МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВЧ УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ ФЕРРИТ- ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

May 9, 2012 by admin Комментировать »

Татаренко А. С.1, Бичурин М. И.1, Филиппов А. В.1, Сринивасан Г.2 1  Институт электронных и информационных систем Новгородского государственного университета Б. Санкт-Петербургская, 41, Великий Новгород – 173003, Россия Факс: +7 81622 24110; e-mail: bmi@novsu.ac.ru 2      Физический факультет, Оклендский Университет Рочестер, Ml 48309, США

Аннотация – Представлен новый класс СВЧ устройств с электрическим управлением сигнала на базе слоистых магнитоэлектрических материалов. Рассматривается трехслойная магнитоэлектрическая структура, состоящая из пьезоэлектрика и пленки железо-иттриевого граната на подложке из гадолиний-галлиевого граната. Представлены конструкция и теоретический анализ фильтра и аттенюатора на основе микрополосковой линии.

I.    Введение

Уникальное сочетание магнитных, электрических и магнитоэлектрических (МЭ) свойств открывает новые возможности для создания управляющих СВЧ устройств. К преимуществам таких устройств относится высокое быстродействие, совместимость с технологией интегральных микросхем [1, 2].

Нами проведены исследования МЭ взаимодействий в композиционных МЭ материалах в области ферромагнитного резонанса (ФМР) [3]. Электрическое поле, прикладываемое к образцу в области ФМР, посредством пьезоэффекта и магнитострикции приводит к сдвигу линии ФМР в резонансном поле. Здесь мы обсуждаем фильтр и аттенюатор с резонаторами на основе трехслойной МЭ структуры, состоящей из ниобата титаната магния (НТМ) и пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ) на подложке из гадолинийгаллиевого граната (ГГГ).

II.    Магнитоэлектрические СВЧ устройства

Двухрезонаторный МЭ фильтр состоит из корпуса, в который помещена плата из диэлектрического материала (е=10, толщина h=1 мм). Линии передачи представляют собой связанные микрополосковые линии нерезонансной длины. Развязка между линиями определяется величиной зазора между линиями передачи. Резонаторы, выполненные в виде магнитоэлектрических пластин (4,0×1,0x0,1 мм3), намагниченных до величины резонансного поля Нг, осуществляют связь между линиями передачи. Коэффициент связи резонатора с линией передачи определяется как отношение собственной добротности резонатора к добротности связи. Перестройка параметров фильтра осуществляется с помощью внешнего электрического поля.

В качестве модели двухзвенного фильтра принято каскадное соединение двух однозвенных фильтров, соединенных отрезком линии передачи нерезонансной длины, играющим роль элемента связи между звеньями. Вносимые потери определяются выражением:

Рис. 2. Зависимость вносимого затухания аттенюатора от величины управляющего электрического поля.

Fig. 2. Insertion losses of ME attenuator

I.    Заключение

Использование МЭ композитов в резонансных СВЧ устройствах позволяет осуществить электрическое управление параметрами предложенных фильтров и аттенюаторов. Применение МЭ композитов открывает новые возможности для создания на их основе устройств с высоким быстродействием и малыми габаритами.

Работа поддержана грантами Министерства Образования РФ (№ Е02-3.4-278 и № УНР 01.01.026).

II.   Список литературы

[1]   Bichurin М. /., Petrov R. V., Kiliba Yu. V. Magnetoelectric microwave phase shifters. Ferroelectrics, vol. 204, 1997, pp. 311-319.

[2]   Bichurin M. I., Petrov V. М., Petrov R. V., Kapralov G. N.. Bukashev F. /., Smirnov A. Yu., Tatarenko A. S. Magneto- electric Microwave Devices. Ferroelectrics, vol. 280, 2002, pp. 213-220.

[3]   Bichurin М. I., Kornev I. A., Petrov V. М., Tatarenko A. S., Kiliba Yu. V., Srinivasan G. Theory of magnetoelectric effects at microwave frequencies in a piezoelectric/ magne- tostrictive multilayer composite. Phys. Rev. B, vol. 64, 2001, pp. 1-6.

MICROWAVE MAGNETOELECTRIC DEVICES

Tatarenko A. S.1, Bichurin М. I.1, Srinivasan G.2

1                                           Novgorod State University 41, B. S. Peterburgskaya St.,

Veliky Novgorod -173003, Russia Fax: +7 81622 24110, e-mail: bmi@novsu.ac.ru 2Physics Department, Oakland University Rochester, Ml 48309, USA

Abstract – One of perspective directions of solid-state electronic engineering to produce new devices on the basis of magnetoelectric materials. Design and application of the new microstrip microwave filter and attenuator are considered.

I.  Introduction

A combination of magnetic and electrical properties as well as the properties stipulated ME interaction in composites, open broad functional capabilities for manufacturing the new devices [1, 2].

II.  Microwave magnetoelectric devices

This article represents two ME devices – microwave two- cavity filter and microwave resonance attenuator for frequency 9.3 GHz. As the model of two-cavity filter the cascade connection two single-cavity filters and connecting section of transmission line of the nonresonance length is accepted. With the purpose of tuning the filter parameters in the given work the microwave ME effect is used [3]. The effect is in shift of FMR line with influence of an external electrical field. The used sample represents layered structure; the magnetic part consists of the YIG thin film placed on the GGG film. A piezoelectric is the thin PMN-PT plate. Magnetic and piezoelectric parts are jointed together by a thin film of epoxy glue to obtain three-layer structure. For calculation of tunable filter parameters it is necessary to take into account the microwave ME effect.

Comparison with the two-cavity ferrite band-pass filters displays that the obtained filter parameters approximately coincide with characteristics of two-cavity ferrite filter on the YIG spheres.

The base of the attenuator is a microstrip transmission line on dielectric substrate and ME disk. Work of the attenuator is based on ME effect phenomena with resonance. Applying the control voltage to electrodes of the ME resonator results in a shift of FMR line due to the resonance ME effect and so electrical tuning is realized. The obtained results prove the possibility for design of resonance ME attenuator with electrical control.

III.  Conclusion

The microwave filter and attenuator on the basis of composite ferrite-piezoelectric resonators are offered. Calculation of two- cavity filter and attenuator characteristics with single-crystal ME resonators on the thrilayer GGG – YIG – PMN-PT is carried out.

The electric tuning by ME device parameters gives new opportunities for their application and manufacturing of devices with high speed of operation, small size and integral technologies.

ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЕ ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИЕ (ППФ)

И ПОЛОСНО-ЗАГРАЖДАЮЩИЕ (ПЗФ) ФИЛЬТРЫ НА МАГНИТО-СТАТИЧЕСКИХ СПИНОВЫХ ВОЛНАХ (МСВ), РАСПРОСТРАНЯЮЩИХСЯ В ПЛЕНКАХ ЖЕЛЕЗО-ИТТРИЕВОГО ГРАНАТА (ЖИГ), ВЫРАЩЕННЫХ МЕТОДОМ ЖИДКО-ФАЗНОЙ

ЭПИТАКСИИ

Попина С. М., Симанчук Б. П., Чечетин А. В. НП ОАО «Фаза» ул. Белорусская, 9/7Г, 344065, Ростов-на-Дону, Россия Тел.: (8632) 54-95-88; e-mail: faza@donpac.ru

Аннотация – Представлены результаты разработки ряда полосно-пропускающих и полосно-заграждающих фильтров СВЧ на магнито-статических волнах. Приводятся характеристики фильтров в сантиметровом диапазоне частот.

I.  Введение

Спинволновая электроника – новое научное направление, решающее задачи обработки сигналов непосредственно на СВЧ с использованием ферромагнитных материалов. В практическом смысле целью спинволновой электроники является создание миниатюрных СВЧ – приборов и интегральных схем, а также принципиально новых систем функциональной обработки информации на СВЧ.

Одним из реально подготовленных направлений в реализации устройств на МСВ является создание перестраиваемых полосно – пропускающих и по- лосно – заграждающих фильтров. В сравнении с резонансными фильтрами на ЖИГ сферах, фильтры на МСВ обладают рядом преимуществ:

>      планарная структура фильтров позволяет присоединять с другими СВЧ устройствами, без дополнительных переходов;

>      высокая крутизна фронтов амплитудно – частотной характеристики (1,2-1,8 дБ/МГц) обеспечивает подавление паразитных сигналов в непосредственной близости от полезной полосы частот;

>      высокий уровень внеполосового заграждения (до 60 дБ);

^ наличие обратного затухания (более 25 дБ).

II.  Основная часть

При конструировании ППФ и ПЗФ нами были решены следующие задачи:

–    Для различных длин волн были рассчитаны входные и выходные преобразователи, которые создают необходимое СВЧ поле и эффективно преобразовывают электромагнитные волны в магнитостатические.

–    Сконструированы магнитные системы, создающие в пространстве взаимодействия магнитное поле с определенной интенсивностью и заданной характеристикой изменения ее величины в интервале температур 100° С.

–    Составлены программы расчета параметров ППФ и ПЗФ (ширина полосы пропускания, величина минимальных потерь и внеполосового заграждения) от ширины антенн копланарных преобразователей, толщины феррита ЖИГ и граничных условий распространения спиновых волн.

–    Выбраны размеры и конфигурация волноведущих структур, состоящих из ГГГ (галлий- гад олиниевый гранат) – ЖИГ.

Все это позволило разработать и запустить в производство ряд ППФ и ПЗФ с электронной перестройкой рабочего диапазона частот, а именно:

1.  ППФ в сантиметровом диапазоне частот:

–    диапазон частот перестройки – 500 МГц;

–    полоса пропускания по уровню минус 3 дБ – 30-40 МГц;

–    минимальные потери в полосе пропускания – не более 5 дБ;

–    заграждение вне полосы пропускания – более 35 дБ;

–    обратные потери – более 25 дБ;

2.  ППФ в сантиметровом диапазоне частот с полосой пропускания 200 МГц и параметрами, аналогичными в п. 1.

3.  ППФ с диапазоном частот перестройки более 3 ГГц и параметрами, аналогичными в п. 1 и п. 2.

4.  ПЗФ в сантиметровом диапазоне частот:

–    полоса заграждения по уровню минус 40 дБ – 30-60 МГц; 200-300 МГц;

–    диапазон частот перестройки-2,5 ГГц, 5 ГГц;

–    потери вне полосы заграждения – менее 1,5 дБ;

–    крутизна скатов амплитудно – частотной характеристики – более 1,5 дБ/МГц.

Следует отметить, что разработаны ППФ и ПЗФ как с коаксиальными входом и выходом, так и с мик- рополосковыми. Так же созданы ППФ и ПЗФ, имеющие только механическую подстройку центральной частоты в пределах ± 300 МГц относительно f4, что значительно уменьшило габаритные размеры фильтров.

Проведены исследования зависимости параметров ППФ и ПЗФ от уровня входной непрерывной мощности, подаваемой на вход фильтров.

III.  Заключение

Созданные фильтры на МСВ по совокупности электрических и массогабаритных параметров значительно превосходят фильтры на других физических принципах с успехом применяются в современных приемо – передающих системах нового поколения.

TUNABLE BAND-PASS (BPF)

AND BAND-STOP (BSF) FILTERS BASED ON MAGNETOSTATIC SPIN WAVES (MSW) PROPAGATING IN YTTRIUM IRON GARNET (YIG) FILMS GROWN BY THE LIQUID-PHASE EPITAXY METHOD

Popina S. М., Simanchuk B. P., Chechetin A. V. “Faza” Public Corporation Noncommercial Partnership 9/7 G, Belorusskaya St., Rostov-on-Don – 344065, Russia

Tel.: (8632) 54-95-88; e-mail: faza@donpac.ru

I.  Introduction

One of readily available applications for implementation of MSW-based devices is creation of tunable band-pass and band-stop filters. MSW-based filters have a number of advantages compared to tuned filters based on YIG spheres:

>      planar structure of those filters allows connecting them to other SHF devices without additional transitions;

>      high slope of gain-frequency edges (1,2-1,8 dB/MHz) ensures spurious signals’ suppression in the immediate proximity of the effective frequency band;

>       high level of out-of-band screening (up to 60 dB);

>       presence of inverse damping (more than 25 dB).

II.  Main part

All of the above allowed design and production beginning for a number of BPF and BSF with electronic tuning of operating frequency range, namely:

1.     BPF functioning in centimeter frequency range: frequency tuning range -500MHz;

pass bandwidth at the level of minus 3 dB – 30-40 MHz; minimum bandwidth losses not exceeding 5 dB; out-of-band screening – greater than 35 dB; inverse losses – greater than 25 dB;

2.  BPF functioning in centimeter frequency range with 200 MHz pass bandwidth and parameters similar to those in para. 1.

3.  BPF with tuning range greater than 3 GHz and parameters similar to those in para. 1 and 2.

4.     BSF functioning in centimeter frequency range: screening band at level of minus 40 dB – 30-60 MHz;

200-300 MHz;

frequency tuning range-2.5GHz, 5 GHz; losses outside screening band not exceeding 1.5 dB; slope of gain-frequency edges – greater than 1.5 dB/MHz.

It should be noted that we designed BPF and BSF with coaxial input and output as well as models with microstrip ones. We also created BPF and BSF with mechanical tuning only provided for the band centre within ± 300 MHz relative to fc, which allowed considerable decrease of filter dimensions.

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