ОБРАБОТКА МИКРОВОЛНОВЫХ СИГНАЛОВ С ПОМОЩЬЮ ДИПОЛЬНО-ОБМЕННЫХ СПИНОВЫХ ВОЛН

March 28, 2012 by admin Комментировать »

Мелков Г. А., Васючка В. И., Дзяпко А. Д., Чумак А. В. Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко КНУ ул. Владимирская, 64, Киев – 01033, Украина Тел.: +38 (044) 266-05-53; fax: +38 (044) 266-06-00; e-mail: melkov@univ.kiev.ua

Аннотация – Исследована возможность применения для обработки микроволновых сигналов дипольно- обменных спиновых волн (ДОСВ) с величиной волнового

вектора k~ 104 см’1. Возбуждение ДОСВ осуществлено с помощью упругого двухмагнонного рассеяния спиновых волн на неоднородностях, для фазировки и усиления ДОСВ использовался метод параметрического обращения волнового фронта. Эксперимент был проведен на пленках желе- зо-иттриевого граната в трехсантиметровом диапазоне длин волн накачки. Были получены задержки сигнала до

2,6  мкс при вносимых потерях менее 20 дБ/мкс.

I.  Введение

В настоящей работе проведены теоретические и экспериментальные исследования возможности создания нового поколения ферритовых приборов, использующих короткие долгоживущие дипольно- обменные спиновые волны (ДОСВ) с величиной волнового вектора к ~ 104 см’1. Использование этих волн вместо традиционных дипольных магнитостатических волн (МСВ) с к ~ 102 см’1 должно привести к уменьшению размеров этих приборов, увеличению задержки сигналов, увеличению добротности колебаний и др. Основные трудности на пути использования ДОСВ обусловлены низкой эффективностью их возбуждения и многомодовостью, приводящей к расфазировке возбужденного набора ДОСВ.

Для повышения эффективности возбуждения ДОСВ в работе использовано упругое двухмагнонное рассеяние спиновых волн на неоднородностях [1]. Для фазировки набора ДОСВ применено параметрическое обращение волнового фронта [2].

II.  Основная часть

Процесс двухмагнонного рассеяния является одним из основных процессов релаксации, в результате двухмагнонного рассеяния большая доля энергии МСВ перекачивается в ДОСВ, где она продолжает существовать даже после исчезновения МСВ, т. к. время жизни ДОСВ обычно существенно больше времени жизни МСВ. Двухмагнонное рассеяние определяется процессами упругого рассеяния волн на неоднородностях, в результате которого волна с волновым вектором к превращается в волну, обладающую вектором к’. Вероятность такого процесса зависит от характера неоднородностей и волновых векторов к, к’ [1]. В случае рассеяния на неоднородностях размером а имеет максимум при к’ = к±2я/а\ в высококачественных образцах железо-иттриевого граната обычно а~ 1 мкм, что означает появление в образце волн с к ~ 104 см’1. Вследствие того, что все параметры неоднородностей являются случайными, из-за двухмагнонного рассеяния МСВ возбуждается целый набор ДОСВ с самыми разными направлениями распространения. Набор собственных частот возбужденных ДОСВ

Атк~т~1 где ts – длительность импульса МСВ во

времени. При наносекундных значениях ts набор

частот Ашк составляет десятки мегагерц. Поэтому

непосредственное использование рассеянных на неоднородностях ДОСВ для направленного переноса энергии невозможно, макроскопический сигнал от них рассеивается в пространстве и исчезает за время ~ts .

Для восстановления макроскопического сигнала от ДОСВ, возникших в результате рассеяния сигнальных МСВ, можно воспользоваться процессом параметрического обращения волнового фронта [2]. Под действием импульса накачки, включенного через время tp после сигнального импульса, из разных

точек пленки все рассеянные ДОСВ с разными скоростями начнут бежать в обратном направлении и все одновременно (более быстрые волны пройдут большее расстояние, более медленные – меньшее) достигнут рассеивающих центров, на которых в результате обратного двухмагнонного рассеяния возникнет вторичная обращенная МСВ, бегущая по направлению к входной антенне, где через время 2tp

она сформирует выходной сигнал.

Экспериментальный макет состоял из пленки же- лезо-иттриевого граната размером 1,5мм х 20мм х х 7,1 мкм, помещенной внутрь диэлектрического (s~80) резонатора накачки. Магнитостатические волны в пленке создавались с помощью возбуждающей (и одновременно и приемной) микрополос- ковой антенны. Постоянное магнитное поле Й0 было направлено вдоль направления распространения МСВ, т.е. антенной в ферритовой пленке возбуждались обратные объемные магнитостатические волны (ООМСВ) [1]. Частота сигнала ® ~ 4J ГГц,

ts= 30 нс, мощность сигнала Ps = 0,3 мВт. Сигнальный электромагнитный импульс возбуждал в пленке пакет ООМСВ с волновыми числами к~ 102 см’1 и

групповой скоростью vgm = 3 • 106 см/с. Частота накачки юр в ~ 2 раза превышала частоту сигнала: юр «2ms : длительность импульса накачки тр =50 нс, ее мощность Рр = 4,5 Вт. Для возбуждения колебаний накачки в диэлектрическом резонаторе он помещался внутрь стандартного прямоугольного трехсантиметрового волновода, присоединенного к магнетронному генератору накачки. Переменное поле накачки в резонаторе было параллельным постоянному магнитному полю Й0 , т. е. имел место случай параллельной параметрической накачки [1]. Выходной сигнал Pout снимался с микрополосковой антенны и с помощью циркулятора направлялся на измерительную схему.

Рис. 1. Зависимость выходной мощности Pout и времени задержки td выходного сигнала от времени включения импульса накачки tp; Но=1092 Э. Fig. 1. Dependence of the power Pout and the delay time td of the output pulse on the time tp at which the pumping pulse has been switched on, H0=1092 Oe

Результаты экспериментальных измерений мощности Pout и времени задержки td выходного сигнала от времени включения импульса накачки tp изображены на рис. 1. Видно, что наблюдается экспоненциальное затухание выходной мощности с ростом tp. При этом на кривой Pout{tp) можно выделить три участка I, II, III, имеющие различные скорости спадания Pout при изменении tp . Эти скорости

определяются частотой релаксации волн, вносящих основной вклад в выходной сигнал. Участок I на рис.1 при /<100 не обусловлен обращением волнового фронта дипольных МСВ, подробно исследованных в [3]. Частота релаксации МСВ Tk=/AHk/2,

определенная из рис. 1, составляет 5,5• 10б с’1 (ширина линииАНк =0,65 Э). Участок II на рис. 1 обусловлен волнами с АНк -0,3 Э, участок III – волнам с ДЯк ~0,18 Э-такое значение ширины линии соответствует коротким слабозатухающим ДОСВ с к~ 104 см’1. Из рис. 1 видно, что благодаря возбуждению слабозатухающих ДОСВ удалось получить задержку микроволнового сигнала до 2,6 мкс, при этом полные потери составили 47,5 дБ, что существенно превосходит достигнутые ранее на феррито- вых линиях задержки результаты [4].

III.   Заключение

В работе показана возможность использования коротких долгоживущих дипольно-обменных спиновых волн для обработки сигналов СВЧ диапазона. В пленках железо-иттриевого граната осуществлена задержка сигнала частоты 4,7 ГГц на время td = 2,6 мкс при

общих потерях не превышающих 47,5 дБ.

IV.  Список литературы

[1 ] Гуревич А. Г., Мелков Г. А. Магнитные колебания и волны, Наука, Москва, 1994.

[2]  Зельдович Б. Я., Пилипецкий Р. Ф., Шкунов В. В. Обращение волнового фронта, Наука, Москва, 1985.

[3]  Мелков Г. А., Серга А. А., Славин А. Н. и др. ЖЭТФ, ш. 116, 2192, 1999.

[4]  J. D.Adam, Proc.lEEE, v.76, 159, 1988.

MICROWAVE SIGNAL PROCESING USING DIPOLE-EXCHANGE SPIN WAVES

Melkov G. A., Vasyuchka V. I., Dzyapko A. D.,

Chumak A. V.

Taras Shevchenko National University of Kiev KNU 26, Glushkova Ave., Kiev-01680, Ukraine

Tel.: +38 (044) 266-05-53: fax: +38 (044) 266-06-00 e-mail: melkov@univ.kiev.ua

Abstract – The possibility of application of dipole-exchange spin waves (DESW) in ferrite (yttrium-iron garnet or YIG) films for microwave signal processing is investigated. The short- wavelength DESW were excited as a result of scattering of an input long-wavelength dipolar spin wave pulse on inhomogeneities in the YIG film.

I. Introduction

Currently, all the applications of ferrite films in microwave frequency range are based on the excitation of relatively long wave magnetostatic waves (MSW) with wave vector magnitudes in the range of k< 102 cm’1. Relatively short dipole exchange spin waves (DESW) having wave vector magnitudes in the range of k = 104 cm’1 have several important advantages in comparison with MSW: much smaller group velocity and several times smaller dissipation parameter. The main difficulties in using of DESW are caused by the low excitation efficiency and by multimode character of such excitation.

II. Main part

To solve the problem of effective transformation of electromagnetic signals into DESW we use the process of two- magnon elastic scattering of linearly excited long wavelength MSW on the inhogeneities and defects existing in a ferrite sample. In the process the highest probability of excitation corresponds to the DESW withfc«|fcm +2Wa| , where a – is the

characteristic size of the inhomogeneity or defect. For the high- quality samples of YIG, having a typical defect size of the order of 1 |xm, this means that that packet of relatively slow and short-

wavelength DESW with k ~ 104 cm’1 will be excited.

To solve the problem of phasing of the DESW packet we used pulsed microwave pumping for parametric wave front reversal. As a result of the action of the parametric pumping supplied to the film at the moment t = t reversed idle waves will be generated. At the time t = 2tp all the reversed waves will be phased,

and will form a substantial delayed output signal.

The experimental setup consisted of an YIG film waveguide, the middle part of which was placed in a rectangular opening inside a dielectric (s = 80) resonator, and a single

microstrip transducer used for excitation and reception of the pulsed MSW signal having carrier frequency ms ! 2n = 4.7 GHz.

The results of the experimental measurements of the power Pout and the delay time td of the output signal as functions of

the time tp are presented in Fig.1. It is clear from Fig. 1 that

due to the excitation of low-dissipative DESW we were able to obtain the delay of the input pulsed microwave pulse of up to

2.6  us, while the total insertion loss was 47.5 dB.

III. Conclusion

We have demonstrated that short and low-dissipative DESW with k = 104 cm’1 can be successfully used for microwave signal processing in YIG films, and the controlled time delay of the input pulsed signal exceeding 2.5 (js can be achieved when insertion losses are lower than 20 dB/(js.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты