CC BY
105
УДК 621.372
МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ КОПЛАНАРНЫЙ СВЧ ВЕНТИЛЬ-АТТЕНЮАТОР
Д.В.Лаврентьева, А.С.Татаренко CONTROLLED MAGNETOELECTRIC COPLANAR MICROWAVE ISOLATOR-ATTENUATOR
D.V.Lavrent'eva, A.S.Tatarenko
Институт электронных и информационных систем НовГУ, Alexandr.Tatarenko@novsu.ru
Рассмотрен электрически управляемый магнитоэлектрический СВЧ вентиль-аттенюатор на основе слоистой феррит-пьезоэлектрической структуры, выполненный на копланарном волноводе. Проведено моделирование различных структур копланарных устройств для подбора оптимальных характеристик волновода и резонатора.
Ключевые слова: магнитоэлектрические устройства, управляемый вентиль-аттенюатор, феррит-пьезоэлектрик
An electrically controlled magnetoelectric microwave isolator-attenuator based on layered ferrite-piezoelectric structure and formed on a coplanar waveguide is presented. The simulations of different structures of coplanar devices are made for selecting optimal waveguide and resonator characteristics.
Keywords: magnetoelectric devices, controlled isolator-attenuator, ferrite-piezoelectric
Введение
Задача качественного согласования источника СВЧ мощности с нагрузкой в полосе частот решается при использовании невзаимных свойств ферритов, т.к. феррит является единственной освоенной в производстве средой с управляемым параметром магнитной проницаемости, т.е. обладает невзаимными свойствами [1].
Таким образом, ферритовые СВЧ устройства, такие как вентили, аттенюаторы и циркуляторы, —
это устройства, позволяющие защитить вход передатчика от паразитного электромагнитного излучения, воздействующего в полосе рабочих частот. Они являются незаменимыми приборами для телевидения, радиолокации, радиовещания и связи.
Однако в ферритовых невзаимных устройствах управление параметрами реализуется магнитной управляющей системой, поэтому такие устройства имеют низкое быстродействие, высокое энергопотребление и не могут быть изготовлены в интегральном исполнении.
Магнитоэлектрические (МЭ) невзаимные устройства могут устранить существующие недостатки ферритовых устройств: уменьшить стоимость устройств; повысить быстродействие; уменьшить мощность, потребляемую в цепи управления; избавиться от наводок, неизбежно возникающих при управлении магнитным полем; осуществить развязку цепей управления одновременно электрическим и магнитным полями [2].
Отличие предлагаемых МЭ невзаимных устройств от ферритовых заключается в замене ферри-тового резонатора и магнитной управляющей системы на феррит-пьезоэлектрический резонатор и систему электродов, подключенных к источнику управляющего электрического напряжения.
Магнитоэлектрический копланарный СВЧ вентиль-аттенюатор
Здесь мы обсуждаем СВЧ вентиль-аттенюатор, выполненный на копланарном волноводе. В качестве невзаимного элемента используется слоистая МЭ структура на основе феррит-пьезоэлектрика с системой электродов для подачи управляющего напряжения. Прототипом является ферритовый вентиль на копланарном волноводе [3].
Принцип действия предлагаемого вентиля-аттенюатора основан на микроволновом МЭ эффекте, заключающемся в сдвиге линии ФМР под действием электрического поля. МЭ слоистая структура в этом случае играет роль резонатора.
Основой конструкции МЭ копланарного вентиля-аттенюатора является копланарный волновод на подложке с высокой диэлектрической проницаемостью и МЭ резонаторы — прямоугольные (или в виде дисков) образцы композита состава цирконат-титанат свинца (ЦТС) — железо-иттриевый гранат (ЖИГ). Постоянный магнит создает в объеме МЭ резонатора необходимое подмагничивающее поле, к управляющим электродам подводится управляющее напряжение.
Рис.1. МЭ копланарный вентиль-аттенюатор. 1 — диэлектрическая подложка; 2 — магнитоэлектрические резонаторы; 3 — металлические проводники, образующие копланарный волновод; 4 — постоянный магнит; 5 — диэлектрическая пластина с высокой диэлектрической проницаемостью
На рис.1 представлена конструкция МЭ ко-планарного вентиля-аттенюатора. Для улучшения эллиптичности, а следовательно, и вентильного отношения, над МЭ резонаторами установлена керамическая пластина с высокой диэлектрической проницаемостью со скошенными краями, как предложено в [3].
На рис.2 представлена конструкция МЭ резонатора.
Рис.2. МЭ резонатор. 1 — пьезоэлектрическая компонента; 2 — ферритовая компонента; 3 — металлические электроды
С целью подбора оптимальных характеристик волновода и резонатора было проведено моделирование различных структур копланарных вентилей (рис.3-5). В качестве резонатора исследовались толстые ферритовые пленки, подмагничи-вающее поле направлено по касательной к плоскости пленки.
Рис.3. Структура ферритового копланарного вентиля и зависимость затухания (дБ) от частоты (ГГц). Размеры пластины ЖИГ — (0,6x4x0,1) мм3; ширина щели — 0,4 мм; ширина центрального проводника — 0,6 мм; £ подложки — 40; толщина подложки — 1 мм; Но = 3125 Э
Рис.4. Структура ферритового копланарного вентиля и зависимость затухания (дБ) от частоты (ГГц). Размеры пластины ЖИГ — (0,25x15x0,1) мм3; ширина щели — 0,8 мм; ширина центрального проводника — 0,75 мм; £ подложки — 130; толщина подложки — 0,5 мм; Но = 2125 Э
Рис.5. Структура ферритового копланарного вентиля и зависимость затухания (дБ) от частоты (ГГц). Размеры диска ЖИГ: 0 1,5 мм, толщина — 0,2 мм; ширина щели — 0,8 мм; ширина центрального проводника — 0,75 мм; £ подложки — 130; толщина подложки — 0,5 мм; Н0 = 1250 Э
Сдвиг линии магнитного резонанса при приложении электрического поля определяется как
ЪHE = H о(£2) - H „(Е^,
(1)
Н„(Е)=Н„+5Не, (2)
где Н„ — резонансное магнитное поле при Е = 0; Е — прикладываемое постоянное электрическое поле.
Для экспериментального подтверждения проведенного моделирования был изготовлен макет копланарного устройства. Внешний вид опытного образца копланарного волновода с помещенным в щель ферритовым образцом представлен на рис.6.
Рис.6. Макет копланарного вентиля-аттенюатора
Измерение передаточных характеристик опытного образца проводились на измерительном стенде, состоящем из векторного панорамного анализатора цепей 0бзор-804, электромагнита переменного зазора GMW5403 и источника постоянного тока <^оге^еп DLM 20-30».
Рис.7. Экспериментальная зависимость затухания от частоты. Стержень ЖИГ, Н0 = 1780 Э
Рис.8. Экспериментальная зависимость затухания от частоты. Пластина ЖИГ, Н0 = 1902 Э
В качестве резонаторов использовались ЖИГ стержень размерами 13мм*4мм*2,5мм (рис.7) и пластина ЖИГ размерами 13мм*4мм*0,9 мм (рис.8). Параметры копланарного волновода: ширина щели 5" = 3 мм; расстояние между щелями W = 2 мм; толщина подложки h = 2 мм; диэлектрическая проницаемость подожки е = 10.
На рис.7 и 8 представлена экспериментальная зависимость затухания в прямом и обратном направлениях для исследуемой структуры.
Заключение
Проведено моделирование различных структур копланарного вентиля-аттенюатора. Для уменьшения управляющего напряжения и увеличения вентильного отношения необходимо уменьшать толщину сегнетоэлектрика, а следовательно, и феррита. Проведенное моделирование позволило осуществить выбор параметров волновода, подложки и формы феррита.
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.
1. Гуревич А.Г. Ферриты на сверхвысоких частотах. М.: Физматгиз, 1960. С.203-255.
2. Бичурин М.И., Петров В.М., Филиппов Д.А.и др. Магнитоэлектрические материалы. М.: Академия естествознания, 2006. 296 с.
3. Wen C. P. Coplanar waveguide: A surface strip transmission line suitable for nonreciprocal gyromagnetic device application // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 1969. Vol. MTT-17. P.1087-1090.
References
1. Gurevich A.G. Ferrity na sverkhvysokikh chastotakh [Ferrites and ultra-high frequencies]. Moscow, "Fizmatgiz". Publ., 1960. Pp. 203-255.
2. Bichurin M.I., Petrov V.M., Filippov D.A., Srinivasan G., Nan S.V. Magnitoelektricheskie materialy [Magnetoelectric materials]. Moscow, "Akademiia Estestvoznaniia" Publ., 2006. 296 p.
3. Wen C.P., Coplanar waveguide: A surface strip transmission line suitable for nonreciprocal gyromagnetic device application, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. MTT-17, pp. 1087-1090, 1969.
