Методы / Метода на лабы (основная)

5.Каковы основные параметры фильтров на СВ?

6.Как изменяется АЧХ фильтра при изменении направления намагничивания ферромагнитной пленки?

7.Поясните принцип расчета АЧХ фильтра с многоэлементными ан-

теннами.

8.Опишите конструкции синфазных и противофазных антенн. Поясните, как изменяется передаточная характеристика при использовании вместо синфазных антенн противофазных с тем же расстоянием между элементами антенн.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СВЧ ЛИНИЙ ЗАДЕРЖКИ

НА БЕГУЩИХ СПИНОВЫХ ВОЛНАХ

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 положения

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

свободной ферромагнитной пленки

ратной стороны (6).

Главными рабочими характеристиками линии задержки являются зависи-

мость времени задержки от частоты ( ) и вносимое затухание. Время задержки

( ) определяют по фазочастотной характеристике (ФЧХ) или по формуле

dVg .

21

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

мость 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-иттрие- вого граната 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 диспер-

сионные 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. 4.2, 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 силь-

ной дисперсии. Следует отметить, что ход кривых ( ) определяется толщи-

ной 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

22

(обычно в 5–10 % от центральной частоты) получать как постоянную задержку, так и линейную зависимость времени задержки от частоты.

Рис. 4.2. Схематическое изображение линий задержки на поверхностных спиновых волнах (слева) и на обратных объемных спиновых волнах (справа)

и соответствующие им качественные зависимости τ(ω).

Описание программы

В лабораторной работе используется та же программа, что и в предыдущей работе. Описание методов проведения измерения можно найти в пункте «Описание программы» лабораторной работы № 3. В данном случае основным отличием будет измеряемая характеристика. Для настройки программы в таблице «Выбор результатов» пометить время задержки.

Порядок выполнения работы

Измерьте семейства зависимостей времени задержки от частоты для трех:

различных значений толщины пленки L = 5–50 мкм;

основных направлений намагничивания;

значений расстояния до экрана a = 0–50 мкм;

различных расстояний между антеннами.

Содержание отчета

1.Цель работы.

2.Краткие теоретические сведения.

23

3.Полученные в ходе моделирования результаты.

4.Пояснения, описывающие причины наблюдавшихся изменений промоделированных характеристик.

5.Вывод по полученным результатам.

Контрольные вопросы

1.Какие основные типы линий задержки существуют?

2.Чем определяется максимальное время задержки дисперсионных линий задержки?

3.Каковы основные методы создания бездисперсионных линий за-

держки?

4.Каковы основные рабочие характеристики линий задержки на спиновых волнах?

5.Как влияют геометрические размеры волноведущей среды на рабочие характеристики линии задержки?

6.Как влияет направление намагничивания ферромагнитной пленки на рабочие характеристики линии задержки?

7.Как учитывается АЧХ линии задержки в расчете ее рабочих характе-

ристик?

8.Как изменится зависимость времени задержки от частоты, если использовать металлизированную ферромагнитную пленку?

9.Опишите конструкцию линии задержки на бегущих волнах.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5. ИЗМЕРЕНИЕ ДИСПЕРСИИ СПИНОВЫХ ВОЛН МЕТОДОМ

ИНТЕРФЕРЕНЦИИ

Целью лабораторной работы является экспериментальное исследование дисперсионной характеристики поверхностных спиновых волн (ПСВ) методом интерференции и определение параметров волноведущей структуры.

Основные 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 (рис. 5.1).

24

При поперечном распространении характеристическое уравнение принимает вид:

kx2 ky2 0 .

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

Эти значения равны

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 объ-

емных содержит лишь одну дисперсионную кривую ky (5.1), которая

начинается в точке , лежит выше спектра объемных СВ и имеет поло-

жительную групповую скорость. Легко показать, что групповая скорость ПСВ равна

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. 5.2, состоит из делителя, спин-волнового фазовращателя, аттенюатора и сумматора. Принцип работы интерферометра следующий.

На вход делителя подается СВЧ монохроматический сигнал, где он де-

лится и передается на входы фазовращателя и аттенюатора. Мощность СВЧ-

25

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

определяемое передаточными характеристиками фазовращателя и аттенюа-

тора. Передаточные характеристики аттенюатора и фазовращателя подбира-

ются 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 ( e 0 ). Фазовый набег во втором плече

( sw 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 сигна-

лов, они будут складываться синфазно, противофазно или с некоторым проме-

жуточным соотношением фаз. Изменяя частоту входного сигнала или пара-

метры спин-волнового фазовращателя, можно изменять величину набега фазы в одном из плеч и, следовательно, управлять мощностью выходного сигнала.

Рис. 5.2. 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 методом интерферометрии можно исследовать дисперсионные характеристики волн другой

26

Рис. 5.4. АЧХ интерферометра (а) и ФЧХ фазовращателя в цепи интерферометра (б)

характеристики представлен на рис. 5.3. Частота начала полосы возбуждения ПСВ соответствует . По полученной АЧХ можно определить значение напряженности постоянного магнитного поля при условии M0 1750 Гс.

27

На втором этапе исследуется АЧХ интерферометра. Для этого коэффициент ослабления аттенюатора уменьшается до величины примерно 40 дБ. На рис. 5.4, а представлен общий вид АЧХ интерферометра. Из рисунка видно, что АЧХ состоит из набора минимумов и максимумов. Минимумы характеристики будут соответствовать противофазному сложению сигналов из плечейsw e 2 n , максимумы – синфазному ( sw e 2 n), где n 1, 2, 3...

Поскольку фазой электромагнитной волны можно пренебречь, то в случае противофазного сложения sw 2 n , в случае синфазного sw 2 n . Ис-

пользуя эти зависимости, можно построить ФЧХ спин-волнового фазовращателя. На рис. 5.4 графически показан метод построения ФЧХ. Как известно, набег фазы бегущих волн связан с волновым числом соотношением sw kd ,

где k – волновое число, а d – расстояние, которое проходит волна. 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.

Порядок выполнения работы

1.Соберите схему интерферометра с переменным аттенюатором в одном плече и спин-волновым фазовращателем на ПСВ в другом.

2.Измерьте АЧХ фазовращателя.

3.Измерьте АЧХ интерферометра.

4.По полученным данным постройте экспериментальную дисперсионную характеристику.

5.Путем подбора параметров пленки и условий проведения экспери-

мента (напряженности магнитного поля Н, намагниченности насыщения M0 ,

толщины пленки L) постройте соответствующую теоретическую зависимость.

Содержание отчета

1.Цель работы.

2.Краткие теоретические сведения.

3.Исходные параметры.

4.Графики экспериментально полученных характеристик.

5.График рассчитанных характеристик.

6.График сравнения экспериментальных и расчетных характеристик.

7.Вывод по полученным результатам.

28

Контрольные вопросы

1.Как распределен потенциал ПСВ по толщине ферромагнитной

пленки?

2.Как влияет расстояние между входной и выходной антеннами на АЧХ фазовращателя и интерферометра?

3.Как изменяется АЧХ фазовращателя и интерферометра, если направление магнитного поля сменить на противоположное?

4.Запишите формулу для законов дисперсии ПСВ в ферромагнитных пленках. Поясните значения обозначений, используемых в формуле.

5.Поясните влияние параметров пленки и напряженности магнитного поля на трансформацию дисперсионной характеристики ПСВ.

6.Изобразите схему интерферометра, поясните назначение каждого элемента схемы.

29

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Вашковский А. В., Стальмахов В. С., Шараевский Ю. П. Магнитостатические волны в электронике сверхвысоких частот. Саратов: СГУ, 1993.

Калиникос Б. А., Устинов А. Б., Баруздин С. А. Спин-волновые устройства и эхо-процессы / под ред. В. Н. Ушакова. М.: Радиотехника, 2013.

Устинов А. Б., Калиникос Б. А. Свойства спиновых волн в тонких ферромагнитных пленках. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011.

Stancil D. D., Phabhakar A. Spin Waves: Theory and applications. New York: Springer, 2009.

30