CC BY
32
УДК 621.372
МОДЕЛИРОВАНИЕ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УПРАВЛЯЕМЫХ НЕВЗАИМНЫХ СВЧ УСТРОЙСТВ
Д.В.Лаврентьева, А.С.Татаренко
MODELING OF CONTROLLED MAGNETOELECTRIC NONRECIPROCAL MICROWAVE DEVICES
D.V.Lavrent'eva, A.S.Tatarenko
Институт электронных и информационных систем НовГУ, [email protected]
Рассмотрена возможность моделирования магнитоэлектрических управляемых невзаимных СВЧ устройств. Приведены результаты моделирования магнитоэлектрических СВЧ вентилей на основе слоистой феррит-пьезоэлектрической структуры, реализованных на микрополосковой линии, щелевой линии и копланарном волноводе.
Ключевые слова: магнитоэлектрические управляемые невзаимные СВЧ устройства, феррит-пьезоэлектрический резонатор, щелевая линия, микрополосковая линия, копланарный волновод
This paper considers the possibility of modeling the controlled magnetoelectric nonreciprocal microwave devices. We presented simulation results for magnetoelectric microwave isolators based on layered ferrite-piezoelectric structure and formed on the slot line, microstrip line, and coplanar waveguide.
Keywords: controlled magnetoelectric nonreciprocal microwave devices, ferrite-piezoelectric resonator, slot line, microstrip line, coplanar waveguide
Введение
Появление ферритовых приборов произвело своеобразную революцию в технике СВЧ. Антенно-фидерные устройства, генераторная, приемная, измерительная СВЧ аппаратура содержат в своем составе ферритовые развязывающие приборы, количество которых иногда доходит до сотен в одном устройстве. Без таких развязывающих приборов невозможно создание многокаскадных усилительных схем, а также усилителей, выполненных на активных двухполюсных элементах. Развязывающие приборы значительно упрощают создание фазированных антенных решеток и особенно активных фазированных антенных решеток [1].
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.
Одним из перспективных направлений развития СВЧ техники в настоящее время является разработка СВЧ магнитоэлектрических (МЭ) устройств. Применение МЭ невзаимных устройств позволяет избавиться от вышеперечисленных недостатков ферритовых устройств. Управление электрическим полем позволяет реализовывать такие устройства в интегральном исполнении, что приводит к уменьшению стоимости устройств; повышает быстродействие; уменьшает мощность, потребляемую в цепи управления; позволяет избавиться от наводок, возникающих при управлении магнитным полем [2]. Управление электрическим полем дает возможность использовать такие устройства в системах автоматического управления и регулирования.
Моделирование МЭ СВЧ невзаимных устройств в современных программах сквозного моделирования, вычисляющих многомодовые S-параметры и электромагнитные поля в трехмерных пассивных структурах, значительно упрощает подбор оптимальных параметров таких устройств: параметров линии передачи (размеров и относительной диэлектрической проницаемости подложки, размеров проводников) и параметров МЭ резонаторов (размеров, формы, материала).
Отличие предлагаемых МЭ невзаимных устройств от ферритовых заключается в замене феррито-вого резонатора и магнитной управляющей системы на феррит-пьезоэлектрический резонатор и систему электродов, подключенных к источнику управляющего электрического напряжения.
Принцип действия МЭ невзаимных устройств основан на микроволновом МЭ эффекте, заключающемся в сдвиге линии ФМР под действием электрического поля.
Феррит-пьезоэлектрический резонатор
(рис.1) представляет собой слоистый композит состава цирконат-титанат свинца (ЦТС) — железо иттриевый гранат (ЖИГ, эпитаксиальные монокристаллические пленки) в форме диска или пластины. Необходимое подмагничивающее поле в объеме МЭ резонатора создается с помощью постоянного магнита, к электродам, нанесенным на пьезоэлектрическую компоненту, подводится управляющее напряжение.
1
Рис.1. МЭ резонатор: 1 — пьезоэлектрическая компонента; 2 — ферритовая компонента; 3 — металлические электроды
В статье представлены результаты моделирования МЭ СВЧ вентилей, реализованных на микро-полосковой линии, щелевой линии и копланарном волноводе.
Моделирование МЭ СВЧ вентиля, реализованного на микрополосковой линии
Основой конструкции МЭ СВЧ вентиля, реализованного на микрополосковой линии, является линия передачи на подложке ФЛАН-10 и МЭ резонатор. В микрополосковой линии распространяется ква-зи-Т волна, область эллиптической поляризации, необходимая для работы невзаимных СВЧ устройств, создается искусственно с помощью двух параллельных разомкнутых на конце шлейфов длиной У8 и 3Х/8. Подмагничивающее поле по направлению шлейфов параллельно резонатору.
Ферритовая фаза МЭ резонатора состоит из пленки ЖИГ толщиной 0,1 мм на подложке гадоли-ний-галлиевого граната (ГГГ) толщиной 0,44 мм. Пьезоэлектрическая фаза МЭ резонатора состоит из диска ЦТС толщиной 0,5 мм.
Размеры резонатора: диаметр диска — 3 мм, толщина — 0,54 мм. Ширина центрального проводника — 1 мм; относительная диэлектрическая проницаемость подложки — 10, толщина подложки — 1 мм; подмагничивающее поле — 1156 Э.
На рис.2 представлены внешний вид модели МЭ СВЧ вентиля, реализованного на микрополоско-вой линии передачи, и частотная зависимость затухания в прямом и обратном направлениях.
Рис.2. Внешний вид МЭ СВЧ вентиля, реализованного на микрополосковой линии, и зависимость затухания (дБ) от частоты (ГГц)
Моделирование МЭ СВЧ вентиля, реализованного на щелевой линии
Основой конструкции МЭ СВЧ вентиля, реализованного на щелевой линии, является линия передачи на подложке ФЛАН-10 и МЭ резонатор. На обратной стороне подложки металлизация отсутствует, подмагничивающее поле направлено по касательной к плоскости подложки.
Размеры резонатора: 10 ммх1х0,1 мм3; ширина щели — 0,2 мм, уширение щели до 1,2 мм; относительная диэлектрическая проницаемость подложки — 10, толщина подложки — 2 мм; подмагничивающее поле — 3142 Э.
На рис.3. представлены внешний вид модели МЭ СВЧ вентиля, реализованного на щелевой линии передачи, и частотная зависимость затухания в прямом и обратном направлениях.
Моделирование МЭ СВЧ вентиля, реализованного на копланарном волноводе
Основой конструкции МЭ СВЧ вентиля, реализованного на копланарном волноводе, является волновод на подложке ФЛАН-10 и два МЭ резонатора. На обратной стороне подложки металлизация отсутствует, подмагничивающее поле направлено по касательной.
Размеры резонаторов: 10 ммх1 ммх0,1 мм; ширина щели — 0,5 мм, уширение щели до 1,2 мм; ширина центрального проводника — 1,4 мм; относительная диэлектрическая проницаемость подложки — 10, толщина подложки — 1 мм; подмагничивающее поле — 3125 Э.
На рис.4 представлены внешний вид модели МЭ СВЧ вентиля, реализованного на копланарном волноводе, и частотная зависимость затухания в прямом и обратном направлениях.
{ (ГГц)
Рис.3. Внешний вид МЭ СВЧ вентиля, реализованного на щелевой линии и зависимость затухания (дБ) от частоты (ГГц)
Рис.4. Внешний вид МЭ СВЧ вентиля, реализованного на копланарном волноводе, и зависимость затухания (дБ) от частоты (ГГц)
Сдвиг линии магнитного резонанса при приложении электрического поля определяется как:
8НЕ = Ho(E2) - Д^), (1)
Ho( E) = Ho + 8Не, (2)
где Н0 — резонансное магнитное поле при E = 0; Л — магнитоэлектрический коэффициент; Е — прикладываемое постоянное электрическое поле [2].
Заключение
Представлены результаты моделирования различных структур МЭ СВЧ вентилей, реализованных на микрополосковой линии, щелевой линии и копла-нарном волноводе.
Моделирование МЭ СВЧ невзаимных устройств значительно упрощает подбор оптимальных параметров таких устройств — параметров линии передачи (размеров и относительной диэлектрической проницаемости подложки, размеров проводников) и параметров резонатора (размеров, формы, материала).
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ №15-19-10036.
1. Вамберский М. В., Абрамов В. П., Казанцев В. И. Конструирование ферритовых развязывающих приборов СВЧ. М.: Радио и связь, 1982. 136 с.
2. Бичурин М.И., Петров В.М., Филиппов Д.А. и др. Магнитоэлектрические материалы. М.: Академия естествознания, 2006. 296 с.
References
1. Vamberskii M. V., Abramov V. P., Kazantsev V. I. Kon-struirovanie ferritovykh razviazyvaiushchikh priborov SVCh [The design of ferrite decoupling microwave devices]. Moscow, "Radio i sviaz"' Publ., 1982. 136 p.
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.
