Введение к работе
Актуальность работы. В последнее время ведутся интенсивные исследования в области спинволновой электроники СВЧ, целью которых является создание устройств обработки сигналов в диапазоне СВЧ в реальном масштабе времени. Использование устройств на основе магнитостатических волн (МСВ), распространяющихся в намагниченной ферромагнитной пленке (ФП), в радиоэлектронных системах весьма перспективно [1]. Основные требования к таким устройствам — это их дешевизна, высокая технологичность, легкая воспроизводимость. Поэтому задачи качественного совершенствования их функциональных возможностей являются актуальными. Для решения такого рода задач необходима разработка методов компьютерного моделирования элементов спинволновых устройств.
Преобразователи МСВ [1, 2] являются неотъемлемой частью любого спинволнового устройства и в большинстве случаев определяют его основные характеристики, например, амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) и вносимые потери фильтров. В настоящее время наиболее изучены закономерности возбуждения МСВ микрополосковыми линиями (МПЛ), отрезки которых применяются в качестве преобразователей спинволновых устройств. Такие преобразователи широкополосны, и формирование с их помощью АЧХ с высокой крутизной скатов и малым изменением вносимых потерь в рабочей полосе СВЧ устройств затруднено. Поэтому при разработке узкополосных фильтров на МСВ стали изучаться многоэлементные микрополосковые преобразователи. Методы их расчета основываются на использовании сопротивления излучения одного элемента — отрезка одиночной МПЛ.
Методы численного расчета импеданса МПЛ, возбуждающей поверхностные МСВ (ПМСВ), в приближении неоднородного распределения тока по ширине микрополоска и влияния намагниченной ФП, достаточно хорошо изучены.
Имеющаяся расчетная модель преобразователей объемных МСВ (ОМСВ), предполагающая однородное распределение тока по ширине микрополоска, не позволяет с достаточной для практики точностью проводить расчет устройств, содержащих такие преобразователи. Поэтому необходима разработка в магнитостатическом приближении такого метода расчета импеданса излучения МПЛ, возбуждающих ОМСВ, который должен учитывать точное распределение тока по ширине микрополоска и влияние намагниченной ФП на распределение тока, чтобы описывать реальные процессы возбуждения ОМСВ и соответствовать эксперименту.
При разработке интегральных СВЧ устройств на МСВ возникают вопросы, связанные с проблемами канализации, изменения направления распространения и перераспределения энергии волн между различными элементами устройства. Для решения данных вопросов предлагается использовать периодические массивы неоднородностей [3,4], расположенные на поверхности ФП.
Для создания подобного рода периодических структур на основе дефектов поверхности ФП необходимо изучить рассеяние падающей волны от решетки углублений. Решение подобного рода задач обычно начинают с анализа
рассеяния падающей волны на локальном дефекте.
Если на пути распространения МСВ имеется неоднородность (канавка, выступ, полоска из другого материала), возникает рассеяние волны, поскольку падающая волна не удовлетворяет граничным условиям в области неоднородности. Представляет интерес рассмотрение результатов численных расчетов отражения волны через одиночные дефекты, имеющие размеры порядка длины волны. В таких случаях волна испытывает сильное отражение и рассеяние, причем распределение энергии между прошедшей, отраженной и рассеянными волнами зависит от геометрии неоднородности и параметров среды. Располагая неоднородности периодически, можно добиться, например, того, чтобы отраженные волны складывались в фазе, а рассеянные гасились за счет интерференции. Таким образом, используя мелкие углубления, можно получать требуемое управление распространением волны.
Необходимо отметить, что к началу работы над диссертацией фактически отсутствовали работы, посвященные:
>- расчету МПЛ, возбуждающих ОМСВ, учитывающему точное распределение плотности тока по ширине микрополоска и влияние намагниченной ФП на распределение тока;
>- анализу рассеяния МСВ на углублениях, расположенных на поверхности ФП, намагниченной до насыщения под произвольным углом.
Таким образом, вышеуказанные проблемы являются актуальными и представляют значительный научный интерес.
Цель настоящей диссертационной работы состоит в изучении частотной зависимости погонного импеданса микрополосковых преобразователей объемных МСВ, учитывающего точное распределения плотности тока по ширине микрополоска, и рассеяния МСВ на локальном дефекте поверхности ФП, намагниченной до насыщения под произвольным углом.
Основные задачи, решаемые в работе, заключаются в следующем: >- разработка метода расчета в магнитостатическом приближении импеданса излучения МПЛ, возбуждающей ОМСВ, который должен учитывать точное распределение тока по ширине микрополоска и влияние намагниченной ФП на распределение тока, чтобы описывать реальные процессы возбуждения ОМСВ и соответствовать эксперименту;
>- исследование влияния геометрии МПЛ, возбуждающей ОМСВ, и намагниченной ФП на частотную зависимость погонного импеданса; >- разработка метода расчета в магнитостатическом приближении усредненной во времени плотности потока энергии МСВ, рассеиваемой на локальном дефекте поверхности ФП, намагниченной до насыщения под произвольным углом; >- исследование угловых зависимостей усредненной во времени плотности потока энергии поверхностных и прямых объемных МСВ, рассеянной на одиночном круглом и прямоугольном углублениях.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней: >- проведен теоретический анализ частотной зависимости погонного импеданса
МПЛ, возбуждающей ОМСВ, учитывающий точное распределение тока по ширине микрополоска и влияние намагниченной ФП на распределение тока;
впервые предложен метод расчета в магнитостатическом приближении рассеяния МСВ на произвольном неглубоком дефекте поверхности ФП, намагниченной под произвольным углом к ее поверхности;
впервые проведен анализ угловых зависимостей усредненной во времени плотности потока энергии поверхностных и прямых объемных МСВ, рассеянной на одиночном круглом и прямоугольном углублениях.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту.
Метод расчета в магнитостатическом приближении импеданса излучения микрополосковых преобразователей ОМСВ, состоящих из отрезка одиночной МПЛ и ФП, учитывающий точное распределение тока по ширине микрополоска и влияние намагниченной ФП на распределение тока.
Метод расчета в магнитостатическом приближении усредненной во времени плотности потока энергии МСВ, рассеиваемой на дефектах поверхности ФП, намагниченной до насыщения под произвольным углом.
Совокупность новых теоретических результатов, полученных при анализе расчетных зависимостей импеданса излучения микрополоскового преобразователя ОМСВ, хорошо согласующихся с экспериментальными результатами и имеющих существенные отличия от теоретических результатов, использующих приближение однородного распределения тока по ширине микрополоска.
Совокупность новых теоретических результатов, полученных при анализе расчетных угловых диаграмм усредненной во времени плотности потока энергии падающих и рассеянных на углублении поверхностных и прямых объемных МСВ. В частности, установлено, что с увеличением частоты падающей волны и геометрических размеров углубления в высокочастотной области полосы существования прямых объемных и поверхностных МСВ возникает большое количество резонансов, и угловые диаграммы становятся узконаправленными. Установлено также, что рассеянную мощность второстепенных лепестков можно существенно уменьшить, если изменить наклон стенок углубления.
Обоснованность и достоверность полученных в диссертации результатов подтверждена: анализом внутренней сходимости методов решения; использованием строгих современных методов расчета; сравнением с рассчитанными зависимостями и экспериментальными данными, представленными в работах других авторов.
Практическая значимость работы определяется разработанными алгоритмами и созданным на их основе программным обеспечением для магнито-статического анализа возбуждения МСВ МПЛ и их рассеяния на дефектах поверхности ФП.
Разработанное программное обеспечение превосходит существующие дорогостоящие программные пакеты, реализующие прямые численные методы, как по точности результатов, так и по скорости вычислений, а в некоторых случаях и по возможностям моделирования, что сокращает сроки конструирования
и значительно удешевляет процесс разработки спинволновых устройств за счет исключения значительной части экспериментальной отработки.
В связи с актуальностью решенных в диссертационной работе задач, все результаты могут быть успешно использованы в различных НИИ и КБ, занятых разработкой и производством устройств обработки сигналов в диапазоне СВЧ в реальном масштабе времени; на производстве для практического применения при создании линий задержки, электрически перестраиваемых полосно-пропус-кающих и полосно-заграждающих фильтров, фильтров с переменной полосой, перестраиваемых генераторов. Указанные устройства могут быть использованы для обработки сигналов, в спутниковом телевидении, фазированных антенных решетках, для СВЧ контроля состояния природной среды и т.п.
Апробация диссертационной работы. Основные результаты работы доложены на 12 конференциях, в том числе 7 международных. Результаты работы регулярно докладывались конференциях:
«Излучение и рассеяние электромагнитных волн» (Таганрог, 25 - 30 июня 2007 г., 29 июня - 4 июля 2009 г.),
«Радиолокация и радиосвязь» (Москва, Фирсановка, 7-11 ноября 2007 г., 7 - 11 ноября 2008 г., 20 - 22 ноября 2009 г.),
>- «Электромагнитное поле и материалы» (Москва, Фирсановка, 19-21 ноября 2010 г., 18 - 20 ноября 2011 г.),
> «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов,
18- 19 сентября 2008 г.).
> Зимней школе-семинаре по СВЧ электронике и радиофизике (Саратов,
3-8 февраля 2009 г., 6 - 11 февраля 2012 г.),
>- «Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовки кадров на юге России» (Новороссийск, 26 - 28 ноября 2009 г.),
> «Волновые явления в неоднородных средах» Волны-2010 (Звенигород,
24-29 мая 2010 г.).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 22 научные работы, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации материалов диссертаций, 19 тезисов докладов на международных и всероссийских научных конференциях.
Личный вклад соискателя. В ходе работы автор принимал непосредственное участие в разработке математических моделей и электродинамических методов анализа исследуемых объектов. Им созданы представленные в работе методики и алгоритмы, разработаны и отлажены программные средства. Проведены все представленные в работе расчеты и исследования, в том числе, сравнения с результатами других авторов, сравнения с экспериментальными данными, сформулированы выводы по работе.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Она содержит 144 страницы основного текста, 64 рисунка и 15 страниц списка литературы из 145 наименований. Общий объем работы со-
ставляет 179 страниц.
