Надвисокочастотний резонатор з подвійним керуванням

Реферат: Резонатор надвисокої частоти з подвійним керуванням складається з діелектричного резонатора та планарного керуючого елемента, що містить шар фериту. Планарний керуючий елемент додатково містить шар п'єзоелектрика. UA 103186 U (12) UA 103186 U UA 103186 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області радіофізики, а саме до техніки сантиметрового діапазону і може бути застосована для побудови фільтрів в приймальній або передавальній апаратурі. Суттєве розширення функціональності частотно-селективних приладів на основі діелектричних резонаторів пов'язане з реалізацією можливості перестройки їх резонансних частот [1]. Перестройка резонансних частот діелектричного резонатора може здійснюватися як статичним електричним полем [2], так і статичним магнітним полем [3]. Відомі двошарові планарні структури ферит-п'єзоелектрик, в яких проявляється магнітоелектричний ефект [4]. В них прикладання електричної напруги до п'єзоелектричного шару призводить до зміни магнітних властивостей феритового шару, що дозволяє використовувати їх як складові елементи керованих електричним полем пристроїв надвисокочастотного (НВЧ) діапазону, проте про практичне використання їх в такій ролі нічого не відомо. Відома конструкція НВЧ резонатора, де в якості резонуючого елемента використовується діелектричний резонатор з керуючим елементом в вигляді плівки сегнетоелектрика [2]. Керування резонансними частотами такого резонатора відбувається шляхом створення в плівці сегнетоелектрика статичного електричного поля. Недоліками цього резонатора є складність конструкції, малі значення зсуву резонансної частоти резонатора (менше 2 МГц на частотах 7.39.6 ГГц) та суттєве зменшення власної добротності діелектричного резонатора внаслідок великого значення тангенсу кута діелектричних втрат плівки сегнетоелектрика. За найближчий аналог прийнято перестроюваний зовнішнім магнітним полем НВЧ резонатор, що складається з діелектричного резонатора, немагнітної діелектричної прокладки та феритової платівки [3]. До недоліків найближчого аналога належать низька швидкість перестроювання резонансних частот, а також великі енерговитрати на керування резонансними частотами, зумовлені використанням магнітного поля для управління резонансною частотою. Задачею даної корисної моделі є розширення функціональності НВЧ резонатора зі збереженням його високої власної добротності. Поставлена задача вирішується використанням резонатора надвисокої частоти з подвійним керуванням, який складається з діелектричного резонатора та планарного керуючого елемента, що містить шар фериту, причому керуючий елемент, згідно корисної моделі, додатково містить шар п'єзоелектрика, до якого може прикладатись електрична напруга. Виконання корисної моделі забезпечує створення діелектричного резонатора НВЧ з подвійною перестройкою резонансних частот статичними магнітним та електричним полями. При створенні керуючого елемента шар п'єзоелектрика приклеюють безпосередньо до феритового шару, при цьому необхідно забезпечити надійний механічний контакт. Феритовий та п'єзоелектричний шари можуть бути виконані у вигляді платівок або плівок, мати форму диску, паралелепіпеду і т. п. У випадку виконання феритового шару в вигляді епітаксійної плівки він може додатково містити немагнітну підкладку. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, де зображено: Фіг. 1 - поперечний розріз заявленого НВЧ резонатора з подвійною перестройкою резонансних частот електричним та магнітним полями (масштаб не збережено). Фіг. 2 - залежність резонансних частот зв'язаних електромагнітно-спінових коливань від зовнішнього магнітного поля. Фіг. 3 - перестройка амплітудно-частотної характеристики НВЧ резонатора при прикладанні електричної напруги до шару п'єзоелектрика. Фіг. 4 - залежність резонансних частот НВЧ резонатора від величини електричного поля в шарі п'єзоелектрика. НВЧ резонатор з подвійним керуванням частотою розташовується в лінії передачі надвисокочастотного діапазону (наприклад, у відрізку прямокутного хвилеводу 1) і складається з циліндричного діелектричного резонатора 2, немагнітного діелектричного шару з галійгадолінієвого гранату 3, епітаксійної плівки залізо-ітрієвого гранату 4 та диска з п'єзоелектрика цирконату-титанату свинцю 5. Для створення магнітного поля використовується магніт 6. Торцеві поверхні диска з п'єзоелектрика металізовані. Прикладання електричної напруги до диска з п'єзоелектрика забезпечується електричним контактом однієї з торцевих поверхонь диска із металевою стінкою хвилеводу та припаяним до іншої торцевої поверхні ізольованим провідником, що виведений назовні хвилеводу через отвір в його боковій стінці 7. Випробування проведені на макеті, який складається з секції прямокутного хвилеводу 1 з 2 поперечними розмірами 2310 мм і резонуючого елементу до складу якого входить циліндричний діелектричний резонатор з діаметром =5.68 мм та висотою h=3.2 mm, диску з 1 UA 103186 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 епітаксійної плівки залізо-ітрієвого гранату (ЗІГ) товщиною 23.6 мкм на підкладці з галійгадолінієвого гранату товщиною 480 мкм та диску з п'єзоелектрика цирконату-титанату свинцю (ЦТС) з діаметром 1 см та висотою 0.5 мм. Пружний механічний зв'язок між епітаксійною плівкою залізо-ітрієвого гранату та п'єзоелектриком забезпечується клеєвим з'єднанням. За певних значень зовнішнього магнітного поля в композитному резонаторі має місце зв'язок електромагнітних коливань HE 11 в діелектричному резонаторі та основної моди прямих об'ємних магнітостатичних коливань в магнітостатичному резонаторі, що утворений зразком епітаксійної феритової плівки, намагніченої вздовж нормалі до її поверхні. Перестройку резонансних частот макета резонатора зовнішнім магнітним полем H0 продемонстровано на Фіг. 2. При прикладанні електричної напруги до шару п'єзоелектрика він деформується. Пружна деформація передається через клейове з'єднання епітаксійній феритовій плівці та призводить до появи магнітострикційного вкладу в резонансне поле магнітостатичного резонатора 3E 111 d31 Hu1   U 1   Ms h , де h - товщина диска ЦТС, E - модуль Юнга ЗІГ,  - коефіцієнт Пуассона ЗІГ, 111 - константа магнітострикції ЗІГ, Ms - намагніченість насичення ЗІГ, d31 п'єзоелектричний коефіцієнт ЦТС, 0    1 - коефіцієнт, який враховує неідеальність пружного контакту між п'єзоелектриком та епітаксійною плівкою. Це поле викликає зміну частоти зв'язаних електромагнітно-спінових коливань. Зсув резонансної смуги коливань при створенні електричного поля в шарі п'єзоелектрика за значення зовнішнього магнітного поля H0 4440 E продемонстровано на Фіг. 3. Власна добротність утвореного композитного резонатора складає Q01950 тобто запропонований резонатор з керуючим елементом в вигляді планарної структури з епітаксійної феритової плівки та п'єзоелектрика має суттєво вищу добротність, ніж резонатор з керуючим елементом в вигляді плівки сегнетоелектрика [2]. Залежність резонансної частоти макета резонатора від напруженості електричного поля в п'єзоелектрику представлено на Фіг. 4. Максимальний зсув частоти НВЧ резонатора за рахунок електричного поля складає 65 МГц. Спостерігається невеликий гістерезис залежності резонансної частоти від напруженості електричного поля, який викликаний нелінійними властивостями п'єзоелектрика. Таким чином, запропонована корисна модель забезпечує подвійну перестройку резонансних частот композитного НВЧ резонатора статичними магнітним та електричним полями. При цьому перестройка резонансної частоти електричним полем здійснюється в діапазоні 65 МГц, що в кілька разів більше за ширину резонансної кривої, а власна добротність композитного резонатора складає 1950. Джерела інформації: 1. Y.М. Poplavko Frequency-tunable microwave dielectric resonator/ Poplavko Y.M., Prokopenko Y.V., Molchanov V.I., Dogan A.// IEEE Transactions on microwave theory and techniques. - 2001. Vol. 49, № 6. - P. 1020-1026. 2. Патент US 20040135655 Al Tuneable dielectric resonator/ Petrov P., McNeil A./ Publication date 15.07.2002, Priority date 10.04.2002. 3. Патент ER 0060174 Bl Filtre passe-bande a resonateurs dielectriques/ Delaballe J., Fouillet J., Osias A./ Priority date 27.02.1981, Publication date 19.06.1985. 4. C.-W. Nan Multiferroic magnitoelectric composites: historical perspective, status, and future directions/ Nan C.-W., Bichurin M.I., Dong S., Viehland D., Shrinivasan G.// J. Appl. Phys. - 2008. Vol. 103, № 3. - P. 031101 (1-35). ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 1. Резонатор надвисокої частоти з подвійним керуванням, який складається з діелектричного резонатора та планарного керуючого елемента, що містить шар фериту, який відрізняється тим, що планарний керуючий елемент додатково містить шар п'єзоелектрика. 2. Резонатор надвисокої частоти з подвійним керуванням за п. 1, який відрізняється тим, що шар фериту виконаний у вигляді епітаксійної плівки на немагнітній підкладці. 2 UA 103186 U 3 UA 103186 U Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4