KR950005157B1 - Yig 박막 마이크로파 장치 - Google Patents

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세이고 이또
히또시 다마다
도시로 야마다
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소니 가부시끼가이샤
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Abstract

내용 없음.

Description

YIG 박막 마이크로파 장치
제1도는 제4도 및 제5도는 본 발명의 YIG(이트륨 철 가넷)박막 마이크로파 장치의 개략도.
제2도는 Mg-Mn-Al 페라이트의 포화자화의 온도특성을 도시한 그래프.
제3도 및 제6도는 본 발명의 마이크로파 장치의 양호한 실시예에서 공진 주파수의 온도특성을 도시한 그래프.
제7도는 YIG의 포화자화의 온도특성을 도시한 그래프.
제8도는 공진 주파수에서 변화 △f와 YIG에서 Ga 대치량 사이의 관계를 도시한 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 마이크로파 장치 2 : 자기회로
3 : U형 요크 3 : 영구 자석
본 발명은 YIG 박막의 강자성 공진을 이용한 마이크로파 장치에 D.C바이어스 장기장을 인가하기 위한 수단을 포함하는 YIG 박막 마이크로파 장치에 관한 것이다.
액상 에피텍셜 성장(이하 LPE라 함)에 의해 GGG(가드리늄 갈륨 가넷) 비자성 기판상에 형성되고, 포토리도그래피 방법으로 선택적 에칭에 의해 원형 또는 장방형과 같은 소정의 형태로 이루어지는 강자성 재질로서 YIG 박막의 강자성 공진을 이용하는 필터 및 발진기가 같음 마이크로파 장치가 제안되었다. 상기 마이크로파 장치는 마이크로-스트립 라인과 같은 전달 라인을 갖는 마이크로파 직접 회로 형성을 가능하게 하며, 또 다른 마이크로파 직접 회로와 하이브리드 연결을 쉽게할 수 있도록 한다. 또한, YIG 박막의 자기 공진을 이용하는 마이크로파 장치는 상술한 바와같이 LPE 및 포토리도그래피 방법에 의해 만들어질 수 있기 때문에, 대향 생산의 조건이 여러 가지로 개선된다.
상술한 바와같이, YIG 박막의 자기 공진을 이용하는 마이크로파 장치는 YIG 구형을 이용한 종래의 자기 공진소자에 비해 실제로 장점이 많다.
그러나, 상술한 바와같이 YIG 박막의 강자성 공진을 이용하는 장치에서. YIG 박막의 강자성 공진 주파수 f는 온도 T에 따라 상황이 다르다. 그래서, 실제 사용에 있어서, 온도특성이 만족스럽지 못하다는 문제가 발생한다.
상기와 같은 문제는 다음에서 설명하기로 한다. YIG 박막의 강자성 공진 주파수 f는 키렐 방정식을 이용하여 다음과 같이 표현될 수 있으며, 공진 주파수에 기여하는 비등방성 자기장이 무시할 수 있을 정도로 충분히 작다.
[수학식 1]
Figure kpo00001
여기서 γ는 회전자기 비율이며, γ=2.8㎒/Oe이고, Hg는 DC 바이어스 자기장이고, NzY는 YIG 박막의 비자화 인수이며, 상기 인수는 정자기 모드 이론을 이용하여 계산한다. 4πMsY는 YIG의 포화자화이며, 모든 f, Hg 및 4πMsY는 온도 T의 함수이다. 0.01의 종황비(두께/직경)을 갖는 YIG 디스크의 수직 공진의 한가지 실시예에서, 비자화 인수 NzY는 0.9774이며 포화자화 4πMsY는 바이어스 자기장 Hg가 온도에 관계없이 일정하다고 가정하면 섭씨 -20도에서 1916G(가우스)이며, +60에서는 16 22G이다. 그래서, 공진 주파수 f는 섭씨 -20도에서 60도 범위의 온도에서 835㎒가 변한다.
YIG 박막 마이크로파 장치에서 주변온도로 인한 공진 주파수에서 편이를 피하기 위해, 장치를 항온도에 위치시켜 YIG 박막 자기 공진장치를 일정한 온도로 유기시키는 방법 또는 전자기 수단에 의해 온도에 따라 변하는 자기장을 변화시켜 장치의 공진 주파수를 일정하게 유지하는 방법이 제안되었다. 그러나 상기 방법은 전류 제어기와 같은 필요한 외부 에너지 공급 수단을 구성하는 것이 복잡하다.
본 발명의 목적은 상기 문제를 피할 수 있는 YIG 박막 마이크로파 장치 즉, 온도특성을 보상하기 위한 외부 회로의 필요성을 없애며, 온도특성을 보상하기 위한 전력 소비가 없는 마이크로파 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 고정 주파수 및 가변 주파수 모두를 이용할 수 있는 YIG 박막 마이크로파 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 광범위한 주파스 범위에서 온도특성을 만족스럽게 보상할 수 있는 YIG 박막 마이크로파 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 한가지 특성에 따라서, 강자성 공진 효과를 이용한 YIG 박막 소자와, YIG 박막 소자가 있는 곳에서 길이 1g의 갭을 가지며 바이어스 자기장을 YIG 박막 소자의 박막면에 수직으로 안가하는 자기 회로를 구비하는 YIG 박막 마이크로파 장치가 제공되며, 상기 자기 회로는 두께 1m를 갖는 영구 자석과 두께 1x를 갖는 연자석 관을 포함하고, 상기 영구 자석은 다음 특성을 만족시킨다.
[수학식 2]
BrO＞(fo/γ)+ NzY4πMsoY
[수학식 3]
Figure kpo00002
그리고 연자석 판은 다음 특성을 만족시킨다.
[수학식 4]
4πMsoX＞(fo/γ)+ NzY4πMsoY
[수학식 5]
Figure kpo00003
여기서 fo는 YIG 박막 소자의 공진 주파수이고, γ는 YIG 박막의 회전 자기 비율, NzY는 YIG 박막의 비자화 인수, 4πMsoY는 실온에서 YIG 박막의 포화자화이며 4π MsoY는 연자기판의 포화자화이며 BrO실온에서 영구 자석의 잔류 자기이고, α1 B는 실온 근방에서 영구 자석의 잔류 자기의 1차 온도계수 α1 Y는 실온부근에서 YIG 박막의 포화자화의 제1차 온도계수이며, α1 X는 실온 부근에서 연자석판의 포화자화의 제1차 온도계수이다. 그리고 두께 1m 및 1x의 공진 주파수에 따라 온도를 개선할 수 있도록 선택된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, YIG 박막이 YIG에서 3가철 이온 Fe3+가 부분적으로 비자기 이온으로 대체되는 대체 YIG 재질로 YIG 박막이 상기 구성으로된 마이크로파 장치가 제공된다. 그래서, 온도 보상은 영구 자석의 두께 1m, 연자석판의 두께 1x 및 공식의 단위로 표현된 대체량 δ을 선택하여 이루어질 수 있다.
제1도에 있어서, 상기 도면은 본 발명의 YIG 박막 마이크로파 장치를 도시하며, 참고번호(1)은 YIG 박막과 YIG 박막에 전자기적으로 접속된 스트립 라인의 마이크로파 소자를 표시하며, 참고번호 2는 바이어스 자장을 마이크로파 소자(1)에 인가하는 자기 회로를 표시한다. 한가지 예로서, 자기 회로(2)는 U형 요크(3), 각각 두께 1m을 갖는 영구 자석(4)과 예를들어 두께 1x를 갖는 연성 페라이트로 만들어진 연질 자기판(5)을 구비한다. 영구 자석(4)과 연질 자석판(5)은 요크(3)의 양 단부의 대향 표면에 장치되어 2개의 연질 자석판(5) 사이에서 간격1g를 갖는 자기 캡 g을 만든다. 마이크로파 소자(1)는 자기갭 g에 위치된다.
제1도에 도시한 바와같이 자기회로에 있어서, 모든 자속은 자기갭 g을 통과하며, 갭 g에서의 자계는 일정하며, 요크의 투과율은 무한대라 가정하면, 맥스웰 방정식에 다음식이 주어진다.
[수학식 6]
Bm=Bx=Bg ………………………………………………………… (2)
[수학식 7]
lmHm=lgHg+lxHx ………………………………………………… (3)
여기서, Bm,Bx 및 Bg는 영구 자석(4) 및 연질 자기판(5) 및 자기갭 g의 지속 밀도를 각각 나타낸다. Hm,Hx 및 Hg는 영구 자석(4), 연질 자기판(5) 및 자기갭 g의 자계를 각각 나타내며, Hm의 방향은 Hg, Hx, Bm, Bx 및 Bg의 방향과 반대로 된다.
영구 자석(4)이 접합점을 가지지 않고 영구 자석(4)의 반동 투과율이 일정하면, 즉, 강자 곡선이 선형성을 나타내면, 다음의 방정식(4)이 주어진다.
[수학식 8]
Figure kpo00004
연질 체라이트판(5)이 충분히 포화되고, 포화자화 및 강자 요소가 각각 4πMsX및 NzY라고 가정하면, 연질 페라이트판에서 자계 Hx는 다음의 방정식(5)으로 나타낸다.
[수학식 9]
Hx=Hg- NzX4πMsX……………………………………………………… (5)
열팽창에 의한 자기 회로의 칫수 변화가 충분히 작아서 거의 무시될 정도라면, 자기 회로(2)의 갭에서의 자계는 방정식(3),(4) 및 (5)로부터 추출되며, 온도 T의 함수로서 다음 방정식(6)으로 나타낸다.
[수학식 10]
Figure kpo00005
자석의 제2치수에 대한 온도계수 α1 B,α2 B,α1 Y,α2 Y,α1 X및 α2 X를 고려하면, YIG 및 연질 페라이트판이 실내온도 To부근에서 ± 몇십 온도범위, 구체적으로 ±40℃이면, 영구 자석의 잔류자기 Br 및 YIG의 포화자기 4πMsY는 다음과 같이 매우정확하게 나타낼 수 있다.
[수학식 11]
Figure kpo00006
공진 주파수 f(T)를 온도 T에 무관하게 상수로 하기 위해서는, 방정식(1) 및 (6)으로부터의 다음의 방전식(10)에 필요하다.
[수학식 12]
Figure kpo00007
방정식(7),(8) 및 (9)를 방정식(10)으로 대체하며, 온도 T에 대해 0차수, 공진 주파수1차수, 2차수의 각 조건을 동일하게 하면, 다음의 방정식을 얻는다.
[수학식 13]
Figure kpo00008
YIG, 영구 자석 및 연질 자기판에 대해 각각의 재질이 주어지며, 자기갭의 간격 1g도 역시 주어진다면, 방정식(11),(12) 및 (13)을 동시에 만족시키는 1m 및 1x의 조합을 얻는 것은 불가능하다. 따라서, 1차 조건과 같이 (11) 및 (12)를 만족시키는 값 1m 및 1X가 다음과 같이 주어진다.
[수학식 14]
Figure kpo00009
방정식(14) 및 (15)으로부터 1m 및 1x가 양의 해를 가지도록 하기 위해서는 다음과 같은 조건이 설정되어야 한다.
[수학식 15]
Figure kpo00010
방정식(17)에서 Nz≤1이므로 다음의 조건이 설정되면 방정식(17)은 항상 성립된다. 즉,
[수학식 16]
Figure kpo00011
따라서. 실온에서 잔류자기 Br을 가지는 영구 자석 재질이 (fo/γ)+ NzY4πMsoY보다 크며 실온 주위에서 잔류자기 Br의 제1차수 온도계수 α1 B가 NzY4πMsoY·α1 Y/{(fo/γ)+NzY4πMsoY} 보다 크게하며, 실온에서 포화 자기 4πMsoY를 가지는 소위말하는 연질 자기판이 (fo/γ)+NzY4πMsoY보다 작으며, 실온 주위에서 포화자기 4πMsX의 제1차수 온도계수 α1 X가 NzY4πMsoYα1 Y/{(fo/γ)+ NzY4πMsoY} 보다 작게 하므로 양호한 온도특성이 얻어진다.
[실시예 1]
제1도에 도시된 구조에 있어서, 연질 페라이트(5)은 제2도에 도시된 바와같은 온도특성을 가지는 Mg-Mn-Al 페라이트로 형성되며, 영구 자석(4)는 Br=11000G, α1 B=-1.2×10-3및 α2 B=-0.75×10-6인 Nd2Fe14B자석과, Br=6000G, α1 B=-0.9× 10-3및 α2 B=0 인 C2Co5자석과, r=8500G, α1 B=-0.5×10-3및 α2 B=0인 SmCo5자석중의 어느 하나로 형성되어 있다.
표 1, 표 2 및 표 3에서 도시된 바와같이 -20℃ 내지 +60℃의 온도범위내에서 제2차수 계수를 고려하여 두께 1x 및 1m자 주파수 편차 △f가 정해진다.
[표 1]
YIG의 중간 주파수 및 거기에 관한 변화를 도시하는 표
Figure kpo00012
[표 2]
YIG의 중간 주파수 및 거기에 관한 변화를 도시하는 표
Figure kpo00013
[표 3]
YIG의 중간 주파수 및 거기에 관한 변화를 도시하는 표
Figure kpo00014
Br=8500G, α2 B=0
α1 B=1.20×10-4μr=1.01
위에서, 갭 간격 1g 3㎜로 세트되며, 4πMsoX=943.8G, α1 X=-8.38×10-3및 α2 X=-1.40×10-5는 제2도에서 세트되었다. 상기 경우에서, 표현(20) 및 (18)의 상태는 항상 주파수 fo와는 상관없이 유지된다. 게다가, 표 1에서 3까지에서 명백한 바와같이, 실감할 수 있는 주파수 fo는 사용된 영구 자석의 종류와 대응하는 어떤 범위를 지니고 있다는 것이다.
제3도는 자기 회로(2) 경우에서 YIG의 공진 주파수의 온도특성이 Mg-Mn-Al 연질 페라이트판 및 Nd2Fe14B자석(4)을 조합함으로써 형성됨을 도시한다. 제3도에서 명백한 바와같이, 주파수 변화 △f는 -20℃에서 ±60℃까지 온도범위에서 1.575㎓의 중간 주파수에 관해 ±2.9㎒의 범위내에 있다는 것이다.
자기 회로(2)가 영구 자석(4)의 한 종류와 전술한 실시에에서 연질 페라이트판 (5)의 한 종류로 구성되어 질지라도, 자석의 한 종류 및 연질 페라이트판의 한 종류는 자기 회로의 형태와 결합될 수 있다.
제4도는 자기 회로(2)가 영구 자석(4a) 및 (4b)의 두 종류와 연질 페라이트판(5)이 결합함으로써 형성됨을 도시한다. 상기 경우에서 다음식(21)이 식(6)과 대응한다는 것이 유도된다.
[수학식 17]
Figure kpo00015
여기서, Br1및 Br2는 각각 영구 자석(4a) 및 (4b)의 잔류자기이며, μr1및 μr2는 각각 (4a) 및 (4b)의 반동 투명성이며, 1m1및 1m2는 각각 영구 자석(4a) 및 (4b)의 전체 두께이다.
lmt은 영구자석(4a) 및 (4b)의 각각 두께의 합을 나타내며, 다음식이 주어진다.
[수학식 18]
lmt=lm1＋lm2………………………………………………………… (22)
Figure kpo00016
는 영구 자석(4a) 및 (4b)의 전체 평균 반응 투과성을 나타내며, 1mt/
Figure kpo00017
=(1m/ μr1)+(1m2/μr2)이 주어지며, 다음 식이 유도된다.
[수학식 19]
Figure kpo00018
.
Figure kpo00019
Br(T)은 영구 자석(4a) 및 (4b)의 평균 잔류자기를 나타내며, 다음 식이 주어진다.
[수학식 20]
Figure kpo00020
다음 식을 식(24)에 대입하면,
[수학식 21]
Figure kpo00021
그리고 양쪽에서 온도에 관련하여 0차, 1차 및 2차의 각 한계를 비교하면, 다음 방정식이 얻어진다.
[수학식 22]
Figure kpo00022
α=1m1/ 1m2는 영구 자석(4a) 및 (4b)의 두께비율, b=μr1/μr2는 영구 자석(4a) 및 (4b)의 변동투과성 비율, c=Br1 O/Br2 O는 실온에서 영구 자석(4a) 및 (4b)의 잔류자기 비율을 나타내며, 식(25)는 다음과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 23]
Figure kpo00023
전술한 바와같이 각 파라미터를 정의하면, 식(21)의 다음과 같은 식(6)과 같은 형태로 표현될 수 있다.
[수학식 24]
Figure kpo00024
식(27)에서 추출하면, 표면(16) 및 (18)과 대응하는 다음 표현(28) 및 (29)를 얻을 수 있다.
[수학식 25]
Figure kpo00025
요약하면, 비율 a,b 및 c가 각각 a=1m1/ 1m2, b=μr1/μr2및 c=Br1 O/Br2 O로 정의된다면, 좋은 온도특성은 식(28)을 만족하는 실온에서 평균 잔류자기
Figure kpo00026
, 식(29)을 만족하는 평규 잔류자기의 1차 온도계수
Figure kpo00027
를 지니는 영구 자석(4a) 및 (4b)을 결합함으로써 이루어질 수 있고,
Figure kpo00028
및
Figure kpo00029
은 식(26)에 의해 정의되면, 연질 페라이트판은 실온에서 이 (fo/γ)+NzY4πMsoY보다 작은 포화자화 4πMsoY를 가지며, 실온부근에서 NzY4πMsoY·α1 Y/{(fo/γ)+NzY4πMsoY} 보다 작은 포화자화 4πMsoY의 1차 온도계수를 갖는다.
위에 언급한 바와같이, 영구 자석(4a) 및 (4b)의 두 종류를 결합하는데 있어서 연질 페라이트판을 사용하는 것은 단지 영구 자석석(4a) 및 (4b)의 두 종류만을 사용하는 경우보다 휠씬 유리하다.
단지 영구 자석의 두 종류만이 사용되는 경우에서, 영구 자석의 잔류자기 Br는 비교적 크게 변화되고, 자화된 후에 자석을 자르기가 힘들다. 그러므로 최종적인 갭 간격 조정은, 목적 주파수와 맞는 박막 YIG의 공진 주파수를 놓기 위해 필요하다. 그러나. 갭 간격 1g이 실정값에서 부터 떨어진다면, 온도특성은 불리하게 변한다.
이와 반대로, 연질 페라이트판이 영구 자석과 결합하여 사용되는 경우에서, 온도특성은 연질 페라이트판에 의한 목적값과 실질적으로 맞게끔 조정되어지며, 반면에 온도특성의 슬리피지(slippage)는 영구 자석의 잔류자기 변화가 최종적으로 연질 페라이트판에 의해 잘 조정되어지기 때문에 갭 간격 조정으로써 발생된다.
제5도는 한 종류의 영구 자석(4)과 다른 재료로 형성된 두 종류의 제1 및 제2연질 페라이트판(5a 및 5b)을 이용한 자기 회로(2)를 도시한다.
이러한 경우에, 방정식(6)에 대응하는 다음 방정식(30)는 다음과 같이 유도된다.
[수학식 26]
Figure kpo00030
여기서, 4πMsX1과 4πMsX2는 제1 및 제2 연질 페라이트판(5a 및 5b) 각각의 포화자화이며, NzX1및NzX2는 연질 페라이트판(5a 및 5b) 각각의 비자화 인자이며, 1x1및 1x2는 연질 페라이트판(5a 및 5b) 각각의 전체두께이다.
연질 페라이트판(5a 및 5b)의 각 두께의 합을 1xt로 나타내면 다음 방정식이 이루어진다.
[수학식 27]
Figure kpo00031
연질 페라이트판(5a 및 5b)의 평균 비자화를 ***로 나타내고, 연질 페라이트판(5a 및 5b)의 평균 포화자화를 4πMsX(T)로 나타내면 다음 방정식이 주어진다.
[수학식 28]
Figure kpo00032
다음 방정식을 방정식(32)에 대입하고,
[수학식 29]
Figure kpo00033
양측에 온도에 관하여 0차, 1차 및 2차 항 각각을 비교하면, 다음 방정식이 얻어진다.
[수학식 30]
Figure kpo00034
연질 페라이트판(5a 및 5b)의 두께의 비를 a=1x1/1x2로 표시하고, 연질 페라이트판(5a 및 5b)의 탈자기인자의 비를 b= NzX1/ NzX2로 표시하고, 연질 페라이트판(5a 및 5b)의 포화자화의 비를 절대온도에서 c=4πMsoX1/4πMsoX1로 표시하면 방정식 (33)은 다음과 같이 표현될 수 있다 :
[수학식 31]
Figure kpo00035
상기 상술한 것과 같이 각 파라미터를 정의하면 방정식(34)는 다음과 같은 방정식(6)과 똑같은 형태로 표현될 수 있다.
[수학식 32]
Figure kpo00036
방정식(35)으로부터 끌어내어, 표현(17 및 18)에 대응하는 다음 표현(36 및 37)이 얻어질 수 있다.
[수학식 33]
Figure kpo00037
요약하면, 비(a,b 및 c)가 각각 a=1x1/1x2, b= NzX1/ NzX2및 c=4πMsoX1/4πMsoX1로 한정된다면, 좋은 온도특성은 절대온도에서 평균 탈지기 인자와 평균 포화자화의 적(
Figure kpo00038
)을 갖고 있는 연질 페라이크판을 결합함으로써 성취될 수 있으며, 상기 적은 방정식(38)을 만족시키며, 앞서 상술된 조건하의 영구 자석(4)과 함께 평균 포화자화의 1차 온도계수 α1 X는 방정식(38)을 만족시키며, 연질 페라이크판은 절대 온도에서 (fo/γ)+NzY4πMsoY보다 큰 잔류자기(Br)를 갖고 있으며, NzY4πMsoYα1 X{(fo/γ)+NzY4πMsoY} 보다 큰 절대온도에 가까운 잔류자기 Br의 1차 온도계수 α1 B를 갖고 있다.
본 발명이 상기 실시예에 고정 주파수를 사용하는 마이크로파 장치에 응용될지라도 본 발명은 자기 회로(2)의 요크(3) 주위에 감긴 코일(도시되어 있지 않음)을 포함하는 변화형 YIG 박막 마이크로파 장치에 응용될 수 있다.
상기 설명된 바와같이, 공진 주파수의 온도특성에서의 그래디언트는 방정식(11 및 12)을 만족시키는 1m 및 1x를 결정하므로써 무효화될 수 있다. 그러나 온도특성 곡선은 단지 이들 조건으로 조성될 수 없다. 즉, 제1도에 도시된 것과 같이, 1,575㎓의 중간 주파수를 갖고 있는 YIG박막 마이크로파 장치의 자기 회로는 영구 자석(4)과 같이 연질 자기판(5) 및 Nd2F14B 자석으로서 제2도에 도시된 온도특성을 갖고 있는 Mg-Mn-Al페라이트를 사용하므로써 형성된다. -55℃ 내지 +70℃의 온도범위에거 중간 주파수의 변화에 관하여, 마이크로파 장치는 제6도에 도시된 것과 같이 25.5㎒의 변동 범위를 갖는 상단 볼록한 곡선을 갖고 있는 온도특성을 도시한다. 이러한 것은 마이크로파 소자의 중간주파수가 낮아진만큼 큰 페라이트로써 온도특성의 보상된 부분을 만드는 것이 필요하기 때문이며, 그 결과로 페라이트에 의해 나타난 상단 블록 곡선은 YIG 박막 마이크로파 장치의 온도특성을 반영한다.
본 발명에 따르면 마이크로파(1)는 대체형 YIG로 구성되며, 따라서 페라이트에 의해 보상된 온도특성의 부분은 대체된 양 δ이 0일때 상단 블록 곡선을 무효화시키도록 감소될 수 있다. 다른말로, 대체형 YIG의 대체된 양 δ으로 구성된 3개의 비공지된 양과, 영구 자석의 두께 1m과, 연질 페라이트판의 두께 1x는 방정식(11),(12) 및 (13)을 동시에 만족시키도록 결정될 수 있으며, 따라서, 그래디언트는 물론 온도특성의 곡률로 무효화 될 수 있다. 영구 자석과 페라이트의 재료, YIG 박막의 모양, 공진 주파수 및 갭 간격이 앞서 BrO,α1 B,α2 B,μr,4πMsoX로 주어진다면, α1 B,α2 B, NzY,fo/γ 및 1g는 선정된 것과 같이 일정하다. NzY는 페라이트의 두께에 의해 결정되기 때문에 독립 변수가 아니다. 더우기, YIG에서 Fe3+이온 대신에 대체된 비자화 이온의 양 δ이 결정된다면 4πMsoY,α1 Y및 α2 Y또한 결정된다. 결국, 비공지된 독립양은 δ, 1m 및 1x를 포함한다. 따라서, 3개의 비공지된 양은 δ, 1m 및 1x가 방정식(11),(12) 및 (13)에 결정된다면, 이들은 온도특성을 교려하여 2차에 고정된 공진 주파수 fo를 얻기 위한 조건이다. 즉, 대체형 YIG 박막 마이크로파 소자가 사용된다면, 또한 대체된 양 δ이 선택된다면 온도특성의 곡률 또한 보상될 수 있을 것이다.
제1도에 도시된 배열된 연관하여, 마이크로파 소자(1)은 대체형 YIG 박막 예를들어, YIG의 Fe3+대신 Ga3+및 Al3+같은 비자화 이온을 대체하므로써 또는 YIG의 Fe3+대신 3가 이온을 균등히 대체시키기 위하여 2가와 3가 비자화 이온(Ga2+및 G2 4+)을 결합시키므로써 형성된 박막에 의해 형성된다.
대체형 YIG의 포화자화에서의 변화 즉, YIG의 Fe3+이온 대신에 비자화 이온의 대체로 인한 포화자화에서의 변화거 조사된다. 먼저, YIG의 순수 단일 크리스탈에 관한 변화가 조사될 것이다. YIG(Y3Fe5O12)의 순수 단일 크리스탈에서 3Fe3+이온과 4면체 위치에 배치되어 있으며, 2Fe3+이온은 8면체 위치에 배치되어 있다. 4면체 위치에서의 Fe3+이온과 8면체 위치에서의 Fe3+이온은 강한 네가티브 교환 상호 작용에 의해 서로가 비병렬로 배치되어 있다. 결과적으로, YIG의 포화자화는 비병렬 배치에서 5＞H의 Fe3+이온의 균형 결과로 남아 있는 하나의 Fe3+이온에 의해 소유된 5보어 마그네톤(5μB)의 자기 모우멘트에 의존한다. 3가 이온 예를들어, Ga3+가 YIG의 Fe3+이온의 부분 대신에 대체되는 경우에, 대체된 양 δ이 그렇게 크지 않으면 3가 이온은 4면체 위치에서 Fe3+이온 대신에 대체된다. 그러므로 1분자에서 자기 모우멘트는 다음과 같이 주어진다. 따라서, 포화자화는 감소된다. 대체 Ga YIG의 포화자화는 응용 물리 45권 페이지 2728-2730에 보고되어 있다. 이러한 문헌에서 방정식(1) 내지 (4)를 사용하고, Ga대체양이 변화되었을때 온도에 관하여 포화자화에서의 변화를 검사하면 제7도에 도시된 것과 같은 특성을 얻을 수 있다. 제7도를 참조하면 곡선(21) 내지 (29)는 대체된 양 δ=0, 0.3, 0.4, 0.45, 0.5, 0.55, 0.6, 0.7 및 0.8에 각각 대응한디 더우기, 표 Ⅳ에는 7.5℃의 중간 온도에서 계산된 값의 포화자화 4πMsoY와 Ga대체양 δ의 각각에 관하여 =55℃ 내지 +70℃에서 1차 및 2차 온도계수 α1 Y및 α2 Y가 도시되어 있으며, 그 값은 리스트 스퀘어 방식에 의해 얻어진다.
[표 4]
Ga 대체량에 대한 포화자화 및 온도계수의 계산치를 나타내는 표
Figure kpo00039
이때, 제1도에 도시된 연질 자기 플레이트(5)는 제2도에 도시된 온도특성을 갖는 Mg-Mn-Al 페라이트로 형성되고, 영구 자석(4)은 Nd2Fe14자석, CeCo5및 SmCo5로 형성되고, 1.575㎓의 중심주파수를 갖는 YIG 박막 필터를 형성한다. 이와 관련하여, 표 Ⅴ에는 영구 자석의 필요 두께 1m, 페라이트의 필요두께 1x 및 -55℃ 내지 +70℃ 에서의 주파수 변화량 △f에 대한 계산치가 도시된다.
[표 5]
Ga 대체량에 대한 각각의 두께 1m, 1x 및 주파수 변화량 △f의 계산치를 나타내는 표
Figure kpo00040
Ga 대체량 δ에 대한 주파수 변화량 △f에 있어서의 변화는 제8도에 도시되어 있다. 제8도에 있어서, 곡선(70A),(70B),(70C)은 각각 Nd2Fe14자석, CeCo5및 SmCo5자석을 이용하는 경우와 대응한다. 모든 경우에, △f는 δ=0에서 양이고 온도특성은 위가 블록한 곡선을 나타낸다. 더 나아가, △f는 δ가 감소함에 따라 감소된다. δ가 더 감소될때 △f는 음으로 되고, 온도특성은 아래가 블록한 곡선을 나타낸다. 따라서, δ의 값을 선택함으로써, △f-0의 온도특성이 구해진다. 다시 말하면, 본 발명에 따르면, 영구 자석 및 연질 자기 플레이트에 따른 마이크로파 장치의 YIG 박막에서 Fe3+에 대신 대체된 비자기 이온의 량을 선택함으로써 YIG의 공진 주파수의 온도특성에 대한 변화도 및 곡선을 무효화할 수 있다.
본 발명이 상기 실시에에서의 고정된 주파수를 이용하여 마이크로파 장치에 응용될 수 있지만, 자기 회로(2)에 있어서의 요트(3) 주변에 감겨진 코일(도시안됨)을 포함하는 여러가지 형태의 YIG 박막 마이크로파 장치에 응용될 수도 있다.
위에서 기술된 바와같이, 본 발명에 따르면, YIG박막에 의해 자긴 공진을 이용하는 마이크로파 장치(1)에 바이어스 자계를 인가하기 위하여 각각 자기 회로에서 각각의 특정 특성을 갖는 영구 자석 및 연질 자기 플레이트를 구체화 함으로써, 양호한 온도특성을 갖는 마이크로파 장치가 제공될 수 있다.
더 나아가, 온도특성에 대한 변화도 및 곡선이 보상되는 곳에서 양호한 온도특성을 갖는 마이크로파 장치를 제공할 수 있으므로, 명세서의 서문에서 언급된 바와같이 대량 생산시에 우수한 YIG 박막으로 인한 마이크로파 장치의 특성을 효과적으로 구체화 함으로/서 마이크로파 장치의 이용의 범위가 확대되어 산업상의 장점을 증가시킬 수 있다.

Claims (2)

  1. 강자성 공진효과를 이용하는 YIG 박막 장치와, 상기 YIG 박막 장치가 제공되는 곳에서 길이 1g의 갭을 가지며 상기 YIG 박막 장치의 막 표면에 대해 수직인 바이어스 자계를 인가하고 두께가 1m인 영구 자석과 두께가 1x인 연질 자기 플레이트를 포함하는 자기 회로를 구비하는 YIG 박막 마이크로파 장치로서, 사익 영구 자석은 다음의 특성,
    Figure kpo00041
    을 만족시키고, 상기 연질 자기판은 다음의 특성,
    Figure kpo00042
    을 만족시키며, 여기서, fo는 상기 YIG 박막 장치의 공진 주파수이고, γ는 상기 YIG 박막의 자기 회전 비율이며, NzY는 상기 YIG 박막의 탈자기 계수이며, 4πMsoY는 실온에서 상기 YIG 박막의 포화자화이며, 4πMsoX는 상기 연질 자기판의 포화자화이며, BrO는 실온에서 상기 영구 자석의 잔류 자기이며, α1 B는 실온근방에서 상기 영구 자석의 잔류 자기의 제1급 온도계수이며, α1 Y는 실온 근방에서 상기 YIG 박막의 포화자화의 제1급 온도계수이며, α1 X는 실온 근방에서 상기 연질 자기판의 포화 자기의 제1급 온도계수이며, 상기 두께 1m 및 1x는 공진 주파수의 온도 의존성을 개선하도록 선택된 것을 특징으로 하는 YIG 박막 마이크로파 장치.
  2. 강자성 공진효과를 이용하는 YIG 박막 장치와, 상기 YIG 박막 장치가 제공되는 곳에서 길이 1g의 갭을 가지며 상기 YIG 박막 장치의 막 표면에 대해 수직인 바이어스 자계를 인가하고 두께가 1m인 영구 자석과 두께가 1x인 연질 자기판을 포함하는 자기 회로를 구비하는 YIG 박막 마이크로파 장치로서, 상기 YIG 박막은 Fe3+이온의 일부가 비자기 소자에 의해, 식의 단위로서 표현된 δ량으로 대체되는 곳에서 대체된 YIG 박막으로 형성되고, 상기 영구 자석은 다음의 특성,
    Figure kpo00043
    을 만족시키고, 상기 연질 자기판은 다음의 특성,
    Figure kpo00044
    을 만족시키며, 여기서, fo는 상기 YIG 박막 장치의 공진 주파수이고, γ는 상기 YIG 박막의 자기 회전 비율이며, NzY는 상기 YIG 박막의 탈자기 계수이며, 4πMsoY는 실온에서 상기 YIG 박막의 포화자화이며, 4πMsoX는 상기 연질 자기판의 포화자화이며, BrO는 실온에서 상기 영구 자석의 잔류 자기이며, α1 B는 실온근방에서 상기 영구 자석의 잔류 자기의 제1급 온도계수이며, α1 Y는 실온 근방에서 상기 YIG 박막의 포화자화의 제1급 온도계수이며, α1 X는 실온 근방에서 상기 연질 자기판의 포화 자기의 제1급 온도계수이며, 상기 두께 1m, 1x 및 상기 크기 δ는 공진 주파수의 온도 의존성을 개선하도록 선택된 것을 특징으로 하는 YIG 박막 마이크로파 장치.
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