RU2691981C1

RU2691981C1 - Demultiplexer at magnetostatic waves

Info

Publication number: RU2691981C1
Application number: RU2018127711A
Authority: RU
Inventors: Александр Владимирович Садовников; Владислав Андреевич Губанов; Светлана Евгеньевна Шешукова; Юрий Павлович Шараевский; Сергей Аполлонович Никитов
Priority date: 2018-07-27
Filing date: 2018-07-27
Publication date: 2019-06-19

Abstract

FIELD: radio equipment.SUBSTANCE: invention relates to radio engineering, particularly to microwave devices on magnetostatic waves, and can be used as a demultiplexer. Demultiplexer comprises substrate with first and second extended microwaves of iron-yttrium garnet arranged on it, input microstrip antenna, first and second output microstrip antennas, magnetic field sources connected to control means. Device also comprises third output microstrip antenna. First micro waveguide is placed directly on the substrate and is configured to excite the surface magnetostatic wave, and the input and first output antennas are placed on the opposite ends of the first microwave guide. Second micro waveguide is fixed above the first microwave guide perpendicular to the latter and is installed with overlapping of their central parts with a gap providing for possibility of pumping of surface magnetostatic wave from the first microwave guide to the second one. Second and third output antennas are arranged on opposite ends of the second microwave guide to receive reverse volume magnetostatic wave.EFFECT: technical result consists in possibility to control frequency range and frequency band width of demultiplexer by means of static magnetic field effect.3 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к приборам СВЧ на магнитостатических волнах и может быть использовано в качестве демультиплексора.The invention relates to radio engineering, in particular to microwave devices at magnetostatic waves and can be used as a demultiplexer.

Известен оптический демультиплексор для переключения сигнала с одного информационного входа на один из информационных выходов, для этой цели имеются один или более управляющих входов (US 5796884 A, Optical cross connect device, MCI Communication Corporation, 18.08.1998). В этом перекрестном устройстве проводится переключение сигналов из нижних волноводов в верхние. Переключение происходит при механическом перекрытии зазора между верхним и нижним оптическими сердечниками. Недостатком данного устройства является отсутствие избирательности по направлению распространения световой волны.An optical demultiplexer is known for switching a signal from one information input to one of the information outputs; for this purpose, there are one or more control inputs (US 5796884 A, Optical cross connect device, MCI Communication Corporation, 08/18/1998). In this cross device, the signals are switched from the lower waveguides to the upper ones. Switching occurs when the mechanical overlap of the gap between the upper and lower optical cores. The disadvantage of this device is the lack of selectivity in the direction of propagation of the light wave.

Известен оптический мультиплексор/демультиплексор с призмой Порро. Управление в данном устройстве происходит при помощи призмы. Деление сигнала происходит по длине волны (ЕР3120184В1, Politecnico di Milano, 25.10.2017). Недостатком устройства является отсутствие возможности перестройки по частоте.Known optical multiplexer / demultiplexer with a Porro prism. Control in this device is done with a prism. The division of the signal occurs along the wavelength (EP3120184B1, Politecnico di Milano, 10.25.2017). The disadvantage of this device is the lack of possibility of adjustment in frequency.

Известно устройство, которое используется как элемент магнонной голографической памяти (US9767876B2, The Regents of the University of California, 19.09.2017). В области пересечения ферромагнитных полосок находится наноразмерный магнит. Путем переориентации магнита удается управлять амплитудой и фазой спиновой волны, распространяющейся в ферромагнитном волноводе на фиксированной частоте. При изменении частоты спиновой волны, направление распространения сигнала изменяется и сигнал распространяется в другое плечо в системе ортогональных волноводов, что дает возможность использования устройства для системы демультиплексирования. Недостатком устройства является невозможность использования всех ферромагнитных волноводов для одновременной передачи сигнала из-за использования топологии, в которой сигнал может распространяться только в латеральном направлении и не может передаваться в вертикальном направлении, что ограничивает функциональность данного устройства и не позволяет осуществлять масштабирование. Также основным недостатком данного устройства является отсутствие возможности управления сигналом, распространяющимся по ферромагнитным полоскам, с помощью изменения величины и направления внешнего магнитного поля.A device is known that is used as an element of magnon holographic memory (US9767876B2, The Regents of the University of California, 09/19/2017). In the area of intersection of ferromagnetic strips is a nanoscale magnet. By reorienting the magnet, it is possible to control the amplitude and phase of the spin wave propagating in a ferromagnetic waveguide at a fixed frequency. When the frequency of the spin wave changes, the direction of propagation of the signal changes and the signal propagates to the other arm in the system of orthogonal waveguides, which makes it possible to use the device for a demultiplexing system. The disadvantage of this device is the inability to use all ferromagnetic waveguides for simultaneous signal transmission due to the use of topology, in which the signal can only propagate in the lateral direction and cannot be transmitted in the vertical direction, which limits the functionality of this device and does not allow scaling. Also, the main disadvantage of this device is the inability to control the signal propagating along ferromagnetic strips by changing the magnitude and direction of the external magnetic field.

Наиболее близким к патентуемому устройству является тонкопленочный магнито-оптический демультиплексор (GB1531883 (A), INTERNATIONAL BUSINESS MACHINES CORPORATION, USA, 18.03.1976 - прототип). В данном устройстве управление фазой светового пучка осуществляется путем изменения магнитного поля и поворота плоскости поляризации света. Устройство также может выполнять функции мультиплексора, в случае дополнительного использования поляризаторов и анализаторов. Недостатком устройства является отсутствие возможности управляемой в широком частотном диапазоне перестройки сигнала по частоте и многоблочное исполнение устройства.Closest to the patented device is a thin-film magneto-optical demultiplexer (GB1531883 (A), INTERNATIONAL BUSINESS MACHINES CORPORATION, USA, 03/18/1976 - prototype). In this device, the phase of the light beam is controlled by changing the magnetic field and turning the plane of polarization of light. The device can also perform the functions of a multiplexer, in the case of additional use of polarizers and analyzers. The disadvantage of this device is the lack of possibility of control over the frequency in a wide frequency range and multi-unit execution of the device.

Настоящее изобретение направлено на решение проблемы создания управляемого многоканального демультиплексора СВЧ сигнала с управлением частотным диапазоном и шириной полосы частот посредством воздействия статическим магнитным полем.The present invention is directed to solving the problem of creating a controlled multi-channel demultiplexer of a microwave signal with control of the frequency range and bandwidth by applying a static magnetic field.

Патентуемый демультиплексор на магнитостатических волнах содержит подложку с размещенными на ней первым и вторым протяженными микроволноводами из железоиттриевого граната, входную микрополосковую антенну, первую и вторую выходные микрополосковые антенны, источники магнитного поля, связанные со средствами управления.The patented magnetostatic wave demultiplexer contains a substrate with first and second extended micron-iron yttrium garnet microwaves, an input microstrip antenna, first and second output microstrip antennas, sources of magnetic field associated with control means.

Отличие состоит в том, что дополнительно содержит третью выходную микрополосковую антенну, первый микроволновод размещен непосредственно на подложке и выполнен с возможностью возбуждения поверхностной магнитостатической волны (ПМСВ), причем входная и первая выходная антенны размещены на противолежащих концах первого микроволновода. Второй микроволновод закреплен над первым микроволноводом перпендикулярно последнему и установлен с перекрытием их центральных частей с зазором, обеспечивающим возможность перекачки ПМСВ из первого микроволновода во второй, причем вторая и третья выходные антенны размещены на противолежащих концах второго микроволновода с возможностью приема обратнообъемной магнитостатической волны.The difference is that it additionally contains a third output microstrip antenna, the first microwave guide is placed directly on the substrate and configured to excite a surface magnetostatic wave (MSSV), with the input and first output antennas placed at opposite ends of the first microwave guide. The second microwave guide is fixed above the first microwave guide perpendicular to the last one and installed with overlapping of their central parts with a gap providing the possibility of transferring MSSWs from the first microwave guide to the second one, the second and third output antennas are placed at opposite ends of the second microwave guide with the possibility of receiving a volume-return magnetostatic wave.

Демультиплексор может характеризоваться тем, что зазор в месте закрепления второго микроволновода над первым микроволноводом фиксирован слоем диэлектрика толщиной в диапазоне от 5 до 10 мкм, а также тем, что источники магнитного поля связаны со средствами управления и выполнены с возможностью изменения напряженности магнитного поля и его направления в плоскости микроволноводов.The demultiplexer can be characterized by the fact that the gap at the fixing point of the second microwave guide over the first microwave guide is fixed by a dielectric layer with a thickness in the range from 5 to 10 microns, and also by the fact that the sources of the magnetic field are associated with controls and are designed to vary the magnetic field strength and its direction in the plane of microwaves

Технический результат - возможность управления частотным диапазоном и шириной полосы частот демультиплексора посредством воздействия статическим магнитным полем. При этом важной особенностью предлагаемого класса структур является возможность передачи сигнала в вертикальном направлении. Входной сигнал при этом подается на один вход и далее разделяется в области скрещивания волноводов, при этом происходит частотная селекция.The technical result is the ability to control the frequency range and bandwidth of the demultiplexer through exposure to a static magnetic field. At the same time, an important feature of the proposed class of structures is the ability to transmit a signal in the vertical direction. In this case, the input signal is fed to one input and further divided in the area of the crossing of the waveguides, thus frequency selection takes place.

В данном устройстве передача сигнала из одного микроволновода в другой происходит не в области сочлененения волноведущих секций, а непосредственно путем наложения одного микроволновода на другой, чем обуславливается многоуровневая система обработки сигнала. Достоинством патентуемого устройства, в отличие от прототипа, является то, что при изменении направления внешнего магнитного поля достигается избирательность по направлению распространяющейся волны. Достоинством является возможность эффективного управления характеристиками распространяющейся волны при изменении направления внешнего магнитного поля.In this device, the signal transmission from one microwave to another occurs not in the region of articulation of the waveguiding sections, but directly by superimposing one microwave guide to another, which causes a multi-level signal processing system. The advantage of the patented device, unlike the prototype, is that by changing the direction of the external magnetic field, selectivity is achieved in the direction of the propagating wave. The advantage is the ability to effectively control the characteristics of the propagating wave when changing the direction of the external magnetic field.

Изобретение поясняется чертежами, где:The invention is illustrated by drawings, where:

фиг. 1 - представлена конструкция устройства;FIG. 1 - the device design is presented;

фиг. 2, 3 - результат численного моделирования распространения волны в демультиплексоре;FIG. 2, 3 - the result of numerical simulation of the wave propagation in the demultiplexer;

фиг. 4, 5 - частотные зависимости коэффициента передачи S₂₁ при различных направлениях внешнего магнитного поля. FIG. 4, 5 - frequency dependences of the transmission coefficient S ₂₁ for different directions of the external magnetic field.

Позициями на чертежах обозначены:Positions in the drawings indicated:

11 - первый микроволновод; 21 - второй микроволновод; 1 - входная микрополосковая антенна; 2, 3, 4 - выходные микрополосковые антенны; 5 - диэлектрик для фиксации зазора; 6 - подложка из пленки галлий-гадолиниевого граната (ГГГ).11 - the first microwave; 21 - second microwave; 1 - input microstrip antenna; 2, 3, 4 - output microstrip antennas; 5 - dielectric for fixing the gap; 6 is a substrate of a film of gallium-gadolinium garnet (YYY).

Устройство содержит подложку, представляющую собой пленку 6 галлий-гадолиниевого граната (ГГГ) с размерами (Ш×Д×Т) 5000 мкм × 5000 мкм × 500 мкм. На поверхности пленки 6 ГГГ сформирован первый микроволновод на основе пленки 11 железо-иттриевого граната (ЖИГ) толщиной t=10 мкм, длиной L=5000 мкм, шириной w=500 мкм и намагниченностью насыщения М₀=139 Гс. На микроволноводе 11 расположены входная 1 и выходная 4 микрополосковые антенны. При этом входная антенна 1 расположена на одном конце микроволновода 11, а первая выходная антенна 4 - на другом конце микроволновода 11.The device contains a substrate, which is a film of 6 gallium-gadolinium garnet (YYY) with dimensions (W × L × T) 5000 μm × 5000 μm × 500 μm. On the surface of the 6GGG film, the first microwave guide was formed on the basis of a film of 11 yttrium iron garnet (YIG) with a thickness of t = 10 μm, a length of L = 5000 μm, a width of w = 500 μm and a saturation magnetization M ₀ = 139 Gs. On the microwave 11 are the input 1 and output 4 microstrip antennas. The input antenna 1 is located at one end of the microwave 11, and the first output antenna 4 is located at the other end of the microwave 11.

На втором микроволноводе 21 расположены выходные микрополосковые антенны 2, 3 шириной 30 мкм, обеспечивающие прием магнитостатических волн. Антенны 2, 3 также расположены на противолежащих концах микроволновода 21.On the second microwave guide 21, microstrip antennas 2, 3 with a width of 30 microns are located, providing reception of magnetostatic waves. Antennas 2, 3 are also located at the opposite ends of the microwave guide 21.

Второй микроволновод 21 расположен с зазором через диэлектрик 5 над первым микроволноводом 11 и перпендикулярно ему таким образом, чтобы центральные части микроволноводов перекрывались. Это обеспечивает возможность перекачки поверхностной магнитостатической волны из первого во второй микроволновод. Слой диэлектрика 5 является средством фиксации микроволноводов 11 и 21 между собой. Толщина слоя диэлектрика 5, например, из слюды, может находиться в диапазоне от 5 до 10 мкм.The second microwave guide 21 is located with a gap through the dielectric 5 above the first microwave guide 11 and perpendicular to it in such a way that the central parts of the microwave channels overlap. This makes it possible to transfer the surface magnetostatic wave from the first to the second microwave guide. The dielectric layer 5 is a means of fixing microfibre 11 and 21 among themselves. The thickness of the dielectric layer 5, for example, from mica, can be in the range from 5 to 10 microns.

Источником постоянного статического магнитного поля является двухполюсный электромагнит. Изменение величины магнитного поля происходит при помощи изменения подаваемого тока на полюса магнита. Управление внешним магнитным полем производится при помощи поворота устройства относительно магнита.The source of a static static magnetic field is a bipolar electromagnet. The change in the magnitude of the magnetic field occurs by changing the current supplied to the poles of the magnet. The external magnetic field is controlled by turning the device relative to the magnet.

Демультиплексор работает следующим образом. Входной микроволновый сигнал, частота которого должна лежать в диапазоне частот, определяемом величиной внешнего постоянного магнитного поля, подается на антенну 1. Далее микроволновый сигнал преобразуется в поверхностную магнитостатическую волну (ПМСВ), распространяющуюся вдоль микроволновода 11. По достижении области перекрытия микроволноводов 11 и 21 ПМСВ связывается с верхним волноводом 21 и частично перекачивается в микроволновод 21. Кроме того, из-за выбранного направления внешнего магнитного поля вдоль оси у и расположения верхнего волновода (ориентирован на 90 градусов по отношению к нижнему волноводу) поверхностная магнитостатическая полна (ПМСВ) преобразуется в обратнообъемную магнитостатическую волну (ООМСВ).The demultiplexer works as follows. The input microwave signal, whose frequency must lie in the frequency range determined by the external constant magnetic field, is fed to antenna 1. Next, the microwave signal is converted into a surface magnetostatic wave (MSSW) propagating along microwave 11. After reaching the overlap region of microwaves 11 and 21 MMP binds to the upper waveguide 21 and is partially pumped into the microwave guide 21. In addition, due to the chosen direction of the external magnetic field along the y axis and the location of the upper Waveguide (oriented at 90 degrees with respect to the lower waveguide) surface magnetostatic full (PMSV) is converted into a reverse-volume magnetostatic wave (OOMSV).

Волна в первом микроволноводе 11 после прохождения области перекрытия так и продолжает распространяться к концу микроволновода, достигая выходной микрополосковой антенны 4, на которой ПМСВ преобразуется в микроволновый сигнал. В то же время, в микроволноводе 21 от центра к периферии распространяется ООМСВ и достигает обоих концов микроволновода, на которых расположены антенны 2, 3 и подвергается съему. Таким образом, осуществляется возможность передачи сигнала в вертикальном направлении.The wave in the first microwave guide 11 after passing through the overlap region continues to propagate towards the end of the microwave guide, reaching the output microstrip antenna 4, at which the MSSW is converted into a microwave signal. At the same time, OOMSV extends from the center to the periphery in the microwave guide 21 and reaches both ends of the microwave guide on which the antennas 2, 3 are located and is subjected to removal. Thus, the possibility of transmitting the signal in the vertical direction.

На фиг. 2, 3 показан результат численного моделирования процесса распространения ПМСВ в данной структуре. Внешнее магнитное поле ориентировано вдоль оси у (90°) для случая на фиг. 2, и немного отклонено влево (95°) для случая, представленного на фиг. 3. Как показано на фиг. 2, микроволноводы 11 и 21 связываются между собой и происходит перекачка волны из нижнего микроволновода в верхний, которая начинает распространяться в обе стороны волновода равнопорционно. На фиг. 3 показано как изменяется распространение волны при небольшом изменении направления внешнего магнитного поля. Визуально заметно, что в верхнем микроволноводе произошло деление магнитостатической волны и на выходной антенне 2 снято больше мощности, чем на выходной антенне 3. Видно, что предлагаемое устройство обеспечивает передачу сигнала в вертикальном направлении.FIG. 2, 3 shows the result of numerical simulation of the MSSW propagation process in this structure. The external magnetic field is oriented along the y axis (90 °) for the case in FIG. 2, and slightly rejected to the left (95 °) for the case shown in FIG. 3. As shown in FIG. 2, microwaves 11 and 21 communicate with each other and the wave is transferred from the lower microwave to the upper one, which begins to propagate on both sides of the waveguide in an equal-ratio mode. FIG. 3 shows how the wave propagation changes with a slight change in the direction of the external magnetic field. Visually, it is noticeable that a division of the magnetostatic wave occurred in the upper microwave and that more power was removed at the output antenna 2 than at the output antenna 3. It can be seen that the proposed device provides a signal transmission in the vertical direction.

На фиг. 4, 5 показаны частотные зависимости коэффициента передачи S₂₁ для двух вариантов направления внешнего магнитного поля. Обозначения на графиках: поз. 7-S₂₁ на антенне 4; поз. 8-S₂₁ на антенне 2; поз. 9-S₂₁ на антенне 3. Из фиг. 4 следует, что частотная зависимость коэффициента передачи 8 и 9 идентична. Из фиг. 5 следует, что характер зависимостей изменился и можно добиться такого режима, когда ПМСВ не будет распространяться в одно из плеч микроволновода 21.FIG. 4, 5 shows the frequency dependence of the transmission coefficient S ₂₁ for two variants of the direction of the external magnetic field. Symbols on the graphs: Pos. 7-S ₂₁ on antenna 4; pos. 8-S ₂₁ on antenna 2; pos. 9-S ₂₁ on antenna 3. Of FIG. 4 it follows that the frequency dependence of the transmission coefficient 8 and 9 is identical. From FIG. 5 it follows that the nature of the dependences has changed and it is possible to achieve such a regime when the MSSW will not spread to one of the arms of the microwave guide 21.

За счет использования многоуровневой структуры в данной системе все выходы системы могут быть задействованы для получения сигнала, в отличие от одноуровневой структуры, когда ПМСВ не достигала выхода. Это позволяет расширить функциональные возможности демультиплексора и использовать его как управляемый элемент на магнитостатических волнах и функциональный элемент магнонной сети с возможностью передачи сигнала как в латеральном, так и в вертикальном направлении.Due to the use of a multi-level structure in this system, all the outputs of the system can be used to receive a signal, unlike the single-level structure, when the MSSW did not reach the output. This allows you to extend the functionality of the demultiplexer and use it as a controllable element on magnetostatic waves and a functional element of a magnon network with the possibility of transmitting a signal both in the lateral and in the vertical direction.

Claims

1. A demultiplexer based on magnetostatic waves, containing a substrate with first and second extended microfiber yarns of an iron yttrium garnet, an input microstrip antenna, first and second output microstrip antennas, sources of a magnetic field associated with control means, characterized in that it additionally contains a third output microstrip antenna, the first microwave guide is placed directly on the substrate and configured to excite the surface magnetostatic wave, The input and first output antennas are located at the opposite ends of the first microwave, the second microwave is fixed above the first microwave and perpendicular to the last, and is installed with overlapping central parts with a gap that allows the surface magnetostatic wave to be transferred from the first microwave to the second, and the second and third output antennas at the opposite ends of the second microwave, with the possibility of receiving a reverse-volume magnetostatic wave.

2. The demultiplexer according to claim 1, characterized in that the gap in the place of fixing the second microwave over the first microwave is fixed by a dielectric layer with a thickness in the range from 5 to 10 microns.

3. The demultiplexer according to claim. 1, characterized in that the sources of the magnetic field are associated with control means and are made with the possibility of changing the magnetic field strength and its direction in the plane of the microwave.