RU2776524C1

RU2776524C1 - Magnetic field-controlled power divider on spin waves

Info

Publication number: RU2776524C1
Application number: RU2021129740A
Authority: RU
Inventors: Александр Александрович Мартышкин; Александр Владимирович Садовников; Анна Борисовна Хутиева
Filing date: 2021-10-13
Publication date: 2022-07-21

Abstract

FIELD: radio engineering.

SUBSTANCE: invention relates to microwave radio engineering, in particular to devices on magnetostatic waves and can be used as a power divider. The spin wave power divider contains a T-shaped microwave structure based on an yttrium- iron garnet film, which has a base and shoulders, placed on a gallium-gadolinium garnet substrate. On the basis of the T-shaped microwave structure there is an antenna for excitation of spin waves, and on the shoulders there are antennas for receiving spin waves, a source of an external magnetic field. The divider additionally contains a metallized layer located on the surface of the shoulders along their entire length between the base and the antennas for receiving spin waves located along the entire surface of the shoulders parallel to the metallized layer. The distance between the metallized layer and the antennas is from 300 to 1000 mcm, and between the metallized layer and the transition area from the base to the shoulders is from 100 to 500 mcm. The source of the magnetic field can change both the magnitude and the polarity of the magnetic field.

EFFECT: ability to control the propagation of magnetostatic waves between the outputs in a magnetic film with partial metallization of the surface by changing the magnitude and polarity of the external magnetic field.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, в частности к приборам на магнитостатических волнах и может быть использовано в качестве делителя мощности.The invention relates to microwave radio engineering, in particular to devices on magnetostatic waves and can be used as a power divider.

Известен трехканальный направленный ответвитель СВЧ-сигнала на магнитостатических волнах (см. патент РФ на изобретение № 2623666 по кл. МПК H01P 5/18, опуб. 28.06.2017). Сущность изобретения заключается в том, что направленный ответвитель на магнитостатических волнах содержит размещенную на подложке из галлий-гадолиниевого граната микроволноводную структуру из пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ), антенны для возбуждения магнитостатических волн, дополнительно введен слой пьезоэлектрического материала, снабженный металлическими электродами для подачи электрического напряжения, размещенный на поверхности микроволноводной структуры с возможностью пьезомагнитного взаимодействия, при этом микроволноводная структура образована тремя параллельными микроволноводами равной ширины, каждый из которых имеет прямоугольную форму и установлен с зазором друг относительно друга с обеспечением режима многомодовой связи, а антенны расположены на концах микроволноводов таким образом, что входная антенна размещена на одном конце срединного волновода, одна выходная антенна размещена на противоположном конце срединного волновода, а две других - на смежных с ним концах периферийных волноводов. A three-channel directional coupler of a microwave signal on magnetostatic waves is known (see RF patent for invention No. 2623666 according to class. IPC H01P 5/18, pub. 06/28/2017). The essence of the invention lies in the fact that a directional coupler on magnetostatic waves contains a microwave structure made of a film of yttrium iron garnet (YIG) placed on a substrate of gallium-gadolinium garnet, antennas for excitation of magnetostatic waves, an additional layer of piezoelectric material is introduced, equipped with metal electrodes for supplying electric voltage, placed on the surface of the microwave structure with the possibility of piezomagnetic interaction, while the microwave structure is formed by three parallel microwave guides of equal width, each of which has a rectangular shape and is installed with a gap relative to each other to ensure multimode communication, and the antennas are located at the ends of the microwave guides in such a way in such a way that the input antenna is located at one end of the median waveguide, one output antenna is located at the opposite end of the median waveguide, and the other two - at the ends of the periphery adjacent to it. ferial waveguides.

Недостатком данного устройства является сложная конструкция, требующая размещения пьезоэлектрического слоя для управления электрическим полем на трех параллельных микроволноводах, расположенных параллельно и имеющих равную ширину.The disadvantage of this device is a complex design that requires the placement of a piezoelectric layer to control the electric field on three parallel microwave guides arranged in parallel and having equal width.

Известен также направленный ответвитель (см. патент РФ на изобретение № 2571302, по кл. МПК Н01Р5/18, опуб. 20.12.2015), выполненный на диэлектрической подложке с нанесенной топологией направленного ответвителя, состоящей из четырех отрезков подводящих полосковых линий и области связанных однородных полосковых линий, при этом в область связанных однородных полосковых линий введены два одинаковых участка дополнительных связанных полосковых линий, расположенных по краям области связанных однородных полосковых линий симметрично относительно ее центра, при этом суммарная длина области связанных полосковых линий L=(0.2÷0.3)λсв, где λсв - длина волны области связанных полосковых линий на центральной частоте. A directional coupler is also known (see RF patent for invention No. 2571302, class. IPC H01P5/18, pub. 12/20/2015), made on a dielectric substrate with a topology of a directional coupler, consisting of four segments of the supply strip lines and a region of connected homogeneous strip lines, while two identical sections of additional connected strip lines located at the edges of the region are introduced into the region of connected homogeneous strip lines. of connected homogeneous strip lines symmetrically about its center, while the total length of the region of connected strip lines is L=(0.2÷0.3)λst, where λst is the wavelength of the region of connected strip lines at the center frequency.

Недостатком известной конструкции является отсутствие возможности использования устройства в системах, основанных на принципах магноники.The disadvantage of the known design is the inability to use the device in systems based on the principles of magnonics.

Известен делитель мощности СВЧ-сигнала, содержащий единый входной порт, первый и второй выходные порты (см. патент РФ на изобретение № 2666969, по кл. МПК H01P 1/22, опуб. 13.09.2018). Элементы электромагнитной связи выполнены в виде микроволноводной структуры для магнитостатических волн на подложке из галлий-гадолиниевого граната. Микроволноводная структура выполнена на основе пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ) в форме двух удлиненных полосок равной ширины, размещенных параллельно друг другу с зазором, выбранным из условия обеспечения режима многомодовой связи магнитостатических волн. Концы одной полоски микроволноводной структуры имеют отводы, на которых образованы микрополосковые антенны для возбуждения и приема магнитостатических волн, связанные соответственно с единым входным портом и первым выходным портом. Свободный конец другой полоски размещен с торцевым зазором в направлении единого входного порта, а ее второй конец имеет отвод, на котором образована микрополосковая антенна для приема магнитостатических волн, связанная со вторым выходным портом. Изобретение направлено на расширение функциональных возможностей двухканального микроволнового делителя мощности СВЧ-сигнала с управлением частотным диапазоном деления и шириной полосы частот делителя посредством изменения мощности подаваемого сигнала Known power divider of the microwave signal containing a single input port, the first and second output ports (see RF patent for invention No. 2666969, class. IPC H01P 1/22, pub. 09/13/2018). The electromagnetic coupling elements are made in the form of a microwave structure for magnetostatic waves on a gallium-gadolinium garnet substrate. The microwaveguide structure is made on the basis of a film of yttrium iron garnet (YIG) in the form of two elongated strips of equal width, placed parallel to each other with a gap selected from the condition of ensuring the mode of multimode coupling of magnetostatic waves. The ends of one strip of the microwave structure have taps on which microstrip antennas are formed for excitation and reception of magnetostatic waves, connected respectively with a single input port and the first output port. The free end of the other strip is placed with an end gap in the direction of a single input port, and its second end has a tap, on which a microstrip antenna is formed for receiving magnetostatic waves, connected to the second output port. The invention is aimed at expanding the functionality of a two-channel microwave power divider of a microwave signal with control over the frequency range of division and the bandwidth of the divider by changing the power of the applied signal

Недостатком данной конструкции устройства является невозможность реализовать управление уровнем мощности передаваемого сигнала. The disadvantage of this design of the device is the inability to control the power level of the transmitted signal.

Наиболее близким к заявляемому является управляемый электрическим полем делитель мощности на магнитостатических волнах с функцией фильтрации (патент РФ на изобретение № 2707756 по кл. МПК H01P 1/22, опуб. 29.11.2019). Делитель мощности СВЧ-сигнала на магнитостатических волнах содержит размещенную на подложке микроволноводную структуру на основе пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ), входной и два выходных порта, связанных с микрополосковыми антеннами для возбуждения и приема магнитостатических волн в микроволноводной структуре, источник управляющего магнитного поля. Микроволноводная структура выполнена в виде Т-образного разветвления, основание которого связано с микрополосковой антенной входного порта, а боковые плечи - с микрополосковыми антеннами выходных портов. На участках между разветвлением и микрополосковыми антеннами выходных портов размещены средства для обеспечения пьезомагнитного взаимодействия в пленке ЖИГ, выполненные в виде пленки пьезоэлектрика с электродами, подключенными к источнику электрического поля, а управляющее магнитное поле направлено по касательной к пленке ЖИГ. Closest to the claimed is a power divider controlled by an electric field on magnetostatic waves with a filtering function (RF patent for the invention No. The microwave signal power divider on magnetostatic waves contains a microwave structure based on a film of yttrium iron garnet (YIG) placed on a substrate, an input and two output ports connected to microstrip antennas for excitation and reception of magnetostatic waves in the microwave structure, a source of a control magnetic field. The microwave guide structure is made in the form of a T-shaped branching, the base of which is connected to the microstrip antenna of the input port, and the side arms are connected to the microstrip antennas of the output ports. In the areas between the branching and microstrip antennas of the output ports, means are placed to ensure piezomagnetic interaction in the YIG film, made in the form of a piezoelectric film with electrodes connected to an electric field source, and the control magnetic field is directed tangentially to the YIG film.

Недостатком данного устройства является сложная конструкция, требующая введения дополнительных плёнок пьезоэлектрика с электродами, подключенными к источнику электрического поля. The disadvantage of this device is a complex design that requires the introduction of additional piezoelectric films with electrodes connected to an electric field source.

Техническая проблема изобретения заключается в создании делителя мощности на спиновых волнах, обеспечивающего регулируемое распределение мощности между выходами, посредством изменения направления внешнего магнитного поля.The technical problem of the invention is to create a spin-wave power divider that provides an adjustable power distribution between the outputs by changing the direction of the external magnetic field.

Технический результат заключается в осуществлении возможности регулируемого управления распространения магнитостатических волн между выходами в магнитной пленке с частичной металлизацией поверхности с помощью изменения величины и полярности внешнего магнитного поля.The technical result consists in the implementation of the possibility of controlled control of the propagation of magnetostatic waves between the outputs in a magnetic film with partial surface metallization by changing the magnitude and polarity of the external magnetic field.

Технический результат достигается тем, что делитель мощности на спиновых волнах, содержащий размещённую на подложке из галлий-гадолиниевого граната Т-образную микроволноводную структуру на основе плёнки железо-иттриевого граната, имеющей основание и плечи, на основании Т-образной микроволноводной структуры расположена антенна для возбуждения спиновых волн, а на плечах – антенны для приёма спиновых волн, источник внешнего магнитного поля, согласно изобретению, он дополнительно содержит металлизированный слой, расположенный на поверхности плеч вдоль всей их длины между основанием и антеннами для приёма спиновых волн, расположенными вдоль всей поверхности плеч параллельно металлизированному слою, при этом расстояние между металлизированным слоем и антеннами для приёма составляет от 300 до 1000 мкм, а между металлизированным слоем и областью перехода из основания в плечи от 100 до 500 мкм, причём источник внешнего магнитного поля выполнен с возможностью изменения величины и полярности магнитного поля. The technical result is achieved by the fact that the spin wave power divider containing a T-shaped microwave structure placed on a gallium-gadolinium garnet substrate based on an yttrium iron garnet film having a base and arms, an antenna for excitation is located on the basis of the T-shaped microwave structure. spin waves, and on the arms - antennas for receiving spin waves, the source of the external magnetic field, according to the invention, it additionally contains a metallized layer located on the surface of the arms along their entire length between the base and antennas for receiving spin waves, located parallel to the entire surface of the arms metallized layer, while the distance between the metallized layer and the receiving antennas is from 300 to 1000 μm, and between the metallized layer and the transition area from the base to the arms is from 100 to 500 μm, and the source of the external magnetic field is configured to change the magnitude and polarity of the magnetic ital field.

Изобретение поясняется чертежами, где: The invention is illustrated by drawings, where:

- на фиг. 1 представлена конструкция заявляемого устройства,- in Fig. 1 shows the design of the proposed device,

-на фиг. 2 представлена карта интенсивности спин-волнового сигнала в Т-образной структуре при намагничивании в положительном направлении вдоль оси Ox,- in Fig. 2 shows a map of the intensity of the spin-wave signal in a T-shaped structure during magnetization in the positive direction along the Ox axis,

-на фиг. 3 представлена карта интенсивности спин-волнового сигнала в Т-образной структуре при намагничивании в отрицательном направлении вдоль оси Ox,- in Fig. 3 shows a map of the intensity of the spin-wave signal in a T-shaped structure when magnetized in the negative direction along the Ox axis,

-на фиг. 4 представлена зависимость отношения мощности выходного сигнала на антеннах к общей мощности, полученной со всех антенн. - in Fig. four the dependence of the ratio of the output signal power on the antennas to the total power received from all antennas is presented.

Позициями на фиг. 1 обозначены: The positions in FIG. 1 marked:

1 – подложка на основе галлий-гадолиниевого граната;1 - substrate based on gallium-gadolinium garnet;

2 – антенна для возбуждения магнитостатических волн; 2 – antenna for excitation of magnetostatic waves;

3 – основание Т-образной микроволноводной структуры из железо-иттриевого граната;3 – base of the T-shaped microwave-guide structure made of yttrium-iron garnet;

4 – плечи Т-образной микроволноводной структуры из железо-иттриевого граната;4 – arms of a T-shaped microwave-guide structure made of yttrium-iron garnet;

5 – металлизированный слой; 5 - metallized layer;

6,7 – антенны для приема магнитостатических волн.6,7 - antennas for receiving magnetostatic waves.

Делитель мощности на спиновых волнах содержит подложку 1 из галлий-гадолиниевого граната (ГГГ), антенну для возбуждения магнитостатических волн 2, расположенную на основании 3 Т-образной микроволноводной структуры, выполненной из железо-иттриевого граната (ЖИГ), которая имеет общую часть с широкой пленкой, выполненной из ЖИГ и образующая плечи 4 Т-образной структуры. При этом, на поверхность магнитной пленки 4 нанесен металлизированный слой 5 шириной от 50 до 100 мкм, отстоящий от области перехода из основания в плечи от 100 до 500 мкм. Устройство содержит антенны для приема сигнала 6 и 7, помещенные на поверхности плечей 4 пленки, отстоящие от металлизированного слоя на расстояние от 300 до 1000 мкм и расположенные симметрично относительно оси Оy. Магнитная пленка, имеющая основание и плечи, образует Т-образный микроволновод.The spin wave power divider contains a substrate 1 made of gallium-gadolinium garnet (GGG), an antenna for excitation of magnetostatic waves 2, located on the base 3 of a T-shaped microwave structure made of yttrium iron garnet (YIG), which has a common part with a wide a film made of YIG and forming shoulders 4 of a T-shaped structure. At the same time, a metallized layer 5 with a width of 50 to 100 microns is deposited on the surface of the magnetic film 4, spaced from the region of transition from the base to the arms from 100 to 500 microns. The device contains signal receiving antennas 6 and 7 placed on the surface of shoulders 4 of the film, spaced from the metallized layer at a distance of 300 to 1000 μm and located symmetrically about the Oy axis. A magnetic film having a base and arms forms a T-shaped microwave guide.

Ширина основания части магнитной полоски железо-иттриевого граната составляет от 100 до 500 мкм, толщина – от 1 до 10 мкм, длина – от 500 до 1000 мкм.The width of the base of a part of the magnetic strip of yttrium iron garnet is from 100 to 500 µm, the thickness is from 1 to 10 µm, and the length is from 500 to 1000 µm.

Длина плечей магнитной пленки железо-иттриевого граната составляет от 1000 до 4000 мкм, толщина пленки от 1 до 10 мкм, ширина – от 1000 до 4000 мкм.The length of the arms of the magnetic film of yttrium iron garnet is from 1000 to 4000 µm, the film thickness is from 1 to 10 µm, and the width is from 1000 to 4000 µm.

Ширина металлизированного слоя составляет от 50 до 100 мкм, длина – от 100 до 4000, толщина от 0.5 до 2 мкм.The width of the metallized layer is from 50 to 100 µm, the length is from 100 to 4000, and the thickness is from 0.5 to 2 µm.

Намагниченность насыщения пленок ЖИГ составляет М=139 Гс. Микрополосковые антенны для возбуждения и приема магнитостатических волн имеют ширину от 10 до 30 мкм. Подложка 1, представляющая собой пленку галлий-гадолиниевого граната (ГГГ), имеет размеры 1000 мкм х 4000 мкм х 500 мкм (ШхДхТ). The saturation magnetization of the YIG films is М=139 gauss. Microstrip antennas for excitation and reception of magnetostatic waves have a width of 10 to 30 µm. Substrate 1, which is a film of gallium-gadolinium garnet (GGG), has dimensions of 1000 μm x 4000 μm x 500 μm (WxLxT).

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

Входной микроволновый сигнал, частота которого должна лежать в диапазоне частот, определяемым величиной внешнего постоянного магнитного поля, направленного по оси Ox, подается на входную антенну 2. Далее микроволновый сигнал преобразуется в обратную объемную магнитостатическую волну (ООМСВ), распространяющуюся вдоль основания 3 Т-образной микроволноводной структуры в направлении оси Оy. Ввиду дифракции, волновой пакет образует два симметричных луча в области соединения основания 3 и плечей 4 магнитной плёнки . Металлизированный слой 5 создаёт потенциальный барьер для спин-волнового сигнала в виде увеличения внутреннего магнитного поля в магнитной пленке. Изменяя направление подмагничивания структуры, удаётся добиться эффекта невзаимности распространения спин-волнового сигнала. The input microwave signal, the frequency of which should lie in the frequency range determined by the magnitude of the external constant magnetic field directed along the Ox axis, is fed to the input antenna 2. Next, the microwave signal is converted into a reverse volume magnetostatic wave (BMSW) propagating along the base 3 of the T-shaped microwave guide structure in the direction of the Oy axis. Due to diffraction, the wave packet forms two symmetrical beams at the junction of the base 3 and arms 4 of the magnetic film . The metallized layer 5 creates a potential barrier for the spin-wave signal in the form of an increase in the internal magnetic field in the magnetic film. By changing the direction of the magnetization of the structure, it is possible to achieve the effect of nonreciprocity in the propagation of the spin-wave signal.

Для доказательства достижения заявляемого результата был изготовлен делитель со следующими параметрами: ширина основания равнялась 200 мкм, длина основания 500 мкм. Длина плечей составляла 1200 мкм, ширина плечей 3000 мкм. Металлизированный слой был напылён вдоль всей ширины плечей микроволновода, а ширина слоя составляла 200 мкм. To prove the achievement of the claimed result, a divider was made with the following parameters: the width of the base was 200 μm, the length of the base was 500 μm. The length of the arms was 1200 µm, the width of the arms was 3000 µm. The metallized layer was deposited along the entire width of the arms of the microwave guide, and the layer width was 200 μm.

На фигурах 2,3 показаны экспериментально полученные карты интенсивности спин-волнового сигнала с помощью установки Мандельштам-Бриллюэновской спектроскопии. На фигуре 2 показан случай распространения спин-волнового сигнала, когда внешнее поле подмагничивания совпадает с положительным направлением оси Ox. Фигуре 3 соответствует распространение спин-волнового сигнала инвертированным направлением внешнего поля намагничивания. Следовательно, в такой системе возможно ответвление мощности спин-волнового сигнала с помощью изменения направления внешнего магнитного поля.Figures 2 and 3 show the experimentally obtained maps of the intensity of the spin-wave signal using the Mandelstam-Brillouin spectroscopy setup. Figure 2 shows the case of propagation of a spin-wave signal when the external bias field coincides with the positive direction of the Ox axis. Figure 3 corresponds to the propagation of the spin-wave signal by the inverted direction of the external magnetization field. Therefore, in such a system, the power of the spin-wave signal can be branched off by changing the direction of the external magnetic field.

На фигуре 4 показано отношение мощности спин-волнового сигнала, полученной на антеннах 6 (P₁), 7 (P₂) к общей мощности, снятой с антенн 6,7 (P=P₁+P₂). Изменение уровня мощности, полученной на антеннах, объясняется изменением частоты возбуждаемого сигнала. На фигуре 3 видно, что с ростом частоты изменяется отношения мощности, полученной на антеннах: при положительном направлении (P(+)) магнитного поля вдоль оси Ox, мощность сигнала, полученного на антенне P₁(квадрат)увеличивается, в тоже время, мощность сигнала, полученная на антенне P₂(круг),падает с ростом частоты. Намагничивая структуру вдоль отрицательного направления оси Ox (P(-)) видно, что отношение снятых мощностей на антеннах P₁(треугольник) и P₂(ромб)изменяется с ростом частоты.The figure 4 shows the ratio of the power of the spin-wave signal received on the antennas 6 (P_one), 7 (P₂) to the total power taken from the antennas 6.7 (P=P_one+P₂). The change in the power level received at the antennas is explained by the change in the frequency of the excited signal. Figure 3 shows that with increasing frequency, the ratio of the power received on the antennas changes: with a positive direction (P(+)) of the magnetic field along the Ox axis, the signal power received on the antenna P_one(square)increases, at the same time, the signal power received at the antenna P₂(a circle),drops with increasing frequency. Magnetizing the structure along the negative direction of the Ox axis (P(-)) shows that the ratio of the power taken from the antennas P_one(triangle) and P₂(rhombus)changes with increasing frequency.

Таким образом, изменяя полярность магнитного поля, добиваются изменения направления распространения спин-волнового сигнала. Созданный делитель мощности на спиновых волнах обеспечивает возможность передачи сигналов в устройствах с управляемым коэффициентом передачи мощности.Thus, by changing the polarity of the magnetic field, one achieves a change in the direction of propagation of the spin-wave signal. The created spin wave power divider makes it possible to transmit signals in devices with a controlled power transfer coefficient.

Claims

A spin wave power divider containing a T-shaped microwave structure based on a film of yttrium iron garnet, which has a base and arms, placed on a gallium-gadolinium garnet substrate, an antenna for excitation of spin waves is located on the basis of the T-shaped microwave structure, and on the arms - antennas for receiving spin waves, a source of an external magnetic field, characterized in that it additionally contains a metallized layer located on the surface of the arms along their entire length between the base and antennas for receiving spin waves located along the entire surface of the arms parallel to the metallized layer, while the distance between the metallized layer and the receiving antennas is from 300 to 1000 µm, and between the metallized layer and the transition area from the base to the arms is from 100 to 500 µm, and the source of the external magnetic field is configured to change the magnitude and polarity of the magnetic field.