Лабы Кондрашов / Лаба 2 / 0207_lab2_Маликов

МИНОБРНАУКИ РОССИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА) Кафедра ФЭТ

ОТЧЕТ по лабораторной работе №2

по дисциплине «Физические основы функциональной электроники» ТЕМА: Исследование параметров СВЧ линий задержки на бегущих спиновых волнах

Санкт-Петербург

2024

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью лабораторной работы является исследование зависимости времени задержки спин-волновых линий задержки от частоты и влияния на эту зависимость параметров используемой ферромагнитной пленки и напряженности магнитного поля смещения.

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Типичная спин-волновая линия задержки, изготовленная на основе свободной (неэкранированной) ферромагнитной пленки, имеет топологию,

показанную на рис. 1. Она состоит из ферромагнитной пленки (1), выращенной на диэлектрической подложке (2), и входной и выходной антенн (3) с

подводящими микрополосковыми линиями (4). Антенны с подводящими линиями обычно наносят на диэлектрическую подложку (5),

металлизированную с обратной стороны (6).

Рисунок 1 - Типичная конструкция спинволновой линии задержки на основе свободной ферромагнитной пленки

Главными рабочими характеристиками линии задержки являются зависимость времени задержки от частоты ( ) и вносимое затухание. Время задержки ( ) определяют по фазочастотной характеристике (ФЧХ) или по формуле:

2

( ) =

( )

Здесь d – расстояние между входной и выходной антеннами; ( ) –

зависимость групповой скорости от частоты. СВ, распространяющиеся в более толстых пленках, обладают большей величиной групповой скорости в сравнении с волнами, распространяющимися в сравнительно тонких пленках.

Поэтому при заданном расстоянии между антеннами линии задержки на более толстых пленках будут задерживать СВЧ-сигнал на меньшую величину.

Для заданной толщины пленки величина групповой скорости СВ может как возрастать, так и уменьшаться с увеличением рабочей частоты. Это зависит от направления поля подмагничивания и, соответственно, от типа рабочих СВ. Типичные значения групповых скоростей СВ в пленках железо-

иттриевого граната (ЖИГ) толщиной от десятых долей до сотен микрометров составляют 106 …109 мм/с. Таким образом, при расстояниях между входной и выходной антеннами в единицы миллиметров путем подбора толщины пленки нетрудно получать времена задержки от единиц наносекунд до единиц микросекунд.

Путем увеличения расстояния между антеннами легко увеличивать время задержки (теоретически – до любых величин). Однако на практике максимальное время задержки спин-волнового прибора ограничивается приемлемой величиной затухания, вносимого в СВЧ-тракт.

По виду зависимости линии задержки можно разделить на дисперсионные и бездисперсионные. Если время задержки СВЧ-сигнала зависит от частоты, то такую задержку называют дисперсионной; если же время задержки от частоты не зависит, то тогда говорят о бездисперсионной задержке. Как ясно из рис. 2, естественная дисперсия СВ в общем случае приводит к нелинейной зависимости времени задержки от частоты. Изменяя рабочую длину волны, можно переходить из области слабой дисперсии в область сильной дисперсии. Следует отметить, что ход кривых ( )

3

определяется толщиной пленки. В толстой пленке зависимость ( ) в

длинноволновой области спектра (т. е. при сравнительно малых k) является достаточно слабой.

Для управления естественной дисперсией СВ часто используют металлические экраны, располагаемые вблизи поверхностей ферромагнитной пленки. Металлические экраны влияют на ход кривых ( ), если расстояние от экрана до поверхности пленки меньше или сравнимо с длиной бегущей СВ.

Используя один или два металлических экрана, удается в некоторой полосе частот (обычно в 5–10 % от центральной частоты) получать как постоянную задержку, так и линейную зависимость времени задержки от частоты.

Рисунок 2 - Схематическое изображение линий задержки на поверхностных спиновых волнах (слева) и на обратных объемных спиновых волнах (справа)

и соответствующие им качественные зависимости τ(ω)

4

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

На рис. 3 показано основное меню программы расчета передаточных характеристик спин-волновых пленочных приборов. В правой части программы находятся пункты, описывающие конструкцию прибора. В первом пункте указываются данные пленки, во втором – параметры антенн.

Рисунок 3 – Окно ввода параметров расчета

Ниже представлены расшифровки основных обозначении,̆

использованных в программе расчета.

Данные пленки:

L – толщина пленки, 0,1–100 мкм;

a – расстояние до верхнего экрана, > 0 мкм;

b – расстояние до нижнего экрана, > 0 мкм;

M0 – намагниченность насыщения, Гс;

Не – внешнее магнитное поле, Э;

На – поле кубическойанизотропии, Э;

Нu – поле однооснойанизотропии;

5

dH – ширина линии ферромагнитного резонанса, Э;

Т – температура, оС;

fi – азимутальныйугол внешнего магнитного поля, град;

teta – полярныйугол внешнего магнитного поля, град;

f0 – азимутальныйугол волны, град.

Данные антенны:

La – длина антенны, мм;

Ls – расстояние между антеннами, мм;

Es – диэлектрическая проницаемость подложки;

Ef – диэлектрическая проницаемость феррита;

Rs – сопротивление;

Симм – симметричность антенны;

wi – ширина i-йантенны, мкм;

si – смещение i-йантенны, мкм;

di – зазор пленка–антенна,> a.

6

Анализируя графики зависимости времени задержки τd ООСВ от частоты (рис. 4) при d = 7 мм, Hе = 2000 Э и a → ∞ для трех различных значений толщины пленки, делаем вывод:

С увеличением значения толщины пленки значительно уменьшается время задержки. Данное явление объясняется путем рассмотрения формулы для времени задержки:

( ) =

( )

7

То есть, время задержки обратно зависит от значения групповой скорости (при фиксированном значении расстояния между антеннами d),

которая, в свою очередь, определяется как:

=

Ссылаясь на первую лабораторную работу, в которой исследовались дисперсионные характеристики ферритовой пленки в зависимости от толщины, делаем вывод, что с увеличением толщины пленки дисперсионная характеристика (зависимость волнового числа от частоты) имеет более

«крутой характер», что приводит к увеличению значения производной, то есть групповой скорости. Так как время задержки, как писалось ранее, обратно зависит от групповой скорости, то, соответственно, при больших толщинах пленки имеем более «крутую» зависимость дисперсионной характеристики,

большее значение групповой скорости и, соответственно, меньшее значение времени задержки.

Также, стоит уточнить, что все зависимости начинаются с частоты ,

равной:

= √Н(Н + )

8

Анализируя графики зависимости времени задержки τd ООСВ от частоты (рис. 5) при L = 7 мм, Hе = 2000 Э и a → ∞ для трех различных расстояний между антеннами, делаем вывод:

C увеличением расстояния между антеннами время задержки значительно увеличивается. Также обратимся к формуле для времени задержки:

( ) =

( )

9

То есть, время задержки напрямую зависит от расстояния, которое необходимо пройти волне. Таким образом, с увеличением расстояния между антеннами значительно возрастает время задержки.

При этом, ход зависимости также объясняется через групповую скорость, которая зависит от частоты. Соответственно, при фиксированной толщине пленки с увеличением расстояния между антеннами увеличивается и время задержки, которая зависит от групповой скорости, которая, в свою очередь, зависит от частоты. Таким образом, искажения графиков зависимостей от расстояния между антеннами не происходит, так как толщина пленки остается фиксированной.

10