Содержание к диссертации
Стр.
ПРЕДИСЛОВИЕ 5
ВВЕДЕНИЕ 6
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
O.I. Классификация основных типов ВС МСВ 16
0.2. Слоистые волноводы МСВ при однородном
подмагяичивании 22
0.3. Резонаторы и волновода МСВ с неоднородным
лодмагничиваяием 29
0.4. Постановка задачи . 39
4. ГЛАВА I. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ЧАСТИЧНЫХ ОБЛАСТЕЙ ДНЯ
ЧИСЛБНЮГО-МОДЕЛИРОВАНИЯ ВС МСВ ..... . 47
Применение МЧО для анализа ВС МСВ с перпендикулярным подмагничиванием 49
Тестовая задача для алгоритма анализа волноводов МСВ сложного поперечного сечения с нормальным подмагничиванием 58
Применение МЧО для анализа волноводов МСВ с касательным подмагничиванием . . . 62
Тестовая задача для алгоритма анализа волноводов МСВ сложного поперечного сечения с касательным подмагничиванием . 65
5. ГЛАВА 2. ДИСПЕРСИОННЫЕ СВОЙСТВА ВОЛНОВОДОВ МСВ МШ -
ТИПА ПРИ КАСАТЕЛЬНОМ И НОРМАЛЬНОМ ШЩУГНИ-
ЧИВАНИИ 70
Стр.
Распространение МСВ в металлизированной феррито-вой структуре конечных размеров при касательном подмагяичивании 70
Спектр собственных волн МШ - волновода со ступенчато-неоднородным касательным подмагничива -нием 76
Дисперсионные свойства некоторых типов МШ-вол -новодов с перпендикулярным подмагничиванием ... 82
Проверка допустимости ступенчато-неоднородной аппроксимации поля подмагничивания при исследо -вании волноводов МСВ 94
6. ГЛАВА 3. ДИСПЕРСИОННЫЕ СВОЙСТВА ВОЛНОВОДОВ МСВ
СЛОЖНОГО ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ ПРИ ПЕРПЕНДИКУ
ЛЯРНОМ ПОДОАГНИЧИВАНИИ 102
Дисперсионные свойства волноводов МДФДО - типа при нормальном подмагничивании с учетом конечной ширины ферритового полоска 103
Дисперсионные свойства МДФ]ЗМ - волноводов при нормальном ступенчато-неоднородном подмагничи -вании 109
Дисперсионные свойства системы двух связанных нормально намагниченных волноводов МСВ . . П5
7. ГЛАВА 4. СПЕКТР СОБСТВЕННЫХ МАГНИТОСТАТИЧЕСЕИХ ВОЛН
МНОГОСЛОЁНЫХ ВОЛНОВОДОВ С КАСАТЕЛЬНЫМ ПОД -
МАГНИЧИВАНИЕМ 129
Стр.
Спектр собственных волн МДФда-волновода МСВ с ферритовой пластиной конечной ширины при касательном подмагничивании 130
Дисперсионные свойства МДФД-волноводов МСВ при касательном ступенчато-неоднородном подмагни -чивании 135
дисперсионные свойства волновода ПМСВ, образо -ванного геометрической неоднородностью феррито-
вого слоя 147 '
4.4. Дисперсионные свойства системы двух связанных,
касательно намагниченных волноводов МСВ .... 150
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 159
ПРИЛОЖЕНИЕ I. Общее описание, и инструкция пользова-
ния алгоритмами анализа собственных
волн магнитостатических волноводов . . 161
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. .... . 180
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 180
ІЙ. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 182
ПРЕДИСЛОВИЕ
Задача теоретического исследования волноводов магнитостати-ческих волн представляет большой научный и практический интерес в связи с перспективами миниатюризации элементной базы радио -электроники СВЧ на основе магнитостатических волн и колебаний.
Настоящая диссертация посвящена численному исследованию дисперсионных свойств некоторых волноведущих структур для магнитостатических волн, включая волноводы с конечной шириной фер-ритовой пластины, с неоднородным подмагничиванием, а также структуры, состоящей из двух связанных волноводов. Исследование проводилось для случаев нормальной и касательной ориентации постоянного магнитного поля.
Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю доктору физико-математических наук, профессору Е.И. Нефедову за руководство работой, а также доктору физико-математических наук, профессору, А.В. Вашковскому за постоянный интерес и внимание к работе.
Введение к работе
Одной из основных тенденций современной радиоэлектроники является освоение все более коротковолновых диапазонов частот. Повышение рабочих частот РЭА требует решения целого комплекса сложных научно-технических и конструкторско-технологических задач /I/. Большое значение имеет проблема комплексной миниатюризации СВЧ - тракта РЭА с возможно более высоким уровнем интеграции элементов /2/. В настоящее время большинство известных конструкций интегральных схем (ИС) СВЧ выполняется на основе пленарных полосковых линий (ПЛ) различного типа (несимметричная ПЛ, коплаяарная, щелевая и т.д.) /3/. Пассивные элементы ИС СВЧ (резонаторы, направленные ответвители (НО), невзаимные устройства, фильтры и т.д.) имеют при этом размеры, соизмеримые с длиной электромагнитной волны в полосковых волноводах. Таким образом, использование электромагнитных волн в качестве носи -теля энергии радиосигнала ограничивает возможности микроминиатюризации ИС СВЧ, поскольку длина электромагнитных волн в ПЛ составляет величину порядка С /(СО і/зфф » где ц) - 2.1%f -частота сигнала, С - скорость света в вакууме, Єурр = 1*10 -эффективная диэлектрическая проницаемость данной ПЛ, характеризующая ее волноводные свойства.
Принципиальная невозможность дальнейшего уменьшения разме -ров пассивных элементов ИС СВЧ на основе ПЛ ставит задачу поиска других путей развития микроэлектроники СВЧ; определенные перспективы открываются, в частности, с переходом к ИС СВЧ в объемном исполнении /1,4/.
Потребности радиоэлектроники СВЧ являются важнейшим стимулом для исследований в области волновых процессов в твердом
теле /5*7/. Известно, что в поляризуемых средах (пьезоэлектри -ки, полупроводники, сегнетоэлектрики, сверхпроводники, ферриты) существуют специфические, определяемые типом поляризации среды типы волн и колебаний: акустические волны в пьезоэлектриках, волны носителей заряда в полупроводниках, волны поляризации в сегнетоэлектриках, волны электронной плотности в сверхпроводни-ках>магяитостатическиві спиновые волны в ферромагнетиках /5т9/. Общей их особенностью и главным отличием от электромагнитных волн является малая длина волныА{ AMq^VS^ г 10~^,Ло« *%*)» а также сильная зависимость дисперсионных свойств от внешних воздействий, определяющих тип поляризации среды (внешнее по -стоянное электрическое поле для полупроводников и сегнетоэлектри-ков, постоянное магнитное поле для ферритов и т.д.). Наибольший интерес представляют исследования дисперсии волн неэлектромаг -нитной природы в пленочных волноведущих структурах (ВС), обра -зованяых слоем (или несколькими слоями) материала, поддерживающего распространение волн данного типа, а также слоями диэлектрика и металла. Поскольку толщина слоев, изготавливаемых по эпи-таксиальной технологии, оказывается, как правило, соизмеримой с длиной волны данного типа, появляется возможность эффективного управления дисперсией этих волноводов. Успехи в области физики волновых процессов в тонкоплеяочных слоистых ВС, наряду с достижениями технологии, позволяющей получать эпитаксиальные структуры, обладающие необходимыми свойствами (малое затухание, одно -родность и т.д.), позволяют говорить о возникновении целого научного направления - твердотельной волновой электроники СВД /5*9/.
Ожидается, что в недалеком будущем станет возможной замена
всех или большинства полосковых конструкций СВЧ-тракта РЭА твердотельными модулями, созданными по планарной технологии с высокой степенью интеграции, определяемой отношением A/j[0 Это позволило бы, в принципе, решить основные проблемы микро -миниатюризации элементной базы СВЧ, поскольку имеется возмож -ность снизить размеры распределенных СВЧ - элементов по край -ней мере на 2гЗ порядка /5fI3/.
Одним из наиболее интенсивно развивающихся в настоящее время направлений твердотельной волновой электроники является спин-волновая электроника /6,7, 9*14/, предмет изучения которой составляют магяитостатические волны (МСВ) в ферромагнетиках. Благодаря последним достижениям технологии, появилась возможность создавать тонкие эпитаксиальные слои феррита (как правило, железо-иттриевого граната (ЖИГ), обладающие малыми магнитными потерями и достаточной однородностью свойств по длине и ширине слоя /9г 12/. Магяитостатические волны обладают рядом уникальных возможностей (зависимость дисперсионных свойств от величины и направ-ления внешнего постоянного поля подмагничиванияі^, сравнительно низкая групповая скорость Vzp ~ Ю5 м/с), которые позволяют создавать на их основе самые разнообразные элементы СВЧ - тракта: линии задержки, фильтры, невзаимные устройства и др., имеющие характеристики, принципиально нереализуемые в диапазоне частот 1*20 ГГц на основе электромагнитных или акустических волн /12/. На сегодняшний день только МСВ обеспечивают возможность линейной обработки радиосигнала непосредственно на СВЧ. Известны также работы /15,16/, в которых продемонстрирована работоспособность МСВ - элементов в миллиметровом диапазоне (до частот /~ 45*50 ГГц). Возрастающий интерес разработчиков РЭА
к МСВ ставит задачу более углубленного теоретического исследо -вания ВС МСВ с целью получения количественной информации об их дисперсионных свойствах.
Настоящая диссертация посвящена теоретическому (численному) исследованию дисперсионных свойств некоторых типов ВС МСВ, а также выяснению возможности их оптимизации по заданному пара -метру*
Диссертация состоит из введения, обзора литературы, четырех глав, заключения и 3 приложений.
В обзоре литературы приведена классификация основных ти -нов ВС МСВ, дан краткий обзор известных на сегодняшний день экспериментальных и теоретических исследований по данному направлению, предложены общая модель ВС МСВ сложного поперечного сечения, обобщающая большинство известных конструкций, и сформулирован круг задач, решаемых в диссертации (0.4).
Изложению предложенной и разработанной автором методики численного исследования волноводов МСВ, основанной на методе частичных областей (МЧО) /17,18/, посвящена глава I. Общее описание методики, дисперсионные уравнения, описывающие собственные волны и базисные функции пятислойных частичных областей при нор -мальном и касательном подмагничивании, соотношения ортогональ -ности и формулировка внешних граничных условий применительно к ВС МСВ приведены в I.I, 1.2. Созданный на основе данной методики алгоритм анализа ВС МСВ сложного поперечного сечения при касательном или нормальном подмагничивании был проверен путем сравнения полученных численных результатов с известными эк -спериментальными результатами для случая нормальной ( 1.3) и касательной ( 1.4) ориентации поля подмагничивания Hq, сделан
вывод о пригодности алгоритмов для дальнейших исследований.
В главе 2 приведены результаты численного исследования простейших моделей ВС МСВ: волновод типа металл-феррит-металл (1Ш) при касательном подмагничивании с учетом конечной ширины ферри-товой пластины ( 2.1), ступенчато-неоднородного касательного подмагничивания ( 2.2), а также некоторых МШ - структур при нормальном подмагничивании ( 2.3). Выявлены основные физические закономерности волновых процессов в ферритовых МСВ - волноводах конечного поперечного сечения. В параграфе 2.4 произведена проверка допустимости учета неоднородности постоянного магнитного поля в ступенчатом приближении.
В главе 3 описаны дисперсионные свойства МСВ - волноводов МДФДО (металл-диэлектрик-феррит-диэлектрик-металл) - типа при нормальном подмагничивании. Произведена классификация типов волн, способных распространяться в таких волноводах. Рассмотрены, в частности, волноводные свойства МДфда - волновода, содержа**-щего ферритовую пластину конечной ширины при однородном подмагничивании. Показано, что известная ранее теоретическая модель (приближение "магнитной стенки") дает количественно неверные результаты, особенно при малых значениях волновых чисел вблизи частот отсечки (сдвиг частоты отсечки Д/~ 100 МГц в диапазоне 2*2,5 ГГц) ( 3.1). Результаты численного исследования волноводов МДФДМ - типа при ступенчато-неоднородном подмагничивании приведены в 3.2, показана возможность создания на основе таких волноводов управляемых магнитным полем линий задержки со слабой частотной дисперсией, сделан вывод о большей перспективности волноводов с неоднородным распределением лоляВл, имеющих минимум в центральной части волновода, по сравнению с исследованным
случаем /19,20/, когда в центральной части волновода имелся максимум распределения статического поля.
Проведено исследование дисперсионных свойств системы двух связанных МДФЛМ - волноводов при нормальном однородном подмагничивании в зависимости от расстояния между ферритовыми пластинами и положения металлических экранов, произведен расчет длины НО на основе такой структуры ( 3.3). Сделан вывод о возможности создания узкополосных, перестраиваемых полем Hq миниатюрных НО на основе систем связанных волноводов МСВ, Исследованы дисперсион-яые свойства волновода с периодической неоднородностью ПОЛЯ Hq на поперечном сечении (число периодов равно двум); показано,что, используя неоднородное подмагничивание, можно создавать узкие близкорасположенные изолированные друг от друга волноводы МСВ,
