DE3735500A1 - Ferromagnetischer resonator - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein ferromagnetischer Resonator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, der insbesondere für Mikrowellen-Geräte und Mikrowellen-Baugruppen, beispielsweise für Mikrowellenfilter und Mikrowellenoszillatoren, verwendet werden soll.

Ferromagnetische Resonatoren verschiedener Art sind schon bekannt, beispielsweise in Anwendung bei Filtern, bei denen die ferromagnetischen Resonanzeigenschaften einer Dünnschicht aus ferrimagnetischem Yttrium-Eisen-Granat (im folgenden YIG = Yttrium-Iron-Garnet) ausgenutzt werden, die aus der Flüssigphase mittels eines epitaxialen Wachstumsprozesses (im folgenden "LPE-Prozeß" = Epitaxial Growth Process) auf einem Gadolinium-Gallium-Granat-Substrat (im folgenden "GGG" = Gadolinium-Gallium-Garnet) erzeugt wurde und durch selektives Ätzen der YIG-Dünnschicht eine bestimmte geometrische Gestalt erhielt. Filter dieser Art sind beispielsweise in der US-PS 45 47 754 beschrieben.

Mikrowellenbaugruppen wie Filter, bei denen solche YIG- Dünnschichtelemente eingesetzt werden, haben den Vorteil, daß die Resonanzgüte Q im Mikrowellenband sehr hoch liegt, sich eine kompakte Bauweise erreichen läßt und aufgrund des LPE-Prozesses und der selektiven lithographischen Ätzung in Massenproduktion hergestellt werden können. Der vorgesehene Dünnfilm bzw. die Dünnschicht erleichtert außerdem die Herstellung integrierter Mikrowellenschaltkreise unter Verwendung von Mikrostreifenleitungen als Übertragungsstrecken.

Wie bekannt, werden üblicherweise sphärische YIG-Einkristalle für den ferromagnetischen Resonator des Mikrowellenbauelements verwendet. Kugelförmige YIG-Einkristalle besitzen die Vorteile, daß sich eine stabile magnetostatische Mode erreichen läßt und die einzige Resonanzmode zeigt sich als gleichförmige Präzessionsmode. Sphärische YIG-Einkristalle lassen sich jedoch in einer angestrebten Massenproduktion nur schwer verarbeiten. Daraus ergibt sich das Bestreben der anwendungsorientierten Forschung, einen für praktische Anwendungen geeigneten ferromagnetischen Resonator unter Verwendung eines YIG-Dünnfilms zu entwickeln, d. h. einer Dünnschicht mit ferrimagnetischen Eigenschaften.

Die sich bei Anlegen eines magnetischen Gleichfelds senkrecht zur Oberfläche einer magnetischen Scheibe einstellende magnetostatische Mode wird in einem Artikel in "Journal of Applied Physics", Band 48, Seiten 3001 bis 3007, Juli 1977, untersucht. Die sich einstellenden Schwingungsmoden lassen sich in vereinfachter Schreibweise darstellen als (n, N)m, wobei mit n die Anzahl der Schwingungsknoten in Umfangsrichtung und mit N die Anzahl der Knoten in Durchmesserrichtung bezeichnet sind, während m-1 die Anzahl der Knoten in Dickenrichtung angibt. Ist das magnetisierende Hochfrequenzfeld ausreichend gleichförmig über den gesamten Bereich der ferromagnetischen Scheibe, so sind die (1, N)₁- Moden prinzipiell magnetostatische Moden. Für Mikrowellenfilter oder Mikrowellenoszillatoren wird die Grund- oder Hauptmode (1, 1)₁ des (1, N)₁-Systems verwendet, während die restlichen magnetostatischen Moden als "Streu"- oder Störmoden angesehen werden und als Streugrößen bzw. Störschwingungen behandelt werden. So ist beispielsweise in der erwähnten US-PS 45 47 754 vorgeschlagen, einen mit einem ferrimagnetischen YIG-Dünnschichtelement verwirklichten Resonator mit einer Ringnut zu versehen. Es ist aus dieser Druckschrift weiter bekannt, den Zentralbereich der ferrimagnetischen YIG-Dünnschicht des Resonators mit einer Dicke zu gestalten, die kleiner ist als der Randbereich. Beide Maßnahmen sollen dazu dienen, die Streu- oder Störmoden zu unterdrücken bzw. zu reduzieren.

Da andererseits die Betriebsfrequenz eines ferrimagnetischen Dünnschichtresonators durch Veränderung des angelegten magnetischen Felds über einen weiten Bereich verändert werden kann, werden ferrimagnetische Dünnschichtresonatoren beispielsweise für frequenzvariable Mikrowellenoszillatoren bzw. frequenzvariable Mikrowellenfilter eingesetzt. Bei dieser Anwendungsart jedoch steigt der Leerlaufwert der Güte Q für die störenden Moden zusammen mit dem Leerlaufwert von Q für die (erwünschte) Hauptmode mit der Frequenz an, und zwar derart, daß die Störmode(n) nicht mehr vernachlässigt werden kann (können). Dieses Verhalten des ferrimagnetischen Dünnschichtresonators ist vor allem bedingt durch die Verteilung der Magnetisierungserregung.

Wie sich beispielsweise aus der Fig. 23 ersehen läßt, wird bei der in der US-PS 45 47 754 beschriebenen Art der Erregung ein Streifenleiter, nämlich die Übertragungsleitung 3, von der ein Ende an einen Masseleiter 2 angeschlossen ist und einheitliche Dicke, Breite sowie gleichförmige Impedanz aufweist, quer über ein scheibenförmiges ferrimagnetisches Dünnschichtelement 1 angeordnet, so daß sich eine magnetische Verkoppelung mit der ferrimagnetischen Dünnschicht 1 ergibt. Wird die Richtung der Übertragungsleitung 3 als x- Richtung und eine in der Oberfläche der ferrimagnetischen Dünnschicht 1 und senkrecht zur x-Richtung stehende Richtung als y-Richtung bezeichnet, während der Abstand zwischen dem geerdeten Ende der Übertragungsleitung 3 und der ferrimagnetischen Dünnschicht 1 mit l₁ sowie die Länge eines Überlappungsabschnitts zwischen der ferrimagnetischen Dünnschicht 1 und der Übertragungsleitung 3 mit l₂ angegeben sind, so ist ein sich aufgrund eines in y-Richtung fließenden Stroms i _rf einstellendes Magnetfeld Hy im wesentlichen gleichförmig, wenn gilt

l₁ ≦ x ≦ l₁ + l₂.

Die errechnete Magnetisierungsverteilung für die Moden (1, N]₁ (N = 1, 2 und 3) über die ferrimagnetische Dünnschicht 1 im Zustand der magnetischen Resonanz sind in Fig. 24 wiedergegeben. Diese Magnetisierungsverteilungen sind in jeder beliebigen diametralen Richtung gleich.

Die Magnetisierungsverteilung des die ferromagnetische Dünnschicht 1 beaufschlagenden Magnetfelds läßt sich für den dargestellten Aufbau bei Zuführung eines Hochfrequenzstroms i _rf als stehende Welle darstellen zu

Ix = i _rf cos (2π x/λ _g ) (1)

worin mit λ _g die Wellenlänge der Übertragungsleitung 3 bezeichnet ist. Wird die y-Komponente des durch den Strom i _rf erzeugten Magnetfelds mit Hy(x), Hy(x) α Ix bezeichnet, so ergibt sich

Hy(x) α i _rf cos (2π x/λ _g ) (2)

Daraus ergibt sich, daß Hy(x) für Stellen x « g _g /4, d. h. nahe beim auf Masse liegenden Ende der Übertragungsleitung 3, wo x annähernd Null gilt, praktisch konstant ist. Für einen Bereich x ≦ λ _g /4 nimmt Hy im Verlauf einer Cosinus- Kurve bis x = λ _g /4 auf Null ab.

Ist die Frequenz von i _rf niedrig, d. h. liegt λ _g relativ hoch, so ist Hy entlang der Übertragungsleitung 3 im wesentlichen konstant. Liegt die Frequenz i _rf dagegen relativ hoch, d. h. für relativ kleines λ _g , so ist die Intensität des magnetischen Felds am geerdeten Ende einerseits und am gegenüberliegenden Ende der ferromagnetischen Dünnschicht 1 andererseits unterschiedlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ferromagnetische Resonatoren der hier in Rede stehenden Art so zu verbessern, daß Störantwortgrößen, also die oben erwähnten "Streumoden" bzw. Störschwingungen wirksam unterdrückt werden.

Der erfindungsgemäße Vorschlag zur Lösung des aufgezeigten technischen und physikalischen Problems ist im Patentanspruch 1 angegeben.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Bei einem ferromagnetischen Resonator mit einem ferrimagnetischen Dünnschichtelement, einer mit diesem Dünnschichtelement gekoppelten Übertragungsleitung sowie mit einer Einrichtung zur Beaufschlagung der ferrimagnetischen Dünnschicht mit einem Vormagnetisierungsfeld senkrecht zu dessen Hauptfläche geht der Erfindungsgedanke dahin, über die Übertragungsleitung ein Magnetfeld zu erzeugen, dessen Verteilung ähnlich ist wie die Magnetisierungsverteilung einer Grundmode der senkrechten ferrimagnetischen Resonanz des ferrimagnetischen Dünnschichtelements.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung in beispielsweisen Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Draufsicht auf einen ferromagnetischen Resonator gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei in der Zeichnung geometrische Relationen zwischen einer ferromagnetischen Dünnschicht und einer Übertragungsleitung veranschaulicht sind;

Fig. 2 die Teilschnittdarstellung eines wesentlichen Teils des ferromagnetischen Resonators nach Fig. 1;

Fig. 3 und 4 Draufsichtdarstellungen zur Verdeutlichung des Zusammenhangs zwischen einer ferrimagnetischen Dünnschicht und einer Übertragungsleitung bei weiteren Ausführungsformen der Erfindung;

Fig. 5A, 5B und 5C Schnittdarstellungen des ferrimagnetischen Dünnfilms bei einem Resonator mit erfindungsgemäßen Merkmalen;

Fig. 6, 7 und 8 Diagramme zur Verdeutlichung der Reflexionskennlinien eines ferromagnetischen Resonators gemäß der Erfindung;

Fig. 9 und 10 Diagramme über den Verlauf der Einfügungsdämpfung ferromagnetischer Resonatoren mit erfindungsgemäßen Merkmalen;

Fig. 11 und 12 Kurvenverläufe über den gemessenen Zusammenhang der Einfügungsdämpfung der Übertragungsleitung auf das Verhältnis a/b der Übertragungsleitung für Frequenzen der Hauptschwingungsmode bzw. der Streu- oder Störmode;

Fig. 13 und 14 Diagramme gemessener Einfügungsdämpfungen auf den Übertragungsleitungen ferromagnetischer Resonatoren mit erfindungsgemäßen Merkmalen;

Fig. 15 und 16 in vergrößerter Darstellung vergrößerte Ausschnitte aus den Kurvenverläufen der Fig. 13 bzw. 14, die dort durch Einkreisen kenntlich gemacht sind;

Fig. 17, 18 und 19 Teilschnittdarstellungen wesentlicher Abschnitte von ferromagnetischen Resonatoren gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung;

Fig. 20, 21 und 22 die Schnittdarstellung, eine Draufsicht auf einen wesentlichen Abschnitt sowie eine auseinandergezogene Perspektivdarstellung eines frequenzvariablen Mikrowellenfilters erfindungsgemäßer Bauart;

Fig. 23 die Draufsicht auf einen ferromagnetischen Resonator hier in Rede stehender Art nach dem Stand der Technik;

Fig. 24 die Sichtkurvendarstellung der Magnetisierungsverteilung zur Verdeutlichung der herkömmlichen Erregung eines Resonatorelements;

Fig. 25 und 26 Diagramme zur Verdeutlichung des Reflexionsverhaltens eines herkömmlichen ferromagnetischen Resonators;

Fig. 27 und 28 Diagramme, welche gemessene Einfügungsdämpfungen bei herkömmlichen ferromagnetischen Resonatoren wiedergeben;

Fig. 29 und 30 Diagramme gemessener Einfügungsdämpfungen bei einem herkömmlichen ferromagnetischen Resonator; und

Fig. 31 und 32 vergrößerte Detaildarstellungen, die in den Fig. 29 bzw. 30 durch Einkreisen kenntlich gemacht sind.

Ein ferromagnetischer Resonator gemäß der Erfindung weist als wesentliche Bauteile eine ferrimagnetische Dünnschicht und eine mit dieser gekoppelte Übertragungsleitung auf und ist in der Lage, eine Hochfrequenzmagnetfeldverteilung zu erzeugen, welche der Magnetisierungsverteilung der Grund- oder Hauptmode bei senkrechter magnetischer Resonanz in der ferrimagnetischen Dünnschicht entspricht.

Gemäß der Erfindung entspricht eine Magnetfeldverteilung in der Übertragungsleitung der Magnetfeldverteilung der tatsächlichen oder objektiven Mode des ferrimagnetischen Dünnfilmelements, nämlich der Hauptresonanzmode bei einheitlichen Moden. Demzufolge sind die ferrimagnetische Dünnschicht und die Übertragungsleitung bei Moden höherer Ordnung, die von der objektiven Mode abweichen, d. h. bei Streu- oder Störmoden, schwach gekoppelt, so daß Störresonanz unterdrückt wird.

Unter Bezug auf Fig. 1 wird nachfolgend zunächst eine erste Ausführungsform eines ferromagnetischen Resonators erfindungsgemäßer Bauart beschrieben.

Eine ferrimagnetische Dünnschicht 1 aus einem YIG-Dünnfilm weist die Form einer Scheibe auf. Eine Übertragungsleitung 3, nämlich eine Streifenleitung, erstreckt sich quer über die ferrimagnetische Dünnschicht 1 und ist mit dieser magnetisch verkoppelt. Bei dieser Ausführungsform liegt die Impedanz der Übertragungsleitung 3 bei 50 Ω und weist eine Dicke W = 1,22 mm auf. Die Übertragungsleitung 3 ist an gegenüberliegenden Enden mit Aussparungen 4 versehen, welche jeweils auf die peripheren Bereiche der ferrimagnetischen Dünnschicht 1 ausgerichtet sind. Parallel ausgerichtete Hochimpedanzabschnitte 5 weisen jeweils eine Breite Ws = 0,171 mm bei einer vergleichsweise hohen Impedanz von 100 Ω auf und sind an gegenüberliegenden Seiten jeder der Aussparungen 4 ausgebildet.

Die Schnittdarstellung eines Resonators nach Fig. 2 läßt wiederum die ferrimagnetische Dünnschicht 1 erkennen. Der Resonator ist in Form einer frei abstehenden Substrat- Streifenleiterkonstruktion verwirklicht, die allgemein auch bereits in der US-PS 46 79 015 beschrieben ist. Die ferrimagnetische Dünnschicht 1 wird durch Wachstum von YIG auf einem nichtmagnetischen Substrat 6 erzeugt, beispielsweise einem GGG-Substrat, und durch Ausformung des YIG-Dünnfilms in einem bestimmten Muster insbesondere bei dieser Ausführungsform in Form einer Scheibe mittels eines photolithographischen Prozesses. Die Übertragungsleitung 3 mit dem wie in bezug auf Fig. 1 beschriebenen Muster wird auf einem isolierenden Substrat 7 hergestellt, etwa einem SiO₂-Substrat. Die Übertragungsleitung 3 wird durch Beschichten des isolierenden Substrats 7 mit einer Metallschicht mittels eines Vakuumniederschlagsprozesses oder mittels Sputtern sowie durch anschließendes Ätzen der Metallschicht in einem bestimmten Muster auf photolithographischem Wege hergestellt.

Sodann werden das nichtmagnetische GGG-Substrat 6 und das isolierende Substrat 7 übereinandergelegt, daß die ferrimagnetische Dünnschicht 1 und die Übertragungsleitung 3 magnetisch miteinander verkoppelt werden können. Die Anordnung von nichtmagnetischem GGG-Substrat 6 und isolierendem Substrat 7 wird zwischen einem oberen Leiter 8 und einem unteren Leiter 9 unter Freihaltung von Luftspalten 50 a und 50 b zwischen der Übertragungsleitung 3 und dem oberen Leiter 8 einerseits bzw. zwischen dem nichtmagnetischen Substrat 6 und dem unteren Leiter 9 gehalten. Wie bereits unter Bezug auf die Fig. 1 beschrieben, ist die Übertragungsleitung 3 an ihrem einen Ende elektrisch mit dem unteren Leiter 9 verbunden, der gleichzeitig als Masseleiter 2 dient.

Der ferromagnetische Resonator gemäß der Erfindung mit dem beschriebenen Aufbau enthält die Übertragungsleitung 3 als 50 Ω-Leitung und parallele 100 Ω-Leitungsabschnitte. Auf diese Weise werden unerwünschte Reflexionen aufgrund von Impedanz-Fehlanpassung verhindert und ein über die 50 Ω- Leitung übertragener Hochfrequenzstrom wird im wesentlichen gleich auf die beiden parallelen 100 Ω-Leitungen verteilt, so daß die Intensität des durch die 100 Ω-Leitung erzeugten Magnetfelds auf etwa die Hälfte der durch die 50 Ω-Leitung hervorgerufenen Intensität reduziert wird.

Bei dieser ersten, in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform sind die Ausnehmungen 4 in der Übertragungsleitung 3 so ausgebildet, daß sie auf die diametral einander gegenüberstehenden peripheren Abschnitte der ferrimagnetischen Dünnschicht 1 ausgerichtet sind. Die Anordnung kann jedoch auch so getroffen sein, daß nur eine Ausnehmung 4 am auf Masse liegenden Ende der Übertragungsleitung 3 vorgesehen ist, was beispielshalber in Fig. 3 veranschaulicht ist, oder es kann - wie in Fig. 4 gezeigt - ein Paar von Hochimpedanzleitungsabschnitten 5, beispielsweise 100 Ω-Leitungen, an jedem Ende der Übertragungsleitung vorgesehen sein, die gegeneinander aufgespreizt sind, um so das magnetische Feld Hy entlang der 100 Ω-Leitungen derart zu verformen, daß die magnetische Feldverteilung sich der Magnetisierungsverteilung der Grundmode nähert. In den Fig. 3 und 4 sind diejenigen Teile, welche den bereits zuvor unter Fig. 1 beschriebenen Teilen und Abschnitten entsprechen, mit den gleichen Bezugshinweisen gekennzeichnet, so daß eine erneute Erläuterung erübrigt werden kann.

Die ferrimagnetische Dünnschicht 1 kann so aufgebaut sein, wie in der US-PS 45 47 754 erläutert, um zu erreichen, daß das ferrimagnetische Dünnschichtelement die darin entstehende magnetostatische Störmode unterdrückt. Die Erzeugung einer Magnetisierungsverteilung in der Störresonanzmode wird also unterdrückt und beeinflußt die Grund- oder Hauptresonanzmode deshalb kaum, weil die Tatsache ausgenutzt wird, daß die Magnetisierungsverteilung in der magnetostatischen Mode der ferrimagnetischen Dünnschicht 1 für die Hauptresonanzmode anders aussieht als für die Störresonanzmode. Dies wird konkret dadurch erreicht, daß, wie beispielsweise in Fig. 5A gezeigt, eine konzentrische Ringnut 51 in der ferrimagnetischen Dünnschicht 1 so ausgebildet und angeordnet wird, daß die Hochfrequenzmagnetisierung der Mode (1, 1)₁ Null wird. Die Ringnut 51 kann entweder eine kontinuierlich durchgehende Nut oder eine unterbrochene Nut sein.

Eine andere konstruktive Gestaltung der ferrimagnetischen Dünnschicht 1 kann so aussehen, daß ein dünner Abschnitt 52 den inneren Flächenbereich der ferrimagnetischen Dünnschicht 1 bildet, wie in Fig. 5B gezeigt, um die Erregung der Störmode dadurch zu unterbinden, daß ein flaches Demagnetisierungsfeld sich im inneren Flächenbereich der ferrimagnetischen Dünnschicht 1 ausbildet.

Wie schließlich die Fig. 5C erkennen läßt, kann die ferrimagnetische Dünnschicht einerseits mit einer Nut 51 und andererseits mit einem durch die Nut 51 begrenzten dünneren Flächenbereich versehen sein.

Und weiterhin kann entweder als Ergänzung zu der Nut 51 und/oder dem verdünnten Abschnitt 52 oder auch ohne die Nut 51 oder den verdünnten Abschnitt 52 eine erforderliche oder erwünschte Magnetisierungsverteilung durch Implantation von nichtmagnetischen Ionen erreicht werden, um die Magnetisierung höherer Moden "festzunageln".

Die Fig. 6 bis 8 zeigen Smith-Diagramme gemessener Reflexionskennwerte ferromagnetischer Resonatoren mit dem Aufbau nach Fig. 1 (Fig. 6 und 7) bzw. mit der konstruktiven Gestaltung nach Fig. 3 (Fig. 8), wobei jeweils eine ferrimagnetische Dünnschicht 1 verwendet wurde, die mit einer Nut 51 gemäß Fig. 5A versehen war. Die Diagramme der Fig. 6, 7 und 8 zeigen die gemessenen Reflexionscharakteristika für eine Resonanzfrequenz von f = 5 GHz für eine Frequenzspanne von Δ f = 0,46 GHz, eine Resonanzfrequenz f = 10 GHz bei Δ f = 0,6 GHz bzw. für eine Resonanzfrequenz f = 10 GHz und eine Frequenzspanne Δ f = 0,6 GHz. Die Smith-Diagramme der Fig. 25 und 26 verdeutlichen die gemessenen Reflexionscharakteristika eines anhand der Fig. 23 beschriebenen ferromagnetischen Resonators für f = 5 GHz und Δ f = 0,4 GHz bzw. für f = 10 GHz und Δ f = 10 GHz und Δ f = 0,6 GHz. Beim ferromagnetischen Resonator mit Reflexionscharakteristika gemäß den Fig. 6 und 7, d. h. bei einem ferromagnetischen Resonator gemäß Fig. 1 bzw. einem ferromagnetischen Resonator gemäß der Konstruktion nach Fig. 3, dessen Reflexionscharakteristika die Fig. 8 verdeutlicht, gelten die Werte a/b = 7/3 bzw. a/b = 6/4, wenn mit a der Abstand zwischen dem Zentrum der ferrimagnetischen Dünnschicht 1 und der Innenkante der Aussparung 4 und mit b der Abstand zwischen der Innenkante der Aussparung 4 und dem Rand der ferrimagnetischen Dünnschicht 1 bezeichnet ist.

Wie sich aus dem Vergleich zwischen den Reflexionscharakteristika ferromagnetischer Resonatoren gemäß der Erfindung, veranschaulicht durch die Fig. 6 und 8, und bekannten Resonatoren, veranschaulicht durch die Fig. 25 und 26, ersehen läßt, werden bei ferromagnetischen Resonatoren gemäß der Erfindung Streu- oder Störmoden dann wirksam unterdrückt, wenn N dem Wert 2 entspricht oder größer ist.

Die Fig. 9 und 10 zeigen gemessene Durchlaßcharakteristiken, nämlich die Abhängigkeit der Einfügungsdämpfung von der Frequenz für den erfindungsgemäßen ferromagnetischen Resonator gemäß Fig. 1. Im Vergleich dazu zeigen die Fig. 27 und 28 Durchlaßcharakteristiken für den ferromagnetischen Resonator nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 23. Zur Messung der Durchlaßcharakteristik waren die Streifenleiter jeweils an einem Ende an eine Siganalquelle und am anderen Ende an eine angepaßte Last angeschlossen.

Wie sich aus dem Vergleich der Fig. 9 und 10 bzw. 27 und 28 ersehen läßt, werden beim erfindungsgemäßen ferromagnetischen Resonator Störmoden effektiv unterdrückt. Die jeweiligen äußeren Gütewerte Qs (Qes) des ferromagnetischen Resonators nach Fig. 23 einerseits und des ferromagnetischen Resonators nach der Erfindung andererseits (Fig. 1), der mit 100 Ω-Leitungen versehen ist, liegen für die Störmoden zweiter Ordnung bei 433 und 474 für 1 GHz bzw. 10 GHz, aber andererseits bei 718 und 918 für 1 GHz bzw. 10 GHz.

Die Fig. 11 verdeutlicht die gemessene Veränderung der maximalen Einfügungsdämpfung für die Grundmode, wobei die Größe a/b die Länge der 100 Ω-Leitungen repräsentiert, nämlich der Hochimpedanzabschnitte 5 des ferromagnetischen Resonators nach Fig. 1. In Fig. 11 beziehen sich die Kurven 101, 102 bzw. 103 auf Mittenfrequenzen von 1 GHz, 5 GHz bzw. 10 GHz.

Ähnlich wie Fig. 11 zeigt die Fig. 12 die gemessene Veränderung der maximalen Einfügungsdämpfung für die Streu- oder Störmode in Abhängigkeit von a/b für den gleichen ferromagnetischen Resonator. In Fig. 12 gelten die Kurven 111, 112 bzw. 113 für die Mittenfrequenzen 1 GHz, 5 GHz bzw. 10 GHz. Wie sich unschwer aus Fig. 12 ersehen läßt, wird die Einfügungsdämpfung für die Störmode am kleinsten, d. h. die Durchlaßcharakteristik wird deutlich verbessert, wenn das Verhältnis a/b in der Größenordnung von 5/5 liegt.

Die Fig. 13 und 14 veranschaulichen die Veränderung der Einfügungsdämpfung in Abhängigkeit von der Frequenz für den ferromagnetischen Resonator nach Fig. 1 bei Verwendung eines ferrimagnetischen YIG-Dünnschichtelements 1 mit einer Ringnut sowie für den gleichen ferromagnetischen Resonator ebenfalls mit einem ferrimagnetischen YIG-Dünnschichtelement 1, jedoch ohne die ringförmige Nut, wenn für a/b = 5/5 gilt. Die vergrößerten Darstellungen der in den Fig. 13 und 14 eingekreisten Bezirke gemäß den Fig. 15 und 16 lassen die Einfügungsdämpfung der Störmode erkennen. Die Fig. 29 und 30 zeigen die Veränderung der Einfügungsdämpfung mit der Frequenz in einem Frequenzband, dessen Mittenfrequenz in der Größenordnung von 5 GHz liegt, für den ferromagnetischen Resonator gemäß Fig. 23 unter Verwendung eines ferrimagnetischen YIG-Dünnschichtelements 1 mit Ringnut bzw. für einen ferromagnetischen Resonator nach Fig. 23 unter Einsatz eines ferrimagnetischen YIG-Dünnschichtelements 1, jedoch ohne Ringnut. Die Fig. 31 und 32 zeigen wiederum in vergrößerter Teilansicht die in den Fig. 29 und 30 eingekreisten Bezirke für die Störmode.

Für den Fachmann evident läßt sich aus einem Vergleich der Fig. 15, 16 bzw. 31, 32 ersehen, daß bei einem erfindungsgemäßen ferromagnetischen Resonator die Einfügungsdämpfung für die Störmode wirksam unterdrückt bzw. reduziert ist, und - was sich gut aus Fig. 15 ableiten läßt - ein mit der Ringnut 51 versehenes ferrimagnetisches Dünnschichtelement die Verhältnisse hinsichtlich der Einfügungsdämpfung für die Störmode weiter verbessert.

Bei den so weit beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung wird das Muster der Übertragungsleitung 3 im Hinblick auf eine geeignete Magnetfeldverteilung auf dem ferrimagnetischen YIG-Dünnschichtelement 1 gewählt. Es ist jedoch auch möglich, eine geeignete Magnetfeldverteilung auf dem ferrimagnetischen Dünnschichtelement dadurch zu erreichen, daß die Oberflächenkonfiguration der Übertragungsleitung 3, wie in Fig. 17 gezeigt, gebogen wird, um im Hinblick auf eine gewünschte Verteilung die Übertragungsleitung 3 mit dem ferrimagnetischen Dünnschichtelement 1 mit unterschiedlichen Graden zu verkoppeln.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 17 erstreckt sich die Übertragungsleitung 3 über ein Abstandsstück 7 A, das auf das isolierende Substrat 7 aufgebracht ist.

Die Fig. 18 und 19 zeigen eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen ferromagnetischen Resonators. Die Fig. 18 verdeutlicht einen Längsschnitt, d. h. einen Teilschnitt in Übertragungsrichtung, während die Fig. 19 einen Querschnitt veranschaulicht, d. h. einen Schnitt quer zur Übertragungsrichtung. Bei dieser Ausführungsform ist beispielsweise auf der Oberfläche des unteren elektrischen Leiters 9 ein auf das ferrimagnetische YIG-Dünnschichtelement 1 ausgerichteter Ansatz ausgebildet, derart, daß der Abstand zwischen dem unteren elektrischen Leiter 9 und dem ferrimagnetischen Dünnschichtelement 1 sich in einer gewünschten Verteilung über das ferrimagnetische Dünnschichtelement 1 verändert, um so eine gewünschte magnetische Verteilung auf oder im ferrimagnetischen Dünnschichtelement 1 zu erreichen. In den Fig. 17, 18 und 19 sind die im Zusammenhang mit der Fig. 1 bereits bekannten Hinweiszeichen verwendet worden, so daß eine weitere Beschreibung von Einzelheiten erübrigt werden kann.

Die Fig. 20 bis 22 zeigen einen ferromagnetischen Resonator gemäß der Erfindung in Anwendung auf ein frequenzvariables Mikrowellenfilter, wobei eine Schnittdarstellung (Fig. 20), eine (Teil-)Draufsicht (Fig. 21) und eine Explosionsdarstellung (Fig. 22) des frequenzvariablen Mikrowellenfilters wiedergegeben sind.

Wie sich aus den Fig. 20 bis 22 ersehen läßt, ist eine erste ferrimagnetische YIG-Dünnschicht 1 A und eine zweite ferrimagnetische YIG-Dünnschicht 1 B unter Einhaltung eines bestimmten Abstands auf einem nichtmagnetischen GGG-Substrat 6 aufgebracht. Eine dritte ferrimagnetische YIG-Dünnschicht 1 C liegt über dem nichtmagnetischen GGG-Substrat 6 zwischen der ersten und der zweiten ferrimagnetischen YIG- Dünnschicht 1 A und 1 B, um diese ersten und zweiten ferrimagnetischen YIG-Dünnschichten 1 A und 1 B miteinander zu verkoppeln. Eine erste Übertragungsleitung 3 A, nämlich eine eingangsseitige Mikrostreifenleitung, bzw. eine zweite Übertragungsleitung 3 B, nämlich eine ausgangsseitige Mikrostreifenleitung, sind auf der anderen Seite des nichtmagnetischen GGG-Substrats 6 so aufgebracht, daß sie mit dem ersten bzw. dem zweiten ferrimagnetischen YIG-Dünnschichtelement 1 A bzw. 1 B koppeln. Ein mittig angeordnetes Masse-Leitungsmuster 13 ist auf der die eingangsseitige Übertragungsleitung 3 A und die ausgangsseitige Übertragungsleitung 3 B tragenden Oberfläche des nichtmagnetischen GGG-Substrats so ausgebildet, daß es eine Fläche bedeckt, die dem dritten ferrimagnetischen YIG-Dünnschichtelement 1 C gegenübersteht, um so ein Ende der ersten Übertragungsleitung 3 A und ein Ende der zweiten Übertragungsleitung 3 B entgegengesetzt dem Ende der ersten Übertragungsleitung 3 A an das Masseleitungsmuster 13 anzuschließen. Das die ferrimagnetischen Dünnschichten 1 A, 1 B und 1 C tragende, nichtmagnetische Substrat 6, die Übertragungsleitungen 3 A und 3 B und das Massegrundmuster 13 sind zwischen einem oberen elektrischen Leiter 8 und einem unteren elektrischen Leiter 9 so gehalten, daß das Masseleitungsmuster 13 und die jeweiligen geerdeten Enden der Übertragungsleitungen 3 A und 3 B in elektrischem Kontakt mit dem oberen elektrischen Leiter 8 stehen. Das die ferrimagnetischen Dünnschichten 1 A, 1 B und 1 C tragende nichtmagnetische Substrat 6, die Übertragungsleitungen 3 A und 3 B und das Masseleitungsmuster 13, der obere elektrische Leiter 8 sowie der untere elektrische Leiter 9 bilden in dem beschriebenen Aufbau eine Mikrowellenfiltereinheit. Dieses Mikrowellenfiltereinheit ist in einem magnetischen Luftspalt angeordnet, der sich zwischen entsprechenden Magnetpolen 14 a₁ und 14 b₁ eines Paars von glockenförmig gestalteten Magnetkernen 14 a und 14 b befindet. Zumindest einer der Magnetkerne 14 a oder 14 b ist mit einer Wicklung 15 auf seinem zentral stehenden Magnetpol versehen. Ein die Wicklung 15 beaufschlagender Gleichstrom wird für variable Frequenzsteuerung zur Veränderung der Resonanzmittenfrequenz geregelt.

Die Mikrowellenfiltereinheit kann in irgendeiner der in den Fig. 1, 3, 4, 17, 18 und/oder 19 veranschaulichten Konstruktionen gestaltet sein, um gewünschte Magnetfeldverteilungen am eingangsseitigen ferrimagnetischen Dünnschichtelement 1 A und am ausgangsseitigen ferrimagnetischen Dünnschichtelement 1 B derart zu erzeugen, daß durch die ferrimagnetischen Dünnschichten 1 A und 1 B die Streumode unterdrückt wird.

Wie sich aus der obigen Beschreibung ersehen läßt, bildet sich auf dem ferrimagnetischen Dünnschichtelement 1 eine der Magnetisierungsverteilung in der Hauptschwingungsmode entsprechende Magnetfeldverteilung aus, die bei einem Resonanzelement dazu dient, den Kopplungsgrad des ferrimagnetischen Dünnschichtelements 1 mit der Übertragungsleitung 3 für die Störmode zu reduzieren, so daß die Störresonanz wirksam unterdrückt wird. Gemäß der Erfindung wird diese Störresonanz durch einfache konstruktive Maßnahmen und eine bestimmte Gestaltung und Anordnung der Übertragungsleitung erreicht, ohne daß zusätzliche Elemente erforderlich oder zusätzliche komplizierte konstruktive Maßnahmen benötigt werden.

Claims (6)

1. Ferromagnetischer Resonator mit

• - einer ferrimagnetischen Dünnschicht (1),
• - einer mit der Hauptfläche der ferrimagnetischen Dünnschicht (1) gekoppelten Übertragungsleitung (3) und mit
• - einer Einrichtung zur Beaufschlagung der ferrimagnetischen Dünnschicht (1) mit einem Vormagnetisierungsfeld senkrecht zu deren Hauptfläche,

dadurch gekennzeichnet, daß die ferrimagnetische Dünnschicht (1) über die Übertragungsleitung (3) mit einem hochfrequenten Magnetfeld beaufschlagt wird, dessen Verteilung der Magnetisierungsverteilung der (1,1)₁-Mode der ferrimagnetischen Resonanz entspricht.

2. Ferromagnetischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ferrimagnetische Dünnschicht die Form einer Scheibe aufweist.

3. Ferromagnetischer Resonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsleitung (3) ein Mikrostreifenleiter ist, von dem ein erster Abschnitt mit einem Mittenbereich der ferrimagnetischen Dünnschichtscheibe koppelt, während ein zweiter Bereich mit einem Randbereich der ferrimagnetischen Dünnschichtscheibe gekoppelt ist und eine höhere Impedanz aufweist als der erste Abschnitt.

4. Ferromagnetischer Resonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ferrimagnetische Dünnschichtscheibe einen peripheren Bereich aufweist, der aufgrund von Pin-Magnetisierung eine magnetostatische Mode zeigt, die von der (1,1)₁-Mode abweicht.

5. Ferromagnetischer Resonator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der periphere Bereich mit einer Ringnut (51) versehen ist.