Лабы Кондрашов / Лаба 4 / 0207_lab4_Маликов

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью лабораторной работы является исследование передаточных характеристик СВЧ-фильтра, построенного на бегущих СВ, а также ознакомление с основными принципами конструирования спин-волновых фильтров по заданным техническим характеристикам.

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Фильтрация является одной из главных функций обработки сигнала.

Конструкции фильтров на распространяющихся СВ чаще всего используют многоэлементные антенны (в частном случае – периодические), а также волноведущие пленочные структуры. Типичная конструкция спин-волнового фильтра показана на рисунке 1. Основным элементом СВЧ-фильтра на бегущих СВ является тонкая ферромагнитная пленка, выращенная на диэлектрической подложке:

Рисунок 1 – Спин-волновой фильтр с многоэлементными антеннами: 1 –

ферромагнитная пленка, 2 – диэлектрическая подложка

Выведем выражение для частотной характеристики передачи сигнала спин-волновым фильтром на многоэлементных микрополосковых антеннах.

Рассмотрим процесс формирования амплитудно-частотной характеристики

(АЧХ) на простейшем примере фильтра, когда входная антенна содержит всего два элемента, а выходная является одноэлементной. Будем считать, что расстояние между антеннами равно 0, а расстояние между элементами входной антенны равно s. Сигнал, поданный на входную антенну, запишем в

2

виде ( ) = . Выходной сигнал можно найти как сумму СВ,

излучаемых элементами входной антенны. Каждая волна будет иметь одну и ту же частоту ω, но разные набеги фаз 0 и (0 + ), то есть:

Определяя частотную характеристику фильтра как отношение выходного и входного сигналов ̇= / , на основании (1) получаем:

АЧХ определяется частотной зависимостью модуля выражения (2). Она равна:

| ̇( )| = 2cos( 2 )

Если учесть потери при распространении СВ между входной и выходной антеннами на пути d0 и для упрощения пренебречь потерями на пути s, то АЧХ запишется в виде:

| ̇( )| = 2−′′ 0cos( ′ ) 2

На рисунке 2 представлена частотная зависимость | ̇( )|, совмещенная с дисперсионной характеристикой ( ). Для построения АЧХ выбран случай СВ с положительной дисперсией. Физически пульсации | ̇( )| можно объяснить как результат интерференции двух СВ, приходящих от каждого из элементов входной антенны на выходную. При изменении частоты разность фаз между этими волнами меняется, и они интерферируют то в фазе ( = , n = 0, 2, 4, …), то в противофазе ( = , n = 1, 3, 5, …). Из-за нелинейности дисперсионной характеристики ширина полос пропускания уменьшается с ростом частоты.

3

Рисунок 2 – Формирование АЧХ-фильтра с многоэлементными антеннами

Характеристика | ̇( )| на рисунке 2 представляет собой набор полос пропускания и заграждения. Как ясно из рисунка, ширина этих полос определяется крутизной дисперсионной характеристики ( ) и величиной расстояния между элементами антенн СВ s. Подбирая толщину пленки L, то есть крутизну дисперсионной характеристики и расстояние между элементами антенны, можно регулировать ширину полос пропускания в широких пределах

(в сотни раз).

Использование антенн более сложных конструкций позволяет регулировать положение полос пропускания относительно дисперсионной характеристики.

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 обозначений,

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 кубической анизотропии, Э;

Нu – поле одноосной анизотропии;

5

dH – ширина линии ферромагнитного резонанса, Э;

Т – температура, оС;

fi – азимутальный угол внешнего магнитного поля, град;

teta – полярный угол внешнего магнитного поля, град;

f0 – азимутальный угол 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-й антенны, мкм;

si – смещение i-й антенны, мкм;

di – зазор пленка–антенна,> a.

6

Анализируя передаточную характеристику СВЧ-фильтра при различных значениях толщины пленки (рис. 4), делаем следующие выводы:

В первую очередь обратимся к закону дисперсии ПСВ:

22 = ( + ) + 4 (1 − −2)

Построим дисперсионную характеристику, а также передаточную характеристику СВЧ-фильтра для разных толщин пленки (L1 и L2 > L1):

7

ω

Рисунок 5 – Передаточная характеристика СВЧ фильтра, построенная на основании дисперсионной характеристика ПСВ

Опираясь на рис. 5 можем сказать, что толщина пленки в значительной степени влияет на передаточную характеристику СВЧ-фильтра. Так, более

«толстая» пленка имеет более «крутой» характер дисперсионной кривой

(следует из закона дисперсии ПСВ, приведенного выше), то есть, групповая скорость в случае «толстых» пленок выше, коэффициент пропускания A также выше. Также, важно уточнить, что вне зависимости от толщины пленки существует критерий предельной ширины полосы возбуждения, который определяется как:

2=

где w – ширина полоска (антенны).

Отсюда следует, что волны короче полоска возбуждать невозможно,

соответственно, передаточная характеристика фильтра зависит от значения. То есть, значению для двух толщин пленок (рис. 5) соответствуют два значения частоты: ωmax1 и ωmax2, которые и определяют предел передаточной характеристики. Так как более «толстая» пленка имеет более

«крутую» характеристику, то и значение частоты ωmax будет находиться в

8

более высокочастотной области: ωmax2 > ωmax1, то есть передаточная характеристика «толстых» пленок значительно шире. При этом, передаточная характеристика для двух толщин пленки начинается с частоты , которая в нашем случае равна: = 6,95 ГГц.

9

Анализируя передаточную характеристику СВЧ-фильтра при различных значениях напряженности внешнего магнитного поля (рис. 5), делаем следующие выводы:

Как было рассмотрено в предыдущем пункте, передаточная характеристика СВЧ-фильтра начинается с частоты , которая вычисляется как:

= √Н(Н + ), где Н = 20, = 20

То есть, изменяя значение величины напряженности внешнего магнитного поля мы также изменяем частотный диапазон полосы пропускания

10