Слоистые структуры феррит–сегнетоэлектрик как основа сверхвысокочастотных устройств с электрическим управлением Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Сегнетоэлектрики в технике СВЧ

УДК 621.319.1: 539.216.22

П. Ю. Белявский, А. Н. Голиков, А. А. Семенов, С. Ф. Карманенко

Санкт-Петербургский государственный электротехнический

университет "ЛЭТИ"

II

Слоистые структуры феррит-сегнетоэлектрик как основа сверхвысокочастотных устройств с электрическим управлением

Ферритовые резонаторы на гетороэпитаксиальных пленках железоитриевого граната в сочетании с сегнетоэлектрической керамикой БахБг1-хТЮз были исследованы в качестве элементов сверхвысокочастотных устройств, управляемых электрическим и магнитным полями. На частоте 5-6 ГГц измерена передаточная характеристика. Диапазон перестройки составил две резонансных полосы.

Феррит, сегнетоэлектрик, магнитостатические волны, резонатор, электрическое управление

Интенсивное развитие телекоммуникационных и радарных систем, локальных сетей требует внедрения в их архитектуру быстрых, многофункциональных, миниатюрных и надежных управляемых сверхвысокочастотных (СВЧ) устройств, таких как полоснопропус-кающие фильтры, фазовращатели, электрически перестраиваемые антенны. Для реализации требуемых управляемых компонентов необходимо использовать материалы с нелинейными физическими свойствами и слоистые структуры на их основе.

Традиционно, для создания управляемых СВЧ-устройств используются ферриты. Одним из основных преимуществ спин-волновых приборов, использующих ферритовые материалы, является возможность их широкой электронной перестройки, которая реализуется за счет изменения поля подмагничивания и может быть названа магнитной перестройкой. Магнитная перестройка легко реализуется в широком интервале частот, но является сравнительно медленной и энергоемкой.

Другими материалами, которые могут быть использованы для построения электронно-перестраиваемых СВЧ-приборов, являются сегнетоэлектрики. При их использовании перестройка реализуется за счет изменения прикладываемого электрического поля и может быть названа электрической перестройкой. Понятно, что комбинация ферритовых и сегнетоэлектрических материалов в композитной или в составной пленочной слоистой структуре должна обеспечить одновременные магнитную и электрическую перестройки.

Ранее в работах [1], [2] проведен теоретический анализ процесса распространения гибридных (электромагнитных и магнитостатических) волн в различных комбинациях слоистых структур с участием феррита, сегнетоэлектрика, металла и линейного ди-

8

© П. Ю. Белявский, А. Н. Голиков, А. А. Семенов, С. Ф. Карманенко, 2005

электрика. Были получены дисперсионные уравнения, позволившие выбрать наиболее эффективное, с точки зрения управляемости, сочетание физических и геометрических характеристик контактирующих слоев. Экспериментальные исследования подтвердили правильность полученных дисперсионных уравнений.

В настоящей статье приводятся результаты исследования СВЧ-резонатора на основе составной слоистой структуры фер-

Рис. 1

рит-сегнетоэлектрик, конструкция которого соответствовала рекомендациям, следующим из теоретического анализа, проведенного в [1], [2].

Электрически перестраиваемый СВЧ-резонатор на электромагнитно-спиновых волнах. Авторами проводились исследования многослойных ферромагнитных резонаторов содержащих сегнетоэлектрические слои (рис. 1). К поверхности прямоугольного резонатора, вырезанного из пленки железоитриевого граната (ЖИГ) 1, напыленной на диэлектрик 2, прикладывалась керамическая сегнетоэлектрическая керамическая пластина 3. Для подачи управляющего поля сегнетоэлектрик был металлизирован с двух сторон (4, 5). На нижней поверхности 5, соприкасающейся с пленкой ЖИГ, была сформирована тонкая пленка хрома (толщина порядка 50 нм). При этой толщине пленки хрома СВЧ-поле ферромагнитного резонатора практически без затухания проникало в сегнетоэлектрик.

Сформированный таким образом "объемный конденсатор" позволял за счет приложения внешнего напряжения (создания электрического поля) изменять диэлектрическую проницаемость керамики и управлять резонансной частотой исследуемого резонатора. Кроме управляющей структуры в виде сплошных металлизаций исследовадась возможность управления диэлектрической проницаемостью при помощи планарной встречно-штыревой структуры. Однако экспериментально была установлена малая эффективность такого управления, поскольку поле встречно-штыревой управляющей структуры не проникало в нижние слои образца. Поэтому в дальнейших экспериментах использовалась сегнетоэлектрическая управляющая структура конденсаторного типа.

Экспериментальное исследование рабочих характеристик СВЧ-резонатора. При измерении частотной перестройки за счет изменения электрического поля высшие типы резонансов подавлялись за счет ослабления связи резонатора с возбуждающей антенной. Для экспериментальных исследований частотной перестройки резонатора электрическим полем использовалась установка, блок-схема которой изображена на рис. 2. Установка включала микрополосковую линию передачи 1, заканчивающуюся короткозамкнутым преобразователем спиновых волн 2 шириной 500 мкм и длиной 3 мм. Пленка железоиттриево-го граната толщиной 14 мкм и размерами в плоскости 1x1.5 мм, выращенная на подложке из гадолиний-галлиевого граната толщиной 500 мкм, размещалась поверх микрополоско-вых преобразователей. Сверху к ферритовой пленке с помощью специального устройства

Анализатор Анализатор Генератор S11, дБ

спектра 1 сигналов развертки

1

X

Электромагнит

\ 2 1

X

5225

5250

Рис. 3

5275

f МГц

Источник напряжения

Рис. 2

прижималась сегнетоэлектрическая пластина 3, имеющая металлизацию с двух сторон 4, 5. Пластина была получена из объемного керамического образца титаната бария-стронция Bag 6Sio 4ТЮ3, имела ширину 3 мм, длину 4.5 мм и толщину 400 мкм.

На рис. 3 приведены частотные характеристики полученного феррит-сегнетоэлектри-ческого резонатора, снятые при различных напряжениях смещения Uo. Измерения были проведены для внешнего магнитного поля 96 000 А/м. Полуширина резонансной характеристики (по уровню -3 дБ) составила 3.5 МГц. При этом электрическая перестройка была получена в частотной полосе 6 МГц, что в два раза превосходило полосу пропускания резонатора.

Полученные экспериментальные результаты показывают возможность электрической перестройки феррит-сегнетоэлектрических резонаторов за счет приложения электрического поля.

На основании проделанных исследований впервые предложена конструкция и выполнены экспериментальные измерения рабочих характеристик СВЧ-резонатора на электромагнитно-спиновых волнах, перестраиваемого электрическим полем.

Библиографический список

1. Electrical Tuning of Dispersion Characteristics of Surface Electromagnetic-Spin Waves Propagating in Fer-rite-Ferroelectric Layered Structures / V. E. Demidov, B. A. Kalinikos, S. F. Karmanenko et al. // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 2003. Vol. MTT-51, № 10. P. 2090-2096.

2. Дисперсионные характеристики поверхностных электромагнитно-спиновых волн в слоистых структурах феррит-сегнетоэлектрик-диэлектрик-металл / В. Е. Демидов, Б. А. Калиникос, С. Ф. Карманенко и др. // ЖТФ. 2002. Т. 28. Вып. 11. С. 75-84.

P. Y. Beliavsky, A. N. Golikov, A. A. Semenov, S. F. Karmanenko Saint Petersburg state electrotechnical university "LETI"

Ferrite-Ferroelectric Layered Structures as the Basis for Microwave Devices, Tunable through Magnetic and Electric Fields

The ferrite resonators patterned from yttrium iron garnet heteroepitaxial film contacted with the ferroelectric BaxSrj-xTiO3 ceramics was investigated as the basis for microwave devices tunable through electric and magnetic fields. The transmission characteristics were measured in the region of 5—6 GHz. The tunability about three band width was obtained.

Ferrite, ferroelectric , magnitostatic waves, resonator, electric control

Статья поступила в редакцию 15 декабря 2004 г.

3