2
Оглавление
Введение................................................... 4
Глава 1. Возбуждение пучков магнитостатических волн (МСВ) в произвольно намагниченных ферритовых пленках преобразователями различных типов............................ 13
1.1. Самосогласованная задача о возбуждении пучков МСВ преобразователем произвольного типа: постановка и аналитическое решение в замкнутой форме................................................................... 14
1.2. Возбуждение пучков поверхностных МСВ полосковым преобразователем ................... *.:..................................................... 27
1.3. Возбуждение пучков поверхностных МСВ конланарной линией передачи. Влияние металлических экранов на формирование пучков воля................................................ 52
1.4. Возбуждение пучков прямых объемных МСВ полосковым преобразователем................................................ 59
Приложение III. 1. Сведение системы сишулярных интегральных уравнений самосогласованной задачи о возбуждении пучков МСВ к интегральному уравнению Фредголъма 2 рода.............. 69
Приложение П1.2. К самосогласованной задаче о возбуждении пучков поверхностных МСВ полосковым преобразователем (приведение дисперсионного уравнения для поверхностных МСВ к принятой в диссертации системе координат и обозначений)............... 75
Приложение П1.3. Собственные функции и норма намагниченности для поверхностных магнитостатических волн в ферритовой пленке (включая случай наличия металлических экранов)............ 79
3
Приложение П1.4. Собственные функции и норма намагниченности для прямых объемных магнитостатических волн.............. 84
Глава 2. Фильтры (линии задержки) на МСВ в слоистых феррит-диэлектрических волноводных структурах.................. 89
2.1. Самосог ласованная задача о возбуждении и приеме МСВ в слоистых феррит-диэлектрических волноводных структурах преобразователями произвольного типа.............................. 91
2.2. Фильтры (линии задержки) на основе симметричных и не-
симметрич1п»1х копланарных преобразовагелей................... 102
Глава 3. Электромагнитное поле квази-ТЕМ волн планарных линий передачи со слоистым диэлектрическим заполнением.................................................... 122
3.1. Построение вычислительной процедуры для расчета электромагнитного поля планарной линии передачи со слоистым диэлектрическим заполнением..................................... 127
3.2. Результаты численного расчета электромагнитного ноля симметричной копланарной линии передачи....................... 144
Приложение П3.1. Интерактивная программа расчета электромагнитного поля квази-ТЕМ волн планарных линий передачи со слоистым диэлектрическим заполнением...................... 151
Заключение................................................ 166
Литература
169
4
Введение
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-вол новой 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 электромагни тных волн в среде. Для описания магнитостатических волн можно использовать уравнения магтгитостатики, а спекгр 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 отраниченным 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.
5
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 гак же возможностей построения принципиально новых устройств.
Отмеченные обстоятельства делают актуальным исследования процессов возбуждения, распространения и приема магнитостагических 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 час-готами, но различными волновыми векторами как по величине, так и по на-1гравлению. 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 обработай высокочастотных сигналов в спин-вол новой электронике является пространственная и частотная фильтрация сигналов. Задача частотной фильтрации в основном решается, как и в случае использования ПАВ, формированием нужной амплитудно-
6
частотной 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 полосковых 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 фер-рит-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 воли 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 рептатъ громоздкими численными методами интегральное уравнение для плотности тока преобразователя. Как один из наиболее эффекгивных методов расчета разнообразных устройств на МСВ, сво-
7
бодный от указанных недостатков, в диссертации используется метод самосогласованного поля [6]. Он основан на аналитическом решении сишуляр-ных интегральных уравнений, являющихся математической формулировкой двух первоначально независимых электродинамических задач - о возбуждении ферритовой пленки заданным высокочастотным магнитпым 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, пеобходимо зпатъ 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, копланарпую (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 сгруюурах преобразователями различных типов для реализации пространственной и частотной фильтрации СВЧ сигналов.
8
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 магнитостатических волн (ПМСВ), а также для полосковых преобразователей в области объемных МСВ. На основе эффекта, выявленног о 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.
Во второй главе диссертации на основе решения самосогласованной задачи о возбуждении и приеме плоских магнитостатических воли в слоистых феррит-диэлектрических волноводных структурах преобразователями произвольного типа теоретически исследуются традиционные конструкции фильтров СВЧ (линий задержки). Предложены способы оптимизации згих устройств для получения требуемых частотных характеристик. Особое внимание уделено изучению закономерностей формирования амплитудно-частотных характеристик устройств на копланарных преобразователях. Проводится сравнительный анализ полученных в данной главе расчетных частотных характеристик фильтров на поверхностных магнитостатических вол-
9
нах с копланарными (симметричными и несимметричными) преобразователями и известных по публикациям экспериментальных частотных характеристик рассматриваемых фильтров.
В третьей клаве решается задача расчета электромагнитного поля обобщенной планарной линии передачи со слоистым диэлектрическим заполнением, которая легко трансформируется в большинство линий передачи, использующихся в качестве преобразователей МСВ. На основе модифицированного метода коллокаций разработана интерактивная программа расчета электромагнитного поля квази-ТЕМ волн указанных выше линий передачи со слоистым диэлектрическим заполнением. В качестве примера, рассчитано электромагнитное поле симметричной копланарной линии передачи. Проводится сравнение полученных в диссергационной работе численных и известных решений для электромагнитного поля и волнового сопротивления линий передачи различных типов. Результаты, полученные в данной главе, применены в диссертации для анализа частотных характеристик филыров (линий задержки) на МСВ. В приложении приведена указанная выше интерактивная программа с подробным листингом.
Научная новизна работы заключается в следующем:
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.
2. Выявлен эффект фазового синхронизма электромагнитных волн, распространяющихся в образующей преобразователь линии передачи, и магни-тостатических вода в ферритовой пленке, приводящий к формированию узкой (порядка 1° по уровню 0.7) диаграммы направленности преобразователя в определенном частотном интервале.
10
3. На основе указанного эффекта предложен принцип пространственной фильтрации сигналов с использованием пучков МСВ для построения фильтров и частотно-селективных разделителей каналов.
4. На основе модифицированною метода коллокаций разработана интерактивная программа расчета электромагнитного поля целого класса линий передачи, использующихся в качестве преобразователей электромагнитных волн в магнитостатическис.
Научная и практическая ценность. Научная ценность диссертации заключается в том, что полученные в ней результаты расширяют и углубляют физические представления о процессах возбуждения и приема магнитостатических волн в слоистых феррит-диэлектрических структурах и связанных с ними принципах фильтрации высокочастотных сигналов. Практическая ценность работы состоит в том, что ее результаты могут применяться как для интерпретации физических экспериментов, так и в качестве рекомендаций при разработке устройств частотной и пространственной фильтрации СВЧ сигналов, разрабатываемых в таких научных и производственных учреждениях, как Холдинговая компания «Ленинец», НИИ «Домен», ОАО «Магнетон», и других.
Использование результатов работы. Материала диссертационной работы непосредственно используются в лекционном курсе ”Электромагнит-ные волны в магнитоупорядоченных средах” на кафедре радиофизики Санкт-Петербургского государственного технического университета.
Апроба»сия работы. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ [7-16]. Осповные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и семинарах:
• Первая объединенная конференция по магнитоэлектронике (Москва,
1995).
• XXIII семинар по спиновым волнам (Санкт-Петербург, 1996).
11
• The Eighth Biennial IEEE Conference on Electromagnetic Field Computation (Tucson, USA, 1998).
• 10th MTCROCOLL conference (Budapest, Hungary, 1999).
• IEEE AP-S Intemation Symposium And USNC/URSI Nation Radio Science Meeting (Orlando, USA, 1999).
• 29th European Microwave conference (Munich, Germany, 1999).
• XXVIII Неделя науки СП6ГТУ (1999, Санкт-Петербург).
• Вторая объединенная международная конференция по магнигоэлек-тронике (Екатеринбург, 2000).
• Итоговый семинар но физике и астрономии но результатам конкурса грантов 1999 года для молодых ученых Санкт-Петербурга (Санкт-Петербург, 2000).
• International symposium on spin waves (Санкт-Петербург, 2000).
Автор диссертационной работы был удостоен персональных грантов Правительства Санкт-Петербурга для молодых ученых 1997, 1999г.
Основные положения,» выносимые на защиту:
1. Предложенный для решения задач о возбуждении пучков МСВ метод самосогласованного поля позволяет получить аналитические соотношения для диаграмм направленности возбудителей МСВ произвольного типа без ограничения на расположение их относительно ферритовой пленки и на направление намагничивающего поля.
2. На нижних частотах диапазона существования поверхностных магнитостатических волн в ферритовой пленке имеет место эффект фазового синхронизма электромагнитных волн, распространяющихся в образующей преобразователь линии передачи, и магнитостатических волн в ферритовой пленке, приводящий к формированию двух узких диаграмм направленности с относительным подавлением одного из пучков МСВ в узкой полосе частот (порядка 10-15 МГц).
12
3. Амплитудные диаграммы направленности возбудителей прямых объемных магнитостатических волн (ПОМСВ) сужаются с ростом частоты. Направления распространения возбужденных пучков ПОМСВ, обусловленные выполнением условия фазового синхронизма, в отличие от пучков ПМСВ практически совпадают с направлением, перпендикулярным оси возбудителя, и меняются незначительно с изменением частоты.
13
Глава 1. Возбуждение пучков магнитостатических волн в произвольно намагниченных ферритовых пленках преобразователями различных типов
Под пучками магнитостатических волн (МСВ) обычно понимают суперпозицию этих волн с одинаковыми частотами, но различными волновыми векторами как по величине, так и по направлению.
В ряде работ [17-20] рассматривались задачи о возбуждении пучков поверхностных и объемных МСВ точечным элементом тока и нитью с постоянным вдоль нее током. Исследовались фокусирующие преобразователи, излучающие пучки волн [21-23]. Однако все указанные задачи решались в приближении заданного тока преобразователя.
В данной главе решается самосогласованная задача о возбуждении пучков поверхностных и объемных МСВ в ферритовой пленке преобразователями произвольного типа, в которой учитывается обратное влияние на преобразователь как возбужденных им распространяющихся мапгатостатических волн, так и локальной намагниченности. Аналитическое решение указанной задачи дается в замкнутой форме. Численные расчеты проводятся как для полосковых и коплапарных преобразователей, возбуждающих пучки ПМСВ, так и ;шя полосковых преобразователей, возбуждающих пучки объемных МСВ. Приводится сравнение полученных численных решений с приближением заданного поля преобразователя, из которого делается вывод о принципиальной необходимости учета образной реакции возбужденной намагниченности ферритовой пленки на преобразователь.
Основное содержание главы опуб.!Гиковано в работах [7,9-11,13,15].
14
1.1. Самосогласованная задача о возбуждении пучков МСВ преобразователем произвольного типа: постановка и аналитическое решение в замкнутой форме
Рассмотрим неограниченную в плоскости уог ферритовую пленку толщиной (1, намагниченную до насыщения в произвольном направлении 7], которая возбуждается преобразователем произвольного типа, условно показанным на рис. 1.1.1.
X
Рис. 1.1.1.
Пусть в линии передачи, образующей преобразователь, может распространяться (в отсутствие ферритовой пленки) лишь волна низшего типа V с постоянной распространения у и электромагнитным полем
Е±у= Е^О^ехрО Нн = Н±у0(х^)ехр(т \у£)
(здесь и далее векторные величины выделяются жирным шрифтом). Собственные векторные функции Еу, Ну для большинства типов линий передачи, используемых в качестве преобразователей МСВ, мо1ут быть найдены методом, развитым в Главе 3 (в Приложении П3.1 к указанной главе приведен текст программы расчета собственных векторных функций), и, поэтому, в данной главе считаются известными. Не ограничивая общности рассмотрения, будем считать магнитное поле линии передачи поперечным. Кроме того,
15
считая линию не имеющей потерь, примем функции Ev, Hv вещественными. В этом случае в соответствие с [24] можно положить Еуо = - E_vo, Hvo = H_vo • Магнитное поле падающей электромагнитной волны основного V -типа в сечении z = О равно сНу. Преобразователь имеет длину L и нагружен на произвольную нагрузку, дающую в сечении z = L коэффициент отражения по току Г.
Собственные функции намагниченности МСВ mn= mn°(jc)exp(-/A:„'r) и дисперсионные характеристики МСВ <оп(к„) также будем предполагать известными (Аг„ и г - волновой векгор волны и вектор-радиус в плоскости пленки).
Задачу о возбуждении пучков МСВ преобразователями произвольного типа решим методом самосогласованного поля [6], который ранее к задачам такого рода не примепялся. Он основан на аналитическом решении системы сингулярных интегральных уравнений, являющихся математической формулировкой двух первоначально независимых электродинамических задач - о возбуждении ферритовой пленки заданным высокочастотным магнитным полем М = Т(Ьу) и о возбуждении образующей преобразователь линии передачи заданной высокочастотной намагниченностью hv = Ф(М).
Решение первой задачи строится на основе линеаризованного уравнения Ландау-Лифшица. Входящую в него высокочастотную намагниченность, возбужденную в ферритовой пленке сторонним высокочастотным полем hv на частоте со, можно найти в виде интегрального разложения по собственным функциям намагниченности в двумерном пространстве волновых чисел в плоскости пленки [25]
+О0 +СО
М=Х J J (^.Шп)dknydkm, (1-1-1)
П -00-00
- Київ+380960830922