Перестроюваний ферит-діелектричний резонатор мм-діапазону

Реферат: Перестроюваний ферит-діелектричний резонатор мм-діапазону складається з діелектричного резонатора, платівки монокристалічного гексафериту з доменною структурою та електромагніта, при цьому частоти гібридних електромагнітно-спінових коливань якого перестроюються постійним магнітним полем. У гексафериті створена змішана доменна структура, а постійне магнітне поле прикладене дотично до площини платівки. UA 105503 U (12) UA 105503 U UA 105503 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до радіофізичної галузі, зокрема до пасивних й активних елементів техніки надвисоких частот (НВЧ) мм-діапазону довжин хвиль, може знайти своє застосування при розробленні та конструюванні приймально-передавальних трактів систем зв'язку. Відомий НВЧ-резонатор на основі сфери залізо-ітрієвого гранату [1], який забезпечує збудження гібридних електромагнітно-спінових коливань у діапазоні 12-24 ГГц за рахунок явища взаємодії магнітостатичних коливань (МСК) і електромагнітних коливань (ЕМК) у такому сферичному резонаторі. Однак, для досягнення робочого режиму такого резонатора ферит повинен перебувати у стані насичення, що вимагає підмагнічування його значним зовнішнім постійним магнітним полем Н0=4-11 кЕ, що є його основним недоліком. У контексті питання мініатюризації функціональних пристроїв мм-діапазону значну перевагу мають резонатори на основі гексаферитів М-типу завдяки характерним високим полям внутрішньої магнітокристалографічної анізотропії На=10-30 кЕ. Зокрема, у дисковому феритовому резонаторі, виготовленого з монокристалічного барієвого гексафериту (BaFe12O19), встановлено можливість збудження до чотирьох монотонно перестроюваних МСК у багатодоменній області при значеннях дотичних полів Н0=12-14 кЕ [2]. Як головний недолік даного резонатора потрібно виділити неможливість отримати у відсутності поля Н0 чи при полях Н0 із значеннями, близькими до нуля кілька монотонно перестроюваних резонансних коливань. До того ж, розглядуваний пластинчастий резонатор є достатньо товстим - його доменній структурі (ДС) властива поверхнева клиноподібність, що значно уширює ширину смуги Δf на рівні -3 дБ відносно максимуму поглинання і, відповідно, такі резонатори мають дуже низьку добротність. Реалізовано резонатор мм-діапазону на основі гексафериту М-типу, що складається з ділянки прямокутного хвилеводу, резонуючого елемента та електромагніта [3]. Резонуючий елемент виконано у вигляді епітаксійної плівки BaFe12O19 на діелектричній підкладинці з гексагалату стронцію. Даний резонатор, що працює в області з ДС, можна вважати аналогом, проте недоліком цього резонатора є режим одночастотного перестроювання та низька добротність. Найбільш близьким аналогом до корисної моделі, що заявляється, за технічною суттю є резонатор, який являє собою складену ферит-діелектричну структуру на основі платівки BaFe12O19 та кварцового циліндричного діелектричного резонатора (ДР) [4]. Гексаферитова платівка, використана як феритовий резонатор, прямокутної форми товщиною 30 мкм на кварцовій підкладинці товщиною 240 мкм, причому у платівці, шляхом перемагнічування у великих полях Н0>17 кЕ і при куті 2,22° відносно площини платівки, у вихідному стані створювалась циліндрична доменна структура (ЦДС). Відтак, у спектрі гібридних електромагнітно-спінових коливань такої складеної структури при відсутності поля Н 0 має місце збудження чотирьох резонансних коливань, частоти яких можна змінювати прикладанням поля Н0, перпендикулярного відносно площини гексаферитової платівки. Недоліком найближчого аналога є обмеження щодо діапазону перестроювання по полю Н 0, що знижує ефективність застосування такого НВЧ-резонатора. До величини поля Н0=3 кЕ спостерігається співіснування МСК й гібридних коливань з відмінною за значенням та знаком перестройкою, а вище - ДС у гексафериті суттєво видозмінюється і потім зникає, що, таким чином, призводить до різкого зменшення інтенсивності та добротності МСК, а, відповідно, й до процесу послаблення гібридизації ЕМК у циліндричному ДР з останніми. Крім того, для найнижчого по частоті резонансного коливання практично відсутнє перестроювання у значному діапазоні полів Н0. Задачею корисної моделі, що заявляється, є забезпечення у ферит-діелектричному резонаторі умов ефективної гібридизації МСК і ЕМК з метою отримання монотонного перестроювання частот чотирьох резонансів спектра гібридних електромагнітно-спінових коливань у широкому діапазоні дотичних до площини гексаферитової платівки полів Н0, а також однакової за знаком крутизни перестроювання даних резонансів. Поставлена задача вирішується тим, що у перестроюваному ферит-діелектричному резонаторі мм-діапазону, що складається з кварцового ДР, платівки монокристалічного гексафериту з доменною структурою та електромагніта, у якому, згідно з корисною моделлю, у монокристалічній гексаферитовій платівці створена змішана ДС, а магнітне поле прикладене дотично до площини платівки. Змішана ДС створювалася шляхом перемагнічування платівки монокристалічного гексафериту при орієнтації постійного магнітного поля перемагнічування під кутом 0° відносно площини платівки гексафериту. Суть заявленої корисної моделі розкривається наступними кресленнями та виміряними залежностями, на яких: 1 UA 105503 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 - Фіг. 1 - схематичний вигляд перестроюваного ферит-діелектричного резонатора ммдіапазону; - Фіг. 2 - залежність зміщення спектра резонансних частот ферит-діелектричного резонатора при прикладанні дотичного поля Н0 до площини платівки BaFe12O19; - Фіг. 3 - виміряний спектр коефіцієнта відбиття S11 гібридних електромагнітно-спінових коливань у ферит-діелектричному резонаторі при значенні поля Н0=0; - Фіг. 4 - виміряний спектр коефіцієнта відбиття S11 гібридних електромагнітно-спінових коливань у ферит-діелектричному резонаторі при значенні поля Н0=4790 Ε. Ферит-діелектричний резонатор мм-діапазону являє собою складену структуру, що містить платівку монокристалічного BaFe12O19 1 на тонкій кварцовій підкладинці 2 і кварцовий циліндричний ДР 3. Пристрій для створення зовнішнього постійного магнітного поля електромагніт 4. У гексаферитовій платівці 1 існує змішана ДС, попередньо створена шляхом перемагнічування у великих полях Н0>17000 Ε і при куті 0° відносно площини платівки гексафериту. Наявність кварцової підкладинки 2 продиктована потребою забезпечення цілісності та механічної міцності тонкої гексаферитової платівки у такому складеному резонаторі. Визначення робочих НВЧ характеристик даного ферит-діелектричного резонатора здійснено шляхом експериментальних випробувань, які полягали у вимірюванні частотної залежності коефіцієнта S11 резонатора, поміщеного на короткозамикач вимірювальної секції 6-мм прямокутного хвилеводу, розташованої між полюсами електромагніта. Циліндричний ДР з діаметром D=1,7 мм та висотою h=1,57 мм зчеплений за допомогою тонкого шару клею (діелектричні втрати практично відсутні) з гексаферитовою платівкою розмірами 0,035×3,85×2,5 2 мм на кварцовій підкладинці товщиною 143 мкм, як показано на фіг. 1. Принцип роботи такого резонатора базується на електромагнітно-спіновій взаємодії у складеній ферит-діелектричній структурі електромагнітного поля власної моди циліндричного ДР і магнітостатичних полів власних мод платівки BaFe12O19, збуджених зовнішньою електромагнітною хвилею хвилеводу. У відсутності зовнішнього поля Н 0 у гексаферитовій платівці, за наявності змішаної ДС, попередньо створеної при перемагнічуванні під кутом 0° 1 2 3 відносно площини платівки гексафериту, збуджуються три чіткі власні моди МСК - ωm , ωm , ωm , - на частотах 47,12 ГГц, 49,56 ГГц, 57 ГГц, відповідно, як видно з фіг. 2. Потрібно відмітити, що 1 значення цих частот незначно, але помітно, відрізняються від таких, зокрема ω m =47,66 ГГц, 2 3 ωm =50,31 ГГц, ωm =57,04 ГГц, для циліндричної ДС у платівці BaFe12O19 [4]. Водночас, у циліндричному ДР збуджується одна власна мода ЕМК (у цьому випадку TE01δ), частота якої лежить в області існування таких МСК. Відтак, для отримання ефективної електромагнітноспінової взаємодії між модою ЕМК і модами МСК, й, відповідно, перестроюваних гібридних 4 коливань такого ферит-діелектричного резонатора, частота невзаємодіючої моди ЕМК ω qEM у ДР, як це продемонстровано на фіг. 2, повинна практично збігатися з частотою однієї з мод МСК у платівці BaFe12O19. Тобто, розміри даного ДР у запропонованій складеній структурі, зокрема його діаметр D та висота h, підібрані таким чином, що мінімальне значення резонансної частоти 4 невзаємодіючої моди ωqEM становить 47,43 ГГц і є максимально близьким до резонансної моди 1 ωm . Отже, навіть за відсутності поля Н0 наявність заданих електродинамічних умов у феритдіелектричному резонаторі призводить до ефективної гібридизації цих мод й виникнення двох 1 2 3 інтенсивних ωqEM , ωqEM та одного слабкого квазіелектромагнітного коливання ωqEM у ДР на частотах 45,98 ГГц, 48,04 ГГц, 50,48 ГГц, відповідно, на що вказує виміряна НВЧ характеристика на фіг. 3. Оскільки досягнута максимальна гібридизація між ЕМК і МКС у даному феритдіелектричному резонаторі, а це означає, що існує сильний зв'язок між електромагнітними та магнітостатичними полями розглядуваних коливань, то резонансні частоти всіх існуючих коливань у такому складеному резонаторі перестроюються магнітним полем Н0. Тобто, 1 2 3 характерне зміщення магнітостатичних резонансів ωm , ωm , ωm відбувається за рахунок взаємодії системи магнітних моментів платівки BaFe12O19 з полем Н0, а квазіелектромагнітних 1 2 3 резонансів ωqEM , ωqEM , ωqEM - завдяки вказаному зв'язку їхніх електромагнітних полів у ДР з такою системою. 1 2 Перестроювання чотирьох робочих частот ферит-діелектричного резонатора ωm , ωqEM , 2 3 ωm , ωm , що показано на фіг. 2, забезпечується зміною поля Н0, прикладеного дотично до площини платівки BaFe12O19. Зокрема, експериментально встановлено, що зміна поля Н0 на 1 2 4790 Ε (фіг. 4) дозволяє перестроїти частоти вказаних коливань на δω m =1,62 ГГц, δωqEM =1 2 3 ГГц, δωm =1,66 ГГц, δωm =2,46 ГГц, відповідно. Відтак, крутизна перестройки δfr/δΗ0 для чотирьох робочих частот резонатора є досить близькою за значенням та однаковою за знаком, причому поведінка частот у розглядуваному діапазоні полів Н 0 є близькою до лінійної, що також вигідно вирізняє даний перестроюваний ферит-діелектричний резонатор з-поміж існуючих у мм 2 UA 105503 U 5 10 15 20 діапазоні [2, 4]. Потрібно зауважити, що, як бачимо з фіг. 1, при перевищенні значень полів Н 0 2 більше 5000 Ε робочий режим квазіелектромагнітного коливання ωqEM поступово втрачається, 2 оскільки останнє потрапляє в область сильної гібридизації вже наступного МСК ω m і, як наслідок, його НВЧ-параметри суттєво спотворюються. Подальше збільшення поля Н0 веде до 2 3 трансформації коливання ωqEM в інше квазіелектромагнітне коливання ωqEM , а при досягненні області насичення, де при полі насичення Н нас зникає ДС, у ДР залишається практично 4 невзаємодіюче з МСК гексаферитової платівки коливання ωqEM . Отже, запропонована корисна модель забезпечує перестроювання чотирьох робочих частот ферит-діелектричного резонатора у мм-діапазоні більше, ніж на 1 ГГц з близькою за значенням та знаком крутизною перестроювання. Джерела інформації: 1. R.W. Roberts, B.A. Auld, R.R. Schell Magnetodynamic Mode Ferrite Amplifier. J. Appl. Phys. 1962. Vol. 33, 3. P. 1267-1268. 2. B.A. Журавлев, А.А. Ошлаков Влияние доменной структуры на ферромагнитный резонанс в материалах с осью легкого намагничивания. Физ. тверд, тела. 2001. Т. 43, 11. С. 2025-2029. 3. Патент на корисну модель. А. с. № 8549. МПК Н01Р1/218. Двочастотний НВЧ-резонатор. Костенко В.І., Чамор Т.Г., Чевнюк Л.В., 15.08.2005. 4. В.И. Костенко, A.M. Сорочак, Т.Г. Чамор, Л.В. Чевнюк Гибридные электромагнитноспиновые колебания в слоистых структурах с одноосными гексаферритами Журн. техн. физ. 2011. Т. 81,5. С. 40-43. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 Перестроюваний ферит-діелектричний резонатор мм-діапазону, що складається з діелектричного резонатора, платівки монокристалічного гексафериту з доменною структурою та електромагніта, при цьому частоти гібридних електромагнітно-спінових коливань якого перестроюються постійним магнітним полем, який відрізняється тим, що у гексафериті створена змішана доменна структура, а постійне магнітне поле прикладене дотично до площини платівки. 3 UA 105503 U 4 UA 105503 U Комп’ютерна верстка О. Гергіль 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 5