Пространственная и частотная фильтрация СВЧ сигналов с использованием магнитостатических волн тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Резванов, Александр Геннадиевич

• Резванов, Александр Геннадиевич
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Резванов, Александр Геннадиевич

Введение.

Глава 1. Возбуждение пучков магнитостатических волн (МСВ) в произвольно намагниченных ферритовых пленках преобразователями различных типов.

1.1. Самосогласованная задача о возбуждении пучков МСВ преобразователем произвольного типа: постановка и аналитическое решение в замкнутой форме.

1.2. Возбуждение пучков поверхностных МСВ полосковым преобразователем .:.

1.3. Возбуждение пучков поверхностных МСВ копланарной линией передачи. Влияние металлических экранов на формирование пучков волн.

1.4. Возбуждение пучков прямых объемных МСВ полосковым преобразователем.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Пространственная и частотная фильтрация СВЧ сигналов с использованием магнитостатических волн»

Актуальность темы

Диссертационная работа посвящена поиску новых возможностей осуществления пространственной и частотной фильтрации СВЧ сигналов с применением магнитостатических волн, возбуждаемых в слоистых феррит-диэлектрических структурах преобразователями различных типов.

Исследования спиновых и магнитостатических волн в ферритовых пленках на протяжении последних лет привели к возникновению нового научного направления - спин-волновой электроники СВЧ (см., например, обзоры [1-4]). Под магнитостатическими волнами (МСВ) обычно понимают длинноволновые спиновые возбуждения, обусловленные дипольным взаимодействием. Их фазовая скорость мала по сравнению со скоростью электромагнитных волн в среде. Для описания магнитостатических волн можно использовать уравнения магнитостатики, а спектр находить без учета обменного взаимодействия.

Возросшее в последние годы количество исследований волновых процессов в ферритовых пленках и слоистых структурах на их основе стимулируется нуждами техники, в частности, функциональной микроэлектроники СВЧ, осуществляющей быструю обработку сигналов в реальном масштабе времени. Аналоговая обработка высокочастотных сигналов в радиолокационных и других СВЧ системах реализуется на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Однако, диапазон рабочих частот устройств на ПАВ оказался в силу технологических факторов ограниченным единицами гигагерц. В то же время развитие систем радиолокации, навигации, связи, вычислительной техники требует обработки сигналов непосредственно в СВЧ диапазоне. Создание таких устройств стало возможным благодаря применению магнитостатических волн.

Магнитостатические волны обладают малыми потерями при распространении, разнообразием дисперсионных характеристик и возможностью электрического управления ими. Технология тонких ферритовых пленок совместима с планарной технологией СВЧ интегральных схем. Благодаря указанным свойствам, магнитостатические волны открыли перспективы создания нового класса малогабаритных приборов функциональной микроэлектроники, способных работать в широком частотном диапазоне (примерно от 1 до 60 ГГц) и удовлетворять постоянно возрастающим требованиям к характеристикам современных СВЧ радиотехнических устройств и систем. В настоящее время спин-волновая электроника активно развивается и находится на этапе исследования возможностей создания устройств, которые по своим характеристикам не уступали бы устройствам того же функционального назначения, выполненным на базе развитых ранее технологий, а так же возможностей построения принципиально новых устройств.

Отмеченные обстоятельства делают актуальным исследования процессов возбуждения, распространения и приема магнитостатических волн в ферритовых пленках.

В диссертации исследуются пучки МСВ, возбужденные в феррито-вой пленке преобразователями различного типа. Под пучками магнитостатических волн обычно понимают суперпозицию этих волн с одинаковыми частотами, но различными волновыми векторами как по величине, так и по направлению. Знание закономерностей формирования волновых пучков МСВ преобразователями различного типа необходимо для совершенствования методов расчета отдельных устройств и интегральных СВЧ схем на основе тонких ферритовых пленок.

Одной из важных задач аналоговой обработки высокочастотных сигналов в спин-волновой электронике является пространственная и частотная фильтрация сигналов. Задача частотной фильтрации в основном решается, как и в случае использования ПАВ, формированием нужной амшштудночастотной характеристики (АЧХ) преобразователя электромагнитных волн в магнитостатические за счет применения различных технологических приемов, как то: использование многоэлементных систем преобразователей различных конструкций с одной ферритовой пленкой, использование полоско-вых преобразователей на двух ферритовых пленках, и других. В диссертации на основе анализа процессов возбуждения и распространения пучков МСВ в тонких ферритовых пленках предлагается новый подход к решению задач пространственной фильтрации СВЧ сигналов. Приборы пространственной фильтрации СВЧ сигналов с использованием магнитостатических волн в ряде случаев обладают лучшими селективными свойствами, чем их аналоги.

В диссертации также исследуются процессы возбуждения и приема магнитостатических волн копланарными преобразователями в слоистых феррит-диэлектрических волноводных структурах. Магнитостатические волны, распространяющиеся в структурах указанного типа, перспективны для создания твердотельных систем аналоговой обработки (в том числе фильтрации) сигналов в СВЧ диапазоне (см., например, [1,5]), что делает актуальным изучение процессов возбуждения и приема магнитостатических волн в таких структурах.

Следует отметить, что ранее задачи о возбуждении и приеме магнитостатических волн и их пучков преобразователями различных типов решались в приближении заданного, а зачастую и однородного распределения тока (поля) вдоль преобразователя. В диссертационной работе указываются недостатки такого подхода. Впоследствии, к решению указанных задач ряд авторов стали применять самосогласованный подход, учитывающий обратную реакцию на преобразователь возбужденных им магнитостатических волн в ферритовой пленке. Но в большинстве случаев решение таких задач сводилось к необходимости решать громоздкими численными методами интегральное уравнение для плотности тока преобразователя. Как один из наиболее эффективных методов расчета разнообразных устройств на МСВ, свободный от указанных недостатков, в диссертации используется метод самосогласованного поля [6]. Он основан на аналитическом решении сингулярных интегральных уравнений, являющихся математической формулировкой двух первоначально независимых электродинамических задач - о возбуждении ферритовой пленки заданным высокочастотным магнитным полем и о возбуждении образующей преобразователь линии передачи заданной высокочастотной намагниченностью. Такой подход к решению подобных задач не нуждается в решении уравнений для плотности тока преобразователя МСВ и отличается универсальностью и возможностью получения аналитических, в большинстве случаев, решений задач о возбуждении и приеме магнитостати-ческих (спиновых) волн.

Для решения задач о возбуждении и приеме магнитостатических волн и пучков МСВ в ферритовых пленках преобразователями произвольного типа методом самосогласованного поля, необходимо знать электромагнитное поле и постоянную распространения волны низшего типа (квази-ТЕМ волны) в планарной линии передачи общей структуры со слоистым диэлектрическим заполнением, которая легко трансформируется в микрополоско-вую, копланарную (симметричную и не симметричную), щелевую и другие линии передачи, наиболее часто использующиеся в качестве преобразователей МСВ. Построению универсальной процедуры для эффективного численного расчета электромагнитного поля волны низшего типа в обобщенной планарной линии со слоистым диэлектрическим заполнением и посвящена третья глава. При этом в работе использовался модифицированный метод коллокаций.

Целью диссертационной работы является исследование процессов возбуждения и приема магнитостатических волн в слоистых феррит-диэлектрических структурах преобразователями различных типов для реализации пространственной и частотной фильтрации СВЧ сигналов.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, приложений к каждой из глав и списка литературы. В первой главе решается самосогласованная задача о возбуждении пучков поверхностных и объемных МСВ в ферритовой пленке преобразователем произвольного типа, в которой учитывается влияние на преобразователь возбужденной им намагниченности ферритовой пленки. Аналитическое решение в замкнутой форме получено для преобразователей произвольного типа, численные расчеты проведены для полосковых и копланарных преобразователей в частотной области существования поверхностных магнитостати ческих волн (ПМСВ), а также для полосковых преобразователей в области объемных МСВ. На основе эффекта, выявленного при анализе полученных результатов, предложен принцип пространственной фильтрации СВЧ сигналов и принципиальная структура одного из возможных устройств, использующих указанный принцип. Из сравнения полученных численных решений с приближением заданного поля (тока) преобразователя делается вывод о принципиальной необходимости учета обратной реакции возбужденных волн на преобразователь. Приводится сравнение расчетных и известных экспериментальных результатов. Приложения к данной главе посвящены некоторым математическим аспектам поставленных задач.

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Резванов, Александр Геннадиевич

Основные результаты, полученные в диссертационной работе, можно сформулировать следующим образом:

1. Решена самосогласованная задача о возбуждении пучков поверхностных и объемных МСВ преобразователями произвольного типа. Получены аналитические соотношения для намагниченности в зоне излучения преобразователя и его амплитудной диаграммы направленности. Метод самосогласованного поля позволяет получить аналитические соотношения для диаграмм направленности преобразователей МСВ произвольного типа без ограничения на их расположение относительно ферритовой пленки и на направление намагничивающего поля. Делается вывод о принципиальной необходимости учета обратной реакции возбужденных магнитостатических волн и локальной намагниченности на преобразователь.

2. На нижних частотах диапазона существования поверхностных магнитостатических волн в ферритовой пленке выявлен эффект фазового синхронизма электромагнитных волн, распространяющихся в образующей преобразователь линии передачи, и магнитостатических волн в ферритовой пленке, приводящий к формированию диаграмм направленности с двумя угловыми направлениями распространения пучков МСВ, симметричными относительно ортогонального направления к продольной оси преобразователя. В узкой полосе частот (порядка 10-15 МГц) при определенной длине преобразователя происходит относительное подавление пучка МСВ, распространяющегося в направлении больших полярных углов точек наблюдения. При этом преобразователь становится узконаправленной антенной с шириной диаграммы направленности менее 1° по уровню 0.7.

3. На основе указанного эффекта предложен принцип пространственной фильтрации сигналов с использованием пучков МСВ, который может быть использован, например, при построении пространственных узкополосных фильтров и частотно-селективных разделителей каналов. Фильтры на ПМСВ с использованием этого принципа могут иметь (оценка) полосу пропускания (по уровню 3 дБ) порядка 0.7 МГц. Отметим, что для ряда практических приложений требуются фильтры на МСВ с узкой полосой. Известно, что пассивные фильтры не имеют значений полосы менее 1 МГц (в отличие от рассматриваемого в Главе 1 фильтра). Активные фильтры могут иметь подобную полосу.

Практическая ценность полученных результатов состоит в том, что они могут применяться в качестве рекомендаций при разработке устройств частотной и пространственной фильтрации СВЧ сигналов, разрабатываемых в различных научных и производственных учреждениях.

4. Выяснено, что использование металлизированных пленок наиболее перспективно с точки зрения практического применения магнитостатических волн в приборах пространственной фильтрации сигналов. Металлизация ферритовой пленки приводит к сужению ширины пучков на нижних и средних частотах (частотах существования волн в свободной ферритовой пленке). При этом условие фазового синхронизма выполняется в бо'лыием чем в свободной пленке частотном диапазоне существования ПМСВ.

5. Направление распространения возбужденных пучков ПОМСВ в нормально намагниченной ферритовой пленке практически совпадает с направлением, перпендикулярным оси преобразователя, и меняется незначительно с изменением частоты. Таким образом, пучки ПОМСВ с точки зрения использования их в приборах пространственной фильтрации сигналов, проигрывают пучкам ПМСВ.

6. Выяснено, что форма АЧХ фильтров на ПМСВ с копланарными преобразователями зависит от соотношения ширин центральной полоски и щели. Существует оптимальная длина преобразователей, соответствую тая минимальным потерям фильтра в заданной полосе частот. Доказано, что расчет фильтров на МСВ принципиально необходимо проводить в самосогласованной постановке с учетом обратной реакции на преобразователи как распространяющихся магнитостатических волн, так и ближних полей преобразователей. Выявлены особенности фильтров на "рабочих" магнитостатических волнах, распространяющихся у свободной и металлизированной поверхностях ферритовой пленки. В последнем случае полоса фильтра по уровню 3 дБ увеличивается, но при этом увеличивается и относительный уровень максимумов высшего порядка.

7. Особое внимание уделено изучению закономерностей формирования АЧХ фильтров с копланарными преобразователями в силу того, что дисперсионные характеристики ПМСВ при определенных расстояниях от ферритовой пленки до экранов имеют локальные экстремумы. Крутизна АЧХ фильтров в этом случае возрастает в области высоких частот диапазона существования ПМСВ.

7. Построена универсальная процедура для эффективного численного расчета электромагнитного поля волны низшего типа в обобщенной планар-ной линии со слоистым диэлектрическим заполнением, которая легко трансформируется в микрополосковую, копланарную (симметричную и не симметричную), щелевую и другие типы линий передачи, наиболее часто применяемых в качестве преобразователей. На основе модифицированного метода коллокаций разработана интерактивная программа расчета электромагнитного поля квази-ТЕМ волн целого класса линий передачи, использующихся в качестве преобразователей электромагнитных волн в магнитостатические. В одном из приложений в диссертации приведена указанная выше интерактивная программа с подробным листингом.

169

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Резванов, Александр Геннадиевич, 2000 год

1. Вапнэ Г.М. СВЧ устройства на магнитостатических волнах // Обзоры по электронной технике. Сер.1. Электроника СВЧ. Вып.8 (1060).- М.: ЦНИИ "Электроника", 1984,- 80с.

2. Proceedings of the IEEE.- 1988.- Vol.76, № 2.

3. Известия вузов. Физика.- 1988.- Т.31, № 11.

4. Вугальтер Г.А., Гили некий И.А. Магнитостатические волны (Обзор) // Известия вузов. Радиофизика,- 1989.- Т.32, № 10,- С. 1187-1220.

5. Исхак B.C. Применение магнитостатических волн (Обзор) // ТИИЭР,-1988,- Т.76, № 2.- С.86-104.

6. Загрядский С.В. Колебательные системы на основе ферритовых вол-новодных и резонаторных структур //Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук,- СПбГТУ, 1996.- 343с.

7. Zagriadski S.V., Rezvanov A.G. Radiation pattern of magnetostatic wave antenna // Тез. докл. 1-ой Объединенной конференции по магнитоэлектрони-ке,- Москва, 1995,- С.218-219.

8. Загрядский C.B., Резванов А.Г. Самосогласованная задача о возбуждении пучков магнитостатических волн // Журнал технической физики,- 1998.-Т.68, № 8,- С.95-101.

9. Zagriadski S.V., Rezvanov A.G. Effect of space synchronism of electromagnetic and magnetostatic waves and its applications // Proceedings of 10th MI-CROCOLL Conference.- Budapest, Hungary, 1999.- 4p.

10. Rezvanov A.G., Zagriadski S.V. Beamforming by magnetostatic wave microstrip antennas // Proceedings of IEEE AP-S Internation Symposium And USNC/URSI Nation Radio Science Meeting.- Orlando, USA, 1999,- 4p.

11. Резванов А.Г. Электромагнитное поле квази-ТЕМ волн планарных линии передачи со слоистым диэлектрическим заполнением / СПбГТУ.-Санкт-Петербург, 1999,- 36с.: 5ил.- Библиогр.: 16 назв.- Деп. В ВИНИТИ, № 2453-В99 Деп.

12. Zagriadski S.V., Rezvanov A.G. Phenomenon of spatial synchronism ofelectromagnetic and magnetostatic waves and formation of wave beams in ferritethfilms // Conference proceedings of 29 European Microwave conference.- Munich, Germany, 1999,- pp.20-23.

13. Резванов А.Г. Интерактивная программа расчета планарных линий передачи со слоистым диэлектрическим заполнением // Материалы межвузовской научной конференции "XXVIII неделя науки СПбГТУ", Санкт-Петербург, 1999.- Часть V,- 2с.

14. Загрядский С.В., Резванов А.Г. Возбуждение пучков магнитостатиче-ских волн в металлизированных ферритовых пленках // Тез. докл. второй объединенной международной конференции по магнитоэлектронике.- Екатеринбург, 2000.- С.54-55,

15. Гольдберг Л.Б., Пензяков В.В. Возбуждение прямых объемных маг-нитостатических волн точечным элементом тока // Журнал технической физики,- 1986.- Т.56, № 6,- С.1049-1058.

16. Гольдберг JI.Б. Возбуждение поверхностных магнитостатических волн точечным элементом тока // Журнал технической физики.- 1986.- Т.56, № 10,- С.1893-1901.

17. Власкин C.B., Новиков Г.М. // Изв.вузов. Физика.- 1989,- № 4.- С.3248.

18. Вашковский A.B., Стальмахов A.B., Шахназарян Д.Г. Формирование, отражение и преломление волновых пучков магнитостатических волн // Изв.вузов. Физика.- 1988.- №11.- С.67-75.

19. Вашковский A.B., Гречушкин К.В., Стальмахов A.B., Тюлюкин В.А. // Радиотехника и электроника,- 1986.- Т.31, № 4. С.838-840.

20. Вашковский A.B., Гречушкин К.В., Стальмахов A.B., Тюлюкин В.А. // Радиотехника и электроника.- 1987.- Т.32, № 6. С.1176-1183.

21. Валявский А.Б., Вашковский A.B., Гречушкин К.В., Стальмахов A.B., ТюлюкинВ.А. //Радиотехника и электроника.- 1988,- Т.ЗЗ, № 9. С. 1820-1830.

22. Вайнпггейн JI.A. Электромагнитные волны,- М.: Радио и связь, 1988.- 440с.

23. Загрядский C.B. Возбуждение магнитостатических волн в произвольно намагниченных ферритовых пленках // Радиотехника,- 1991.- № 3. С.29-30.

24. Загрядский C.B. Теоретический анализ ферритовых фильтров на поверхностных магнитостатических волнах // Радиотехника.- 1990,- № 6. С.31-35.

25. Damon R.W., Eshbach J.R. Magnetostatic modes of a ferromagnetic slab // J. Phys.Chem.Solids.- 1961,- Vol.19, № 3.- pp.308-320.

26. Бронштейн И.Н., Семендяев K.A. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов,- М.: Наука, 1986,- 544с.

27. Рогозин В.В., Аверин А.Н. Поле симметричной полосковой линии // Радиотехника,- 1980,- № 2.- С.73-74.

28. Рогозин В.В., Чуркин В.И. Ферритовые фильтры и ограничители мощности.- М.: Радио и связь, 1985.- 264с.

29. Вашковский А.В., Сталь махов А.В., Шараевекий Ю.П. Магнитоста-тические волны в электронике сверхвысоких частот,- Изд-во Саратовского университета, 1993,- 311с.

30. Дубовой В.А. // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук,- СПбГТУ, 1994.

31. Зубков В.И., Щеглов В.И. Обратные поверхностные магнитоетатиче-екие волны в структуре феррит-диэлектрик-металл // Радиотехника и электроника.- 1997,- Т.42, № 9,- С.1114-1120.

32. Jin Н., Belanger М., Jakubczyk Z. General analysis of electrodes in inte-grated-optics electrooptic devices // IEEE J.of Quant.Elect.- 1991,- Vol. 27, № 2,-pp.243-251.

33. Zhu N.H., Pun E.Y.B., Chung P.S. Field distribution in supported copla-nar lines using conformal mapping techniques // IEEE Trans.- 1996.- Vol. MTT-44, №8,-pp. 1493-1496.

34. Fang S.J., Wang B.S. Analysis of asymmetric coplanar waveguide with conductor backing // IEEE Trans.-1999,- Vol. MTT-47, № 2,- pp.238-240.

35. Svacina J. Ayflysis of multilayer microstrip lines by a conformal mapping method // IEEE Trans.- 1992,- Vol. МГТ-40, № 4.- pp.769-772.

36. Carlsson E. Gevorgian S. Conformal mapping of the field and charge distribution in multilayered substrate CPW's it IEEE Trans.- 1999,- Vol. MTT-47, № 8.- pp.1544-1552.

37. Thylen L., Granestrand P. Integrated optics electrooptic device electrode analysis: The influence of buffer layers // J.Opt.Commun.- 1986,- Vol. 7, -pp.11-14.

38. Marcuse D. Electrostatic field of coplanar lines computed with the point matching method // IEEE J.of Quant.Elect.- 1989,- Vol. 25, №> 5.- pp.939-947.

39. Петру и ькин В.Ю. Электромагнитные колебания,- JL: ЛИИ им. М.И.Калинина, 1959.- 104с.

40. Ramo and J. R. Whinnery field and waves in modern radio, 2nd ed. New York: Wiley, 1964.

41. Gupta К. C., Garg R., Bahl I. J. Microstrip lines and slotlines. Artech House, 1979.

42. Sobol H. Application of integrated circuit technology to microwave frequencies//Proc. IEEE- 1971,- Vol. 59,-pp.1200-1211.

43. Вашковский A.B., Герус C.B., Дикпггейн И.Е. и др. Возбуждение поверхностных магнитостатических волн в ферромагнитных пластинах // Журнал технической физики,- 1979,- Т.49, № 3, С.628-632.

44. Emtage P.R. Interaction of magnetostatic waves with a current // J. Appl. Phys.- 1978,- Vol. 49, № 8, pp.4475-4484.

45. Вугальтер Г.А., Гилинский И.А. Возбуждение и прием поверхностных магнитостатических волн микрополосковым преобразователем // Журнал технической физики.- 1985,- Т.55, № 11,- С.2250-2252.

46. Вугальтер Г.А., Гусев Б.Н., Гуревич А.Г. Возбуждение и прием поверхностных спиновых волн произвольно нагруженными преобразователями // Журнал технической физики,- 1987,- Т.57, № 7.- С.1338.

47. Гилинский И.А., Щеглов И.М. Возбуждение и прием поверхностных магнитостатических волг. Многоэлектродная задача // Препринт 17.- ИФП СО АН СССР, Новосибирск, 1987,44с.

48. Гилинский И.А., Щеглов И.М. Теория возбуждения поверхностных магнитостатических волн // Журнал технической физики,- 1985,- Т.55, № 12-С.2323-2332.

49. Щеглов И.М., Гилинский И.А. Сорокин В.Г. Теория возбуждения поверхностных магнитостатических волн. II. Численные результаты и сравнение с экспериментом // Журнал технической физики,- 1987,- Т.57, № 5,-С.943-952.

50. Гилинский И.А., Щеглов И.М. Возбуждение и прием поверхностных магнитостатических волн многоэлектродными преобразователями. I. // Журнал технической физики.- 1989.- Т.59, № 7,- С.66-73.

51. Гилинский И.А., Щеглов И.М. Возбуждение и прием поверхностных магнитостатических волн многоэлектродными преобразователями. П. // Журнал технической физики,- 1989,- Т.59, № 7,- С.74-79.

52. Дмитриев В.Ф., Калиникос Б.А. Возбуждение распространяющихся волн намагниченности микрополосковыми антеннами // Изв. вузов. Физика,-1988,- Т.31, № 11,- С.24-53.

53. Дмитриев В.Ф. Селективные свойства спин-волновых устройств на основе щелевых и копланарных линий // Радиотехника и электроника.- 1990,-Т.35, № 9.- С.1821-1828.

54. Гуревич А.Г., Мелков Г.А. Магнитные колебания и волны,- М.: Наука, 1994.- 462с.

55. Рогозин В.В., Чуркин В.И. Ферритовые фильтры и ограничители мощности,- М.: Радио и связь, 1985,- 261с.

56. Вугальтер Г.А., Гусев А.Г., Гуревич А.Г., Чивилева О.А. Возбуждение поверхностной магнитостатической волны копланарным преобразователем // Журнал технической физики.- 1986,- Т.56, № 1,- С. 149-160.

57. Гусев Б.Н., Гуревич А.Г., Вугальтер Г.А., Краснов Е.С. Возбуждение и прием поверхностных спиновых волн несимметричными копланарными преобразователями // Письма в ЖТФ,- 1986.- Т. 12, № 9,- С.537-541.