Лабы Кондрашов / Лаба 3 / 0207_lab3_Маликов

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

ОТЧЕТ по лабораторной работе №3

по дисциплине «Физические основы функциональной электроники» ТЕМА: Измерение дисперсии спиновых волн методом интерференции

Санкт-Петербург

2024

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью лабораторной работы является экспериментальное исследование дисперсионной характеристики поверхностных спиновых волн (ПСВ)

методом интерференции и определение параметров волноведущей структуры.

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Объектом исследования в лабораторной работе является ферромагнитная пленка толщиной L, намагниченная до насыщения магнитным полем, направленным по касательной к плоскости ферромагнитной пленки перпендикулярно направлению распространения СВ

(рисунок 1).

Рисунок 1 - Геометрия задачи о нахождении спектра спиновых волн касательно намагниченной пленке

При поперечном распространении характеристическое уравнение принимает вид:

(2 + 2) = 0

Важной особенностью этого уравнения является то, что оно дает мнимые значения поперечных волновых чисел , распространяющихся СВ.

Эти значения равны

2

1,2 = ±| | = ±

Таким образом, распределение магнитостатического потенциала и остальных переменных величин по толщине пленки описывается не тригонометрическими, а гиперболическими (экспоненциальными)

функциями. Такие волны называются поверхностными.

Дисперсионное уравнение ПСВ, или поверхностных магнитостатических волн Дэймона–Эшбаха, имеет явный вид:

Следует подчеркнуть, что спектр поверхностных волн в отличие от объемных содержит лишь одну дисперсионную кривую ( ) (1), которая начинается в точке = , лежит выше спектра объемных СВ и имеет положительную групповую скорость. Легко показать, что групповая скорость ПСВ равна:

2

= 4 −2

Поверхностные волны в силу их невзаимных свойств и сравнительной легкости возбуждения (с помощью, например, микрополосковых антенн)

наиболее употребительны в спин-волновых приборах.

Интерферометр. Интерферометр, блок-схема которого представлена на рис.2, состоит из делителя, спин-волнового фазовращателя, аттенюатора и сумматора. Принцип работы интерферометра следующий.

На вход делителя подается СВЧ монохроматический сигнал, где он делится и передается на входы фазовращателя и аттенюатора. Мощность СВЧ-

сигнала, передаваемого в каждое плечо, одинакова. По мере прохождения по каждому плечу происходит затухание амплитуды распространяющихся волн,

определяемое передаточными характеристиками фазовращателя и аттенюатора. Передаточные характеристики аттенюатора и фазовращателя

3

подбираются такими, чтобы на выходе из каждого плеча мощности сигналов были близки. Помимо изменения затухания сигнал приобретает некоторый фазовый набег, определяемый волноведущими свойствами плеча. В силу того,

что в плече с аттенюатором распространяется быстрая электромагнитная волна, ее фазовым набегом можно пренебречь ( = 0). Фазовый набег во втором плече ( ≠ 0) будет определяться дисперсией ПСВ, его величиной пренебречь нельзя. Попадая на сумматор, волны, приходящие из каждого плеча, будут складываться. В зависимости от того, как изменилась фаза каждого из сигналов, они будут складываться синфазно, противофазно или с некоторым промежуточным соотношением фаз. Изменяя частоту входного сигнала или параметры спин-волнового фазовращателя, можно изменять величину набега фазы в одном из плеч и, следовательно, управлять мощностью выходного сигнала.

Рисунок 2 – Блок-схема интерферометра

Описанная конструкция интерферометра может быть использована в качестве модулятора СВЧ монохроматического сигнала. В этом случае управление набегом фазы осуществляется за счет изменения дисперсии СВ при электрическом управлении магнитным полем. Помимо модуляции монохроматического сигнала возможно использование интерферометра для экспериментального исследования дисперсии СВ, распространяющихся в ферромагнитной пленке. Следует отметить, что помимо дисперсии СВ

4

методом интерферометрии можно исследовать дисперсионные характеристики волн другой природы. Для этого нужно заменить микрополосковые антенны на соответствующие системы возбуждения и приема волн.

Измерение дисперсии поверхностных спиновых волн. Для измерения дисперсии СВ в схеме интерферометра аттенюатор с постоянным значением ослабления заменяется переменным аттенюатором. Вход интерферометра подключается к генератору качающейся частоты, выход – к анализатору спектра или измерителю комплексных коэффициентов передачи.

Рисунок 3 – АЧХ фазовращателя в цепи интерферометра

На первом этапе исследуется АЧХ самого фазовращателя, для чего ослабление переменного аттенюатора устанавливается максимальным. Общий вид характеристики представлен на рисунке 3. Частота начала полосы возбуждения ПСВ соответствует . По полученной АЧХ можно определить значение напряженности постоянного магнитного поля при условии M0 = 1750

Гс.

5

Используя последнее соотношение, можно ФЧХ преобразовать в экспериментальную дисперсионную характеристику.

При исследовании дисперсии волн интерференционным методом важно помнить, что исследуемые волны должны иметь скорость значительно ниже скорости электромагнитных волн.

7

Анализируя АЧХ фазовращателя поверхностной спиновой волны при фиксированных значениях: d = 3,5 мм и H0 = 1240 Э (рисунок 5), делаем следующие выводы:

Частота начала полосы возбуждения ПСВ соответствует частоте , в

нашем случае равной: = 5,463 ГГц. Соответственно, «резкое» возрастание АЧХ соответствует данной частоте.

В начале (начиная с частоты ) коэффициент передачи принимает большие значения. Затем, при увеличении частоты, заметен спад характеристики. Объясняется это тем, что в самом начале характеристики групповая скорость волны довольно высокая, волна быстро проходит расстояние между антеннами и практически не теряет энергии. С дальнейшим

8

увеличением частоты групповая скорость уменьшается, потери энергии становятся значительными, соответственно, наблюдается спад АЧХ.

Также, заметна значительная разница двух характеристик, построенных для S12 и S21. В случае S21, то есть для волн, бегущих от «входа» к «выходу»,

АЧХ принимает значительно большие значения в сравнении с АЧХ для случая

S12, то есть для волн, бегущих от «выхода» к «входу». Объясняется это тем,

что ПСВ волна «прижимается» к разным сторонам пленки (к верхней или нижней) в зависимости от направления распространения волны. Когда волна бежит от «входа» к «выходу» она прижата к верхней границе пленки,

соответственно, максимум амплитуды антенны взаимодействует с максимум магнитного поля, то есть эффективность возбуждения и эффективность приема максимальная. В случае распространения волны от «выхода» к «входу» она прижата к нижней границе пленки, соответственно,

эффективность возбуждения и эффективность приема минимальная.

При этом, также наблюдаем наборы «максимумов» и «минимумов» на характеристике. Объясняется это тем, что, несмотря на большое ослабление в аттенюаторе, наблюдается интерференционная картина, то есть синфазное или противофазное сложение волн, распространяющихся в двух плечах.

Соответственно, при синфазном сложении сигналов:

− = 2 , где = 1, 2, 3. ..

наблюдаются максимумы АЧХ.

При противофазном сложении, то есть в случае:

− = + 2 , где = 1, 2, 3. ..

наблюдаются минимумы АЧХ.

При этом, также стоит сказать о значительном «учащении» пиков

(«минимумов» и «максимумов») с увеличением частоты. Как следует из дисперсионной характеристики ПСВ, с увеличением частоты крутизна дисперсионной характеристики значительно снижается. Так как снижается

9

крутизна, то частота появления «минимумов» и «максимумов» значительно возрастает. Данное явление можно следует показать на следующем графике:

Рисунок 6 – Зависимость коэффициента пропускания от крутизны дисперсионной характеристики

То есть, рисунок 6 в явном виде показывает, что при уменьшении крутизны дисперсионной кривой заметно учащение «минимумов» и «максимумов» коэффициента пропускания, то есть расстояние между ними уменьшается c увеличением частоты.

10