Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время ведутся интенсивные исследования в области спинволновой электроники СВЧ, целью которых является создание устройств обработки сигналов в диапазоне СВЧ в реальном масштабе времени. Показано, что на основе магнитостатических волн (МСВ), распространяющихся в намагниченной ферритовой пленке (ФП), возможно создание линий задержки, электрически перестраиваемых полосно-пропускающих и полосно-заграждающих фильтров, фильтров с переменной полосой, перестраиваемых генераторов [1-2, 7, 12]. Указанные устройства могут быть использованы для обработки сигналов, в спутниковом телевидении, фазированных антенных решетках, для СВЧ контроля состояния природной среды и т.п. Использование спинволновых приборов в подобных радиоэлектронных системах весьма перспективно в отношении качественного совершенcтвования 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 спинволнового устройства - преобразователей МСВ, представляющих собой отрезки различных линий (микрополосковых (МПЛ), копланарных (КПЛ), решеток, меандров и различных их сочетаний), расположенных 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).
Наиболее перспективными в настоящее время являются преобразователи поверхностных МСВ (ПМСВ), прямых объемных (ПОМСВ) и обратных объемных (ООМСВ) МСВ, для которых решена проблема термостабильности.
Характеристики устройств обработки сигналов СВЧ на поверхностных магнитостатических волнах (ПМСВ) в значительной мере определяются типом преобразователей электромагнитной волны (ЭМВ) в ПМСВ и обратно. Одними из перспективных являются преобразователи на основе отрезков односторонней копланарной линии (ОКЛ). Широкие возможности имеют фильтры с преобразователями на ОКЛ, размещенными над ФП и отделенными от нее регулируемым диэлектрическим зазором, поскольку изменение величины зазора позволяет управлять дисперсией ПМСВ. По исследованию таких фильтров известна всего одна экспериментальная работа [3].
В качестве преобразователей ПМСВ, ПОМСВ и ООМСВ могут быть использованы отрезки микрополосковых линий.
В настоящее время наиболее изучены закономерности возбуждения ПМСВ микрополосковыми линиями [1, 4-6, 8-11], отрезки которых наиболее часто применяются в качестве преобразователей спинволновых устройств.
В последнее время в сантиметровом диапазоне волн стали использовать прямые объемные магнитостатические волны (ПОМСВ). Здесь для создания узкополосных фильтров также используются многоэлементные преобразователи.
Сопротивление излучения МПЛ, возбуждающей ПОМСВ, обычно рассчитывается в приближении однородного распределения тока методами работ [4-6].
Обратные объемные магнитостатические волны (ООМСВ) нашли применение в резонаторных фильтрах и квазиоптических аналогах СВЧ элементов на МСВ [7]. Для проектирования таких устройств необходимо уметь рассчитывать погонный импеданс излучения микрополосковой линии, которая обычно используется для возбуждения ООМСВ.
Однако обычно используемый в расчетах приближенный метод, предложенный в работе [8], не учитывает точного распределения тока на микрополоске (МП) и не позволяет вычислить реактивную составляющую импеданса излучения, которая необходима, например, для расчета резонаторного фильтра.
Настоятельная необходимость проектирования спинволновых устройств, содержащих ОКЛ, МПЛ и другие разнообразные многополосковые планарные линии, с одной стороны, и отсутствие методов расчета импеданса излучения этих линий, максимально приближенных к эксперименту, с другой стороны, обосновывают актуальность темы исследования.
Разработка в магнитостатическом приближении методов расчета импеданса излучения планарных преобразователей МСВ, которые описывают реальные процессы возбуждения МСВ и соответствуют эксперименту, является актуальной и важной научной задачей.
Целью работы является разработка в магнитостатическом приближении метода расчета импеданса излучения односторонней копланарной линии, возбуждающей ПМСВ; методов расчета импеданса излучения микрополосковых линий, возбуждающих ПМСВ, ПОМСВ и ООМСВ; методики расчета сопротивления излучения многополосковых преобразователей ПМСВ, ПОМСВ и ООМСВ.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи.
1. Впервые в магнитостатическом приближении решена задача расчета импеданса излучения односторонней копланарной линии, возбуждающей ПМСВ в многослойной структуре диэлектрик-феррит-диэлектрик-металл (Д-Ф-Д-М-структуре) при направлении подмагничивающего поля вдоль линии, где используется точное распределение плотности поверхностного тока планарных проводников.
2. Впервые в магнитостатическом приближении решена задача расчета импеданса излучения микрополосковой линии, возбуждающей ПОМСВ и ООМСВ в многослойной структуре диэлектрик-феррит-диэлектрик-металл (Д-Ф-Д-М-структуре), где используется точное распределение плотности поверхностного тока полоскового проводника.
3. Предложена методика расчета сопротивления излучения многополосковых преобразователей ПМСВ, ПОМСВ и ООМСВ, содержащих микрополосковую линию,
Научная новизна диссертационной работы определяется поставленными задачами, разработанными методами их решения, впервые полученными результатами и состоит в следующем:
Впервые исследованы частотные зависимости импеданса излучения односторонней копланарной линии, возбуждающей поверхностные магнитостатические волны в структуре диэлектрик-феррит-диэлектрик (Д-Ф-Д-структуре), и изучено влияние диэлектрического зазора между намагниченной ферритовой пленкой и линией на формирование АЧХ полосно-пропускающего фильтра.
Представлен точный метод расчета импеданса излучения микрополосковой линии, возбуждающей ПМСВ. Установлено, что расчетные значения импеданса излучения микрополосковой линии, возбуждающей ПМСВ, хорошо совпадают с экспериментом, что позволяет получить достаточную точность при его использовании для расчета многополосковых преобразователей ПМСВ.
Впервые в электродинамическом приближении получены дисперсионные уравнения ПМСВ в диэлектрик-феррит-диэлектрик-металл (Д-Ф-Д-М) и металл-феррит-диэлектрик-металл (М-Ф-Д-М) структурах. Приведены результаты расчета дисперсии ПМСВ при различных параметрах структур и проведена оценка пределов применимости магнитостатического приближения.
Предложен электродинамический метод расчета дисперсионных характеристик поверхностных электромагнитных волн, распространяющихся в толстой пластине (пленке), граничащей с диэлектрическими слоями различной диэлектрической проницаемости.
Впервые в электродинамическом приближении получено интегральное уравнение для тока на металлической полоске, вызванного падающей на нее ПМСВ, в диэлектрик-феррит-диэлектрик-металл (Д-Ф-Д-М) структуре.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Метод расчета импеданса излучения односторонней копланарной линии, возбуждающей ПМСВ в многослойной структуре диэлектрик-феррит-диэлектрик-металл (Д-Ф-Д-М-структуре) при направлении подмагничивающего поля вдоль линии, где использовано точное распределение плотности поверхностного тока планарных проводников.
2. Метод расчета импеданса излучения микрополосковой линии, возбуждающей ПОМСВ и ООМСВ в многослойной структуре диэлектрик-феррит-диэлектрик-металл (Д-Ф-Д-М-структуре), где использовано точное распределение плотности поверхностного тока в линии.
3. Методика расчета сопротивления излучения многополосковых преобразователей ПМСВ, ПОМСВ и ООМСВ, содержащих микрополосковую линию, которую можно использовать при проектировании решетчатых и меандровых преобразователей для полосно-пропускающих фильтров.
4. Электродинамический метод расчета дисперсионных уравнений ПМСВ в диэлектрик-феррит-диэлектрик (Д-Ф-Д), диэлектрик-феррит-диэлектрик-металл (Д-Ф-Д-М) и металл-феррит-диэлектрик-металл (М-Ф-Д-М) структурах и оценка пределов применимости магнитостатического приближения.
5. Совокупность новых теоретических результатов, впервые полученных при анализе расчетных зависимостей импеданса излучения ПМСВ, ПОМСВ и ООМСВ в односторонней копланарной, микрополосковой и многополосковой линиях, и ряд выявленных закономерностей в формировании частотных зависимостей сопротивления излучения.
Обоснованность и достоверность полученных в диссертации результатов определяется как использованием строгих современных методов расчета, так и согласием основных теоретических положений с результатами экспериментов и результатами теоретических работ других авторов.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в разработке программ расчета импеданса излучения копланарных, микрополосковых линий с намагниченной ферритовой пленкой и программ расчета сопротивления излучения короткозамкнутых многополосковых преобразователей ПОМСВ и ООМСВ для перестраиваемых и неперестраиваемых полосно-пропускающих фильтров СВЧ диапазона.
Эти программы можно использовать для оптимизации АЧХ широкого класса многофункциональных СВЧ устройств на основе копланарной, микрополосковой и многополосковой линий передачи с намагниченной ферритовой пленкой. Разработанный метод расчета преобразователей ПМСВ, ПОМСВ и ООМСВ, позволяющий рассчитывать АЧХ устройства, и созданные программы могут быть использованы при разработке и оптимизации параметров приборов спинволновой электроники СВЧ.
Апробация диссертационной работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях:
Международная научно-техническая конференция “Излучение и рассеяние электромагнитных волн” (ИРЭМВ-2007). Таганрог. Россия. 25-30 июня 2007 г.;
Международная научно-техническая конференция “Проблемы безопасности морского судоходства, технической и коммерческой эксплуатации морского транспорта”. Новороссийск. 14-17 сентября 2007 г.;
XV международная конференция “Радиолокация и радиосвязь”. Москва-Фирсановка. 7-11 ноября 2007 г.;
Международная научно-техническая конференция “Актуальные проблемы электронного приборостроения” (АПЭП-2008). Саратов. 24-25 сентября 2008 г.;
XVI международная конференции “Радиолокация и радиосвязь”. Москва-Фирсановка. 11-16 ноября 2008 г.;
XIV международная зимняя школа-семинар по электронике сверхвысоких частот и радиофизике. Саратов. 3-8 февраля 2009 г.;
Международная научная конференция “Излучение и рассеяние электромагнитных волн” (ИРЭМВ-2009). Таганрог-Дивноморское. ТТИ ЮФУ. 27 июня - 1 июля 2009 г.;
XVII международная конференция “Магнетизм, дальнее и ближнее спин-спиновое взаимодействие”. Москва-Фирсановка. 20-22 ноября 2009 г.;
XVIII международная конференция “Электромагнитное поле и материалы”. Москва-Фирсановка. 19-21 ноября 2010 г.;
Международная научная конференция “Излучение и рассеяние электромагнитных волн” (ИРЭМВ-2011). Таганрог-Дивноморское. ТТИ ЮФУ. 27 июня - 2 июля 2011 г.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 24 печатных работах. По материалам диссертации опубликовано 4 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК, рекомендованных для опубликования научных результатов диссертаций. и 20 работ – в сборниках трудов и тезисов докладов на различных научных конференциях.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Она содержит 183 страницы текста, включающие 60 рисунков, и список литературы из 130 наименований.
