ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДИПОЛЬНО-ОБМЕННЫХ СПИНОВЫХ ВОЛН ДЛЯ ОБРАБОТКИ СВЧ СИГНАЛОВ В ФЕРРИТОВЫХ СФЕРАХ

February 6, 2013 by admin Комментировать »

Мелков Г. А., Васючка В. И., Дзяпко А. Д. и Чумак А. В. Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко (КНУ) ул. Владимирская, 64, Киев, 01033, Украина тел.: +38 (044) 526-05-53, fax: +38 (044) 526-06-00, e-mail: melkov@univ.kiev.ua

Аннотация – Исследована возможность создания устройств для обработки микроволновых сигналов на основе образцов железо-иттриевого граната (ЖИГ) сферической формы. В основе работы приборов лежит эффект обращение двухмагнонной релаксации, обусловленной линейным рассеянием колебаний однородной прецессии намагниченности на неоднородностях образца. Обращение релаксации осуществлено путем параметрического обращения волнового фронта дипольно-обменных спиновых волн, образовавшихся при рассеянии однородной прецессии. Были получены задержки сигналов до 1,3 мкс, амплитуда задержанного сигнала могла превышать начальную.

I.                                       Введение

Основной вклад в ширину линии ферромагнитного резонанса ΔΗ вносят процессы двухмагнонной релаксации [1]. В результате двухмагнонного рассеяния однородная прецессия намагниченности (ОП), или магнон с волновым числом к = 0, возбуждает спиновую волну, или магнон с волновым числом к’~2Tda *к=0, определяемым размером неоднородности а. Для монокристаллов ЖИГ с типичным размером неоднородностей а ~1 мкм это означает, что будут возбуждаться дипольно-обменные спиновые волны (ДОСВ) с к’ -Ю"* см ”, которые характеризуются малыми групповыми скоростями и малым параметром затухания [2].

Рис. 1. ЭкспериментальньЮ макет.

Fig. 1. Experimental model

В результате двухмагнонной релаксации энергия ОП до необратимого превращения в тепловые колебания решетки переходит к системе ДОСВ, где она существует даже после исчезновения колебаний ОП, т. к. времена жизни ДОСВ в несколько раз превосходят времена жизни ОП. До достижения амплитудой ДОСВ теплового уровня, энергия этих волн может быть передана обратно в ОП. Для этого был использован эффект обращения волнового фронта спиновых волн под влиянием электромагнитного импульса параметрической накачки [3]. Обращенные накачкой ДОСВ имеют те же частоты что и первичные, но противоположно направленные волновые вектора, т. е. они распространяются по той же траектории, но в обратном направлении. Как результат, обращенные ДОСВ рассеиваются на тех же неоднородностях, на которых рассеялась ОП и, через удвоенное время задержки подачи импульса накачки, вместе частично восстанавливают сигнал ОП.

II.                              Основная часть

Устройство экспериментального макета изображено на рис.1. Сигнал частоты ®s/2^-« 4,7 ГГц подавался на ферритовую сферу (1) и снимался с нее с помощью петли связи (2), являющейся оконечной нагрузкой 50-омного коаксиального кабеля (3). Ферри- товая сфера находилась внутри прямоугольного диэлектрического резонатора (4), настроенного на частоту накачки ®р/2я·» 9,4 ГГц; переменное магнитное поле резонатора на сфере параллельно внешнему постоянному магнитному полю Но, т. е. реализуется случай параллельной накачки спин-волновой нестабильности [1]. Резонатор был изготовлен из термостабильной керамики с величиной s~80; для помещения ферритовой сферы в нем было просверлено сквозное круглое отверстие диаметром 1,1 мм. Мощность накачки Рр частоты « 2®s подавалась на диэлектрический резонатор с помощью стандартного трехсантиметрового волновода прямоугольного сечения (5). Источником накачки служил магнетронный генератор, обеспечивающий мощность Рр = 6 Вт при длительности импульса Гр = 80 не. Источником сигнальной мощности Ps служил клистронный генератор. Ps во избежание насыщения не превышала 10 мкВт, длительность импульсов сигнала Ts = 50 не. Отраженный от ферритовой сферы и излученные ею сигналы с коаксиального кабеля через ферритовый циркулятор попадали в измерительный тракт сигнала, содержащий фильтр низких частот, низкошумя- щий полупроводниковый усилитель, усилитель мощности и полупроводниковый детектор, сигнал с которого подавался на осциллограф.

Был проведен теоретический расчет коэффициента обращения двухмагнонной релаксации К, который представляет собой отношение максимальной амплитуды восстановленного сигнала ОП [4] к начальной амплитуде ОП. Для расчета использовалось уравнение прецессии намагниченности Ландау- Лифшица, с учетом постоянного магнитного поля, переменных магнитных полей входящего сигнала и сигнала накачки, эффективных полей кристаллографической анизотропии и неоднородностей образца. Расчет показал, что принципиальную роль для обращения двухмагнонной релаксации в сфере играет наличие кристаллографической анизотропии [4], т. е. для изотропного образца обращение релаксации невозможно. Для достижения максимальной величины коэффициента обращения релаксации К необходима оптимальная величина вероятности двухмагнонного рассеяния ОП в ДОСВ, при которой двухмагнонное уширение собственной линии ферромагнитного резонанса примерно равно величине этой линии. При большем рассеянии К экспоненциально падает из-за роста параметра затухания ДОСВ, при отсутствии рассеяния К=0.

На рис.2 показана экспериментальная зависимость коэффициента обращения двухмагнонной релаксации от времени задержки восстановленного сигнала ОП Тр. Для эксперимента использовалась сфера ЖИГ диаметром 1,05 мм, которая, для увеличения количества неоднородностей, была дополнительно прошлифована абразивной пастой с размером зерна ~ 1 мкм. Полная ширина линии ферромагнитного резонанса составляла ΔΗ = 0,7 Э. Зависимость К {Тр) близка к экспоненциальной и из наклона этой зависимости (-61 дБ/мкс) может быть найден параметр релаксации доев АНк = 0.4 Э.

Рис. 2. Зависимость коэффициента обращения К двухмагнонной релаксации от времени задержки восстановленного сигнала Тр.

Fig. 2. Dependence of two-magnon reiaxation reversal coefficient К on restored signal delay time Tp

III.                                  Заключение

в работе показана возможность создания прибора для обработки микроволновых сигналов, основанных на использовании эффекта обращения двухмагнонной релаксации. Использовался метод продольной параметрической накачки, частота которой в два раза превышает частоту ОП. В результате действия накачки происходило обращение волнового фронта ДОСВ

и,  как результат, восстановление колебаний ОП, максимальная амплитуда восстановленных колебаний могла в /<> 1 раз превышать первоначальную амплитуду ОП, возбуждённую внешним электромагнитным полем. Максимальное время задержки восстановленного сигнала составляло -1,3 мкс.

IV.                           Список литературы

[1]  л. г. гуревич, Г. А. Мелков, Магнитные колебания и волны, Наука, Москва, 1994.

[2]  Мелков Г. А., Васючка В. И., Дзяпко А. Д. и Чумак А. В. Обработка микроволновых сигналов с помощью диполь- но-обменных спиновых волн. – В кн.: 14-я Междунар. Крымская конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2004). Материалы конф. [Севастополь, 13-17 сент. 2004 г.]. – Севастополь: Вебер,

2004,       с. 889-890.

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

[4]  Мелков Г. А., Дзяпко А. Д., Чумак А. В., Славин А. Н. Обращение двухмагнонной релаксации в ферритовых сферах, ЖЭТФ, 126, вып. 6(12), с. 1367-1376, 2004.

MICROWAVE SIGNAL PROCESSING USING DIPOLE-EXCHANGE SPIN WAVES IN FERRITE SPHERES

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

Dzyapko D. A., Chumak A. V.

National Taras Shevchenko University of Kiev (KNU) 64, Volodymyrska Str, Kiev, 01033, Ukraine Ph.: +38 (044) 566-05-53, fax: +38 (044) 566-06-00, e-mail: melkov@univ.kiev.ua

Abstract – The possibility of creating microwave signal processing devices based on ferrite spheres of yttrium iron garnet (YIG) is investigated. The principle of devices functioning is based on the effect of two-magnon relaxation reversal associated with linear scattering of oscillations of uniform magnetization precession from sample nonuniformities. Relaxation reversal is performed by parametric phase conjugation of dipole- exchange spin waves formed as a result of scattering of uniform precession from inhomogeneities. The maximal delay time for the restored signal of uniform precession was about 1.3 μs, while the maximal amplitude could exceed the initial uniform precession amplitude.

I.                                        Introduction

The main contribution to the ferromagnetic resonance line width AH comes from two-magnon relaxation processes [1]. As a result of two-magnon scattering, uniform precession of magnetization (UP), or a magnon with wave number k=0, excites a spin wave with wave number к ~ 2n!a φ k=0 determined by the size a of the nonuniformity. For YIG samples with a ~ 1 цт, it means excitation of dipole-exchange spin waves (DESW) with small group velocities and small dissipation parameter [2]. Prior to the irreversible transformation into thermal lattice vibrations, the UP energy is transformed by two-magnon relaxation first to a system of DESW, where it can exist even after the termination of uniform precession oscillations. Before the attainment ofthe thermal level by the amplitude of DESW, the energy of these waves can be transferred back to UP. For these purposes we used the method of phase conjugation by parametric pumping [3].

II.                                       Main Part

The structure ofthe experimental model is shown in Fig. 1. A signal of frequency ω^2π~ 4.7 GHz was fed to ferrite sphere 1 and was removed with the help of loop coupler 2, which served as a terminal load of coaxial cable 3. The ferrite sphere was placed in rectangular dielectric resonator 4 tuned to the pumping frequency ω^!2π~ 9.4 GHz. The magnetic field in the sphere was parallel to the external constant magnetic field Ho, I. e., the case of parallel pumping of spin-wave instability is realized [1]. A circular hole of diameter 1.1 mm was drilled to accommodate the ferrite sphere in it. Pumping power Pp was supplied to the dielectric resonator with the help of waveguide 5. Pumping power was Pp~6\N, pulse duration 80 ns. Signal power was Ps~ ^0 μW, signal duration 50 ns

The reversal coefficient К of two-magnon relaxation, which is equal to the ratio ofthe maximal amplitude of restored UP to the initial amplitude was found [4]. К = 0 for the case of isotropic ferrite sample and for the case of sample without inhomogeneities.

Figure 2 shows the experimental dependence of the coefficient К on the time of restored UP signal appearance Tp. YIG sphere was used with diameter 1.05 mm which was additionally polished. From the slope of this curve (61 dB/μs), we can determine DESW relaxation parameter ΔΗ* = 0.4 Oe.

III.                                     Conclusion

The possibility of microwave signal processing devices based on two-magnon relaxation reversal processes creating is shown. The amplitude of restored UP signal could exceed initial amplitude in К > 1 times. The maximal delay time for the restored signal was about 1.3 μs.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

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