CC BY
105
УДК 621.396.69
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА ГИРАЦИИ В МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОМ РЕЗОНАТОРЕ
Р.В.Петров, С.В.Аверкин, А.В. Филиппов
Институт электронных и информационных систем НовГУ, initra@yandex.ru
Экспериментально подтверждена возможность использования магнитоэлектрического резонатора для конструирования СВЧ гираторов. Устройство позволяет регулировать активное сопротивление линии передачи на частоте около 3ГГц на 5 Ом, реактивное сопротивление на 10 Ом при постоянном подмагничивающем поле 503 Э и приложенном постоянном электрическом поле 260 В. Полученные экспериментальные данные хорошо согласуются с теоретическими.
Ключевые слова: эквивалентная электрическая схема, магнитоэлектрический резонатор
In this paper the possibility of magneto-electric resonator using for engineering of microwave gyrator is experimentally proved. The device allows to adjust the impedance of the transmission lines on frequency about 3 GHz on the range of 5 Ohm and the reactive impedance on the range of 10 Ohm under steady bias field 503 Oe and applied constant electric field 260 V. The data of the experiments corresponds well to the theory.
Keywords: equivalent electrical schematic, magneto-electric resonator
Вступление
Гиратор (англ. gyrator; от греч. gyros — круг) — однонаправленный ферритовый фазовращатель, который обеспечивает фазовый сдвиг электромагнитных волн, распространяющихся в противоположных направлениях и отличающихся по фазе на 180°. Принцип действия СВЧ гиратора [1] основан на необратимых свойствах намагниченного феррита (эффект Фарадея), вызывающих поворот плоскости поляризации, фазовый сдвиг и т. д. Он используется, главным образом, в качестве отдельного элемента в модуляторах, циркуляторах и других сверхвысокочастотных устройствах. Простейший СВЧ гиратор
представляет собой отрезок круглого радиоволновода, в который помещен намагниченный в продольном направлении ферритовый стержень определенных размеров. Известные ферритовые СВЧ гираторы на эффекте Фарадея реализуют изменение фазы в феррите без преобразования импеданса. В то же время основное применение низкочастотных (НЧ) гираторов заключается в создании участков цепи, имитирующих индуктивность. Поскольку катушки индуктивности далеко не всегда могут применяться в электрических цепях (например, в микросхемах), использование НЧ гираторов позволяет обходиться без катушек. В литературе [2] описан НЧ гиратор с цепью, состоящей из конденсатора, операционного усилите-
ля или транзисторов и резисторов, используемый для преобразования импеданса. Недостатком описанных устройств на базе операционного усилителя является то, что они имеют ограниченный частотный диапазон, который обусловлен быстродействием усилителя.
По определению, впервые данному Б.Теллеге-ном в статье [3], гиратор — это базовый элемент электрической цепи, в идеальном случае соответствующий формулам
V = -£/2, ^2 = SІl,
где V — напряжение; I — ток; £ — коэффициент гирации. Такой гиратор преобразует импеданс цепи, изменяет фазу проходящего сигнала. В [3] описан случай гиратора, который может быть выполнен с использованием магнитоэлектрического элемента, отвечающий общим уравнениям четырехполюсника:
VI = ^11/1 + ^12^
V2 = ^21/1 + Z22I2,
где V — напряжение; I — ток; 211 — входной импеданс индуктивного характера, стремящийся к нулю; 222 — выходной импеданс емкостного характера; 112 и 121 — коэффициенты гирации, связанные с магнитоэлектрическим коэффициентом по формулам [4]
^12 _
где ате, ает — магнитоэлектрические восприимчивости, связанные с магнитоэлектрическим коэффициентом соотношениями ате = аМЕ-гэф и ает = аЕМ-гэф [5]; гэф и цэф — эффективные диэлектрическая и магнитная постоянные соответственно; ё и I — толщина и длина магнитоэлектрического элемента.
В нашем случае магнитоэлектрический коэффициент можно вычислить так:
аМЕ (ёЕ/ёН) композит (ёх/ёН) композит (ёЕ/ёх) композит У(ёх/ёН) феррит (ёЕ/ёх)
пьезоэлектрик
где Н, Е — напряженности магнитного и электрического полей; ёх/ёН характеризует изменение размеров материала в магнитном поле; ёЕ/ёх — величина, характеризующая зависимость размеров образца в электрическом поле; ту — объемная доля феррита.
Аналогично вычисляется и коэффициент аЕМ.
Сегодня гираторы разрабатываются с использованием схемотехнических приемов. Созданы достаточно эффективные магнитоэлектрические материалы, которые можно использовать для конструирования магнитоэлектрического гиратора [5,6].
В отличие от известного и применяемого в технике СВЧ гиратора на эффекте Фарадея [1], который осуществляет поворот фазы на 180°, гиратор с использованием магнитоэлектрического (МЭ) эффекта обладает способностью также инвертировать импеданс линии передачи и преобразовывать входное напряжение в ток и наоборот [3]. Гиратор на МЭ эффекте имеет компактную форму благодаря используемому сосредоточенному элементу. Это позволяет существенно сократить габаритные размеры предлагаемого СВЧ гиратора и применять его в уст-
ройствах микро- и наноэлектроники. Поэтому возможно использование этого устройства в технике СВЧ для инвертирования импеданса, поворота фазы электромагнитной волны, преобразования электрического тока в электрическое напряжение или, наоборот, преобразования электрического напряжения в электрический ток [7].
Исследование магнитоэлектрического резонатора
Для исследования эффекта гирации в МЭ резонаторе нами был разработан макет устройства, на котором был поставлен ряд экспериментов.
Элементы МЭ резонатора расположены на диэлектрической подложке (рис.1). В разрыве микропо-лосковой линии установлен МЭ элемент, охваченный петлей, соединенной с микрополосковой линией. МЭ элемент представляет собой в данном случае слоистую структуру. Один слой — железо-итриевый гранат (ЖИГ) толщиной 6,4 мкм на подложке галлий-гадолиниевого граната (ГГГ) толщиной 450 мкм; размер ферритового элемента 3*3 мм. Второй слой — пьезоэлектрик типа ЦТС толщиной 200 мкм и диаметром 5 мм с нанесенными на обе стороны металлизированными обкладками. Эти два слоя (ЖИГ и ЦТС) склеены между собой.
Подмагничивающее поле Но
МЭ элемент
Вход
Микрополосковая
Выход
Подложка
Электроды
Рис.1. Конструкция магнитоэлектрического СВЧ резонатора
МЭ эффект в композиционных материалах можно рассматривать как результат взаимодействия пьезоэлектрических и магнитострикционных свойств. Механизм МЭ эффекта в подобных структурах состоит в следующем: внешнее электрическое поле вызывает деформацию пьезоэлектрической компоненты, приводящую к возникновению механических напряжений в ферритовой компоненте. В результате изменяются магнитные свойства феррита. Как результат в диапазоне СВЧ наблюдается сдвиг линии ферромагнитного резонанса (ФМР). Таким образом, изменяются параметры МЭ резонатора, что фиксируется измерительными приборами. Ожидаемые изменения в параметрах должны происходить для коэффициентов прохождения и отражения, также должны изменяться фаза и импеданс линии передачи. Экспериментальное обнаружение изменений в указанных параметрах будет являться свидетельством, подтверждающим справедливость предположения о возможности практического построения гиратора на МЭ резонаторе.
Эквивалентная схема МЭ резонатора приведена на рис.2а. На рис.2б приведена упрощенная эквивалентная схема устройства.
Z0
О—С
Вход
Ьр
JTY1
.Ср
,М г
\Ы
Z0
И---о
L/2
L/2
Яр
Выход -----О
Z0
HZ
Рис.2. Эквивалентная схема магнитоэлектрического резонатора
Комплексное сопротивление 2Э эквивалентной схемы описывается формулой
7 э = \2 (ю)| • е^(ш), (1)
где 2 (ю) — активное сопротивление; ф — фаза.
Коэффициент передачи в рассматриваемом резонаторе рассчитывается по следующей формуле:
K (ю) =
ю2 M Z 0
юМ + ]юЬр + Rp + ]юЬ - J
(2)
Z 0
Срю
На рис.3 изображен макет устройства, на котором проводились измерения.
Рис.З. Макет устройства
Измерительный стенд
Для измерения параметров гиратора использовались PNA Network Analyzer ES361A, электромагнит 5403, блок питания электромагнита Agilent 6673A, регулируемый блок питания Heathkit IP-32
0-600У, Гаусс/Тесламетр 5170. Схема измерительной установки для измерения параметров излучателей представлена на рис.4, а общий ее вид — на рис.5.
Подмагничивающее
поле
Ho N
Измеритель
ES361A
A
Блок
питания
электромагнита
Исследуемый МЭ резонатор
Электромагнит
Регулируемый
блок
питания
Рис.4. Схема измерительной установки для измерения параметров излучателей
Рис.5. Общий вид измерительной установки
Мощность сигнала на выходе анализатора была установлена равной 1 мВт.
Результаты измерений
Полученные данные измерений параметров гиратора приведены на рис.6-10. Измерения проводились в частотном диапазоне 2,9^3,1 ГГц. На МЭ элемент подавалось постоянное магнитное поле в диапазоне от 0 до 1000 Э, был найден оптимум по изменению характеристик на подмагничи-вающем поле в 503 Э. Оптимум совпадает с полем подмагничивания, вызывающим ферромагнитный резонанс в пленке ЖИГ, одной из составляющих МЭ резонатора. Постоянное магнитное поле, действующее на МЭ элемент, было установлено в 503 Э. Постоянное электрическое напряжение подавалось на МЭ резонатор в диапазоне от 0 до 260 В.
Теоретический расчет резонансной частоты для пластины, намагниченной в плоскости образца ЖИГ, показывает точное совпадение по величине подмагничивающего поля (503 Э) линии ФМР с найденным опытным путем значением частоты резонанса 3ГГц. Для собственной частоты прецессии МЭ
S
а
Z
Э
б
резонатора с намагниченным ферритом в плоскости образца использована формула [8]
/пл|| = у(Яо(Яо + 4пМо))1/2, (3)
где /л || — частота однородной прецессии намагниченности МЭ резонатора; у — гиромагнитное отношение; Но — подмагничивающее поле; 4пМо — намагниченность насыщения.
Исходные данные для расчета: у = 2,8; для ЖИГ намагниченность насыщения равна 1780 Гс; при подмагничивающем поле величиной в 503 Э получаем частоту резонанса /л | |, равную 3 ГГ ц.
Потери в изучаемом частотном диапазоне обусловлены в основном потерями в макете устройства, на 3 ГГц потери в разъемах и линии передач составили 1,2 дБ. Изменение коэффициента прохождения 52 на частотах около 3 ГГц при подмагничивающем поле 503 Э и при подаче напряжения на МЭ элемент 260 В составило не более 0,2 дБ, что свидетельствует о незначительности потерь, вносимых в линию передачи.
2,9 2,92 2,94 2,96 2,98 3 3,02 3,04 3,06 3,08 3,1
Рис.6. Параметр 521 — коэффициент передачи измеряемого МЭ резонатора
Заметно изменялся при подмагничивающем поле 503 Э и при подаче напряжения на МЭ элемент 260 В по форме коэффициент отражения £1Ь
2,9 2,92 2,94 2,96 2,98 3 3,02 3,04 3,06 3,08 3,1
Рис.7. Параметр Эц — коэффициент отражения измеряемого МЭ резонатора
Изменение реактивной составляющей Х волнового сопротивления достигало 10 Ом, на частотах около 3 ГГц при подмагничивающем поле 503 Э и при подаче напряжения на МЭ элемент 260 В.
2,96 2,97 2,98 2,99 3 3,01 3,02 3,03 3,04 3,05
Рис.8. Реактивная составляющая волнового сопротивления МЭ резонатора
Активная составляющая волнового сопротивления устройства при подмагничивающем поле 503 Э и при подаче напряжения на МЭ элемент 260 В изменялась на 5 Ом.
Рис.9. Активная составляющая волнового сопротивления МЭ резонатора
Фаза в МЭ резонаторе изменялась в области резонанса значительно, достигая в узком частотном диапазоне изменения до 90 градусов.
Рис.10. Фаза МЭ резонатора
Полученные данные для резонансной частоты МЭ резонатора совпадают с расчетными по формуле (3). Сравнение полученных экспериментальных результатов (рис.6-10) с расчетными формулами эквивалентного сопротивления и коэффициента передачи (1), (2) приводит к удовлетворительному соответствию.
Заключение
Полученные экспериментальные данные подтверждают возможность использования магнитоэлектрического резонатора для конструирования СВЧ ги-раторов. Устройство позволяет регулировать активное
сопротивление линии передачи на частоте около 3 ГГц на 5 Ом, реактивное на 10 Ом при постоянном подмаг-ничивающем поле 503 Э и приложенном постоянном электрическом поле 260 В. В перспективе совершенствование технологий изготовления магнитоэлектрических элементов позволит перейти к низковольтному электронному способу управления гиратором, что позволит использовать это устройство в интегральных схемах СВЧ. Полученные экспериментальные данные удовлетворительно согласуются с теоретическими.
Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 — 2013 годы
1. Харвей А.Ф. Техника сверхвысоких частот. М.: Сов. радио, 1965. 476 с.
2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. М.: Мир, 1986. Т.1. 269 с.
3. Tellegen B.D.H. // Philips Res. Rep. 1948. V.3. P.81.
4. Zhai Junyi, Li Jiefang, Dong Shuxiang, Viehland D., Bichurin M.I. // JAP. 2006. V.100. P.24509.
5. Zhai Junyi, Li Jiefang, Viehland D., Bichurin M.I. // JAP. 2007. V.101. P.014102.
6. Bichurin M.I., Petrov V.M., Ryabkov O.V., Averkin S.V., Srinivasan G. // Phys. Rev. В. 2005. V.72. P.060408.
7. Патент 2357356. РФ H03H011/42. Гиратор СВЧ магнитоэлектрический / М.И.Бичурин, Р.В.Петров, А.В.Филиппов. 5 с.
8. Гуревич А.Г. Ферриты на сверхвысоких частотах. М.: ФизМатЛит, 1960. 408 с.
