книги из ГПНТБ / Пузырев В.А. Тонкие ферромагнитные пленки в радиотехнических цепях

постоянно-смещающего поля, так как частота и напря ­ женность постоянного поля дл я рассматриваемого случая связаны между собой соотношением

циент передачи линии определяются по показаниям авто­

тон, на которую напылен измеряемый образец ТФП , и на

Согласно оценки величина суммарной погрешности при определении добротности не превышает 30%.

Эта методика позволяет измерять и другие характе ­

два значения смещающего поля, создаваемого катушка ­ ми Гельмгольца, при которых наблюдается Ф М Р в плен­ ке на фиксированной частоте: первое значение Я л — при ориентации смещающего поля вдоль легкого направле ­

60

Д л я определения ларморовой частоты шк необходимо заме­ рить значение постоянного смещающего поля, удовлетво ­ ряющего условиям ФМ Р в пленке на частоте ш, и из уравнения (1.69) или (1.70), в зависимости от ориентации

приведены резонансные кривые, полученные при помощи описанной методики и используемые дл я определения требуемых параметров .

Т а б л и ц а 1.3

61

щей с внешними цепями, получены ее линейная и нели­ нейная модели. Схема замещения учитывает особенности

при сохранении общности существенно упростить теорию работы устройств с Т Ф П и их расчет. Упрощение дости­ гается за счет выделения только основных свойств плен­

ные в этой главе частные случаи, приводящие к упроще­ нию схемы замещения, использовались д л я создания ме­

€2

Г л а в а 2

РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ, СОДЕРЖАЩИЕ ПЛЕНКИ

2.1. ВВЕДЕНИЕ

В этой главе рассмотрены радиотехнические устройства, реализованные на основе тонких ферромаг ­ нитных пленок. Д л я их количественного исследования ис­ пользуется эквивалентная схема Т Ф П , полученная выше . В зависимости от рабочего диапазона частот (или спект­ ра сигнала, воздействующего па пленку) пленки могут быть связаны с обычными обмотками, с полосковыми или коаксиальными линиями и, наконец, с волноводами или полыми резонаторами . Так к а к рассмотренная выше эквивалентная схема пленки справедлива только д л я длин волн, много больших ее геометрических размеров, то в дальнейшем будем рассматривать только обмоточ­ ный и полосковый варианты внешних цепей.

Как было показано в гл. 1, магнитосвязанная с внеш­ ними электрическими цепями пленка может быть пред­ ставлена в виде четырехполюсника, обладающего при определенных потерях резонансными свойствами. Как и для обычных резонаторов, в этом случае существует три

эквивалентного некоторому четырехполюснику. Наконец, если пленка «включена», как показано на рис. 2.1,6, она образует собой частотнозависимую неоднородность ли­ нии. В дальнейшем под термином «включена» будем под­ разумевать включение в электрическую цепь четырехпо­ люсника или двухполюсника, представляющего собой эк­

цепь, магнитное поле которой совпадает с направлением легкой оси пленки, удобнее перейти к параметрам эквивалентной схемы с ин­ дексами «л» (приложение 1). Этот переход упрощает анализ.

ЬЗ

К ак можно видеть из приведенных на рис. 2.1 эквива­ лентных схем цепей, магиитосвязанных с пленкой, д а ж е д л я линейного р е ж и м а вопросы анализа этих схем пред­ ставляют довольно трудоемкую задачу . В ряде случаев специфика р е ж и м а работы позволяет до некоторой сте­

3 3 3

РИ С . 2.1

щи е к упрощению, будут рассмотрены на примерах ис­

будем проводить анализ устройств с пленкой с помощью хорошо разработанных методов теории линейных и нели­ нейных радиотехнических цепей. В этой главе рассмотре­

64

ся информация не позволяет сделать выводы о том, ка­

о практическом применении тонких ферромагнитных пле­ нок в С В Ч диапазоне .

Взаимодействие ферромагнитной среды с электромаг­ нитными волнами С В Ч диапазона приводит к таким хо­ рошо известным явлениям, как эффект Коттона — Муто­ на, эффекты Керра и Ф а р а д е я , эффекты спинового и спин-волнового поглощения. Основная трудность приме­ нения тонких ферромагнитных пленок в радиотехниче­ ских устройствах С В Ч диапазона с использованием пере­ численных первых трех эффектов заключается в том, что пленка обладает незначительным объемом ферромагнит­ ного вещества. Поэтому такие явления, как поворот пло­

слабо. Н а и б о л ь ш е е взаимодействие пленок с отрезком линии пли резонатором наблюдается на частоте ферро­ магнитного резонанса, обусловленного спин-волновым или спиновым поглощением [11]. К сожалению, спинволновой резонанс возникает при очень больших намаг ­ ничивающих полях и может наблюдаться лишь в санти­ метровом диапазоне волн. Таким образом, остается эф­ фект спинового поглощения, который позволяет управ­ лять взаимодействием магнитных пленок с электромаг­ нитными полями при помощи относительно малого изме­ нения намагничивающих полей.

Вэтой главе будет рассмотрена возможность ис­

пользования спинового поглощения энергии С В Ч поля для создания таких устройств, как запоминающее, плав­ ный ф а з о в р а щ а т е л ь и С В Ч ключ. Н а СВЧ наиболее перспективно по ряду причин, указанных ниже, исполь­ зование пленок в дециметровом диапазоне волн. В част­ ности, для управления свойствами магнитной среды пленки в этом диапазоне частот требуются поля всего в несколько десятков эрстед вследствие малой величины

поля анизотропии. Пленки по сравнению с ферритами о б л а д а ю т большими значениями намагниченности насы­

описывается при помощи комплексной магнитной прони­

можно перейти к эквивалентной схеме пленки с сосредо­ точенными параметрами . В случае необходимости не представляет труда совершить переход от п а р а м е т р о в эквивалентной схемы к компонентам комплексной маг­ нитной проницаемости.

2.2. ВКЛЮЧЕНИЕ ПЛЕНКИ В КАЧЕСТВЕ ПРОХОДНОГО ЭЛЕМЕНТА

Эквивалентная схема в этом случае имеет вид че­ тырехполюсника (рис. 2.1,6). Входная и выходная цепи непосредственно между собой не связаны . Это достигает­ ся ортогональностью входной и выходной полосковых линий. Как показали исследования, затухание, обеспечи­ ваемое ортогональностью, при полосковой конструкции, может быть получено порядка 30 д Б . Д л я его увеличе­ ния необходимо уменьшать емкостную связь между по­ лосками . Связь м е ж д у входной и выходной полосковыми линиями д о л ж н а определяться только наличием пленки. Использование пленки в качестве проходного элемента предъявляет к ней повышенные требования в отношении

определена связь между непагруженной добротностью эквивалентной схемы магнитосвязанной пленки и физи­

коэффициентом затухания . Перечислены возможные ме­ тоды увеличения добротности эквивалентной схемы пленки.

66

П р и создании тонкопленочных радиотехнических устройств, работающих на высоком уровне СВЧ мощно­ сти, возникают трудности. Они обусловлены следующими явлениями: во-первых, нагревом магнитопленочных эле­

нагрева пленки до температуры, близкой к температуре Нееля, так как при этом пленка потеряет магнитные свойства. П л о с к а я геометрия пленки в сочетании с по­ лосковой конструкцией внешних цепей позволяет эффек ­ тивно осуществлять отвод тепла. В зависимости от мощ­ ности воздействующего на пленку СВЧ магнитного поля используются или однослойные, или многослойные плен­ ки. С ростом мощности электромагнитного поля, взаимо­ действующего с пленкой, магнитную массу пленки необ­ ходимо увеличивать. Д л я уменьшения потерь на вихре­ вые токи увеличение магнитной массы необходимо осу­ ществлять путем создания многослойных пленок.

Если работа тонкопленочного радиотехнического устройства основана на использовании нелинейного эф ­ фекта, то, как правило, уровень мощности электромаг­ нитного поля, соответствующий проявлению нелинейного эффекта, ухудшает характеристики устройства.

Основные характеристики радиотехнических уст­ ройств, в которых используется ортогональная конструк­ ция внешних цепей, существенно зависят от её выполне­ ния. Так как входная и выходная цепи .закорочены на концах, то параметры устройства будут в сильной степе­

чивать возможно большее значение коэффициента преоб­ разования, равного отношению амплитуды магнитного

зуется д л я количественных исследований радиотехниче­ ских устройств с пленкой в виде проходного элемента.

поля используются либо обмоточный, либо полосковый,

эпюры сигналов, поясняющие его работу, изображены на

углом р к направлению «трудной оси» пленки. Такое рас­

непосредственно. Компенсирующие обмотки 4 и 5 нужны

68

w/ww нnv i w / w

Н

8ы>

77

73

Р и с . 2.2

анизотропии Нк и управляющего поля Я у (рис. 2.2, е ) , вектор намагниченности М отклоняется от легкой оси Л пленки на некоторый равновесный угол 0О, около которо-

69