentmagnete 4a und 4b bei Raumtemperatur durch c = Br&sub1;º/Br&sub2;º kann Gleichung (25) wie folgt ausgedrückt werden:
Durch Definieren jedes Parameters wie oben erwähnt kann Gleichung (21) in derselben Form wie Gleichung (6) wie folgt ausgedrückt werden:
Durch Ableiten aus Gleichung (27) können die folgenden zu den Ausdrücken (16) und (18) korrespondierenden Ausdrücke (28) und (29) erhalten werden.
Zusammenfassend können unter der Voraussetzung, daß die Verhältnisse a, b, und c durch a = 1m&sub1;/1m&sub2;, b = ur&sub1;/ur&sub2; bzw. c = Br&sub1;º/Br&sub2;º definiert sind, gute Temperatureigenschaften erzielt werden durch Kombination der Permanentmagnete 4a und 4b mit der Gleichung (28) erfüllenden durchschnittlichen Remanenz rº bei Raumtemperatur und dem Gleichung (29) erfüllenden Temperaturkoeffizienten 1. Ordnung α&sub1;B der durchschnittlichen Remanenz, wobei Brº und α&sub1;B durch Gleichung (26) definiert sind, mit der Weichferritplatte mit der Sättigungsmagnetisierung 4πMsoX bei Raumtemperatur, die kleiner ist als (fo/γ) + NzY4πMsoY, und dem Temperaturkoeffizienten 1. Ordnung α&sub1;X der Sättigungsmagnetisierung in der Nähe der Raumtemperatur, der kleiner ist als NzY4πMsoYα&sub1;Y/{(fo/γ)+NzY4πMsoY}.
Wie vorstehend erwähnt wird ist die Verwendung der Weichferritplatte in Kombination mit den zwei Arten von Permanentmagneten 4a und 4b vorteilhafter als der Fall der Verwendung nur zweier Arten von Permanentmagneten 4a und 4b.
In dem Fall daß zwei Arten von Permanentmagneten allein verwendet werden, verändert sich die Remanenz Br der Permanentmagneten in einem Vergleichsweise signifikanten Ausmaß und es ist schwierig, die Magneten nach ihrer Magnetisierung zu schneiden. Deshalb ist es notwendig, den Spaltenabstand am Schluß einzustellen, um die Resonanzfrequenz des dünnschichtigen YIG mit der gewünschten Frequenz übereinstimmen zu lassen. Wenn jedoch der Spaltenabstand 1g von dem gesetzten Wert verschieden ist, werden die Temperatureigenschaften nachteilig geändert.
Andererseits werden in dem Fall, daß eine Weichferritplatte in Kombination mit den Permanentmagneten verwendet wird, die Temperatureigenschaften so eingestellt, daß sie im wesentlichen mit einem objektiven oder gewünschten Wert durch die Weichferritplatte übereinstimmen, während der Schlupf oder die Änderung der Temperatureigenschaften, die durch die Einstellung des Spaltenabstands aufgrund der Änderung in der Remanenz der Permanentmagnete erzeugt wird, schließlich durch die Weichferritplatte fein eingestellt werden kann. Namentlich können die Resonanzfrequenz und die Temperatureigenschafien gleichzeitig in Übereinstimmung mit dem gewünschten oder objektiven Wert gebracht werden.
Fig. 5 zeigt einen Magnetkreis 2, der eine Art Permanentmagnet 4 und zwei Arten einer ersten und zweiten Weichferritplatte 5a und 5b, die aus verschiedenen Materialien gebildet sind, verwendet.
In diesem Fall kann die folgende Gleichung (30) entsprechend zur Gleichung (6) abgeleitet werden.
Darin sind 4πMsX1 und 4πMsX2 Sättigungsmagnetisierungen der ersten bzw. zweiten Weichferritplatte 5a bzw. 5b; NzX1 und NzX2 sind Entmagnetisierungsfaktoren der Weichferritplatten 5a bzw. 5b und 1x&sub1; und 1x&sub2; sind totale Dicken der Weichferritplatten 5a bzw. 5b.
Wenn die Summe der jeweiligen Dicken der Weichferritplatten 5a und 5b durch 1xt repräsentiert wird, kann die folgende Gleichung abgeleitet werden.
xt = x&sub1; + x&sub2; (31)
Durch Repräsentieren einer durchschnittlichen Entmagnetisierung der Weichferritplatten 5a und 5b durch zX und einer durchschnittlichen Sättigungsmagnetisierung der Weichferritplatten 5a und 5b durch 4πMsX(T) kann die folgende Gleichung abgeleitet werden.
Deshalb wird die folgende Gleichung erhalten.
Durch Einsetzen der folgenden Gleichungen in Gleichung (32)
und durch Vergleich jedes Terms der 0., 1. und 2. Ordnung mit Bezug auf die Temperatur auf beiden Seiten können die folgenden Gleichungen erhalten werden.
Durch Repräsentieren eines Verhältnisses der Dicken der Weichferritplatten 5a und 5b durch a = 1x&sub1;/1x&sub2;, eines Verhältnisses der Entmagnetisierungsfaktoren der Weichferritplatten 5a und 5b durch b = NzX1/NzX2 und eines Verhältnisses der Sättigungsmagnetisierungen der Weichferritplatten 5a und 5b bei Raumtemperatur durch c= 4πMsoX1/4πMsoX2 kann Gleichung (33) auch wie folgt ausgedrückt werden:
Durch Definieren jedes Parameters wie vorstehend erwähnt kann Gleichung (34) in derselben Form wie Gleichung (6) wie folgt ausgedrückt werden:
Durch Ableiten aus Gleichung (35) können die zu den Ausdrücken (17) und (18) korrespondierenden Ausdrücke (36) und (37) erhalten werden.
Zusammenfassend können unter der Voraussetzung, daß die Verhältnisse a, b, und c durch a = 1x&sub1;/1x&sub2;, b = NzX1/NzX2 bzw. c = 4πMsoX1/4πMsoX2 definiert sind, gute Temperatureigenschaften erzielt werden durch Kombination einer Weichferritplatte mit dem Produkt
des durchschnittlichen Entmagnetisierungsfaktors und des durchschnittlichen Sättigungsmagnetisierungsfaktors und des durchschnittlichen Sättigungsmagnetisierungsfaktors bei Raumtemperatur, wobei das Produkt Gleichung (38) erfüllt, und des Gleichung (37) erfüllenden Temperaturkoeffizienten 1. Ordnung α&sub1;X der durchschnittlichen Sättigungsmagnetisierung, mit dem Permanentmagneten 4 unter den vorstehenden Bedingungen, der die Remanenz Br bei Raumtemperatur größer als (fo/γ) + NzY4πMsoY, und den Temperaturkoeffizienten 1. Ordnung α&sub1;B der Remanenz in der Nähe der Raumtemperatur größer als NzY4πMsoYα&sub1;Y/ {(fo/γ)+NzY4πMsoY} hat.
Obwohl die vorliegende Erfindung als angewendet auf eine Mikrowellenvorrichtung, die in der oben genannten Ausführungsform eine feste Frequenz verwendet, beschrieben worden ist, kann sie auch auf eine Mikrowellenvorrichtung mit dünnschichtigem YIG vom variablen Typ angewendet werden, die eine Spule (nicht gezeigt), welche um ein Joch 3 in dem Magnetkreis 2 gewickelt ist, enthält.
Wie vorstehend beschrieben kann eine Gradient in den Temperatureigenschaften der Resonanzfrequenz aufgehoben werden durch Bestimmen von im und 1x, die Gleichungen (11) und (12) erfüllen. Jedoch kann eine Krümmung der Temperatureigenschaften durch diese Bedingungen allein nicht kompensiert werden. Mit anderen Worten wird, wie in Fig. 1 gezeigt, der Magnetkreis der Mikrowellenvorrichtung mit dünnschichtigem YIG der eine Mittenfrequenz von 1 ,575 GHz hat, durch die Verwendung eines Mg-Mn-Al-Ferriten mit den in Fig. 2 gezeigten Temperatureigenschaften als der weichmagnetischen Platte 5 und eines Nd&sub2;Fe&sub1;&sub4;B- Magneten als dem Permanentmagneten 4 gebildet. Aufgrund der Änderung in der Mittenfrequenz im Temperaturbereich von -55ºC bis + 70ºC zeigt die Mikrowellenvorrichtung Temperatureigenschaften mit einer oberen konvexen Kurve mit einem Änderungsbereich von 25,5 MHz, wie in Fig. 6 gezeigt. Dies folgt aus der Tatsache, daß es notwendig ist, einen kompensierten Teil der Temperatureigenschaften durch den Ferrit groß zu machen wie die Mittenfrequenz der Mikrowellenanordnung verringert wird, was darin resultiert, daß die obere konvexe, durch den Ferriten gezeigte Kurve weitgehend reflektiert wird auf die Temperatureigenschaften der Mikrowellenvorrichtung mit dünnschichtigem YIG. Die Mikrowellenanordnung 1 ist zusammengesetzt aus einem Substitutionstyp-YIG, und folglich kann der kompensierte Teil der Temperatureigenschaften durch den Ferrit reduziert werden, um die obere konvexe Krümmung aufzuheben, wenn eine substituierte Menge δ Null ist. Mit anderen Worten können drei unbekannte Mengen, die aus der substituierten Menge δ des Substitutionstyp-YIG, der Dicke 1m des Permanentmagneten und der Dicke 1x der Weichferritplatte bestehen, bestimmt werden, um gleichzeitig die Gleichungen (11), (12) und (13) zu erfüllen, und folglich kann die Krümmung der Temperatureigenschaften ebenso wie der Gradient aufgehoben werden. Wenn die Materialien des Permanentmagneten und Ferriten, die Form des dünnschichtigen YIG, die Resonanzfrequenz und des Spaltenabstands vorgegeben sind, sind Brº, α&sub1;B, α&sub2;B,ur, 4πMsoX, α&sub1;X, α&sub2;X, NzY, fo/γ und 1g vorherbestimmte Konstanten. NzY ist keine unabhängige Variable, da es durch die Dicke 1x des Ferriten bestimmt wird. Wenn weiterhin die substituierte Menge δ eines nichtmagnetischen Ions für das Fe³&spplus;- Ion in dem YIG bestimmt wird, werden 4πMsoY, α&sub1;Y und α&sub2;Y auch bestimmt. Schließlich enthalten die unabhängigen unbekannten Mengen δ, 1m und 1x. Wenn folglich die drei unbekannten Mengen δ, 1m und 1x aus den Gleichungen (11), (12) und (13) bestimmt werden, sind dies die Bedingungen zum Erhalt einer festen Resonanzfrequenz fo unter Berücksichtigung der Temperatureigenschaften bis zur zweiten Ordnung. Mit anderen Worten, wenn die Mikrowellenanordnung mit dünnschichtigem YIG vom Substitutionstyp verwendet wird und die substituierte Menge δ ausgewählt wird, kann die Krümmung der Temperatureigenschaften ebenfalls kompensiert werden.
In Verbindung mit der in Fig. 1 gezeigten Anordnung ist die Mikrowellenanordnung durch einen dünnschichtigen Substitutionstyp- YIG gebildet, beispielsweise eine dünne Schicht, die durch Substituieren eines dreiwertigen nichtmagnetischen Ions wie Ga³&spplus; und Al³&spplus; für einen Teil der Fe³&spplus; des YIG oder durch eine Kombination zweiwertiger und vierwertiger nichtmagnetischer Ionen Ca²&spplus; und Ge&sup4;&spplus; zur äquivalenten Substitution eines dreiwertigen Ions für Fe³&spplus; des YIG gebildet wird.
Eine Änderung in der Sättigungsmagnetisierung des Substitutionstyp-YIG, d. h. eine Änderung in der Sättigungsmagnetisierung aufgrund der Substitution des nichtmagnetischen Ions für das Fe³&spplus;-Ion des YIG- wird nun untersucht. Zuerst wird eine Änderung im Vergleich zu einem reinen Einzelkristall aus YIG untersucht. In dem reinen Einzelkristall aus YIG (Y&sub3;Fe&sub5;O&sub1;&sub2;) sind drei Fe³&spplus;-Ionen an einem tetraedrischen Platz angeordnet und zwei Fe³&spplus;-Ionen sind an einem oktaedrischen Platz angeordnet. Die Fe³&spplus;-Ionen an dem tetraedrischen Platz und die Fe³&spplus;-Ionen an dem oktaedrischen Platz sind in zueinander antiparalleler Beziehung durch starke negative Superaustausch-Wechselwirkung angeordnet. Als Ergebnis hängt die Sättigungsmagnetisierung des YIG von einem magnetischen Moment von 5 Bohr- Magneton (5uB) ab, das ein Fe³&spplus;-Ion besitzt, das als Ergebnis des Gleichgewichts der fünf Fe³&spplus;-Ionen in der antiparallelen Anordnung zurückbleibt. In dem Fall, daß ein dreiwertiges Ion, zum Beispiel Ga³&spplus;, für einen Teil der Fe³&spplus;-Ionen des reinen YIG substituiert wird, werden alle dreiwertigen Ionen für das Fe³&spplus;-Ion an dem teraedrischen Platz substituiert, wenn die substituierte Menge δ nicht so groß ist. Deshalb ist das magnetische Moment in einem Molekül wie folgt gegeben:
5uB·{(3-δ)-2}=5(1-δ)uB
Folglich wird die Sättigungsmagnetisierung reduziert. Die Sättigungsmagnetisierung des durch Ga substituierten YIG wird berichtet in J. of Applied Physics Bd. 45, Nr. 6, 1974, S. 2728-2730. Unter Verwendung der Gleichungen (1) bis (4) in dieser Literaturstelle und Prüfung einer Änderung in der Sättigungsmagnetisierung bezüglich der Temperatur, wenn die Ga-substituierte Menge geändert wird, können die Eigenschaften wie in Fig. 7 gezeigt erhalten werden. Gemäß Fig. 7 korrespondieren die gekrümmten Linien (21) bis (29) zu den substituierten Mengen δ = 0, 0.3, 0.4, 0.45, 0.5, 0.55, 0.6, 0.7 bzw. 0.8. Weiterhin sind in Tabelle IV berechnete werte der Sättigungsmagnetisierung 4πMsoY bei einer Mittentemperatur von 7,5ºC und die Temperaturkoeffizienten 1. und 2. Ordnung α&sub1;Y und α&sub2;Y bei -55ºC bis + 70ºC mit Bezug zu jeder Ga-substituierten Menge δ gezeigt, wobei die Werte durch eine Methode der kleinsten Quadrate erhalten werden. Tabelle IV Tabelle der berechneten Werte der Sättigungsmagnetisierung und der Temperaturkoeffizienten mit Bezug auf eine Ga-substituierte Menge Temp: (Gauss)
Darauf wird die in Fig. 1 gezeigte weichmagnetische Platte 5 durch Mg-Mn-Al-Ferrit mit den in Fig. 2 gezeigten Temperatureigenschaften gebildet, und der Permanentmagnet 4 wird durch einen der Md&sub2;Fe&sub1;&sub4;B, CeCO&sub5; oder SmCo&sub5; gebildet, um dadurch ein dünnschichtiges YIG-Filter mit einer Mittenfrequenz von 1,575 GHz zu bilden. In dieser Verbindung sind in Tabelle V berechnete Werte einer notwendigen Dicke im des Permanentmagneten, einer notwendigen Dicke 1x des Ferriten und der Frequenzänderung Δf bei -55ºC bis + 70ºC berechnet. Tabelle V Tabelle der berechneten Werte jeder Dicke 1m, 1x und der Frequenzänderung Δf mit Bezug auf eine Ga-substituierte Menge Nd&sub2;Fe&sub1;&sub4;B-Magnet verwendet
Eine Änderung in der Freqenzänderung Δf mit Bezug auf die Ga-substituierte Menge δ ist in Fig. 8 gezeichnet. Gemäß Fig. 8 korrespondieren gekrümmte Linien (70A), (70B) und (70C) zu den Fällen der Verwendung eines Nd&sub2;Fel&sub4;B-Magneten, eines CeCo&sub5;-Magneten bzw. eines SmCo&sub5;-Magneten. In diesen Fällen ist Δf positiv bei δ = 0, und die Temperatureigenschaften zeigt eine obere konvexe Kurve. Weiterhin wird Δf mit einer Verringerung in δ verringert. Wenn δ weiter verringert wird, wird Δf negativ, und die Tempertatureigenschaften zeigt eine untere konvexe Kurve. Auf diese Weise ist abschätzbar, daß die Tempertureigenschaften von Δf = 0 erhalten werden durch Auswahl des Wertes für δ. Mit anderen Worten ist es möglich, einen Gradienten und eine Krümmung der Temperatureigenschaften der Resonanzfrequenz des YIG durch Auswahl einer substituierten Menge eines nichtmagnetischen Ions für das Fe³&spplus;-Ion in dem dünnschichtigen YIG der Mikrowellenanordnung entsprechend den Materialien des Permantenmagneten und der weichmagnetischen Platte aufzuheben.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Anwendung auf eine Mikrowellenvorrichtung, die in dem oben genannten Ausführungsbeispiel eine feste Frequenz verwendet, beschrieben worden ist, kann sie angewendet werden auf eine Mikrowellenvorrichtung mit dünnschichtigem YIG vom variablen Typ. die eine um ein Joch 3 in dem Magnetkreis 2 gewickelte Spule (nicht gezeigt) enthält.
Wie vorstehend beschrieben worden ist, kann eine Mikrowellenvorrichtung mit guten Temperatureigenschaften durch Benutzung eines Permanentmagneten und einer weichmagnetischen Platte vorgesehen werden, die jeweils eine spezifische Charakteristik in einem Magnetkreis haben, um ein Vormagnetisierungsfeld auf eine Mikrowellenanordnung anzuwenden, die die magnetische Resonanz des dünnschichtigen YIG benutzt.
Weiterhin ist es möglich, eine Mikrowellenvorrichtung mit guten Temperatureigenschaften vorzusehen, bei der sowohl der Gradient als auch die Kurve der Temperatureigenschaften kompensiert werden, und der Umfang des Gebrauchs der Mikrowellenvorrichtung kann vergrößert werden, um den industriellen Vorteil durch effektive Nutzung der dünnschichtigen YIG-Merkmale der Mikrowellenvorrichtung zu vergrößern, was hochwertig ist im Sinne einer vorstehend erwähnten Massenproduktion.

Claims

1. Mikrowellenvorrichtung mit dünnschichtigem Yttrium-Eisen-Granat, die eine den ferromagnetischen Resonanzeffekt ausnutzende dünnschichtige Yttrium-Eisen-Granat- Anordnung (1) und einen Magnetkreis (2) enthält, der einen Spalt der Länge 1g hat, in dem die dünnschichtige Yttrium-Eisen-Granat-Anordnung (1) angeordnet ist, und der ein Vormagnetisierungsfeld senkrecht zu einer Schichtoberfläche der dünnschichtigen Yttrium-Eisen-Granat-Anordnung (1) anlegt, wobei der Magnetkreis (2) einen Permanentmagneten (4) mit der Dicke 1m und eine weichmagnetische Platte (5) mit der Dicke 1x einschließt, gekennzeichnet durch den Permanentmagneten (4), der die Eigenschaften

erfüllt, und die weichmagnetische Platte (5), die die Eigenschaften

erfüllt, wobei:

fo die Resonanzfrequenz der dünnschichtigen Yttrium-Eisen-Granat-Anordnung (1) ist;

γ das gyromagnetische Verhältnis des dünnschichtigen Yttrium-Eisen-Granats ist;

NzY der Entmagnetisierungsfaktor des dünnschichtigen Yttrium-Eisen-Granats ist;

4πMsoY die Sättigungsmagnetisierung des dünnschichtigen Yttrium-Eisen-Granats bei Raumtemperatur ist;

4πMsoX die Sättigungsmagnetisierung der weichmagnetischen Platte (5) ist;

Brº die Remanenz des Permanentmagneten bei Raumtemperatur ist;

α&sub1;B der Temperaturkoeffizient erster Ordnung der Remanenz des Permanentmagneten (4) bei oder in der Nähe der Raumtemperatur ist;

α&sub1;Y der Temperaturkoeffizient erster Ordnung der Sättigungsmagnetisierung des dünnschichtigen Yttrium-Eisen-Granats bei oder in der Nähe der Raumtemperatur ist;

α&sub1;X der Temperaturkoeffizient erster Ordnung der Sättigungsmagnetisierung der weichmagnetischen Platte (5) bei oder in der Nähe der Raumtemperatur ist; und wobei besagte Dicken 1m und 1x ausgewählt sind, um die Temperatureigenschaften der Resonanzfrequenz der Vorrichtung zu verbessern.

2. Mikrowellenvorrichtung mit dünnschichtigem Yttrium-Eisen-Granat nach Anspruch 1, in der die dünnschichtige Yttrium-Eisen-Granat-Anordnung (1) aus einem substituierten dünnschichtigen Yttrium-Eisen-Granat gebildet ist, in dem ein Teil des Fe³&spplus;-Ionengehalts durch einen Betrag δ eines nichtmagnetischen Elements ersetzt ist, wobei der Betrag δ als eine Formeleinheit ausgedrückt wird, und in der zusätzlich zu den Dicken 1m und 1x der Betrag δ ausgewählt ist, um die Temperatureigenschaften der Resonanzfrequenz der Vorrichtung zu verbessern.