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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vervielfachen einer Frequenz
und ein Instrument zum Vervielfachen einer Frequenz, die besonders nützlich auf
den Gebieten der Mikrowellen- und
der Hochfrequenztechnik sind, wo die wirksame Vervielfachung einer
Frequenz von einem mobilen Kommunikationsgerät oder einem Zellularinformationsinstrument
erforderlich ist.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Eine
Frequenz, die an einem mobilen Kommunikationsgerät oder einem Zellularinformationsinstrument
erzeugt und von diesem gesendet wird, wird vervielfacht, indem das
nicht lineare Widerstandsverhalten eines Kristalldetektors genutzt
wird. Da jedoch in diesem Fall zahlreiche Elemente gesteuert und aufeinander
abgestimmt werden müssen,
wird die Operation kompliziert.
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Andererseits
wird eine monolithische integrierte Mikrowellenschaltung verwendet,
in der eine gegebene Mikrowellenschaltung als Hochgeschwindigkeits-
und Hochfrequenzschaltung auf einem einzigen Substrat ausgeformt
ist. Da sich die monolithische integrierte Mikrowellenschaltung
gut zur Massenfertigung eignet, wird sie vorzugsweise zur kommerziellen
Verwendung eingesetzt. Es wird jedoch gewünscht, dass die monolithische
integrierte Mikrowellenschaltung die Anforderungen hinsichtlich
höherer
Frequenzen, niedrigeren Kosten, Miniaturisierung und Gewichtseinsparung
sowie geringe elektrische Leistungsaufnahme erfüllt.
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Das
US-Patent Nr. 4,527,127 an Hartley beschreibt einen Frequenzvervielfacher
für elektromagnetische
Wellen, bei dem sich Vielfache der Eingangsfrequenz ausbreiten,
während
die Eingangsfrequenz abklingt. Ein Rechteckwellenleiter oder ein
anderes geeignetes wellenleitendes Element mit einer Abschneidefrequenz über der
Eingangsfrequenz, aber unter der Ausgangsfrequenz, enthält die Vervielfachungsstruktur.
Die Eingangsfrequenz wird mittels eines im Wellenleiter oder im
anderen Element neben der Quelle der Eingangswellen angeordneten Stabs
vervielfacht. Der Stab kann einen Vervielfacherspalt zwischen einer
seiner Oberflächen
und einer Wand des Wellenleiters oder des anderen Elements definieren,
wobei in diesem Fall der Vervielfacherspalt einen Multipaktor zwischen
seinen Oberflächen
enthalten kann, der die Vielfachen der Eingangsfrequenz erzeugt.
Der Vervielfacherspalt kann wahlweise ein nicht lineares Element
enthalten, das auf starkes elektrisches Feld anspricht, wie ein
ferromagnetisches Material, das ebenfalls Vielfache der Eingangsfrequenz
erzeugt. Alternativ kann der Stab von einem nicht linearen Element
aus ferromagnetischem Material umgeben sein, das auf ein starkes Magnetfeld
anspricht. Bei jeder Ausführungsform können sich
Wellen mit der gleichen Frequenz wie die Eingangswellen nicht ausbreiten,
während
Wellen über
der Abschneidefrequenz durch den Wellenleiter oder das andere Element
zu einer Ausgangsöffnung
wandern.
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Das
US-Patent Nr. 3,771,044 an Cohen et al. betrifft eine Vorrichtung
zur Frequenzverdopplung und -begrenzung über ein breites Frequenzband,
bei der die magnetische Widerstandsänderung in einem magnetischen
Film genutzt wird. Die Vorrichtung enthält eine dünne Platte aus einem magnetoresistenten ferromagnetischen
Material, die in ein elektronisch erzeugtes rotierendes Magnetfeld
getaucht ist. Im Betrieb liefert eine externe Spannungsquelle einen konstanten
Gleichstrom durch die Platte. Wenn ein Signal mit der Frequenz f1 an den Ausgangsanschlüssen der das rotierende Magnetfeld
erzeugenden Spulen anliegt, erscheint ein Signal mit 2f1 an den
Ausgangsanschlüssen
des magnetoresistenten Elements. Wenn die Frequenz des Eingangssteuersignals
geändert
wird, folgt das Ausgangssignal dem Eingangssignal kontinuierlich,
aber mit doppelter Frequenz ohne Verwendung eines Ausgangsfilters. Die
Amplitude des Ausgangssignals ist direkt proportional zur Größe des anliegenden
Gleichstroms und zur Größe der räumlichen
magnetischen Widerstandsänderung
in der Platte. Bei hinreichend hohen Eingangspegeln bleibt die Amplitude
des Ausgangssignals mit dem Eingangssignalpegel konstant. Das Gerät kann als
Frequenzverdoppler und -begrenzer in einem Frequenzbereich von unterhörfrequent
bis VHF arbeiten.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Unter
diesem Gesichtpunkt ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein neues Verfahren gemäß Anspruch
1 zum Vervielfachen einer Frequenz und ein Instrument gemäß Anspruch
11, das für
dieses Verfahren verwendbar ist, bereitzustellen.
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Zur
Lösung
der obigen Aufgabe stellt die Erfindung ein Verfahren zum Vervielfachen
einer Frequenz bereit, das die Schritte aufweist: Bereitstellen eines
ferromagnetischen Films, der eine inhärente Resonanzfrequenz hat,
und Einleiten einer elektromagnetischen Welle, die eine Eingangsfrequenz gleich
der Resonanzfrequenz des ferromagnetischen Films hat, in diesen
Film, wodurch eine ferromagnetische Resonanz im ferromagnetischen
Film induziert wird, und Verwenden der induzierten Resonanz, um die
Eingangsfrequenz der eingeleiteten elektromagnetischen Welle zu
vervielfachen.
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Die
Erfinder haben intensiv nach einem neuen Verfahren zur Frequenzvervielfachung
geforscht. Als Ergebnis haben sie ein neuartiges Verfahren zum Vervielfachen
einer Frequenz entwickelt, das die ferromagnetische Resonanz eines
ferromagnetischen Films nutzt, wie oben erwähnt wurde.
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1 ist
eine Ansicht zur Erläuterung
des Prinzips des Verfahrens zur Frequenzvervielfachung gemäß der vorliegenden
Erfindung. Bei der ferromagnetischen Resonanz eines ferromagnetischen
Films wird das magnetische Moment M durch das diamagnetische Feld
beeinflusst, das in der Richtung senkrecht zur Hauptoberfläche des
ferromagnetischen Films erzeugt wird und so mit großer Amplitude
in der Richtung parallel zur Hauptoberfläche und mit kleiner Amplitude
in der Richtung senkrecht zur Hauptoberfläche eine Präzessionsbewegung ausführt. In
diesem Fall oszilliert das magnetische Moment M zwei mal in Z-Richtung,
während
es ein mal in X-Richtung oszilliert, wie in 1 dargestellt
ist. Wenn deshalb eine ferromagnetische Resonanz mit einer Resonanzfrequenz
f erzeugt wird, oszilliert das magnetische Moment M f mal in X-Richtung
und 2f mal in Z-Richtung.
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Wenn
eine elektromagnetische Welle mit nahezu der gleichen Eingangsfrequenz
wie die Resonanzfrequenz f in den ferromagnetischen Film eingeleitet
wird, wird eine ferromagnetische Resonanz wie oben erwähnt erzeugt
und das magnetische Moment M oszilliert mit einer Frequenz 2f in
Z-Richtung, um eine elektromagnetische Welle mit einer Frequenz
2f abzustrahlen. Als Ergebnis wird die Eingangsfrequenz der eingeleiteten
elektromagnetischen Welle zwei mal vervielfacht. Das bedeutet, die
Frequenz einer gegebenen elektromagnetischen Welle kann auf einfache
Weise vervielfacht werden, indem die ferromagnetische Resonanz einen
ferromagnetischen Films genutzt wird.
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Die
in der vorliegenden Erfindung zu verwendenden Resonanzfrequenz eines
ferromagnetischen Films kann in geeigneter Weise in Abhängigkeit
von der Art des ferromagnetischen Materials und der Dicke des Films
etc. eingestellt werden. Die Eingangsfrequenz der elektromagnetischen
Welle kann deshalb innerhalb eines weiten Bereichs vervielfacht werden.
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Da
außerdem
die Abmessung des ferromagnetischen Films in Nanometer-Größenordnung
eingestellt ist, kann das Vervielfachungsinstrument miniaturisiert
werden. Da außerdem
die ferromagnetische Resonanz ohne ein externes Magnetfeld erzeugt
wird, kann zur Erzeugung des Magnetfeldes keine zu hohe elektrische
Leistung verbraucht werden und deshalb kann eine niedrige Leistungsaufnahme
verwirklicht werden.
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Außerdem kann
der ferromagnetische Film aus einem Co-Einkristallfilm hergestellt
werden, dessen Kosten niedrig sind, wie nachstehend erläutert und
es wird kein zusätzlicher
externer Magnet verwendet, wie oben erwähnt. Das Vervielfachungsverfahren
und das Vervielfachungsinstrument der vorliegenden Erfindung können deshalb
die Anforderungen hinsichtlich niedriger Kosten erfüllen.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Zum
besseren Verständnis
der vorliegenden Erfindung sei auf die beiliegenden Zeichnungen
verwiesen; es zeigen:
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1 eine
Ansicht zur Erläuterung
des Prinzips des Verfahrens zur Frequenzvervielfachung gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Vervielfachungsinstruments, das beim
Verfahren zum Vervielfachen einer Frequenz gemäß der vorliegenden Erfindung
anzuwenden ist.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Diese
Erfindung wird nunmehr ausführlich unter
Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. 2 ist
eine perspektivische Ansicht eines Vervielfachungsinstruments, das
beim Verfahren zum Vervielfachen einer Frequenz gemäß der vorliegenden
Erfindung anzuwenden ist. Ein in 2 dargestelltes
Vervielfachungsinstrument 10 für eine Frequenz enthält einen
Hohlraumresonator 1 und einen ferromagnetischen Film 2 mit
einer Resonanzfrequenz f, der an der Oberfläche 1B einer unteren
Wand im Innern des Hohlraumresonators 1 vorgesehen ist.
In der Wandoberfläche 1A des
Hohlraumresonators gegenüber
dem ferromagnetischen Film 2 ist eine Öffnung 3 und in der
Oberfläche 1C der Seitenwand
des Hohlraumresonators 1 ist ein Schlitz 4 ausgeformt.
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Eine
elektromagnetische Welle E mit einer zu vervielfachenden gegebenen
Eingangsfrequenz wird von der Öffnung 3 in
den Hohlraumresonator 1 eingeleitet. In diesem Fall ist
es erforderlich, dass die Eingangsfrequenz der Welle gleich der
Resonanzfrequenz f des ferromagnetischen Films 2 eingestellt wird.
Da wie oben erwähnt
die Resonanzfrequenz f innerhalb eines weiten Bereichs durch die
Wahl des ferromagnetischen Materials, die Abmessung usw. des Films
variiert werden kann, kann das Vervielfachungsinstrument 10 elektromagnetische
Wellen E mit einem weiten Bereich an Eingangsfrequenzen verarbeiten.
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Nach
dem Einleiten in den Hohlraumresonator 1 erzeugt die elektromagnetische
Welle E eine ferromagnetische Resonanz im ferromagnetischen Film 2.
Wie oben erläutert
oszilliert in diesem Fall das elektromagnetische Moment zwei mal
in Z-Richtung, während
es ein mal in X-Richtung oszilliert. Deshalb wird eine elektromagnetische
Welle mit einer Frequenz 2f, die zwei mal so hoch ist wie die Eingangsfrequenz
der elektromagnetischen Welle E, erzeugt und abgestrahlt und dann
aus dem Schlitz 4 herausgeführt, der in der Z-Richtung
vorgesehen ist.
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In 2 sind
die X- und Z-Richtung nach Belieben festgelegt und können so
in der Hauptoberfläche
des ferromagnetischen Films 2 festgelegt werden. Zum Herausführen ist
es jedoch erforderlich, dass ein gegebener Schlitz 4 in
der neu festgelegten Z-Richtung vorgesehen wird.
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Obwohl
in 2 nur der eine ferromagnetische Film 2 im
Hohlraumresonator 1 vorgesehen ist, um die Eingangsfrequenz
der elektromagnetischen Welle W zu vervielfachen, kann auch eine
Mehrzahl ferromagnetischer Filme vorgesehen werden, so dass die
Eingangsfrequenz mehrere Male vervielfacht und so eine elektromagnetische
Welle mit einer höheren
Frequenz erzeugt wird.
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Bei
der mehrfachen Vervielfachung ist eine Mehrzahl ferromagnetischer
Filme mit entsprechenden Resonanzfrequenzen f, 2f, 4f, ..., 2nf
(n: natürliche
Zahl) vorgesehen und nacheinander in derselben Ebene angeordnet.
Dann wird eine elektromagnetische Welle (erste elektromagnetische
Welle) mit einer Eingangsfrequenz gleich der ersten Resonanzfrequenz
f in den ersten ferromagnetischen Film mit der Frequenz feingeleitet,
um eine elektromagne tische Welle (zweite elektromagnetische Welle)
mit der zweiten Resonanzfrequenz 2f, die zwei mal so hoch ist wie
die erste Resonanzfrequenz f, zu erzeugen und abzustrahlen.
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Dann
wird die zweite elektromagnetische Welle in den zweiten ferromagnetischen
Film mit der zweiten Resonanzfrequenz 2f eingeleitet, um eine elektromagnetische
Welle (dritte elektromagnetische Welle) mit der dritten Resonanzfrequenz
4f zu erzeugen und abzustrahlen. Deshalb kann durch mehrfaches Wiederholen
einer solchen Operation schließlich
eine elektromagnetische Welle mit einer Frequenz 2nf erzeugt und
abgestrahlt werden. Das bedeutet, dass dann, wenn eine Mehrzahl
ferromagnetischer Filme mit jeweiligen 2nf-fachen Frequenzen nacheinander
angeordnet und eine gegebene elektromagnetische Welle mit einer
Frequenz f nacheinander vom ersten ferromagnetischen Film mit der ersten
Frequenz f bis zum letzten ferromagnetischen Film mit der letzten
Frequenz 2nf in die ferromagnetischen Filme eingeleitet wird, die
eingeleitete elektromagnetische Welle mehrere Male vervielfacht wird,
um so auf einfache Weise einen ferromagnetischen Film mit höherer Frequenz
bereitzustellen.
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Zum
Beispiel kann eine Mehrzahl ferromagnetischer Filme auf derselben
Oberfläche 1B der
unteren Wand des einzigen Hohlraumresonators 1 angeordnet
werden, wie in 2 dargestellt ist. Außerdem wird
die Mehrzahl ferromagnetischer Filme in ihren jeweiligen Hohlraumresonatoren
eingesetzt und die Holraumresonatoren werden nacheinander entsprechend
der Amplitude der Resonanzfrequenzen der ferromagnetischen Filme
angeordnet.
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Der
ferromagnetische Film besteht aus einem Material zur Erzeugung einer
ferromagnetischen Resonanz. Der ferromagnetische Film kann z. B.
aus einem hinreichend bekannten ferromagnetischen Material wie Fe,
Ni, Co und Legierungen dieser Elemente bestehen. Besonders bevorzugt
besteht der ferromagnetische Film aus einem Co-Einkristallfilm.
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Da
ein solcher Co-Einkristallfilm eine kubisch-flächenzentrierte Kristallstruktur
hat und damit eine höhere
magnetokristalline Anisotropie, kann eine gegebene ferromagnetische
Resonanz darin auf einfache Weise ohne ein externes Magnetfeld nur
dadurch erzeugt werden, dass eine elektromagnetische Welle mit einer
Frequenz, die nahezu gleich ist der Resonanzfrequenz, eingeleitet
wird. Da in diesem Fall kein zusätzlicher
externer Magnet benötigt
wird, kann mit dem Vervielfachungsinstrument eine geringe elektrische
Leistungsaufnahme und somit das Vervielfachungsverfahren der vorliegenden
Erfindung verwirklicht werden. Da außerdem Aufbau und Mechanismus
des Vervielfachungsinstruments vereinfacht werden und ein solcher
Co-Einkristallfilm wie er verwendet wird, nicht teuer ist, können das
Vervielfachungsinstrument und das Vervielfachungsverfahren der vorliegenden
Erfindung deshalb die Anforderungen hinsichtlich niedriger Kosten
erfüllen.
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Wenn
der ferromagnetische Film aus dem Co-Einkristallfilm hergestellt
wird, wird die Dicke vorzugsweise zwischen 0,5 bis 5 nm, insbesondere
zwischen 1 und 2 nm eingestellt. In diesem Fall kann das magnetische
Moment eine Präzessionsbewegung
in der Hauptoberfläche
ausführen
und damit eine gegebene ferromagnetische Resonanz auf einfache Weise
verwirklicht werden.
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Die
Länge des
ferromagnetischen Films wird zwischen 0,5 und 30 nm und seine Breite
zwischen 0,5 und 30 nm eingestellt. Das in 2 dargestellte Vervielfachungsinstrument
kann deshalb hinreichend miniaturisiert werden.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf die obigen
Beispiele beschrieben worden ist, ist diese Erfindung nicht auf
die obige Offenbarung beschränkt,
und jegliche Art von Variation und Modifikation kann vorgenommen
werden, ohne vom Gültigkeitsbereich
der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Wie
oben erwähnt
kann mit dem Vervielfachungsverfahren und dem Vervielfachungsinstrument
der vorliegenden Erfindung eine Eingangsfrequenz einer elektromagnetischen
Welle auf einfache Weise vervielfacht werden, indem die ferromagnetische
Resonanz eines ferromagnetischen Films genutzt wird.