WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

ТИХОНОВ  ВЛАДИМИР  ВАСИЛЬЕВИЧ

ЭФФЕКТЫ  ГИБРИДИЗАЦИИ  ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ, СПИНОВЫХ  И  УПРУГИХ  ВОЛН  В  СЛОИСТЫХ 

ФЕРРИТ-ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ  СТРУКТУРАХ

01.04.11  Физика магнитных явлений

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

МОСКВА-2010

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН (Саратовский филиал)

Официальные оппоненты:  доктор физико-математических наук,

профессор, член-корреспондент РАН

  Прозорова Л.А.

доктор физико-математических наук,

профессор Мансфельд Г.Д.;

доктор физико-математических наук,

  профессор Бучельников В.Д.

Ведущая организация:  Закрытое акционерное общество «Научно-

производственный центр «Алмаз-Фазотрон»»

Защита состоится «24» сентября 2010 года в 10-00, на заседании диссертационного совета Д002.231.01 при Учреждении Российской академии наук Институте радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН

по адресу:  125009, г. Москва ГСП-9, ул. Моховая 11, корп.7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ

им.  В.А. Котельникова РАН.

Автореферат разослан «____» _________ 2010г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор физико-математических наук, профессор С. Н. Артеменко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Тема диссертационной работы направлена на решение фундаментальных проблем физики магнитных явлений, касающихся практически важных вопросов возбуждения спиновых волн в ферритовых средах и их взаимодействия с другими типами волн – электромагнитными и акустическими. Исследовались процессы длительного взаимодействия (гибридизации) дипольных спиновых (магнитостатических) волн с волноводными модами электромагнитных, акустических и обменных спиновых волн. В результате такого взаимодействия возникали новые типы гибридных спиновых волн, которые обладали уникальными свойствами. Эти свойства использовались для создания новых типов устройств аналоговой обработки СВЧ сигналов. Другое направление исследований эффектов гибридизации связано с преобразованием энергии быстрых и медленных типов волн. Это позволило решить проблему возбуждения и приема коротковолновых обменных спиновых волн (ОСВ) с длинами волн порядка 0,01-0,1мкм. Это направление является чрезвычайно важным, поскольку открывает принципиально новый этап развития спинволновой электроники. 

Особый интерес представляли исследования возможности распространения и гибридизации магнитостатических волн (МСВ) в ненасыщенных пленках железоиттриевого граната (ЖИГ) в присутствие нерегулярной (лабиринтной) доменной структуры (ДС). Целью этих исследований являлось значительное снижение намагничивающих полей вплоть до полного отказа от намагничивания. Это направление также является актуальным, поскольку решает практически важную задачу миниатюризации магнитных систем спинволновых устройств. Параллельно решалась задача продвижения спинволновых устройств в высокочастотную область СВЧ диапазона. С этой целью исследовались возможности распространения магнитостатических волн в пленках сильно анизотропных (одноосных) ферритов. В частности исследовались пленки марганцевого феррита-шпинели, в которых было обнаружено высокочастотное возбуждение МСВ при слабых (ненасыщающих) полях. 

Результаты исследований нашли применение в ряде новых спинволновых устройств (узкополосных фильтров частот, электрически управляемых линий задержки, фазовращателей, модуляторов), которые были разработаны в рамках темы диссертационной работы. Разработка предлагаемых устройств проводилась в комплексе с миниатюрной экранированной электрически управляемой магнитной системой, которая, к тому же,  обеспечивала высокую термостабильность ферритовых устройств.

Целью настоящей работы являлось обнаружение и экспериментальное исследование:

  1. эффектов гибридизации электромагнитных, магнитостатических и упругих волн в слоистых феррит-диэлектрических структурах, включая:
  • эффекты линейного и нелинейного магнитоупругого взаимодействия в пластинах и эпитаксиальных пленках ЖИГ;
  • эффекты электромагнитно-дипольного взаимодействия в слоистой структуре феррит-сегнетоэлектрик;
  • эффекты электромагнитно-дипольного и электромагнитно-дипольно-упругого взаимодействия в микрополосковых линиях передачи нагруженных на тонкопленочный ферритовый волновод;
  • эффекты электромагнитно-обменного и дипольно-обменного взаимодействия в имплантированных пленках ЖИГ, включая эффекты импульсного возбуждения и приема обменных спиновых волн;
  1. эффектов распространения и гибридизации магнитостатических волн в ненасыщенных и слабо насыщенных пленках ЖИГ, включая:
  • эффекты распространения и гибридизации магнитостатических волн в ненасыщенных пленках ЖИГ в присутствии нерегулярной (лабиринтной) доменной структуры;
  • эффекты распространения магнитостатических волн в докритических (субмикронных) пленках ЖИГ при полном отсутствии намагничивающего поля;
  • особенности нелинейных эффектов распространения поверхностных магнитостатических волн в ненасыщенных и слабо насыщенных пленках ЖИГ;
    1. эффектов распространения магнитостатических волн в насыщенных и ненасыщенных пленках марганцевой феррошпинели.

Научная новизна и значимость полученных результатов.

        1. Впервые показана возможность гибридизации магнитостатических волн с волноводными модами электромагнитных, упругих и обменных спиновых волн. Экспериментально обнаружены новые типы гибридных волн – быстрые магнитоупругие волны, быстрые электромагнитно-дипольные и электромагнитно-дипольно-упругие волны, быстрые электромагнитно-обменные и дипольно-обменные волны. Показано, что на частотах гибридизации дисперсия относительно быстрых связанных волн испытывает аномальные (S-образные) искажения.
        2. Экспериментально обнаружены эффекты комбинационного рассеяния  быстрых магнитоупругих и магнитостатических волн, в результате которых порождаются новые быстрые магнитоупругие волны и чисто упругие волны на разностных частотах.
        3. Впервые показана возможность электрического управления дисперсией  магнитостатических волн за счет гибридизации с замедленными электромагнитными модами  в слоистой структуре феррит-сегнетоэлектрик.
        4. Впервые показана возможность высокоэффективного преобразования энергии коротковолновых обменных спиновых волн за счет возбуждения в тонком имплантированном слое пленки ЖИГ вытекающих обменных мод гибридизованных с электромагнитными и/или магнитостатическими волнами.
        5. Впервые показана возможность возбуждения магнитостатических волн в ненасыщенных пленках ЖИГ в присутствие доменной структуры. Показана возможность возбуждения МСВ при полном отсутствии намагничивающих полей. Выявлены условия возбуждения и особенности обнаруженных волн.
        6. В ненасыщенных и слабо насыщенных пленках ЖИГ обнаружены эффекты значительного повышения порога трехмагнонного распада поверхностных магнитостатических волн (ПМСВ). Показано, что в низкочастотной части спектра ПМСВ повышение порога вызвано интенсивным рассеянием на доменных границах волн-продуктов распада, а  в высокочастотной части спектра – невыполнением условий существования распада.
        7. Впервые показана возможность возбуждения магнитостатических волн в пленках одноосных ферритов со структурой шпинели. Показано, что даже при высоких значениях параметра диссипации пленок феррошпинели пространственное затухание МСВ оказывается достаточно слабым, благодаря их высоким групповым скоростям. Повышение групповых скоростей обусловлено повышенной намагниченностью феррошпинели. Показано также, что сильное поле анизотропии пленок феррошпинели обеспечивает возбуждение МСВ даже при нулевых полях.

Научная и практическая значимость полученных результатов. 

  1. Эффекты гибридизации магнитостатических и упругих волн имеют  резонансный характер, что является основой построения узкополосных частотно-селективных устройств. В работе предложены варианты конструкций резонансных полосно-пропускающих и полосно-заграждающих магнитоакустических фильтров с добротностью порядка 104.
  2. Эффекты комбинационного рассеяния магнитостатических и быстрых магнитоупругих волн могут быть полезны для преобразования частоты и типа СВЧ сигнала. В частности, могут применяться для  преобразования электромагнитного сигнала в звук с понижением частоты  на 3-4 порядка.
  3. Показанная возможность электрического управления дисперсией МСВ в структуре феррит-сегнетоэлектрик является основой построения электрически управляемых линий задержки, фазовращателей и фазовых модуляторов СВЧ сигнала.
  4. Обнаружение магнитостатических волн в пленках ЖИГ с доменной структурой демонстрирует возможность значительного снижения  намагничивающих полей, вплоть до полного отказа от намагничивания. Это позволяет с одной стороны значительно уменьшить габариты намагничивающих систем, а с другой стороны использовать ненасыщенные пленки ЖИГ в качестве высокочувствительных датчиков слабых полей, например магнитного поля Земли.
  5. Обнаружение магнитостатических волн в пленках марганцевой феррошпинели открывает дополнительную возможность продвижения  спинволновых устройств в высокочастотную область СВЧ диапазона.
  6. Показанная возможность высокоэффективного преобразования обменных спиновых волн открывает реальные перспективы создания принципиально нового класса спинволновых устройств.

       Достоверность результатов подтверждается совпадением экспериментальных результатов с теоретическими расчетами, а также воспроизведением и дальнейшим развитием результатов исследований в работах других авторов.

       Работа выполнена в Саратовском филиале Института радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН в рамках фундаментальных и прикладных НИР, а также в рамках хоздоговорных НИР с отраслевыми предприятиями. 

       Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих научных конференциях, семинарах и совещаниях:

  • Всесоюзная конференция по физике магнитных явлений. – Пермь, 1981г.;
  • Всесоюзная научно-техническая конференция по интегральной электронике СВЧ. – Новгород, 1982 г.;
  • Всесоюзная школа-семинар по спинволновой электронике СВЧ. – Саратов, 1982 г.,  Ашхабад, 1985 г.
  • Всесоюзный семинар по спиновым волнам. – Ленинград, 1982, 1984, 1986, 1988, 1990, 1992, 1994, 1996 г.г.;
  • Всесоюзная конференция  по акустоэлектронике и квантовой акустике. –  Саратов, 1983 г.;
  • Всесоюзная научно-техническая конференция по проблемам интегральной электроники СВЧ. – Ленинград, 1984 г.
  • Зимняя школа-семинар по СВЧ-электронике и радиофизике. – Саратов, 1986, 1992, 2009 г.г.
  • Международная конференция «Новые магнитные материалы микроэлектроники» - Ленинград, 1984г., Ташкент, 1992г., Москва, 2009г.

а также на семинарах в:

  • Институте физических проблем РАН;
  • Институте радиотехники и электроники РАН;
  • Московском государственном университете;
  • Киевском государственном университете;
  • Саратовском государственном университете.

       Публикации. Материалы диссертационной работы изложены в 34 публикациях. Из них  27 статей в научных журналах рекомендованных ВАК для публикации работ докторских диссертаций, 7 авторских свидетельств и патентов на изобретения.

       Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения и списка использованной литературы. Диссертация содержит 284 страницы текста, 98 рисунков, 2 таблицы и списка литературы из 207 наименований.

Научные положения, выносимые на защиту.

  1. В слоистых ферритовых и феррит-диэлектрических структурах возможна гибридизация волноводных мод электромагнитных, спиновых и упругих волн. Эффекты гибридизации имеют селективный (резонансный) характер и проявляются в аномальном искажении дисперсии связанных мод.
  2. Наиболее узкие полосы селекции (порядка 0,1МГц) возникают на частотах гибридизации магнитостатических волн (МСВ) с акустическими модами Лэмба. Высокая добротность магнитоакустических резонансов стимулирует специфические распады МСВ, порождающие сопутствующие «быстрые» магнитоупругие волны и чисто упругие волны на разностных частотах.
  3. Сильная связь магнитостатических и электромагнитных мод обуславливает появление широких щелей дисперсии, вызывающих значительное повышение групповых скоростей связанных МСВ. При использовании составной структуры феррит-сегнетоэлектрик возникает дополнительная возможность электрического управления скоростью МСВ.
  4. Ионная имплантация пленок ЖИГ обуславливает возможность высокоэффективного (до 80% и более) преобразования энергии обменных спиновых волн (ОСВ) с волновыми числами порядка 105-106см-1. Возбуждение бегущих ОСВ вызвано вытеканием обменных спиновых мод, возбуждаемых в тонком имплантированном слое магнитостатическими и/или электромагнитными волнами.
  5. Магнитостатические волны могут возбуждаться в доменной структуре  пленок ЖИГ при  условии значительного превышения длины волны над размерами нерегулярных доменных блоков и ненулевой усредненной намагниченности пленки. Эти условия выполняются в интервале слабых подмагничивающих полей, порядка 3-15Э («окне прозрачности»). Наличие доменной структуры обуславливает гистерезисные свойства МСВ.
  6. В ненасыщенных пленках (в пределах «окна прозрачности») пороги трехмагнонного распада поверхностных МСВ (ПМСВ) значительно возрастают за счет интенсивного рассеяния волн-продуктов распада на границах полосовой и блочной ДС. В слабо насыщенных пленках пороги возрастают в высокочастотной части спектра, где распады ПМСВ на пару обратных объемных МСВ оказываются невозможными.
  7. В докритических (субмикронных) пленках ЖИГ магнитостатические волны могут возбуждаться без внешнего подмагничивания при условии распространения волны в пределах одного изначально крупного доменного блока. В пределах блока МСВ обладают ярко выраженными анизотропными свойствами.
  8. Повышенная намагниченность пленок феррошпинели обуславливает возможность возбуждения магнитостатических волн даже при высоких значениях параметра диссипации. Сильная анизотропия пленок феррошпинели обеспечивает возможность распространения МСВ при полном отсутствии намагничивающих полей.

Результаты, полученных в диссертационной работе представляют значительный вклад в физику магнитных явлений, имеющий важное прикладное значения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

       В разделе 1 приведен краткий обзор литературы, характеризующий состояние исследований на момент начала диссертационной работы.

В разделе 2 приведены результаты обнаружения и экспериментального исследования линейных и нелинейных эффектов гибридизации магнитостатических волн с акустическими модами Лэмба. Эффекты гибридизации наблюдались в тонких пластинах и эпитаксиальных пленках ЖИГ. Для обеспечения условий возбуждения акустических мод экспериментальные образцы изготавливались с предельно высокой параллельностью и чистотой полировки отражающих поверхностей.

       В подразделе 2.1 исследовались линейные эффекты гибридизации, которые наблюдались в спектре возбуждения прямых объемных МСВ (ПОМСВ) на частотах отсечки акустических мод Лэмба [1].  Показано, что в результате длительного взаимодействия ПОМСВ и мод Лэмба  образуются гибридные магнитоупругие волны (МУВ), бегущие со скоростью гибридизованной ПОМСВ, что на 2-3 порядка больше скорости звука (быстрые магнитоупругие волны).

Быстрые МУВ были обнаружены в виде узкополосных резонансных пиков, которые наблюдались в полосе возбуждения ПОМСВ, как показано на рис.1.a,b.

Рис.1. Амплитудно-частотные характеристики прошедшего сигнала ПОМСВ

в пластине (a) и пленке ЖИГ (b).

Было установлено, что большие пики были вызваны резонансами поперечных, а малые пики – резонансами продольных упругих волн. В скобках на рис.1.a,b указаны номера резонансных мод. Видно, что в пластинах ЖИГ номера мод следуют через один, что соответствует правилу отбора для симметричных структур [2]. В несимметричной пленочной структуре ЖИГ-ГГГ правило отбора не действовало, номера мод следовали подряд.

Рис.2. Дисперсия и декременты

быстрых магнитоупругих волн.

Для измерения дисперсии быстрых МУВ был разработан специальный метод («метод движущегося преобразователя»), который позволял по точкам раздельно измерять амплитуды, длины волн и затухание магнитостатических волн с дисперсией любой сложности и в сколь угодно узких полосах частот.

Результаты измерения дисперсии и частотной зависимости  затухания гибридизованных ПОМСВ представлены на рис.2. Видно, что на частотах образования быстрых магнитоупругих волн дисперсия гибридизованных ПОМСВ испытывает узкополосные S-образные искажения, а затухание возрастает скачком, как это и было предсказано в работе [2]. Наиболее сильные искажения наблюдались на частотах отсечки поперечных акустических мод Лэмба.

В подразделе 2.2. исследовались нелинейные эффекты взаимодействия магнитостатических и упругих волн. Измерялись спектральные характеристики прошедшего сигнала ПОМСВ в зависимости от частоты и мощности входного сигнала. Детальные измерения проводились в окрестности одного из пиков возбуждения быстрых МУВ (на вставке 1 рис.3 этот пик отмечен стрелкой). Результаты измерений в окрестностях соседних пиков практически полностью повторялись.

На рис.3 представлены области наблюдения эффектов модуляции (области A и B) и наиболее характерные виды спектров, наблюдавшиеся в этих областях. В области А модуляционные эффекты возникали при относительно малых мощностях, порядка 20мВт, и наблюдались, как в пределах полосы возбуждения быстрых МУВ, так и вне ее. Однако на частотах возбуждения не связанных ПОМСВ модуляционные эффекты наблюдались только в ограниченном интервале мощностей. Спектры сигналов на выходе экспериментального макета имели дискретный регулярный характер, как показано на вставках 1-5 рис.3.

Рис. 3. Области наблюдения сателлитов

в спектре прошедшего сигнала ПОМСВ.

Рис. 4. Модуляционные частоты (кривая 1) и ослабления сателлитов (кривая 2) в спектре прошедшего сигнала ПОМСВ.

На основании измерений (см. рис.4), было установлено, что модуляционные частоты спектров изменялись пропорционально  частоте входного сигнала, но при этом частота одного из ближайших сателлитов оставалась неизменной и в пределах точности измерений совпадала с центральной частотой пика возбуждения быстрой МУВ.

Появление ближайших сателлитов объяснялось специфическими распадами быстрых МУВ и ПОМСВ, в результате которых возбуждались сопутствующие быстрые магнитоупругие волны и чисто упругие волны на разностных частотах. Это подтверждалось прямым наблюдением низкочастотного звука при помощи пьезодатчика приклеенного к обратной стороне подложки. Возбуждение звука приводило в действие параметрический (магнитострикционный) механизм модуляции ПОМСВ, что вызывало появление в спектре регулярных серий модуляционных частот.

Распады быстрых МУВ были вызваны рассеянием упругой составляющей гибридной волны с последующим резонансным накоплением энергии рассеянных волн на  ближайших частотах возбуждения быстрых МУВ-сателлитов. Существование собственных волн-сателлитов, удовлетворяющих сценариям распада и соответствующим законам сохранения, обеспечивалось аномальными искажениями дисперсии быстрых МУВ. Трехволновые распады быстрых МУВ были разрешены только на боковых частотах магнитоупругого резонанса, где их дисперсия имела положительный наклон. Продуктами распада являлась быстрая МУВ-сателлит на центральной частоте и чисто упругая волна на разностной частоте. Четырехволновые распады быстрых МУВ могли возникать только на центральных частотах, где их дисперсия имела отрицательный наклон. Продуктами четырехволнового распада являлись две быстрые МУВ-сателлиты на боковых частотах магнитоупругого резонанса и чисто упругая волна на удвоенной разностной частоте. Существенно, что при четырехволновых распадах частоты волн-сателлитов обладали низкой стабильностью, вследствие чего спектр прошедшего сигнала приобретал шумовой характер, как показано на вставке а.3 рис.3.

       Вне резонансной линии распады могли быть вызваны только диссипативным рассеянием ПОМСВ. При этом согласно закону сохранения энергии могли возбуждаться только низкочастотные быстрые МУВ-сателлиты и чисто упругие волны (нулевые моды Лэмба) на разностной частоте. Существенно, что быстрые МУВ могли возбуждаться, как на центральной частоте (в области отрицательного наклона дисперсии), так и на удаленной боковой частоте (в области положительного наклона дисперсии). Это означало существование двух сценариев распада, из которых мог быть реализован только один, а именно, имеющий наинизший порог начала распада. Распады прекращались при достижении порога менее выгодного сценария распада.

Соотношение порогов двух конкурирующих сценариев распада ПОМСВ было неоднозначно. На относительно низких частотах преимущество имели распады с возбуждением быстрых МУВ-сателлитов с отрицательной дисперсией, а на более высоких частотах – с положительной дисперсией. В критической точке равенства пороговых мощностей распады не возникали вовсе.  При переходе критической точки происходила смена сценария распада, которая сопровождалась скачком модуляционных частот и резким спадом амплитуд сателлитов, как показано на рис.4.

На частотах реализации второго сценария распада (в интервале А4) наблюдались вторичные распады быстрых МУВ-сателлитов, которые вызывали рождение на центральной частоте второй быстрой МУВ-сателлита и второго звука на еще более низкой разностной частоте. Автомодуляция на вторичном звуке вызывала появление в спектре промежуточных серий модуляционных частот, как показано на вставке а.5 рис.3.

       В области В возникали четырехволновые распады ПОМСВ. Продуктами распада являлась  симметричная пара вынужденных ПОМСВ-сателлитов, которые могли существовать, только благодаря интенсивному возбуждению на удвоенной разностной частоте чисто акустической моды Лэмба первого порядка. Как и в предыдущем случае, распады прекращались при достижении порога менее выгодного сценария распада с возбуждением второй моды Лэмба. Отсутствие в спектре прошедшего сигнала регулярных серий модуляционных частот объяснялось бездействием механизма автомодуляции, поскольку на частоте возбуждения полуволнового резонанса поверхностные деформации подложки и, соответственно, деформации пленки ЖИГ обращались в ноль. 

       В разделе 3 представлены результаты обнаружения и исследования эффектов гибридизации электромагнитных и магнитостатических мод. Показана возможность существования эффектов тройной гибридизации электромагнитных, магнитостатических и упругих мод.

       В подразделе 3.1 исследовались эффекты гибридизации магнитостатических волн с замедленными электромагнитными модами в составной структуре феррит-сегнетоэлектрик.

       Экспериментальные образцы пластин сегнетоэлектрика были выполнены из сегнетокерамики ВК-2 с диэлектрической проницаемостью 2000 и ВК-3 с 3000. Пластины сегнетокерамики располагались на поверхности пленки ЖИГ с регулируемым разором 0-2мм. На поверхности пластины были нанесены металлические контакты, к которым прикладывалось электрическое напряжение 0-500В/см. Измерялись амплитудно-частотные характеристики (АЧХ), дисперсионные зависимости и групповые скорости гибридизованных МСВ.

       Пластина сегнетокерамики использовалась в качестве диэлектрического волновода, который возбуждался бегущей магнитостатической волной.  На частотах возбуждения электромагнитной моды образовывалась гибридная электромагнитно-дипольная волна. При этом на законе дисперсии связанных волн возникала широкая щель, которая из-за сильной электромагнитно-дипольной связи не «замазывалась», как это было в случае быстрых МУВ. Образование щели обуславливало значительное уменьшение наклона дисперсионной кривой (повышение групповых скоростей) связанных магнитостатических волн. Приложение электрического напряжения к слою сегнетоэлектрика частично восстанавливало наклон дисперсии (снижало групповую скорость).

Были обнаружены одномодовый и многомодовый режимы гибридизации. Расчеты дисперсии для этих режимов были проведены для случая поверхностных МСВ. Одномодовый режим возникал при взаимодействии ПМСВ только с одной первой модой ЭМВ, которая, в отличие от высших мод, не имела частоты отсечки (исходила из нуля). Многомодовый режим возникал при взаимодействии ПМСВ с несколькими модами ЭМВ, как минимум, с первой и второй модой. Одномодовый режим гибридизации можно было наблюдать на относительно низких частотах, а многомодовый режим – на частотах, превышающих частоту отсечки, по крайней мере, второй моды ЭМВ. 

На рис.5 представлены расчеты дисперсии  электромагнитно-дипольных волн. На рис.5.а представлены дисперсионные кривые, возникающие в режиме одномодовой гибридизации, а на рис.5b – в режиме многомодовой гибридизации.

а b

Рис.5. Дисперсия электромагнитно-спиновых волн при одномодовом (a) и

многомодовом (b)  режимах гибридизации.

         

Приложение электрического поля снижало диэлектрическую проницаемость сегнетоэлектрика и уменьшало замедление мод ЭМВ. При этом область образования щели смещалась к нижней границе спектра, что вызывало частичное уменьшение групповых скоростей ПОМСВ (ср. кривые 2 и 3 на рис.6.b). При этом, как видно из сравнения кривых АЧХ на рис.6.a, одномодовая гибридизация не вносила больших потерь ПМСВ.

a b

Рис.6.  АЧХ (a) и групповые скорости (b) ПМСВ в структуре пленка ЖИГ- пластина ВК-2.

1 – без ВК-2; 2 – ЖИГ-ВК-2 при 0;  3 - ЖИГ-ВК-2 при 500В/см.

       

Многомодовый режим гибридизации наблюдался при использовании сегнетокерамики ВК-3. При этом в спектре  возбуждения ПМСВ возникали глубокие провалы (см. кривую 2 на рис.7.a), которые при увеличении зазора между пленкой и пластиной сегнетоэлектрика заметно уменьшались (ср. кривую 3 и кривую 2 на рис.7.a). При этом становились различимыми отдельные пики гибридизации с первой и второй модами ЭМВ. При дальнейшем увеличении зазора искажения дисперсии еще более уменьшались. При этом щели на законе дисперсии «замазывались», как показано на рис.7.b.

a  b

Рис.7.  АЧХ (a) и дисперсия (b) ПМСВ в структуре пленка ЖИГ- пластина ВК-3.

1 – без ВК-3; 2 –  без зазора;  3 – с зазором 1 мм.

       

Аналогичные эффекты гибридизации наблюдались в спектрах прямых объемных и обратных объемных МСВ. Однако в случае ООМСВ вид щели имел свои характерные особенности.

В подразделе 3.2 исследовались эффекты гибридизации электромагнитных волн, распространяющихся в микрополосковой линии (МПЛ), с магнитостатическими модами пленочного ЖИГ-волновода (быстрые электромагнитно-дипольные волны), а также эффекты вторичной гибридизации связанных магнитостатических мод с акустическими модами Лэмба (быстрые электромагнитно-дипольно-упругие волны).  В данном случае измерения дисперсии гибридных волн проводились фазовым методом, как показано на вставке рис.8.

На рис.8 представлена полевая зависимость волнового числа ЭМВ, измеренная при нормальном намагничивании пленки. На ней хорошо видны пики гибридизации ЭМВ с модами ПОМСВ.

Рис.8. Полевая зависимость волновых

чисел гибридизованных ЭМВ

Рис.9. Дисперсия и затухание гибридизованных ЭМВ

       На рис.9 представлены кривые дисперсии (кривая 1) и частотной зависимости декрементов ЭМВ (кривая 2), где на фоне широкополосных пиков возбуждения быстрых электромагнитно-дипольных волн наблюдались узкополосные пики возбуждения быстрых электромагнитно-дипольно-упругих волн. Узкополосные пики возникали в результате вторичной гибридизации связанных мод ПОМСВ с акустическими модами Лэмба.

При касательном поперечном намагничивании пленочного волновода электромагнитная волна гибридизовалась с волноводными модами ООМСВ (рис.10), а при касательном продольном намагничивании – с модами ПМСВ и ООМСВ (рис.11). Существенно, что при касательном продольном намагничивании гибридизация ЭМВ со всеми модами ООМСВ возникала на одной частоте, совпадающей с частотой верхней границы  спектра ООМСВ.

Рис.10. Дисперсия гибридизованной

ЭМВ при касательном поперечном намагничивании пленочного волновода.

Рис.11. Дисперсия гибридизованной

ЭМВ при касательном продольном намагничивании пленочного волновода.

В разделе 4  исследовались эффекты гибридизации электромагнитных и магнитостатических волн с вытекающими и не вытекающими обменными спиновыми модами, возбуждаемыми в тонком имплантированном слое пленки ЖИГ. Были обнаружены эффекты неколлинеарного излучения плоских обменных волн, бегущих вглубь чистой пленки ЖИГ. В импульсном режиме наблюдались эхоимпульсы ОСВ, отраженные от противоположной поверхности пленки. Сделаны оценки эффективности преобразования. Показано, что при длительном процессе излучения эффективность преобразования энергии ОСВ может приближаться к 100%.

Эффекты гибридизации с не вытекающими обменными модами были обнаружены при нормальном намагничивании пленки ЖИГ.  Пики возбуждения не вытекающих обменных мод наблюдались вне спектра возбуждения ПОМСВ, как показано на амплитудно-полевой характеристике отраженного сигнала ЭМВ рис.12.а.

а b

Рис.12. Амплитудно-полевая (а) и амплитудно-частотная (b) характеристики собственных волноводных мод ОСВ при нормальном намагничивании имплантированной пленки ЖИГ.

На рис.12.b представлена амплитудно-частотная характеристика  первого, наиболее интенсивного пика. Видно, что в пределах пика возникали узкополосные пики вторичной гибридизации обменных мод с акустическими модами Лэмба (быстрые электромагнитно-обменно-упругие волны).

В частотах возбуждения ПОМСВ (на рис.12.а область возбуждения ПОМСВ отмечена цифрой 1) возникали эффекты гибридизации с обменными модами, возбуждаемыми по всей толщине имплантированной пленки ЖИГ. Эффекты гибридизации наблюдались в виде отдельных серий пиков дипольно-обменных волн [3], возбуждаемых на частотах совместного возбуждения поперечных резонансов ОСВ имплантированного слоя и чистой пленки ЖИГ. В импульсном режиме наблюдалось возбуждение плоских обменных волн, вытекающих за пределы имплантированного слоя. Это подтверждалось наблюдением эхо-импульсов ОСВ, отраженных от противоположной поверхности чистой пленки ЖИГ. Однако при нормальном намагничивании пленки возбуждение обменных волн было слабым, поскольку было вызвано вытеканием слабых обменных мод высших порядков. Напомним, что наиболее интенсивные низшие моды ОСВ не попадали в область существования ОСВ в чистой пленке ЖИГ, что могло быть вызвано повышенной намагниченностью имплантированного слоя.

       При касательном намагничивании пленки все обменные моды имплантированного слоя, начиная с первой, были вытекающими.  Как и в предыдущем случае, это обуславливало появление в спектре отраженного сигнала локальных серий пиков возбуждения дипольно-обменных волн, как показано на рис.13, а в импульсном режиме позволяло наблюдать гораздо более интенсивное возбуждение бегущих ОСВ. 

Импульсное возбуждение ОСВ наблюдалось в виде серии задержанных эхоимпульсов, как показано на рис.14.а. Попутно были обнаружены серии задержанных эхоимпульсов звука, отраженного от противоположной поверхности подложки ГГГ (см. рис.14.b).

Рис.13 АЧХ отраженного сигнала МПЛ преобразователя.

Рис.14. Осциллограммы эхо-импульсов ОСВ (а) и звука (b)

По измерениям амплитуд эхоимпульсов были сделаны оценки коэффициента преобразования ОСВ. Было установлено, что эффективность преобразования имеет немонотонный (резонансный) характер с максимумом, порядка 30%, который достигался на центральной частоте первой вытекающей моды.

       Аналогичные, но еще более убедительные, результаты импульсного возбуждения ОСВ и звука были получены в спектре возбуждения поверхностных МСВ, как показано на вставке рис.15. Здесь, как и в предыдущем случае, ориентирами для выбора частот импульсных измерений служили локальные серии дипольно-обменных пиков, которые наблюдались на АЧХ рис.15.

Рис.15. АЧХ прошедшего сигнала ПМСВ

в имплантированной пленке ЖИГ.

Рис.16. Осциллограммы эхо-импульсов ОСВ (а) и звука (b)

Осциллограммы эхо-импульсов ОСВ и звука, измеренные на центральной частоте первой вытекающей обменной моды, представлены на рис.16.а,b. В данном случае оценочная эффективность преобразования ОСВ достигала примерно 60%.        

Однако самая высокая эффективность преобразования была достигнута при использовании меандрового преобразователя, как показано на вставке рис.17. В этом случае наблюдался только один эхо-импульс ОСВ (см. рис.18.а), амплитуда которого была сравнима с амплитудой прошедшего импульса ЭМВ. В этом случае эффективность преобразования ОСВ достигала 80%, но могла быть и больше при увеличении длины меандровой линии.

Рис.17. АЧХ меандрового преобразователя.

Рис.18. Осциллограммы

эхо-импульсов ОСВ (а) и звука (b)

Важно отметить, что столь высокая эффективность преобразования ОСВ достигалась при относительно слабой интенсивности вытекания обменных мод. Это оказалось возможным, только благодаря длительности процессов преобразования. Действительно, за время распространения импульса гибридной электромагнитно-обменной и/или дипольно-обменной волны значительная часть ее энергии могла быть преобразована в энергию бегущих обменных волн и обратно. Также важно отметить, что, не смотря на исключительно малые длины ОСВ, порядка 0,01-1мкм, их затухание в расчете на единицу времени оказалось сравнимым, а в некоторых случаях и меньше затухания относительно длинноволновых МСВ.

       В разделе 5 обнаружены эффекты возбуждения и гибридизации магнитостатических волн в ненасыщенных пленках ЖИГ в присутствие нерегулярной (лабиринтной) доменной структуры. Впервые показана возможность возбуждения МСВ без внешнего намагничивания пленки.

       В подразделе 5.1 представлены результаты экспериментального исследования эффектов распространения магнитостатических волн в доменной структуре пленок ЖИГ с ориентацией поверхности (111) и (110). Показано, что возбуждение поверхностных МСВ можно наблюдать в ограниченном интервале слабых подмагничивающих полей, порядка 3-15Э, («окно прозрачности»). Существенно, что в спектре ПМСВ были обнаружены узкополосные пики возбуждения быстрых магнитоупругих волн, аналогичные представленным на рис.1.

В ненасыщенных пленках дисперсия ПМСВ имела тот же вид, что и в насыщенных пленках ЖИГ, но при этом их декременты с ростом волновых чисел монотонно возрастали, как показано на рис.19.а, что не характерно для ПМСВ (см., например, [4]). Тонкая структура закона дисперсии и затухания ПМСВ, измеренная в узком интервале частот, представлена на рис.19.b. Здесь хорошо просматриваются аномальные искажения дисперсии и скачки затухания, характерные для быстрых магнитоупругих волн (ср., например, с рис.2).

Рис.19. Дисперсия и затухание ПМСВ и быстрых МУВ в пленке ЖИГ с ДС.

Другой особенностью обнаруженных волн было то, что они обладали гистерезисными свойствами, которые обуславливали случайный разброс значений декрементов и смещение границ «окна прозрачности» при перемагничивании пленки. На рис.20 представлены полевые зависимости волновых чисел (черные точки) и декрементов ПМСВ (светлые точки), измеренные при перемагничивании пленки ЖИГ. Стрелками указаны направления перемагничивания.

Рис.20. Гистерезисные свойства ПМСВ в пленке ЖИГ с ДС.

Видно, что при размагничивании пленки можно было наблюдать возбуждение ПМСВ даже при полях порядка 1Э, а при перемагничивании необходимо было прикладывать поле примерно 5Э. Кривые полевой зависимости декрементов при повторных измерениях никогда не совпадали, причем разбросы декрементов существенно превышали ошибку измерений.

Рис.21. Доменная структура пленок ЖИГ с ориентациями (111) (1.а,b) и (110) (2.а,b) при =0 (1.а, 2.а) и

при =50Э (1.b, 2.b)

Обнаруженные особенности МСВ объяснялись строением и свойствами доменной структуры. На рис.21 хорошо видно, что доменная структура пленок ЖИГ состоит из мелких регулярных полосовых доменов, сгруппированных в относительно крупные нерегулярные доменные блоки. Полосовые домены формировались под влияние полей размагничивания на поверхности пленки, а разбиение на блоки возникало под влиянием полей размагничивания на ее торцах. В полосовых доменах вектор спонтанной намагниченности практически лежал в плоскости пленки, имея лишь малую нормальную составляющую. Соседние полосовые домены различались только направлением нормальной составляющей вектора намагниченности, что, собственно, и позволяло их наблюдать в поляризованном свете. Направление касательных составляющих вектора намагниченности соседних полосовых доменов оставалось неизменным в пределах каждого отдельного блока. На рис.21.1.а хорошо видно, что в размагниченной пленке ЖИГ с ориентацией (111) имеется три направления полос расположенных под углом 120О, совпадающих с направлениями проекций трех наклонных осей легкого намагничивания, причем каждое из этих направлений было еще дважды вырождено. В пленке с ориентацией (110) наблюдалось только одно направление полос (см. рис.21.2.а). При этом соседние блоки визуально не различались.

Приложение касательного поля переориентировало полосовые домены в направлении поля (см. рис.21.1.b и рис.21.2.b). При этом размеры выгодных доменных блоков возрастали за счет уничтожения невыгодных. В результате перестройки ДС в пленке возникала усредненная намагниченность, которая обеспечивала  возможность возбуждения ПМСВ, но только при условии значительного превышения длины волны над размерами доменных блоков. При разрастании блоков до размеров, сравнимых с длиной волны, возбуждение ПМСВ прекращалось из-за интенсивного рассеяния магнитостатической волны на границах доменных блоков.

При дальнейшем увеличении поля, ориентированного в направлении проекции одной из легких осей, возникала прямо противоположная ситуация, когда размеры доменных блоков становились много больше длины волны. При этом можно было наблюдать возбуждение МСВ в пределах одного доменного блока (второе «окно прозрачности»). Нижняя граница второго «окна прозрачности» составляла примерно 30-40Э, а  верхняя граница простиралась до полного насыщения пленки. В пределах блока магнитостатическая волна испытывала сильное влияние поля анизотропии.

В подразделе 5.2 исследовались эффекты возбуждения магнитостатических волн без внешнего намагничивания. Эксперименты проводились с пленками ЖИГ субмикронной толщины, которые характеризовались отсутствием полосовой ДС и изначально крупными размерами доменных блоков.  Распространение  волны наблюдалось в пределах одного доменного блока, как в полностью насыщенной пленке.  Наиболее интенсивно возбуждались поверхностные МСВ, которые обладали ярко выраженными анизотропными свойствами.

Согласно расчетам с учетом кубической и одноосной анизотропии дисперсия ПМСВ приобретала многомодовый характер. При этом первая мода ПМСВ занимала область частот прямых объемных и поверхностных МСВ, как показано на рис.22 (кривая 1).  При касательном подмагничивании пленки спектр ПМСВ монотонно смещался в сторону больших частот вплоть до полного насыщения. При этом ширина спектра заметно сужалась.

При нормальном намагничивании пленки смещение спектра МСВ имело немонотонный (N-образный) характер, что объяснялось преобразованием типа волны ПМСВПОМСВ. На рис.23 представлены полевые зависимости граничных частот переходных типов анизотропных МСВ и соответствующие виды законов дисперсии. Видно, что при слабых полях дисперсия практически не отличалась от случая касательного подмагничивания (см. вставку I рис.23), а при полях, близких к полю насыщения, в нижней части спектра ПМСВ возникала область существования обратных объемных МСВ (см. вставку II рис.23), которая также сужалась до нуля при полном насыщении пленки.

Рис.22. Дисперсия анизотропных МСВ при касательном подмагничивании.

Рис.23. Полевая зависимость граничных частот анизотропных МСВ при нормальном подмагничивании.

Существенно, что даже при малом отклонении поля от нормали к поверхности пленки немонотонность смещения спектра МСВ полностью исчезала.

В подразделе 5.3 обнаружены эффекты значительного снижения нелинейного затухания поверхностных МСВ («линейное просветление») в ненасыщенных и слабо насыщенных пленках ЖИГ. Показано, что «линейное просветление» было вызвано повышением порога наиболее интенсивных трехмагнонных распадов ПМСВ на пару  обратных объемных МСВ [5]. Выявлены причины повышения порога и условия прекращения распада.

Было установлено, что повышение порога трехмагнонного распада возникает в ненасыщенных пленках ЖИГ (в интервалах полей первого и второго «окна прозрачности») вследствие интенсивного рассеяния коротковолновых ООМСВ|| (волн-продуктов распада) на доменных границах полосовой и блочной ДС. При слабом насыщении пленки, вблизи верхней границы второго «окна прозрачности», можно было наблюдать повышение порога за счет развития процессов вторичных распадов  ООМСВ|| на пару анизотропных ООМСВ. Вторичные распады возникали на частотах, превышающих учетверенную частоту нижней границы спектра анизотропных ООМСВ, как показано на  рис.24.а.

 

a  b

Рис.24. Полевая зависимость граничных частот возбуждения МСВ при ориентации легкой оси вдоль поля (a) и под углом 30О (b). Вертикальным пунктиром отмечено поле исчезновения ДС. Сплошные кривые – расчет. Точки – экспериментально наблюдаемые частоты нижней границы спектра возбуждения ПМСВ.

Черные точки – при мощности 1мкВт, светлые точки – при мощности 1мВт.

Распады прекращались на частотах, превышающих удвоенную частоту нижней границы спектра ПМСВ. В этой части спектра половинные частоты ПМСВ не попадали в область существования ООМСВ||. Существенно, что частоты прекращения распадов не зависели от взаимной ориентации легких осей и поля намагничивания пленки (ср. рис.24.а и рис.24.b).

       В разделе 6 приведены результаты обнаружения и экспериментального исследования магнитостатических волн в эпитаксиальных пленках марганцевой феррошпинели. Показано, что, несмотря на большую, по сравнению с ЖИГ, ширину линии ферромагнитного резонанса (ФМР), магнитостатические волны могут возбуждаться, благодаря повышенной намагниченности пленки феррошпинели. Сильное поле анизотропии феррошпинели обуславливает возможность возбуждения МСВ в ненасыщенных пленках при слабых и при нулевых полях.        

Для проведения экспериментов была изготовлена партия эпитаксиальных пленок марганцевой феррошпинели , выращенных на подложках из окиси магния с ориентацией поверхности (001). Пленки выращивались методом газотранспортных реакций в атмосфере хлористого водорода при температурах 980-1150ОС [6]. Толщины пленок составляли 10-40мкм.

В отдельных образцах пленок хорошо просматривалась полосовая доменная структура. Визуализация ДС осуществлялась порошковым методом в коллоидном растворе. Ширина полос составляла 3-5мкм. Полосовые ДС были сгруппированы в крупные доменные блоки с характерными размерами 3-5мм. Граница двух соседних блоков хорошо видна на рис.25. В соседних блоках направления полос были ортогональными и с точностью совпадали с осями легкого намагничивания . Пленки феррошпинели имели намагниченность насыщения порядка 3000-5000Гс поле анизотропии порядка 100-200Э и ширину линии ФМР порядка 30-50Э.

Рис.25. Доменная структура пленки феррошпинели

Рис.26. Дисперсия ПМСВ при  намагничивании полем 600Э.

1 – феррошпинель, 2 – ЖИГ.

На рис.26 представлены дисперсионные зависимости ПМСВ, измеренные в пленке феррошпинели (кривая 1) и, для сравнения, в пленке ЖИГ (кривая 2). Из сравнения кривых видно, что при равных условиях ПМСВ в пленке феррошпинели возбуждаются на частотах почти в 2 раза более высоких и в полосе частот почти в 7 раз более широкой. Существенно, что, затухание ПМСВ в пленке феррошпинели оказалось того же порядка, что и в пленке ЖИГ. Это стало возможным, благодаря высоким групповым скоростям ПМСВ, повышение которых было вызвано значительным расширением спектра.

Сильная анизотропия пленок феррошпинели обуславливала анизотропные свойства магнитостатических волн даже при полном насыщении пленки. Анизотропные свойства проявлялись в ориентационной зависимости состава спектра (см. рис.27) и частот их возбуждения (см. рис.28).

Рис.27. Дисперсия анизотропных МСВ в насыщенной пленке феррошпинели.

=620Э, 1- , 2,3,4 -

Рис.28. Угловые зависимости частот возбуждения анизотропных ПМСВ.

1,3 - верхняя и нижняя границы спектра ПМСВ, 2 – ПМСВ с волновым числом 200см-1.

Максимальные частоты возбуждения ПМСВ достигались при ориентации поля вдоль легкой оси . При этом к нижней границе спектра ПМСВ примыкала область существования анизотропных ООМСВ, которая ранее наблюдалась в ненасыщенных пленках ЖИГ. При ориентации поля вдоль трудной оси спектр ПМСВ смешался в область низких частот. При этом область существования анизотропных ООМСВ сужалась до нуля.

В ненасыщенных пленках наиболее интенсивное возбуждение ПМСВ наблюдалось при слабых полях (порядка 1-10Э), ориентированных вдоль легкой оси . Волна распространялась в пределах одного доменного блока, который разрастался до размеров всего образца. Ее дисперсия имела многомодовый состав, как показано на рис.29.

Рис.29. Дисперсия анизотропных

МСВ в ненасыщенной пленке феррошпинели. =10Э, .

1 - ПМСВ, 2,3 - ООМСВ

Рис.30. Зависимости декрементов от волнового числа ПМСВ.

1,2 - в насыщенной пленке =620Э,

1- , 2 - .

3 – в ненасыщенной пленке  =10Э,

Как и в пленках ЖИГ, полосовая ДС практически  не вносила дополнительных потерь МСВ. Это хорошо видно из сравнения  декрементов ПМСВ, измеренных в насыщенной и ненасыщенной пленке феррошпинели (см. рис.30). В обоих случаях рост декрементов ПМСВ объяснялся рассеянием волны на структурных дефектах пленки. Это также подтверждалось уширением линий ФМР в коротковолновой части спектра, как показано на вставке рис.30. 

В разделе 7 обсуждаются основные принципы  построения СВЧ устройств на основе гибридных спиновых волн. Представлены результаты разработки узкополосных магнитоакустических фильтров СВЧ, электрически управляемых линий задержки, фазовращателей, модуляторов, а также портативных систем намагничивания и термостабилизации предложенных устройств.

В подраделе 7.1 обсуждаются варианты конструкции и результаты испытаний лабораторных макетов полосно-пропускающих и полосно-заграждающих магнитоакустических фильтров, выполненных на основе быстрых магнитоупругих волн.

Варианты конструкций полосно-пропускающих фильтров представлены на рис.31. В данных конструкциях селекция сигнала осуществлялась на частотах быстрых МУВ, возбуждаемых в трехслойной пленочной структуре ЖИГ-ГГГ-ЖИГ. На рис.31.a представлена конструкция фильтра сетки частот, а на рис.31.b – конструкция одночастотного дискретно перестраиваемого магнитоакустического фильтра. В конструкции одночастотного фильтра (рис.31.b) предварительная селекция частот магнитоупругого резонанса осуществлялась в полосах идентичных пленочных ЖИГ резонаторов, расположенных на противоположных сторонах подложки. Дискретная перестройка магнитоакустического резонатора  обеспечивалась плавной перестройкой пленочных ЖИГ резонаторов. С целью повышения заграждения сигнала вне полосы пропускания фильтра полосковые преобразователи располагаются под углом .

 

a b

Рис.31. Конструкции полосно-пропускающих магнитоакустических фильтров СВЧ.

а – фильтр сетки частот, b – одночастотный дискретно перестраиваемый фильтр.

На рис.32 представлена АЧХ лабораторного макета магнитоакустического фильтра сетки частот.

a  b

Рис.32. АЧХ магнитоакустического фильтра сетки частот.

а – широкая развертка, b – узкая развертка.

На широкой развертке АЧХ (рис.32.a) хорошо видны чередующиеся пики пропускания и заграждения, которые наблюдались на уровне сигнала электромагнитной наводки преобразователей. Пики пропускания возникали при синфазном сложении сигналов наводки и четных мод магнитоупругого резонанса. На узкой развертке (рис.32.b) представлен отдельный пик пропускания. По результатам измерения АЧХ данного пика были получены следующие технические характеристики магнитоакустического фильтра: центральная частота пропускания  449,2МГц; максимальная полоса пропускания (у основания пика) 250 КГц; ширина полосы пропускания на уровне 3дБ  100КГц; ослабление на центральной частоте пропускания 15дБ; ослабление в полосе заграждения  25дБ. Добротность резонанса магнитоакустического фильтра составляла примерно 104.

Варианты конструкций полосно-заграждающих магнитоакустических фильтров представлены на рис.33. 

       

а

b

Рис.33. Полосно-заграждающие магнитоакустические фильтры СВЧ.

а – с регулировкой амплитуды и фазы опорного сигнала, b – с подбором длины пробега.

В данной конструкции заграждение сигнала обеспечивалось при условии противофазного сложения опорного сигнала с сигналом быстрой МУВ  и синфазного сложения опорного сигнала с сигналом ПОМСВ. Эти условия выполнялись за счет скачка фазовых скоростей на частоте возбуждения быстрой МУВ. При этом максимум заграждения  достигался при равенстве амплитуд опорного сигнала и сигнала быстрой МУВ. На рис.33.a представлен вариант заграждающего фильтра с регулировкой амплитуды и фазы опорного сигнала, который поступал на выходной преобразователь по параллельному каналу связи. В конструкции фильтра  рис.33.b в качестве опорного сигнала использовался сигнал электромагнитной наводки полосковых преобразователей. При этом выполнение фазовых условий заграждения достигалось за счет подбора длины пробега . Для более точной фазовой настройки  использовались подстроечные конденсаторы, как показано на рис. 33.b.

       На рис.34 представлена АЧХ полосно-заграждающего фильтра с обозначениями параметров контрольных испытаний.

Рис.34. АЧХ заграждающего фильтра.

МГц

МГц

МГц

МГц

дБ

дБ

дБ

дБ/МГц

1

250-450

315

0,1-0.12

0,2-0,3

14

>60

0,2-0,3

920

2

300-450

332

0,1-0.12

0,2-0,3

12

>60

0,2-0,3

920

2

320-500

346

0,1-0.12

0,2-0,3

12

>60

0,2-0,3

920

Таблица 1.

Результаты испытаний макетов полосно-заграждающих магнитоакустических фильтров.

Результаты испытаний трех макетов полосно-заграждающего фильтра представлены в таблице 1. По результатам испытаний была отмечена высокая глубина заграждения фильтров (более 60дБ) и исключительно высокая крутизна фронтов 920дБ/МГц.

       В подразделе 7.2 представлены результаты разработки миниатюрной экранированной магнитной системы с механической и электрической регулировкой поля в рабочем зазоре. Помимо намагничивания ферритового устройства магнитная система обеспечивает его термостабильность в широком диапазоне температур. Система разрабатывалась для обеспечения автономной работы пленочных ЖИГ резонаторов, но может иметь гораздо более широкое применение.

       На рис.35.a,b представлены варианты конструкции системы намагничивания и термостабилизации ферритовых устройств, которые отличаются только расположением внутри стального экрана 1 постоянных магнитов 3, 4.

Рис. 35.  Варианты конструкции устройства намагничивания и термостабилизации ферритовых устройств.

1 - стальной экран; 2 - внутренний полюс; 3 -  основной магнит на основе Sm-Co;

4 - дополнительный магнит на основе Nd-Fe-B; 5 - регулировочный винт;

6 - дополнительный полюс; 7 - технологическое отверстие; 8 - полимерный заполнитель; 9 - дополнительный экран; 10 – ферритовое устройство; 11 – катушка управления; 12 -  вводы питания катушки управления; 13 - СВЧ вводы;

14 - микрополосковая схема.

Конструкция рис.35.а может использоваться в качестве навесного элемента микрополосковой схемы 14. В конструкции рис.35.b  стальной экран дополнительно выполняет функции корпуса микрополосковой схемы, содержащей ферритовое устройство. Механическая регулировка поля 5 предназначена для начальной настройки частоты устройства. Для перестройки частоты используется электрическая регулировка поля при помощи встроенных катушек управления 11.

Термостабилилизация частоты ферритового устройства осуществляется за счет подбора комбинации разнородных постоянных магнитов, которая обеспечивает заданное температурное изменение намагничивающего поля,  необходимое для компенсации температурного дрейфа частоты ферритового устройства. Для случая нормального намагничивания пленки были установлены требования  к размерам самарий-кобальтовых и неодим-железо-боровых постоянных магнитов. В соответствие с расчетами была изготовлена магнитная система типа рис.35.а, внешний вид которой представлен на вставке рис.37.

Рис.36. Конструкция пленочного ЖИГ резонатора.

1 – пленка ЖИГ, 2 – подложка ГГГ,

3, 4 – входной и  выходной МПЛ преобразователи.

Рис.37. АЧХ пленочного ЖИГ резонатора.

Испытания магнитной системы проводились с использованием пленочного ЖИГ резонатора проходного типа, конструкция которого представлена на рис.36. На рис.37 представлена АЧХ пленочного резонатора, работающего в составе магнитной системы. 

Ниже приведены характеристики макета пленочного ЖИГ резонатора:

  • диапазон механической перестройки…………………….. 0,4-4 ГГц;
  • диапазон электрической перестройки……………………. 1 ГГц;
  • потребляемая мощность электрической перестройки…... 0,4 Вт/ГГц;
  • ослабление на центральной частоте пропускания………. 4 дБ;
  • ширина полосы пропускания……………………………… 8 МГц;
  • подавление сигнала за полосой пропускания……………. 30 дБ;
  • подавление высших резонансных мод……………………. 20дБ;
  • габариты…………………………………………………….. 166мм;
  • масса…………………………………………………………. 18 г.

Существенно, что в диапазоне температур 0-60ОС относительный дрейф частоты резонатора не превышал 10-6, что эквивалентно термостатированию всего устройства с точностью поддержания температуры порядка 0,01°С.

       В подразделе 7.3 обсуждаются возможности применения структуры феррит-сегнетоэлектрик для создания электрически управляемых линий задержки на МСВ. Предложены варианты конструкции электрически управляемых фазовращателей и фазовых модуляторов, которые удачно встраиваются в предложенную систему намагничивания и термостабилизации.

       В подразделе 7.4 обсуждаются варианты конструкции импульсной линии задержки на основе обменных спиновых волн, которые также встраиваются в систему намагничивания и термостабилизации. Показаны возможности дальнейшей миниатюризации линий задержки на ОСВ за счет использования эффектов тройной гибридизации электромагнитных, магнитостатических и обменных спиновых волн.

       Каждый раздел диссертации завершается выводами, которые в краткой форме отражают основные результаты раздела.

       В заключение сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ

  1. Экспериментально обнаружены эффекты гибридизации прямых объемных МСВ (ПОМСВ) с акустическими волноводными модами Лэмба (быстрые магнитоупругие волны (МУВ)), которые наблюдались в тонких пластинах и эпитаксиальных пленках ЖИГ. Предложен метод измерения дисперсии и затухания быстрых магнитоупругих волн («метод движущегося преобразователя»).  По результатам измерений было показано, что на частотах возбуждения быстрых МУВ дисперсия ПОМСВ испытывает узкополосные S-образные искажения, а затухание возрастает скачком.
  1. Экспериментально обнаружены нелинейные свойства быстрых МУВ,  которые проявляются в развитии трех- и четырехволновых распадов. Показано, что в результате трехволновых распадов быстрых МУВ на центральной частоте магнитоупругого резонанса возбуждается вторая быстрая МУВ и звук на разностной частоте, а в результате четырехволновых распадов на боковых частотах возбуждается новая пара быстрых МУВ и звук на удвоенной разностной частоте.
  2. Показано, что существование быстрых МУВ обуславливает специфические распады ПОМСВ, в результате которых также возбуждается быстрая МУВ и звук на разностной частоте. Показано, что такого рода распады ПОМСВ имеют не только нижний, но и верхний порог мощности (порог прекращения распада). Показана возможность существования вторичных распадов ПОМСВ.
  1. Экспериментально обнаружены эффекты одномодовой и многомодовой  гибридизации магнитостатических волн с электромагнитными модами сегнетоэлектрического волновода (гибридные электромагнитно-дипольные волны).  Установлено, что на частотах гибридизации групповые скорости МСВ значительно возрастают. Показана возможность электрической регулировки скорости МСВ.
  1. Экспериментально обнаружены эффекты гибридизации электромагнитных волн с магнитостатическими модами пленочного ЖИГ волновода (быстрые электромагнитно-дипольные волны), а также эффекты вторичной гибридизации магнитостатических мод с акустическими модами Лэмба (быстрые электромагнитно-дипольно-упругие волны). Выявлены особенности эффектов гибридизации при нормальном и касательном намагничивании пленочного волновода.
  2. Экспериментально обнаружено высокоэффективное (до 80% и более) импульсное возбуждение  коротковолновых обменных спиновых волн в имплантированных пленках ЖИГ. Показано, что эффекты возбуждения ОСВ возникают на частотах гибридизации электромагнитных и/или магнитостатических волн с вытекающими обменными модами имплантированного слоя.
  3. Экспериментально обнаружено возбуждение магнитостатических и быстрых магнитоупругих волн в ненасыщенных пленках ЖИГ в присутствие нерегулярной (лабиринтной) доменной структуры. Показано, что волны возбуждаются в интервале слабых подмагничивающих полей, порядка 3-15Э, («окне прозрачности») и в интервале достаточно сильных полей, близких к насыщающим (второе «окно прозрачности»). В первом «окне прозрачности» МСВ обладают гистерезисными свойствами, а во втором – анизотропными свойствами
  4. В субмикронных пленках ЖИГ обнаружено возбуждение магнитостатических волн при полном отсутствии внешнего поля. Волна распространялась в пределах одного изначально крупного доменного блока, как в полностью насыщенной пленке ЖИГ, но при этом обладала ярко выраженными анизотропными свойствами. Показано, что при нормальном подмагничивании пленки возникает немонотонное (N-образное) смещение спектра анизотропных МСВ.
  5. Экспериментально обнаружено  значительное ослабление нелинейного затухания поверхностных МСВ («линейное просветление») в ненасыщенных и слабо насыщенных пленках ЖИГ. Показано, что эффекты линейного просветления вызваны повышением порога наиболее интенсивного распада ПМСВ на пару дипольных обратных объемных МСВ, а также прекращением распадов в высокочастотной части спектра ПМСВ, где половинные частоты не попадали в спектр существования ООМСВ.
  6. Экспериментально обнаружено возбуждение магнитостатических волн в насыщенных и ненасыщенных пленках марганцевой феррошпинели. Показано, что затухание МСВ в пленках феррошпинели сравнимо с затуханием в аналогичных пленках ЖИГ, даже, несмотря на большую, по сравнению с ЖИГ, ширину линии ФМР. Показано, что сильная анизотропия феррошпинели обуславливает анизотропные свойства МСВ даже при полном насыщении пленки, а в ненасыщенных пленках обуславливает изначально крупные размеры доменных блоков, в пределах которых могут распространяться анизотропные МСВ без внешнего намагничивания пленки.
  7. Предложены варианты конструкции функциональных устройств на основе гибридных спиновых волн, а именно: узкополосные магнитоакустические фильтры на основе быстрых магнитоупругих волн;  электрически управляемые линии задержки, фазовращатели, модуляторы на основе гибридных электромагнитно-дипольных волн; а также линии задержки на обменных спиновых волнах.
  8. Разработана конструкция миниатюрной экранированной электрически и механически перестраиваемой магнитной системы со встроенной системой  термостабилизации частоты ферритовых устройств.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в научных журналах: 

  1. Гуляев Ю.В., Зильберман П.Е., Казаков Г.Т., Сысоев В.Г., Тихонов В.В., Филимонов Ю.А., Нам, Б.П., Хе А.С. Наблюдение быстрых магнитоупругих волн в тонких пластинах и эпитаксиальных пленках железо-иттриевого граната. // Письма в ЖЭТФ. – 1981. –  Т.39, №9. – С.500-504.
  2. Казаков Г.Т., Тихонов В.В., Зильберман П.Е. Резонансное взаимодействие магнитодипольных и упругих волн в пластинах и пленках железо-иттриевого раната. // ФТТ. – 1983. – Т.25,  №8. –  С.2307-2312.
  3. Гуляев Ю.В., Зильберман П.Е., Казаков Г.Т., Тихонов В.В. Наблюдение бегущих магнитостатических волн в пленках ЖИГ с нерегулярной доменной структурой. // Письма в ЖТФ. – 1985. – Т.11, №2. – С.97-101.
  4. Зильберман П.Е., Казаков Г.Т., Тихонов В.В. Раздельное измерение параметров полезного сигнала и наводки в линиях передачи магнитостатических волн. // РЭ. – 1985. –  Т.30,  №6. – С.1164-1169.
  5. Зильберман П.Е., Казаков Г.Т., Тихонов В.В. Автомодуляция быстрых магнитоупругих волн в пленках ЖИГ. // Письма в ЖТФ. –  1985. – Т.11, №13. – С.769-773.
  6. Анфиногенов В.Б., Зильберман П.Е., Казаков Г.Т., Митлина Л.А., Сидоров А.А., Тихонов В.В. Наблюдение распространения магнитостатических волн в пленках феррошпинели. // Письма в ЖТФ. –  1986. – Т.12,  №16. –  С.996-999.
  7. Анфиногенов В.Б., Вербицкая Т.Н., Зильберман П.Е., Казаков Г.Т.,  Тихонов В.В. Распространение магнитостатических волн в структуре феррит-сегнетоэлектрик. // Письма в ЖТФ. – 1986. – Т.12, №8, –  С.454-457.
  8. Анфиногенов В.Б., Вербицкая Т.Н., Гуляев Ю.В., Зильберман П.Е., Мериакри С.В., Огрин Ю.Ф., Тихонов В.В. Резонансное взаимодействие магнитостатических и медленных электромагнитных волн в композитной среде пленка ЖИГ-сегнетоэлектрическая пластина. // Письма в ЖТФ. – 1986. – Т.12, №15. – С.938-943.
  9. Зильберман П.Е., Казаков Г.Т., Тихонов В.В. Магнитостатические и быстрые магнитоупругие  волны в пленках железо-иттриевого граната с нерегулярной доменной структурой. // РЭ. –  1987. – Т.29,  №4. – С.710-718.
  10. Анфиногенов В.Б.,  Митлина Л.А., Попков А.Ф., Сидоров А.А., Сорокин В.Г., Тихонов В.В. Магнитостатические волны в пленках феррошпинели. // ФТТ. – 1988. – Т.30, №7. –  С.2032-2039.
  11. Гуляев Ю.В., Зильберман П.Е., Санников Е.С., Тихонов В.В., Толкачев А.В. Линейное возбуждение импульсов обменных спиновых волн в пленках железо-иттриевого граната. // Письма в ЖТФ. – 1988. – Т.14, №10. – С.884-888.
  12. Зильберман П.Е., Куликов В.М., Темирязев А.Г., Тихонов В.В. Спонтанное акустическое комбинационное рассеяние магнитостатических волн. // ФТТ. –  1988. –  Т.30, №5. – С.1540-1542.
  13. Анфиногенов В.Б., Вербицкая Т.Н., Гуляев Ю.В., Зильберман П.Е., Мериакри С.В., Огрин Ю.Ф., Тихонов В.В. Гибридные электромагнитно-спиновые волны в контактирующих слоях сегнетоэлектрика и феррита. I. Теория. // РЭ. –  1988. – Т.30. – С.2032-2039.
  14. Зильберман П.Е., Казаков Г.Т., Куликов В.М., Тихонов В.В. Влияние слабых подмагничивающих полей на распространение магнитостатических волн в пленках железоиттриевого граната субмикронной толщины. // РЭ. –  1988. – Т. 30, №2. – С.347-352.
  15. Зильберман П.Е., Семен Б.Т., Тихонов В.В., Толкачев А.В. Наблюдение быстрых электромагнитно-спиново-упругих волн в пленках железоиттриевого граната. // Письма в ЖТФ. –  1989, Т.15. – №10. –  С.69-63.
  16. Анфиногенов В.Б., Вербицкая Т.Н., Гуляев Ю.В., Зильберман П.Е., Мериакри С.В., Огрин Ю.Ф., Тихонов В.В. Гибридные электромагнитно-спиновые волны в контактирующих слоях сегнетоэлектрика и феррита. II. Эксперимент. // РЭ. –  1990. – Т.35,  №2 – С.320-324.
  17. Анфиногенов В.Б., Вербицкая Т.Н., Зильберман П.Е., Казаков Г.Т.,  Мериакри С.В., Тихонов В.В. Резонансное взаимодействие обратных объемных магнитостатических волн с замедленными электромагнитными волнами в структурах феррит-сегнетоэлектрик // ЖТФ. – 1990. – Т.60, №9. – С.114-117.
  18. Зильберман П.Е., Куликов В.М., Тихонов В.В., Шеин И.В. Магнитостатические волны в пленках железоиттриевого граната при слабом  подмагничивании. // РЭ. – 1990. – Т.35, №5. –  С.986-991.
  19. Тихонов В.В., Толкачев А.В., Семен Б.Т. Гибридизация электромагнитных волн с волноводными модами МСВ в касательно намагниченной пленке ЖИГ. // ЖТФ. –  1991. –  Т.61,  №2. – С.192-195.
  20. Зильберман П.Е., Куликов В.М., Тихонов В.В., Шеин И.В. Нелинейные эффекты при распространении поверхностных магнитостатических волн в пленках железо-иттриевого граната в слабых магнитных полях. // ЖЭТФ. – 1991. –  Т.99,  №5. – С.1566-1578.
  21. Тихонов В.В., Толкачев А.В., Остафийчук Б.К. Наблюдение резонансов обменных спиновых волн в имплантированном  слое пленки ЖИГ. // Письма в ЖТФ. –  1991. – Т.17, №15. –  С.49-52.
  22. Тихонов В.В., Толкачев А.В. Линейное возбуждение обменных спиновых волн в имплантированных пленках ЖИГ. // ФТТ. –  1994. – Т.36, №1. –  С185-193.
  23. Тихонов В.В., Нефедов И.С. Преобразование обменных спиновых волн в слоистой ферритовой структуре. // ЖТФ. –  1996. – Т.66, №8. –  С.133-142.
  24. Анфиногенов В.Б., Высоцкий С.Л., Гуляев Ю.В., Зильберман П.Е., Казаков Г.Т., Луговской А.В., Маряхин А.В., Медников А.М., Нам Б.П., Никитов С.А., Огрин Ю.Ф., Ползикова Н.И., Раевский А.О., Сухарев А.Г., Темирязев А.Г., Тихомирова М.Н., Тихонов В.В., Филимонов Ю.А., Хе А.С. Устройства на основе спиновых волн для обработки радиосигналов в диапазоне частот 50МГц…20ГГц // Радиотехника. -  2000. -  №8. - С.6-14.
  25. Тихонов В.В. Резонансный механизм возбуждения обменных спиновых волн в слоистых монолитных феррит-ферритовых структурах // Известия Саратовского университета. Новая серия. Физика. – 2009. – Т.9, №1. – С.17-32.
  26. Тихонов В.В., Ляшенко А.В. Термостабилизация частоты спинволновых устройств // Гетеромагнитная микроэлектроника. – 2009. – №6. – С.43-52.
  27. Тихонов В.В. Магнитостатические волны в пленках ЖИГ в присутствие доменной структуры // Гетеромагнитная микроэлектроника. – 2009. - №7. – С.27-39.

  Авторские свидетельства и патенты:

  1. Полоснопропускающий фильтр СВЧ:  А.С. - 1091263 СССР / Ю.В.Гуляев, П.Е.Зильберман, Г.Т.Казаков, В.В.Тихонов. - №3395007; Заявл.05.02.82; Опубл. 07.05.84. – Бюл. №17.
  2. Управляемая линия задержки на магнитостатических волнах: А.С. -1398713 СССР / В.Б.Анфиногенов, П.Е.Зильберман, Г.Т.Казаков, В.В.Тихонов - №4141239; Заявл. 29.10.1986.
  3. Узкополосный СВЧ-фильтр: А.С. - 1681345 СССР / П.Е.Зильберман, П.С.Костюк, Б.Т.Семен, В.В Тихонов., А.В.Толкачев - №4684934; Заявл. 24.04.1989; Опубл. 30.09.1991. – Бюл. №36.
  4. Узкополосный СВЧ-фильтр: А.С. - 1681346 СССР / П.Е.Зильберман, П.С.Костюк, Б.Т.Семен, В.В Тихонов., А.В.Толкачев - №4684936; Заявл. 24.04.1989; Опубл. 30.09.1991. – Бюл. №36.
  5. Магнитная система: А.С. - 1781744 СССР / В.В.Тихонов, А.В.Толкачев, Б.Т.Семен, Б.К.Остафийчук - №4787140; Заявл. 29.01.1990; Опубл. 15.12.1992. – Бюл. №46.
  6. Экранированная магнитная система: А.С. -  5065565 RU / В.В.Тихонов, А.В.Толкачев, Ю.Б.Рудый. - №5065565/09; Заявл.18.08.1992; Опубл.10.04.1996. – Бюл. №6.
  7. Устройство намагничивания и термостабилизации СВЧ ферритовых устройств: Патент – №2356120 / В.В.Тихонов.  – Заявка: №2007124116/09(026251), 26.06.2007. Опубликовано: 20.05.2009. – Бюл.  №14.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Викторов И.А. Звуковые поверхностные волны в твердых телах. – М.: Наука. – 1981. –  287 с.
  2. Бугаев А.С., Гуляев Ю.В., Зильберман П.Е., Филимонов Ю.А. Быстрые магнитоупругие волны в нормально намагниченной пластине феррита // ФТТ. – 1981. – Т.23, №9. – C.2647-2652.
  3. Гуляев Ю.В., Бугаев А.С., Зильберман П.Е., Игнатьев И.А., Коновалов А.Г., Луговской А.В., Медников А.М., Нам Б.П., Николаев Е.И. Гигантские осцилляции прохождения квазиповерхностной спиновой волны через тонкую пленку железо-иттриевого граната // Письма в ЖЭТФ. – 1979. – Т.30, №9. – С.600-603.
  4. Гусев Б.М., Чивилева О.А., Гуревич А.Г., Эмирян Л.М., Норонович О.В. Затухание поверхностной магнитостатической волны // Письма в ЖТФ. –  1985 – Т.9, №3. – C.159-163.
  5. Медников А.М. Нелинейные эффекты при распространении поверхностных спиновых волн в пленке ЖИГ // ФТТ. – 1981. – Т.23, №1. – C.242-245.
  6. Митлина Л.А., Козлов В.И., Васильев А.Л., Сидоров А.А. Магнитные свойства феррошпинели многокомпонентных составов // Электронная техника. Материалы. – 1985. – №2. – С.37-40.





© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.