Введение к работе
Актуальность темы. Создание в середине семидесятых годов эффективной технологии выращивания эпитаксиальных ферриговых пленок стимулировало работы по теоретическому и экспериментальному иіучению магнитостатических волн (МСВ) в электродинамических системах, содержащих намагниченные ферритовые пленки (ФП). Магнитостатическими обычно называют обусловленные дипольным взаимодействием длинные спиновые волны, в формировании спектра которых обменное взаимодействие не играет существенной роли. Фазовая скорость этих волн мала, по сравнению со скоростью электромагнитных волн (ЭМВ) в среде, и дія их описания можно использовать уравнения магнитостатики.
Такие свойства МСВ. как малые потери при распространении, разнообразие дисперсионных характеристик и возможность электрического управления ими, а также совместимость технологии тонких ФП с планар-ной технологией СВЧ интегральных схем. открыли перспективы создания нового класса приборов функциональной микроэлектроники - спинволно-вых СВЧ устройств.
В настоящее время ведутся интенсивные работы в области спинвол-новой электроники СВЧ. целью которых является создание устройств обработки сигналов в диапазоне СВЧ в реальном масштабе времени. Показано, чго на основе МСВ. распространяющихся в намагниченной ФП. возможно создание линий кілержки. электрически перестраиваемых полосно-пропускающих и полосно-заграждающих фильтров (ППФ и ПЗФ). фильтров с переменной полосой, перестраиваемых і енераторов [1].
Указанные устройства могут быть использованы для обработки сигналов в спутниковом телевидении, фазированных антенных решетках для СВЧ контроля состояния природной среды и т.п. Использование спинво.т-новыч приборов в подобных радиоэлектронных системах весьма перепек-
тивно в отношении качественного совершенствования их функциональных возможностей.
Применение спинволновых приборов СВЧ выдвигает на первое место такие к ним требования, как их дешевизна, высокая технологичность, легкая воспроизводимость. Для решения этих задач необходима разработка методов машинного проектирования основных элементов любого спин-волнового устройства - преобразователей МСВ. Они представляют собой отрезки различных линий (микрополосковых (МПЛ), копланарных (КПЛ)), и различные их сочетания (решетки, меандры и т.п.), расположенные на намагниченной ФП. Преобразователи МСВ являются неотъемлемой частью любого спинволнового устройства и, в большинстве случаев, определяют его основные характеристики (например, амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) и вносимые потери фильтров).
При точном расчете преобразователя МСВ необходимо знание погонного импеданса излучения составляющей его основу линии передачи.
В настоящее время наиболее изучены закономерности возбуждения МСВ МПЛ [2-9], отрезки которой наиболее часто применяются в качестве преобразователей спинволновых устройств. Строгое решение самосогласованной задачи возбуждения в рамках магнитостатнческого приближения найдено для нормально [4] и касательно [5-6] намагниченной ФП, а также для структуры металл-диэлектрик-феррит-диэлектрик-металл (МДФДМ-структуры) при произвольной ориентации подмагничивающего поля [7].
Однако, преобразователи, содержащие отрезки МПЛ, широкополосны, и формирование с их помощью амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) с высокой крутизной скатов и малым изменением вносимых потерь в рабочей полосе СВЧ устройств затруднено. Поэтому при разработке фильтрующих устройств стали изучаться более сложные преобразователи, содержащие копланарные, меандровые, решетчатые, встречно-штрыревые, многополосковые линии и т.д. [10-12].
Имеющаяся универсальная расчетная модель многоэлементных преобразователей [12], предполагающая однородное распределение тока по ширине полоска и не учитывающая взаимодействие токов в соседних проводниках и влияние намагниченной ФП на распределение тока, не позволяет с достаточной для практики точностью проводить расчет устройств, содержащих такие преобразователи.
Электродинамический самосогласованный подход, использованный в работе [13] для решения задачи возбуждения МСВ преобразователями произвольного типа, не включает в граничные условия плотность поверхностного тока системы проводников и не позволяет вычислить ее импеданс излучения, что значительно усложняет изучение свойств самого преобразователя. Этот метод очень громоздок и, видимо, из-за вычислительных трудностей, пока применен только к расчету входного импеданса преобразователя, содержащего отрезок одиночной МПЛ [14].
Другой электродинамический метод, предложенный в работе [15], позволяет определить комплексный коэффициент распространения ЭМВ основного типа в структуре с полосковыми проводниками, приближенный расчет которого недостаточен для точного расчета многополосковых преобразователей.
Поэтому необходима разработка в магнитостатическом приближении такого метода расчета планарных преобразователей МСВ, который, с одной стороны, чтобы описывать реальные процессы возбуждения МСВ и соответствовать эксперименту, должен учитывать взаимодействие токов в проводниках и влияние на них намагниченной ФП. а с другой стороны, должен быть универсальным и обеспечивать с достаточной для практики точностью машинное проектирование широкого набора планарных преобразователей, содержащих различные типы линий: комланарные, щелевые, меандровые, решетчатые, встречно-штыревые и т.д.
Целью работы является теоретическое и экспериментальное исследование общих закономерностей распространения МСВ в слоистых структу-
pax, содержащих намагниченную ФП, и их возбуждения планарными линиями; построение метода расчета и эквивалентных схем устройств, содержащих отрезки этих линий, и разработка устройств для СВЧ интегральных схем.
Научная новизна и значимость работы заключается в следующем:
-
Предложен метод расчета планарных преобразователей, возбуждающих МСВ в многослойной МДФДМ-структуре при произвольном направлении приложенного постоянного магнитного поля, в котором пла-нарный преобразователь представлен в виде некоторого известного распределения плотности поверхностного тока в системе планарных проводников.
-
Разработан универсальный метод расчета сопротивления излучения планарных преобразователей, возбуждающих поверхностные МСВ (ПМСВ) в многослойной МДФД-структуре при направлении приложенного постоянного магнитного поля параллельно проводникам и заданном распределении продольной плотности поверхностного тока в системе планарных проводников.
-
Получено сингулярное однородное интегральное уравнение для плотности тока в системе копланарных проводников, лежащих на поверхности намагниченного вдоль проводников полубесконечного феррита, граничащего с вакуумом или диэлектриком.
4. Предложен метод решения однородного сингулярного интеграль
ного уравнения для плотности тока, позволяющий найти аналитические
выражения для продольной плотности поверхностного тока в произволь
ной системе копланарных проводников, лежащих на поверхности намагни
ченного вдоль проводников полубесконечного феррита, граничащего с ва
куумом или диэлектриком.
5. Найдены решения однородного сингулярного интегрального урав
нения для плотности тока, и впервые получены аналитические выражения
для продольной плотности поверхностного тока в несимметричной КПЛ
(НКПЛ) с одним и двумя боковыми экранами, учитывающие влияние намагниченного феррита и взаимодействие токов в проводниках.
6. Для симметричной двухполосковой линии (СДПЛ), расположен
ной на полубесконечном намагниченном вдоль проводников феррите, най
дено распределение продольной плотности поверхностного тока по попе
речному сечению полосковых проводников при одинаково и противопо
ложно направленных токах, учитывающее влияние намагниченного ферри
та и взаимодействие токов в проводниках.
-
Получены выражения для сопротивления излучения НКПЛ с одним и двумя боковыми экранами и СДПЛ, расположенных на поверхности намагниченной вдоль проводников ферритовои подложки конечной толщины, учитывающие как взаимодействие токов в проводниках, так и влияние на распределение поверхностного тока намагниченного феррита.
-
Получены выражения для сопротивления излучения НКПЛ и СДПЛ, расположенных на поверхности намагниченной вдоль проводников ферритовои подложки конечной толщины, в присутствии дополнительного экрана, помещенного на стороне подложки, противолежащей проводникам линии.
-
Предложена модель эквивалентной двухпроводной линии, позволяющая рассматривать процессы возбуждения МСВ ЭМВ, распространяющейся в пленарных линиях передачи, содержащих намагниченную ФП. Получены выражения для входного сопротивления короткозамкнутого, разомкнутого, четвертьволнового и полуволнового отрезка линии, содержащей полосковые проводники и намагниченную ФП, без ограничений на длину преобразователя, по сравнению с длиной электромагнитной волны, и величину потерь на преобразование ЭМВ в МСВ.
10. Предложена обобщенная методика расчета преобразователей, и
проведен расчет устройств, содержащих двухполосковые короткозамкну-
тые и разомкнутые на конце преобразователи ПМСВ.
11. В магнитооптическом приближении впервые получены аналити
ческие выражения для погонной индуктивности НКПЛ с одним и двумя
боковыми экранами, расположенных на намагниченном вдоль линии по
лубесконечном феррите, которые можно использовать для точного расчета
характеристик устройств, содержащих отрезки таких линий на толстой на
магниченной ФП.
-
Разработан численный метод решения интегрального уравнения для плотности тока микрополоскового преобразователя, расположенного на продольно намагниченной ФП, с учетом влияния экрана, в котором для представления фурье-образа плотности тока используются волновые функции Кулона с полуцелым индексом.
-
Найдено выражение для импеданса единицы длины МПЛ, использующее квадратичный, относительно поверхностной плотности тока, функционал.
-
Предложены и исследованы два варианта узкополосных бездисперсионных линий задержки на ПМСВ.
-
Предложена конструкция ППФ, содержащего в качестве преобразователей ПМСВ короткозамкнутые отрезки НКПЛ с одним экраном.
-
Предложены три варианта конструкции полосно-заграждающих фильтров, содержащих в качестве преобразователей обратных объемных МСВ(ООМСВ)КПЛ.
-
Разработаны трехканальное и четырехканальное селективные устройства, состоящие из узкополосных и широкополосных полосно-заграждающих фильтров, содержащих в качестве преобразователей ООМСВ КПЛ.
-
Разработаны микрополосковые, копланарные, микрополосково-щелевые ответвители с высокой направленностью для СВЧ интегральных схем.
Совокупность теоретических и экспериментальных результатов, связанных с получением новых данных о процессах возбуждения МСВ пла-
парными преобразователями; построение универсальной теории расчета планарных преобразователей и содержащих эти преобразователи устройств, разработка на ее основе различных спннволновых приборов и установление особенностей формирования их АЧХ, позволяет заключить, что в диссертации решена крупная научная проблема в области радиофизики, имеющая важное практическое значение для создания спннволновых СВЧ устройств с широкими функциональными возможностями.
Научная и практическая ценность результатов работы заключается в том, что полученные в ней результаты расширяют и углубляют физические представления о процессах, возникающих при возбуждении магнитостати-ческих волн и колебаний в слоистых структурах, содержащих намагниченные ФП, и о связанных с ними явлениях в спннволновых устройствах с электронной перестройкой частоты. Результаты работы применяются также для интерпретации физических экспериментов.
Практическая значимость работы заключается в разработке физических основ создания широкого класса многофункциональных СВЧ устройств на основе планарных линий передачи с намагниченной ФП. В частности, экспериментально исследована возможность создания перестраиваемых линий задержки, ППФ и ПЗФ с заданными характеристиками. Разработанный метод расчета фильтров, позволяющий проектировать устройства с заданными АЧХ, и созданные программы расчета преобразователей могут быть использованы при разработке и оптимизации параметров приборов спинволновой электроники СВЧ.
Достоверность результатов работы определяется как использованием строгих современных методов расчета и стандартной измерительной аппаратуры, так и согласием основных теоретических положений с результатами экспериментов.
Реализация результатов работы. Задачи, поставленные в ходе диссертационного исследования, решались в рамках фундаментальных и поисковых НИР, проводимых на кафедре радиофизики Ростовского государ-
стенного университета, а также в соответствии с Координационным планом АН СССР. Результаты диссертационной работы были использованы при проведении научно-исследовательских работ на предприятиях МЭП и МРП. Автор являлся ответственным исполнителем указанных работ. Материалы диссертации используются в спецпрактикуме по радиофизике и в лекционных курсах, читаемых автором в Ростовском государственном университете.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на международных, всесоюзных конференциях и семинарах:
XXXI, XXXII, XXXIII Всесоюзных научных сессиях, посвященных Дню радио ( Москва, 1974,1976, 1977, 1978);
Всесоюзном научном семинаре по обмену передовым опытом по производству и применению микроэлектронных изделий в радиоаппаратуре (Москва, 1974);
VII Всесоюзном симпозиуме по дифракции и распространению волн (Москва, 1977);
Выездном заседании секции волноводных устройств НТОРЭС "Применение волноводных устройств в технике связи" (Москва-Киев, 1980);
Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы интегральной электроники СВЧ" (Ленинград, 1984);
Всесоюзном научно-техническом семинаре НТОРЭС "Волноводные системы и устройства" (Днепропетровск, 1984);
II, III, IV. V. VI Всесоюзных школах-семинарах "Спин-волновая электроника СВЧ" (Ашхабад, 1985; Краснодар, 1987; Львов, 1989: Звенигород, 1991; Саратов. 1993);
Всесоюзной конференции по материаловедению (Донецк, 1978);
XI Международной конференции по гиромагнитной электронике и электродинамике (Алушта. 1992);
Первой Объединенной конференции по магнитоэлектронике (Москва, 1995);
IX Международной школы-семинара "Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ" (Самара, 1997).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 48 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.
В статьях и докладах, написанных в соавторстве, диссертанту принадлежит постановка теоретических задач и физических экспериментов, включенных в диссертацию, большинство аналитических решений, физическая интерпретация результатов расчета и данных эксперимента.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и списка литературы, содержит 412 страниц текста, включающие 108 рисунков, 4 таблицы и список литературы из 184 наименований.
