CC BY
375
УДК 621.372
СВЧ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА НА ОСНОВЕ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЛОИСТОЙ СТРУКТУРЫ ZN2Y/PMN-PT
А.С.Татаренко, Д.В. Лаврентьева, Г.А.Семёнов, Д.А.Семёнов
Институт электронных и информационных систем НовГУ, Alexandr.Tatarenko@novsu.ru
Рассмотрен электрически управляемый магнитоэлектрический фазовращатель диапазона 24 ГГц на основе двухслойной структуры, состоящей из монокристаллических гексаферрита цинка и титаната ниобата магния. Получен максимальный фазовый сдвиг 44 градуса при приложении управляющего электрического поля 7 кВ/см, потери в фазовращателе составили 3-5 дБ в рабочем диапазоне частот. Рассчитаны теоретические зависимости дифференциального фазового сдвига фазовращателя от прикладываемого управляющего электрического поля.
Ключевые слова: магнитоэлектрические устройства, микроволновый управляемый фазовращатель
A 24 GHz voltage tunable magnetoelectric phase shifter based on a bilayer of single crystal hexagonal ferrite and lead magnesium niobate-lead titanate is discussed. We obtain the maximum phase shift of 44 degrees applying the controlling electric field 7 kV/cm; the loss of phase shifter was about 3-5 dB in the working frequency range. The theoretical dependences of the differential phase shift of the phase shifter on the applied controlling electric field are obtained.
Keywords: magnetoelectric devices, tuned microwave phase shifter
Введение
Слоистые магнитоэлектрические (МЭ) структуры на основе гексаферрит-пьезоэлектрических композитов идеально подходят для исследования широкополосных МЭ взаимодействий между магнитными и электрическими подсистемами, которые связаны посредством механической деформации. В таких структурах возникают различные МЭ явления, включая микроволновый МЭ эффект [1-3]. Предыдущие исследования СВЧ МЭ
эффекта в основном сосредоточены на исследовании двухслойных структур на основе цирконата титаната свинца (ЦТС) или ниобата титаната магния (НТМ) и иттрий железистого граната (ИЖГ) [4]. В данной работе проведены исследования МЭ взаимодействий в композиционных МЭ материалах в области ферромагнитного резонанса (ФМР). Электрическое поле, прикладываемое к образцу в области ФМР, посредством пьезоэффекта и магнитострикции приводит к сдвигу линии ФМР в резонансном поле [5,6].
3б
Уникальное сочетание магнитных, электрических и магнитоэлектрических свойств гексаферритов и пьезоэлектриков открывает новые возможности для создания управляющих СВЧ устройств [7]. К преимуществам таких устройств относится высокое быстродействие, совместимость с технологией изготовления интегральных микросхем.
Магнитоэлектрический фазовращатель миллиметрового диапазона
Здесь мы обсуждаем микрополосковый фазовращатель миллиметрового диапазона. Принцип действия фазовращателя основан на микроволновом магнитоэлектрическом эффекте, заключающемся в сдвиге линии ФМР под действием электрического поля. МЭ слоистая структура в этом случае играет роль резонатора.
Основой конструкции проходного фазовращателя является микрополосковая линия передачи и МЭ резонатор, состоящий из пластины гексаферрита цинка толщиной 100 мкм и размерами 2*3 мм и пластины НТМ толщиной 500 мкм и размерами 4*4 мм. В объеме МЭ резонатора при помощи шлейфов Х/8 и 3Х/8 создается круговая поляризация магнитного поля. На рис.1 представлена конструкция микрополоскового МЭ микроволнового фазовращателя. Резонатор установлен в область круговой поляризации микроволнового магнитного поля, постоянное поле H перпендикулярно плоскости образца.
Рис.1. МЭ микроволновый фазовращатель. 1 — микрополос-ковая линия; 2 — подложка; 3 — МЭ резонатор
Для уменьшения потерь частотная рабочая точка выбирается на дисперсионной кривой феррита (рис.2) вне области магнитного резонанса. Работа фазовращателя основана на следующем: для выбора рабочей точки, лежащей на дисперсионной кривой, к резонатору прикладывается внешнее постоянное магнитное поле на частоте, близкой к резонансу, под воздействием управляющего напряжения, прикладываемого к электродам, расположенным на торцах МЭ резонатора, вследствие микроволнового МЭ эффекта происходит сдвиг линии ФМР и реализуется электрическое управление параметрами фазовращателя. Регулирование фазового угла достигается изменением управляющего напряжения на электродах, нанесенных на резонатор.
Рис.2. Дисперсионная кривая феррита: 1 — рабочая область с линейным МЭ эффектом; 2 — области с нелинейным МЭ эффектом; |' — вещественная часть магнитной проницаемости; |” — мнимая часть магнитной проницаемости; Н0 — постоянное магнитное поле, соответствующее рабочей точке
Расчет проведен для фазовращателя с резонансной частотой 24 ГГц. Для анализа работы фазовращателя использовано выражение для коэффициента связи МЭ резонатора с микрополосковой линией передачи:
Ґ Л2
h 2иШ
агС£ |20/п + 3агС£ 360п
где V — объем МЭ резонатора; M0 — намагниченность насыщения; АН — полуширина линии ФМР; Х — длина волны в линии передачи; 20 - волновое сопротивление микрополосковых линий передачи; е — относительная диэлектрическая проницаемость подложки; к — толщина подложки.
Дифференциальная фазовая характеристика определяется из выражения
5ф = аг^(2к^ /(1 - к2 + ^2)).
В - В + АНЕ Здесь ^ = —-—тт?----------------------------------Е-обобщенная расстройка;
АН
Нг — резонансное поле; АНЕ — величина сдвига резонансной линии под действием управляющего электрического поля Е = А• АНЕ, А — МЭ константа; Н — постоянное магнитное поле.
Результаты расчета и эксперимента представлены на рис.3. Зависимость дифференциального сдвига фазы 5ф от управляющего электрического поля Е является линейной.
Е (кУ/ст)
Рис.3. Зависимость дифференциального фазового сдвига бф от приложенного управляющего электрического поля Е (точки — эксперимент, линия — теоретические расчеты)
Максимальный дифференциальный фазовый сдвиг в поле 7 кВ/см составил 44 градуса, что достаточно для практических применений. При приложении электрического поля более 7 кВ/см начинают проявляться нелинейные эффекты. Потери в фазовращателе определяются суммарными потерями в линии передачи, подложке и в самом МЭ резонаторе и составляют 3-5 дБ.
Заключение
Проведенные исследования показали, что замена магнитной системы управления на электрическую дает МЭ приборам ряд преимуществ перед традиционными ферритовыми: высокое быстродействие, малое потребление энергии на управление, небольшие габариты, совместимость с технологией изготовления интегральных микросхем.
Использование МЭ композитов в резонансных СВЧ устройствах позволяет осуществить электрическое управление их параметрами и открывает перспективные возможности для создания на их основе новых устройств функциональной электроники.
Работа выполнена при поддержке гранта ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 - 2013 годы».
1. Bichurin M.I., Petrov R.V., Kiliba Yu.V. Magnetoelectric Microwave Phase Shifters // F erroelectrics. 1997. V.204(1-4). P.311.
2. Bichurin M.I., Kornev I.A., Petrov V.M., Tatarenko A.S.,
Kiliba Yu.V. and Srinivasan G. Theory of magnetoelectric effects at microwave frequencies in a piezoelec-
tric/magnetostrictive multilayer composite // Phys. Rev. 2001. B 64. P.094409.
3. Shastry S., and Srinivasan G., Bichurin M.I., Petrov V.M., Tatarenko A.S. Microwave magnetoelectric effects in single crystal bilayers of yttrium iron garnet and lead magnesium niobate — lead titanate // Phys. Rev. 2004. B 70. P.064416.
4. Srinivasan G., Zavislyak I.V., and Tatarenko A.S. Millimeter-wave magnetoelectric effects in bilayers of barium hexaf-errite and lead zirconate titanate // Appl. Phys. Lett. 2006. V.89. P. 152508.
5. Bichurin M.I., Petrov V.M., Kiliba Yu.V., and Srinivasan G. Magnetic and magnetoelectric susceptibilities of a ferroelectric-ferromagnetic composite at microwave frequencies // Phys. Rev. 2002. B 66. P.134404.
6. Lax B., Button K.J. Microwave ferrites and ferrimagnetics.
N.Y.: McGraw-Hill book Co, Inc. 1962.
7. Bichurin M.I., Petrov V.M., Petrov R.V., Kapralov G.N., Bu-
kashev F.I., Smirnov A.Yu., Tatarenko A.S. Magnetoelectric Microwave Devices // Ferroelectrics. 2002. V.280. P.213.
