Аттенюатор магнитоэлектрический

Полезная модель относится к области электроники СВЧ. Предлагается использование в радиотехнике СВЧ для снижения уровня сигналов, обеспечивающее фиксированное или регулируемое затухание. Устройство состоит из микрополосковой линии передачи на поликоровой подложке и двух МЭ резонаторов, состоящих из монокристаллической пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ-Y₃Fe₅ O₁₂) на подложке из гадолиний-галиевого граната (ГГГ-Gd ₃Ga₅O₁₂) и монокристаллический титанат-ниобата магния (THM-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 /8 и 3/8. Расстояние l между резонаторами должно быть кратно целому числу длин полуволн, что необходимо для их согласованной работы.

Предложенный аттенюатор позволяет 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.

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 и k представлены следующими выражениями:

где V - объем МЭ резонатора, M ₀ - намагниченность насыщения, H_r - резонансное поле, H_E - величина сдвига резонансной линии под действием управляющего электрического поля, H - постоянное магнитное поле, H - полуширина линии ФМР, - длина волны в линии передачи, z₀ - волновое сопротивление микрополосковой линии передачи, Z - волновое сопротивление свободного пространства, - относительная диэлектрическая проницаемость подложки, - 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 /8; 5 - микрополосковый шлейф длиной 3/8; 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-Y₃Fe₅ O₁₂) на подложке из гадолиний-галиевого граната (ГГГ-Gd ₃Ga₅O₁₂) 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 /8 и 3/8. 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).

Аттенюатор магнитоэлектрический, включающий систему управления, линию передачи, отличающийся тем, что линия передачи состоит из микрополосковых секций, включающих микрополосковые линии со шлейфами длиной /8 и 3/8 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.