RU115125U1 - Аттенюатор магнитоэлектрический - Google Patents

Abstract

Аттенюатор магнитоэлектрический, включающий систему управления, линию передачи, отличающийся тем, что линия передачи состоит из микрополосковых секций, включающих микрополосковые линии со шлейфами длиной λ/8 и 3λ/8 для создания поля круговой поляризации и двух слоистых магнитоэлектрических резонаторов состава: монокристаллическая пленка железо-иттриевого граната на подложке гадолиний галлиевого граната - монокристаллический титанат ниобат магния, а система управления выполнена электрической с напряжением, подаваемым на электроды, нанесенные на магнитоэлектрические резонаторы, причем два магнитоэлектрических резонатора разнесены на расстояние кратное целому числу длин полуволн, при этом в микрополосковую линию передачи введены два разрыва для развязки управляющего потенциала и СВЧ поля.

Description

Полезная модель относится к области электроники СВЧ и позволяет улучшить характеристики аттенюатора. Предлагается использование в радиотехнике СВЧ для снижения уровня сигналов, обеспечивающее фиксированное или регулируемое затухание [1]. Аттенюаторы используются в тех случаях, когда необходимо ослабить сильный сигнал до приемлемого уровня, например, во избежание перегрузки входа какого-либо прибора чрезмерно мощным сигналом. Полезным побочным эффектом является то, что использование аттенюатора между линией и нагрузкой улучшает коэффициент бегущей волны и коэффициент стоячей волны в подводящей линии в случае, когда нагрузка плохо согласована с линией.

Основное применение аттенюаторов заключается в ослаблении проходящего через него сигнала в необходимое количество раз, что необходимо для развязки генератора с нагрузкой. Аттенюатор может быть составной частью устройства, или отдельным прибором. Аттенюатор - это элемент электрической цепи, который может быть выполнен с использованием магнитоэлектрического (МЭ) элемента (резонатора), представляющего собой слоистую феррит-пьезоэлектрическую структуру. Используется микроволновый магнитоэлектрический эффект [2], заключающийся в сдвиге резонансной линии ферромагнитного резонанса (ФМР) под действием управляющего электрического поля.

Для существования ФМР к МЭ резонатору прикладывается внешнее магнитное резонансное поле. Под воздействием управляющего напряжения, прикладываемого к электродам, расположенным на МЭ резонаторе, вследствие микроволнового МЭ эффекта происходит сдвиг линии ФМР и реализуется электрическая перестройка.

В аттенюаторе МЭ резонатор включен в качестве неоднородности в микрополосковую линию передачи. Для случая невзаимной связи МЭ резонатора с линией передачи соотношения для коэффициента прохождения |T| и потерь L имеют вид:

где ξ и k представлены следующими выражениями:

где V - объем МЭ резонатора, M₀ - намагниченность насыщения, H_r - резонансное поле, ΔH_E - величина сдвига резонансной линии под действием управляющего электрического поля, H - постоянное магнитное поле, ΔH - полуширина линии ФМР, λ - длина волны в линии передачи, z₀ - волновое сопротивление микрополосковой линии передачи, Z - волновое сопротивление свободного пространства, ε - относительная диэлектрическая проницаемость подложки, ξ - обобщенная расстройка, k - коэффициент связи резонатора с микрополосковой линией передачи.

Для расчета параметров аттенюатора и построения его АЧХ необходимо учесть влияние микроволнового МЭ эффекта.

Недостатком известных аттенюаторов является то, что они обладают ограниченным быстродействием.

В технике СВЧ широко применяются ферритовые устройства. Это объясняется тем, что феррит является практически единственной освоенной в производстве средой с управляемым параметром, обладающей невзаимными свойствами. Попытки создать аналогичные приборы на магнитной плазме и сегнетоэлектриках хороших результатов пока не дали.

Переход к интегральному исполнению этих устройств представляет большой интерес. Трудность построения ферритовых приборов на микрополосковой линии связана с тем, что в ней магнитное поле линейно поляризовано. Для создания же невзаимных приборов требуется круговая или близкая к ней поляризация магнитного поля. Потому не все ферритовые СВЧ приборы можно выполнить в микрополосковой конструкции.

Наиболее близким по техническому решению, принятому за прототип, является ферритовый СВЧ аттенюатор, содержащий систему управления и линию передачи (см. патент на полезную модель RU №55512, МПК H01P 1/22, 2006 г.). Устройство содержит магнитную систему управления, с током, установленную относительно вектора эл. поля вх. сигнала так, что прямая линия, проходящая через ось круглого волновода и противоположные узлы поперечного квадрупольного магнитного поля, совпадает с этим вектором.

Недостатком прототипа является низкая степень быстродействия управления устройством, невысокий порядок ослабления сигнала ≤20 дБ, что является затруднением при практическом применении в устройствах.

Задачей полезной модели является увеличение быстродействия управления устройством, расширение полосы рабочих частот, значительное ослабление сигнала, уменьшение габарита и массы, а также переход к интегральному исполнению.

Для решения данной задачи предложен аттенюатор магнитоэлектрический, выполненный на базе несимметричной микрополосковой линии и содержащий два магнитоэлектрических элемента (резонатора) с нанесенными металлическими электродами, служащими для управления ослаблением сигнала. Предлагаемый аттенюатор позволит увеличить быстродействие, уменьшить массогабаритные характеристики, расширить полосу рабочих частот, увеличить ослабление сигнала и перейти к интегральному исполнению устройства.

Предлагаемая полезная модель позволяет получить следующий технический результат: ослаблять сильный сигнал до приемлемого уровня во избежание перегрузки входа какого-либо прибора чрезмерно мощным сигналом, улучшать коэффициент бегущей волны и коэффициент стоячей волны в подводящей линии в случае, когда нагрузка плохо согласована с линией.

Для пояснения предполагаемой полезной модели предложен чертеж - схема аттенюатора магнитоэлектрического,

где 1 - контактные площадки; 2 - МЭ резонаторы; 3 - разрыв микрополосковой линии; 4 - микрополосковый шлейф длиной λ/8; 5 - микрополосковый шлейф длиной 3λ/8; 6 - участок микрополосковой линии длиной l.

Устройство состоит из микрополосковой линии передачи на поликоровой подложке и двух МЭ резонаторов, состоящих из монокристаллической пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ-Y₃Fe₅O₁₂) на подложке из гадолиний-галиевого граната (ГГГ-Gd₃Ga₅O₁₂) и монокристаллический титанат-ниобата магния (ТНМ-0,68PbMg_1/3Nb_2/3O₃-0,32PbTiO₃), поляризованного в электрическом поле. На пьезоэлектрик с верхней стороны нанесен металлический электрод, необходимый для подачи управляющего напряжения, в качестве второго электрода используется микрополосковая линия передачи. Для исключения влияния управляющего напряжения на высокочастотный тракт передачи в микрополосковой линии выполнены разрывы. Для соединения слоев использовалась эпоксидная смола. Круговая поляризация СВЧ поля в объеме резонаторов создается с помощью микрополосковых шлейфов длиной λ/8 и 3λ/8. Расстояние l между резонаторами должно быть кратно целому числу длин полуволн, что необходимо для их согласованной работы.

Устройство работает следующим образом. В основе работы аттенюатора лежит явление микроволнового МЭ эффекта [3]. Для существования ФМР к МЭ резонатору прикладывается внешнее резонансное поле. Под воздействием управляющего напряжения, прикладываемого к электродам, расположенным на МЭ резонаторе, вследствие микроволнового МЭ эффекта происходит сдвиг линии ФМР и реализуется электрическая перестройка.

Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет увеличить быстродействие, расширить полосу рабочих частот, увеличить ослабление сигнала, уменьшить габариты и массу, перейти к интегральной технологии исполнения устройств.

Источники информации:

[1] M.I.Bichurin, V.M.Petrov, R.V.Petrov, G.N.Kapralov, F.I.Bukashev, A.Yu.Smirnov, A.S.Tatarenko. Magnetoelectric Microwave Devices. Ferroelectrics, 280, 213 (2002).

[2] M.I.Bichurin, I.A.Kornev, V.M.Petrov, A.S.Tatarenko, Yu.V.Kiliba and G.Srinivasan. Theory of magnetoelectric effects at microwave frequencies in a piezoelectric/magnetostrictive multilayer composite. Phys. Rev. B64, 094409 (2001).

[3] S.Shastry and G.Srinivasan, M.I.Bichurin, V.M.Petrov, A.S.Tatarenko. Microwave magnetoelectric effects in single crystal bilayers of yttrium iron garnet and lead magnesium niobate-lead titanate. Phys. Rev. B, 70 064416 (2004).

Claims (1)

1. Аттенюатор магнитоэлектрический, включающий систему управления, линию передачи, отличающийся тем, что линия передачи состоит из микрополосковых секций, включающих микрополосковые линии со шлейфами длиной λ/8 и 3λ/8 для создания поля круговой поляризации и двух слоистых магнитоэлектрических резонаторов состава: монокристаллическая пленка железо-иттриевого граната на подложке гадолиний галлиевого граната - монокристаллический титанат ниобат магния, а система управления выполнена электрической с напряжением, подаваемым на электроды, нанесенные на магнитоэлектрические резонаторы, причем два магнитоэлектрических резонатора разнесены на расстояние кратное целому числу длин полуволн, при этом в микрополосковую линию передачи введены два разрыва для развязки управляющего потенциала и СВЧ поля.