автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Анализ и синтез интегральных магнитоуправляемых радиотехнических устройств на ферритовых резонаторах

на правах рукописи

Хвалин Александр Львович

Анализ и синтез интегральных магнитоуправляемых радиотехнических устройств на ферритовых резонаторах

05.12.04 Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Р 3 АПР 2014

Самара-2014

005546663

005546663

Работа выполнена в ОАО «Институт критических технологий», г.Саратов

Официальные оппоненты:

Ильин Евгений Михайлович, д.ф.-м.н., ведущий аналитик Инновационного технологического центра КНП МГТУ им. Н.Э.Баумана, профессор, академик Академии информатизации

Козырев Андрей Борисович, д.т.н., профессор Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Тихонов Владимир Васильевич, д.ф.-м.н., профессор кафедры иннова-тики факультета Нано- и биомедицинских технологий ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского»

Ведущая организация— Саратовский филиал учреждения Российской академии наук института радиотехники и электроники им. В.А. Ко-тельникова РАН

Защита состоится 06 июня 2014 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д219.003.01 на базе ФГОБУ ВПО «Поволжский государственный Университет телекоммуникаций и информатики» по адресу 443010, г.Самара, ул.Льва Толстого, 23

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке 111 УТИ.

Автореферат разослан « ^ » Мсц^тя 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.ф.-м.н.

Антипов Олег Игоревич

Общая характеристика работы Актуальность темы

Устройства, управляемые при помощи внешнего постоянного магнитного поля, широко используются уже более 50 лет. В настоящее время, в связи с требованиями по миниатюризации изделий современной электроники, существует ряд областей использования магнитоуправляемых устройств, для которых масс- габаритные характеристики становятся определяющими. В диссертационной работе решаются задачи, связанные с интеграцией магнитоуправляемых устройств активного типа, содержащих преобразователь индукции магнитного поля в электрический сигнал и схему его обработки.

В связи со значительной степенью интеграции полупроводниковых элементов, определяющими факторами для интеграции магнитоуправляемых устройств являются тип и конструкция преобразователя индукции магнитного поля.

Известны преобразователи индукции магнитного поля различных типов- магнитомеханические, индукционные, Squid-, гальваномагнитные (на эффекте Холла), магниторезонансные (квантовые), магниторезистивные, феррозондовые и пр. Несмотря на то, что некоторые типы преобразователей имеют высокую чувствительность к магнитному полю (пикотесла и даже десятки фемтотесла), их масс- габаритные и эксплуатационные характеристики, как правило, не допускают использование в интегральных устройствах .

В известных на сегодняшний день магнитных интегральных схемах используются преобразователи индукции магнитного поля на основе эффекта Холла, либо магниторезистивного эффекта, что обеспечивает чувствительность к магнитному полю порядка единиц мил-литесла. Зарубежные фирмы (Honeywell, Melexis, Allegro Microsystems, Micronas Intermetall, Siemens, Analog Devices, и др.) производят в год несколько миллиардов штук таких изделий! Отдельные разработки интегральных устройств на основе магниторезистивных преобразователей по технологии «система на кристалле» выполнены в 2007- 2010 гг. НПО «Интеграл» (Белоруссия).

Необходимо отметить, что, несмотря на значительный вклад в развитие этого научно- технического направления ряда отечественных исследователей: O.K. Хомерики, В.И. Стафеева, А.Н. Марченко, Г.А. Егиазаряна, М.М. Мирзабаева, Ю.В. Афанасьева, Д.И. Агейкина, M.JI. Бараночникова и многих других, в настоящее время российский рынок электронных компонент представлен только магнитными интегральными схемами зарубежного производства.

Известные магнитные интегральные схемы при невысокой цене и простоте изготовления имеют, однако, существенный недостаток, связанный с ограничениями по чувствительности к магнитному полю, что сужает области их применения. Кроме того, на их выходе

формируется сигнал постоянного тока, требующий использования дополнительных схем обработки.

В диссертационной работе проведены исследования и представлены методы проектирования и оптимизации магнитоуправляемых ферритосодержащих устройств широкого применения. Работа содержит научные и технические решения по разработке новых активных и пассивных интегрированных схем с существенно улучшенными параметрами. Для разработки и создания устройств в радиотехнических диапазонах частот использован новый принцип работы магнитоуправляемых интегрированных систем и устройств, заключающийся в применении в качестве магниточувствительных элементов резонаторов на основе железо- иттриевого граната (ЖИГ) и интеграции с высокочастотной схемой обработки в единую микросборку - интегральное магнитоуправляемое устройство (ИМУ).

Представленные в работе решения научных и технических проблем, связанные с использованием в ИМУ ферритовых резонаторов, позволяют выполнить разработку радиотехнических устройств для генерирования, усиления, преобразования радиосигналов, создают методики моделирования и основы проектирования интегрированных схем новых поколений с повышенной чувствительностью к магнитному полю (до единиц нанотесла), позволяющие осваивать новые для магнитных интегральных схем частотные диапазоны с верхними границами от сотен мегагерц до десятков гигагерц.

Актуальность создания ИМУ на основе ферритовых материалов связана с требованиями миниатюризации электронных компонент, возможностью получения существенно улучшенных параметров по сравнению с известными магнитными интегральными схемами, с необходимостью совместимости конструкций устройств с современными технологиями производства [1]. Такие устройства могут применяться в качестве элементной базы для решения задач навигации, обнаружения и диагностики ферросодержащих тел, при создании управляемых генераторов шумоподобных сигналов, перестраиваемых активных фильтров, датчиков магнитных полей и различных механических величин (ускорения, вибрации, сейсмодатчиков) и пр.

Актуальность теоретического раздела диссертации связана с исследованиями полосовых доменных структур (ПДС) в эпитаксиаль-ных структурах (плёнках) ЖИГи необходимостью уточнения характеристик устройств на их основе, работающих в ненасыщенных режимах (в слабых магнитных полях).

В связи с изложенным, представляется актуальным проведение исследований по интеграции ЖИГ резонаторов с кристаллами базовых транзисторов.

Объектом исследований являются ИМУ активного типа, включающие транзисторные схемы и ферритовые структуры. Рассматриваются ИМУ на полевых (МУПТ) и биполярных (МУБТ)

транзисторах, параметры которых управляются при помощи внешнего магнитного поля. Управление от магнитного поля достигается путём интеграции кристалла транзистора с микрополосковым преобразователем индукции магнитного поля, представляющим собой участок линии передачи с включённым в него ферритовым резонатором. Задачи расчёта характеристик и разработки конструкций преобразователей индукции магнитного поля представляют собой самостоятельные и сложные научно- технические проблемы. Рассматриваются два основных типа ферритовых (ЖИГ) резонаторов: сферические и плёночные. На выходе преобразователя индукции магнитного поля формируется сигнал в одном из диапазонов частот в зависимости от технических требований к ИМУ. Центральная частота и вид спектра ИМУ (монохроматический, сетки частот, шумоподобный) управляются при помощи внешнего постоянного магнитного поля. Информация о величине индукции внешнего магнитного поля содержится в значении частоты выходного сигнала, что имеет ряд преимуществ: возможность перевода информации в цифровой вид с последующей обработкой, расширение рабочих диапазонов ИМУ, по сравнению с известными интегральными схемами, в области УВЧ, СВЧ и пр.

В диссертационной работе на основе созданных алгоритмов анализа и синтеза разработаны конструкции ИМУ с ЖИГ резонаторами с чувствительностью к магнитному полю порядка единиц нанотес-ла; проведены экспериментальные исследования характеристик ИМУ в диапазонах УВЧ, СВЧ; проведены исследования по созданию интегрированных радиотехнических схем нового типа с существенно улучшенными параметрами: датчиков магнитного поля, механических смещений, диагностики и обнаружения ферросодержащих тел.

Цель работы:

Создание магнитоуправляемых радиотехнических устройств в интегральном исполнении с повышенной чувствительностью к магнитному полю на основе решения задач анализа и синтеза преобразователей индукции магнитного поля на ЖИГ резонаторах и электронных схем на полевых и биполярных транзисторах.

Основные задачи исследования:

1 Разработка метода анализа доменных структур в ферритовых плёнках для поиска энергетически оптимальных распределений вектора намагниченности в полосовых доменах и определения эффективной намагниченности плёночных ферритовых резонаторов в ненасыщенных состояниях.

2 Разработка моделей преобразователей индукции магнитного поля на сферических и плёночных ферритовых резонаторах, усилительных и генераторных схем на полевых и биполярных транзисторах и создание программ расчёта интегральных магнитоуправляемых устройств.

3 Создание микрополосковых конструкций интегральных магнитоуправляемых радиотехнических устройств с повышенной чув-

ствительностью к магнитному полю на основе решения задач их анализа и синтеза.

4 Экспериментальные исследования интегральных магнитоуправляемых устройств в диапазонах УВЧ, СВЧ в усилительных, генераторных, шумоподобных режимах.

5 Теоретические оценки и экспериментальные исследования влияния на интегральные магнитоуправляемые устройства механических и температурных воздействий.

6 Теоретические и экспериментальные исследования интегральных магнитоуправляемых устройств по их практическому использованию в качестве датчиков различного назначения.

Методы исследования: Исследования основывались на методах расчёта магнитостатических полей, методах расчёта характеристик магнитостатических волн в ЖИГ плёнках, методах теории вероятностей и математической статистики, численных методах решения уравнений, методах оптимизации, методах интерполяции.

Научная новизна работы:

1 С использованием понятия магнитного диполя, создан метод анализа плёночных ферритовых резонаторов, учитывающий магнитную доменную микроструктуру.

2 На основе решения задач анализа и синтеза исследованы закономерности распределения векторов намагниченности в ПДС, предложена обобщённая модель ПДС в плёнках ЖИГ.

3 Предложено объяснение возникновения тонкой полосовой доменной структуры, наблюдаемой экспериментально и вызванной энергетически выгодными периодическими отклонениями векторов намагниченности от плоскости плёнки ЖИГ.

4 Созданы технологичные конструкции интегральных магнитоуправляемых радиотехнических устройств на отечественной элементной базе, которые использованы при создании функционально законченных устройств.

5 Проведены исследования по применению в ИМУ эпитаксиальных плёночных структур ЖИГ с расширенным диапазоном намагниченности насыщения 4тгМ8 от 100 до 1759 Гс.

Практическая значимость результатов:

1 Разработанные методы анализа и оптимизации позволяют моделировать магнитную микроструктуру доменов и их границ для ЖИГ резонаторов с различными формами и размерами при проектировании конкретных устройств.

2 Метод анализа на основе предложенной обобщённой модели ПДС в плёнках ЖИГ позволяет определить эффективную намагниченность ЖИГ резонаторов в ненасыщенных состояниях и получить их уточнённые дисперсионные характеристики.

3 Научные и технические решения, представленные в диссертации, создают теоретические и практические основы для разработки радиотехнических устройств нового типа- ИМУ с чувствительностью к магнитному полю до единиц нанотесла.

4 Использование ферритовых резонаторов при разработке ИМУ позволяет создавать магнитные интегральные схемы в радиотехнических диапазонах частот с новыми функциональными возможностями: синтезаторы частот, датчики магнитного поля с частотным выходом, управляемые активные фильтры, малогабаритные генераторы шума и сеток частот и пр.

5 Созданы топологии ИМУ в радиотехнических диапазонах частот на полевых и биполярных транзисторах, которые могут применяться для: решения задач навигации, дефектоскопии; построения: датчиков магнитных полей с повышенной чувствительностью, датчиков малых механических смещений; управляемых генераторов гармонических сигналов, шума, сеток частот; измерительных систем и пр.

Впедрение результатов диссертационной работы:

1 На разработанные прикладные программы получены три Свидетельства Роспатента об официальной регистрации в Реестре программ для ЭВМ;

2 На разработанные элементы конструкций ИМУ получены пять патентов РФ на изобретения.

3 Предложенные в диссертации методы анализа и синтеза, программное обеспечение, а также конструкции ИМУ использованы при проведении НИР «Срез- 2002», «Испанка», «Алгоритм».

4 Материалы диссертации внедрены в учебный процесс на физическом факультете Саратовского государственного университета, изданы 7 учебно- методических пособий [28-30] и 6 статей по обучению САПР [53-55,57, 58] для студентов и аспирантов физических специальностей. Достоверность и обоснованность научных положений и выводов диссертации подтверждается расчетами на компьютерных моделях, анализом полученных теоретических результатов и сравнением их с результатами экспериментальных исследований образцов ИМУ, созданных на основе расчётов.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту: 1. В ненасыщенных состояниях, при значениях толщины плёнок железо- иттриевого граната более 1 мкм, энергетически выгодными являются такие распределения векторов намагниченности, в которых вдоль полосового домена происходят их периодические отклонения разных знаков в азимутальной и полярной плоскостях, что позволяет создать обобщённую модель полосовых доменов, объяснить возникновение в них тонкой структуры, наблюдаемой экспериментально, и определить значение эффективной намагниченности ферритового резонатора в слабых магнитных полях.

2. Разработанные схемотехнические и электродинамические модели и соответствующие программы расчёта интегральных магнитоуправляемых радиотехнических устройств и их основных элементов: преобразователей индукции магнитного поля на сферических и плёночных ферритовых резонаторах, усилительных и генераторных схем на полевых и биполярных транзисторах.

3. Новый тип интегральных магнитоуправляемых радиотехнических устройств на сферических и плёночных ферритовых резонаторах с повышенной чувствительностью к магнитному полю (до единиц нано-тесла) и расширением рабочих частот до диапазонов УВЧ, СВЧ по сравнению с интегральными схемами на гальваномагнитном и магниторезистивном эффектах.

4. Монолитные и квазимонолитные конструкции интегральных магнитоуправляемых радиотехнических устройств с использованием отечественной элементной базы, для которых проведены теоретические оценки возможностей их практического использования и влияния на них механических и температурных воздействий.

5. Созданные конструкции интегральных магнитоуправляемых радиотехнических устройств на сферических и плёночных ферритовых резонаторах теоретически и экспериментально исследованы в усилительном, генераторном, шумоподобном режимах в диапазонах УВЧ, СВЧ.

6. Разработанные интегральные магнитоуправляемые радиотехнические устройства использованы в качестве базовых элементов в датчиках магнитного поля, механических смещений, датчиках для диагностики и обнаружения ферросодержащих тел.

Апробация результатов работы.

Результаты исследований, составляющих основное содержание работы, докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Направления развития электронного приборостроения», г.Саратов, 18-19 февраля 2003, ОАО «НЛП «Контакт»; Всероссийской научно-практической конференции представителей органов по аттестации, аккредитованных в Системе сертификации Гостехкомиссии России и организаций-лицензиатов, г. Саратов, РАЦ «Тантал», 25 - 27 июня 2003 г.; Международной научно-технической конференции «Радиотехника и связь», г.Саратов, 2005 г., Научно- методической конференции «Методическое обеспечение профессионального саморазвития преподавателей», г.Саратов, 29.11.2006, Научно- техническом совещании «Теоретическая и экспериментальная отработка параметров магнитотранзисторов в УВЧ диапазоне» КБ критических технологий ОАО «Тантал», г.Саратов, 20.07.2007 г., VIII международной научно- практической конференции «Бпу уёс1у - 2012», Чехия, г.Прага, апрель 2012.

Публикации

Результаты проведённых исследований опубликованы в одной монографии, одной статье в международном издании, 22

статьях в рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК при Министерстве образования и науки РФ, 28 статьях в межведомственных сборниках, 5 патентах на изобретения, 3 прикладных программах, включённых в Реестр программ для ЭВМ, 3 учебно- методических пособиях, 6 тезисах докладов, 12 научно-технических отчётах по НИР.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, 4 приложений и списка литературы. Общий объем текста включает 312 страниц, 152 рисунка и 40 таблиц. Список литературы состоит из 320 наименований.

Содержание работы Во введении дано краткое содержание работы, обоснование актуальности темы, сформулированы цели и основные задачи исследования, введены основные понятия, термины, обоснованы научная новизна и практическое значение работы.

Глава 1 «Исследования в диапазонах УВЧ, СВЧ по созданию интегральных магнитоуправляемых устройств» содержит результаты анализа отечественных и зарубежных источников информации о принципах построения магнитоуправляемых устройств. Найдены и проанализированы более 100 патентов по данной тематике за период с 1967 г. по настоящее время, представлены прототипы разрабатываемых устройств [31- 33].

Также в главе I проведены исследования ЖИГ резонаторов в ненасыщенных состояниях с учётом их доменной структуры.

Плёночные ЖИГ резонаторы могут использоваться в ИМУ, поскольку они компактны, технологичны и легко совмещаются с полупроводниковым кристаллом в одном корпусе. Представляет интерес использование резонаторов в ненасыщенном режиме (в слабых магнитных полях), поскольку при этом существенно упрощается (или вообще исключается) дополнительная система подмагничивания, что улучшает масс- габаритные характеристики ИМУ. Однако, в таких режимах ЖИГ имеет микродоменную структуру, что существенно усложняет решение задачи анализа.

В диссертации, на примере решения известной задачи анализа доменной границы между двумя доменами 1 и 2 (рис.1), предложен метод анализа доменных структур различных типов в плёнках ЖИГ с использованием понятия магнитного диполя. Исследуемый объем плёнки ЖИГ (рис. 1) разбивается трехмерной сеткой на элементарные объемы, с размерами Ах, Ду, Аг.

Полагаем, что ось легкого намагничивания (ОЛН) направлена вдоль оси X. В доменах 1 и 2 векторы М, магнитных моментов элементарных объемов (магнитные диполи) направлены в противоположные стороны вдоль ОЛН, т.е. на общей границе доменов возникает 180-градусный поворот вектора

намагниченности (180-градусная доменная граница). В зависимости от направления поворота вектора намагниченности большинство исследователей рассматривают два основных типа доменных границ

(ДГ): по Неелю и Блоху. При создании модели ДГ учитывались следующие виды энергии: магнитостатическая, обменного взаимодействия и магнитной анизотропии. Скалярный магнитостатический потенциал, созданный г-м магнитным диполем в заданной точке наблюдения выражается следующим образом:

где Кп и Яг1 - расстояния от магнитных зарядов, составляющих магнитный диполь, до точки наблюдения .

Магнитостатический потенциал Ч* в месте расположения /-го диполя ДГ определяется суммой потенциалов, создаваемых всеми остальными диполями границы и доменами 1 и 2. Функция Ч/ позволяет найти три компоненты вектора напряженности магнитного поля Н в элементарном объеме. Воспользуемся выражением, связывающим Н со скалярным магнитостатическим потенциалом Ч*,

Н = -^ас№.

Магнитостатическая энергия (ДГ равна сумме энергий отдельных диполей в магнитном поле, создаваемом доменами 1, 2 и всеми остальными диполями в границе (соответствующие индексы опущены):

К, = -0,5 ■ ■ Нх + Мх ■ Нх + Мх ■ Нх) ■

Объемная плотность энергии магнитной анизотропии соА для кубического кристалла определяется следующим образом [2]:

а>А= К^ (а^ ■ а\ +а1 - а] + а32 - а,2) = Кх -0,5 • (1 - а,4 - а* -а34), где аь а2, а3 — косинусы направляющих углов вектора магнитного момента с ОЛН. Поскольку рассматриваем одноосный кристалл, а2 и а3 полагаем равными нулю, К\ — константа магнитной анизотропии.

Абсолютная величина энергии анизотропии ДГ

определяется путем суммирования по всем элементарным объемам:

= 2соа,АХДуАг.

Объемная плотность энергии обменного взаимодействия соо6 для кубического кристалла определяется следующим образом [1]: соо6= ^.[(Уа,)2 + (Уа2)2+(Уа3)2)],

Домен 2 Граница Домен 1

Рис. 1. Разбиение доменов и доменной границы на элементарные объемы

где V — оператор Гамильтона в декартовой системе координат; А— константа обменного взаимодействия.

Абсолютная величина энергии обменного взаимодействия ДГ определяется путем суммирования по всем элементарным объемам:

Кб = Х^АхЛуД,.

Таким образом, полная энергия ДГ определяется суммой трех видов энергий

а поверхностная плотность энергии ДГ

Ж

а =--

На основе решения одномерной задачи оптимизации ГШП Ю, (5" ) при варьировании толщины ДГ Г.?,,,) определяется значение толщины, соответствующее минимуму плотности энергии (т.е. целевой функции) (У,.

В работе приведены относительные плотности энергии и относительные толщины ДГ по Неелю и Блоху в зависимости от относительной толщины пленки ЖИГ [21], которые согласуются с результатами ряда известных монографий (например, Б.Н.Филиппов, А.П.Танкеев Динамические эффекты в ферромагнетиках с доменной структурой, М.: Наука, 1987, 216 с.) и подтверждают достоверность предложенного метода анализа.

Предложенный в работе численный метод позволяет решать задачи анализа ДГ для доменных структур ограниченных размеров, в то время как в большинстве работ по доменным структурам используется приближение бесконечного образца. Метод позволяет проводить анализ субмикронных пленок, интерес к которым в последнее время существенно возрос в связи с развитием нанотехнологий. На основе разработанного метода проведено моделирование магнитной микроструктуры полосовых доменов в плёнках ЖИГ.

На рис.2 показана фотография ПДС, полученная экспериментально с помощью магнитооптического метода в НИИ Материаловедения, г.Зеленоград. Следует обратить внимание на тонкую структуру (ТС) ПДС, которая проявляется в виде тонких тёмных поперечных полос на светлом фоне ПДС, и, очевидно, связана с Наличием микродоменов, имеющих различные нормальные составляющие векторов намагниченности.

Исследование ТС имеет важное практическое значение, поскольку позволяет объяснить магнитную микроструктуру ПДС и уточнить параметры ПДС при проектировании ряда устройств (резонаторов, фильтров, подавителей шума и пр.).

В опубликованной в 2010 г. статье Локка Э.Г. и др. (РАН ИРЭ, г.Фрязино) предложено объяснение появления ТС, которое сводится к влиянию дислокаций в кристалле ЖИГ и наведённой (ростовой) анизотропии. Однако теоретическая модель этого явления

отсутствует.

В диссертационной работе проведено моделирование ТС ПДС на основе решения задач анализа и синтеза распределения векторов намагниченности в ПДС. В настоящей работе предлагается подход, позволяющий объяснить появление ТС в рамках единой обобщённой модели ПДС. Для решения задачи анализа ПДС представляется в виде системы магнитных диполеи (^векторов магнитных моментов в соответствующих элементарных объёмах). Порядковый номер элементарного объёма при разбиении ДС на элементы вдоль осей ОХ, ОУ, 02 задаётся

с помощью индексов г,],к (/ = 1,Nх;у = 1, Nу;к = 1,Ыг), соответственно. На рис. 3 показан вектор магнитного момента М элементарного объёма. Ориентация векторов М в микродоменах (элементарных объемах на рис.1) задаётся с помощью углов (азимутального (р(ц у, к) и полярного ,9(/, у, к) на рис. 3) и выбирается из общефизических рассуждений, представленных в ряде классических работ. Для выявления тенденций в эволюции доменной структуры при изменении толщины плёнки необходимо решить задачу оптимизации микродоменной структуры ПДС, т.е. найти закономерности в распределении векторов магнитных моментов при независимом изменении азимутального ф(г, у, к) и полярного <9(/, у, к) углов в каждом элементарном объёме, входящем в состав ДС.

Задача оптимизации решается методом случайного поиска и формулируется следующим образом. В каждом микродомене для каждого набора индексов (/, у, к) поочерёдно и независимо от других изменяются азимутальный

ср{1,],к) и полярный 3(г,у,к) углы соответствующего вектора магнитного момента. Затем решается задача анализа изменённой ДС и определяется значение целевой функции (полной энергии ДС). Необ-

Рис. 2. Фотография ПДС в плёнке ЖИГ толщиной 10 мкм.

Рис. 3. Магнитный момент М элементарного объёма.

ходимо для различных значений толщины плёнки ЖИГ найти оптимальное распределение векторов магнитных моментов в элементарных объёмах ДС, соответствующее минимуму целевой функции, объемной плотности энергии в доменной структуре:

min cd2 (Wa, 1Д, <p{i, j, к), S(i,j,k)),i = l,Nx;j = l,Ny;k = \,Nz-

Задача оптимизации распределений магнитных моментов в ДС решена для плёнок ЖИГ с намагниченностью насыщения 4jiMs =1759 Гс в широком диапазоне толщин: от субмикронных (б?=0.001мкм) до относительно толстых плёнок (<£=100.0 мкм).

Y

yfldl

y(J)

Z

ZI10)

1(5)

2(1)

О

1(5)

1(10) х

О

Я.10) ^

Рис. 4. Результаты решения задачи оптимизации направлений векторов магнитных моментов в центральных сечениях полосового домена для плёнки ЖИГ толщиной ¿/=30.0 мкм

На рис. 4 представлены типичные распределения векторов магнитных моментов в элементарных объёмах в средних сечениях ДС (в плоскостях Х02 и ХОУ), полученные в результате решения задачи оптимизации. Видно, что при перемещении вдоль полосового домена векторы намагниченности имеют периодические отклонения от исходного направления (оси ОХ) в азимутальной и полярной плоскостях.

Приведённые выше результаты позволяют сделать следующий вывод. Наблюдаемая в эксперименте строгая периодичность ТС, кроме дислокаций кристаллической решётки и наведённой анизотропии, может быть объяснена энергетически выгодными периодическими отклонениями векторов намагниченности в азимутальной и полярной плоскостях в направлении вдоль полосовых доменов.

В результате проведённых исследований предложена обобщённая модель микродоменной структуры (рис. 5). _ _ _ _

О

: а)

О sto

Рис. 5. Проекции векторов магнитных моментов в сечениях ДС в плоскостях: а) ХОУ; б) Х02; в) 7.0У

На рис. 6 показано распределение векторов намагниченности в традиционной модели ПДС (см. С.Тикадзуми Физика ферромагнетизма. Мир. 1987. 420 е.), которая предполагает отклонение векторов магнитных моментов от оси ОХ только в плоскости ZOX. Однако из рис. 6 следует, что вне плёнки ЖИГ при этом должны появиться не-скомпенсированные магнитные поля в направлении оси OY, приводящие к увеличению полной магнитной энергии ПДС. Результаты численных экспериментов по обобщённой модели и качественные рассуждения на основе решения задач оптимизации (см. рис. 4) позволяют сделать вывод о необходимости введения чередующихся отклонений векторов магнитных моментов в микродоменах от оси ОХ в обеих плоскостях: ZOXmXOY.

Y

5Ü+1)'

yljl '

У(Н)

о х а) С) УЧ-11 yö> №1) лгкуу б)

Рис. 6. Проекции векторов магнитных моментов в сечениях ДС в традиционной модели ПДС (по С.Тикадзуми) в плоскостях: а) XOY; б) ZOY. Стрелками показаны направления магнитных моментов в соседних полосовых доменах

Сравнительный анализ моделей ПДС в показывает, что в предложенной модели (рис.5) поперечные составляющие векторов намагниченности в соседних микродоменах компенсируют друг друга внутри объёма плёнки ЖИГ, соответствующие магнитные поля не выходят за пределы плёнки, и, очевидно, предложенная модель, в отличие от традиционной (рис.6), в большей степени соответствует общим представлениям о стремлении физических систем к переходу в состояния с минимальной энергией.

Таким образом, азимутальный (р и полярный 3 углы в микродоменах определяются следующим образом:

<p(i, j,k)-n/2 + ИГ'4*) • А9; W, j,к) = (-l/,+i+4) • A3

На основе обобщенной модели ПДС для различных значений толщины плёнки ЖИГ решены задачи оптимизации по определению оптимальных параметров «тонкой структуры» ПДС, соответствующих минимуму целевой функции, объемной плотности энергии в доменной структуре:

min со,(WJ(,Ьд,(p(i, j,к),3(i. j,к)),i = \,Nx;j = \,Ny;k = \,N1.

В диссертации приведены результаты теоретических исследований обобщённой модели ДС. Следует отметить, что оптимальные значения углов Дф и A3 достаточно сильно отклоняются от исходного направления- оси ОХ. Для исследованного диапазона толщин плёнок ЖИГ азимутальные углы Дф находятся в пределах 10°^ 20°. При

увеличении толщины плёнки более 5 мкм азимутальная составляющая уменьшается, а полярная увеличивается. Соответствующие численные значения показаны в таблице 1.

Полученные выводы подтверждаются результатами Локка Э.Г. (Фрязинский филиал ИРЭ РАН) экспериментального наблюдения тонкой структуры ПДС в плёнках ЖИГ толщиной 5-10 мкм и выше. Как видно из таблицы 1, в таких плёнках углы наклона АЗ векторов магнитных моментов в микродоменах к плоскости ХОУ увеличиваются по сравнению с субмикронными плёнками, что позволяет визуально наблюдать ТС с помощью магнитооптических методов.

На основе предложенной обобщённой модели ПДС в главе I диссертации проведено моделирование СВЧ резонаторов на эпитакси-альных структурах с учётом микродоменной структуры ЖИГ. Исследовался резонатор в виде квадрата со стороной 0,5 мм с различными значениями с1 толщины плёнки ЖИГ.

В соответствии с предложенной обобщённой моделью ПДС в плёнке ЖИГ предполагается наличие двух магнитных фаз (рис. 5) с векторами магнитных моментов, имеющими симметричные относительно оси ОХ отклонения в азимутальной и полярной плоскостях. Так как поперечные составляющие векторов магнитных моментов одинаковы по модулю и противоположны по направлению (рис. 5в), они взаимно компенсируют друг друга в объёме всего образца плёнки ЖИГ. В связи с наличием магнитной доменной микроструктуры образца, результирующая намагниченность образца (4лМеН.) отличается от намагниченности насыщения ЖИГ (4лМ8 =1759 Гс) и определяется компонентами магнитных моментов вдоль оси ОХ (рис. 5). Таблица 1. Результаты оптимизации микродоменной структуры для различных значений толщины плёнки ЖИГ по обобщенной модели_

с1 (мкм) Wд(мкм) Ьд(мкм) Аср, град АЗ,град

0.001 6940117857.3653 485471.5083 21,232 0.002

0.100 0.0598 0.0060 17,951 0.244

0.500 0.1784 0.0268 13,625 0.171

1.000 0.2073 0.0217 12,490 0.231

5.000 0.4748 0.0472 10,764 2.025

10.000 0.6649 0.0675 10,526 3.897

15.000 0.8135 0.0827 10,526 4.875

20.000 0.9478 0.0947 10,607 6.723

30.000 1.1378 0.1181 10,607 9.136

40.000 1.3284 0.1351 10,764 11.378

50.000 1.4852 0.1511 10,844 14.810

60.000 1.6335 0.1647 10,923 17.511

70.000 1.7608 0.1784 10,923 21.096

80.000 1.8862 0.1903 10,923 23.115

100.00 2.0920 0.2141 10,964 29.013

В результате решения задач оптимизации по определению основных параметров микродоменной структуры плёнки ЖИГ (см. таблицу 1) можно определить значения эффективной намагниченности 4л!У1еГГ в зависимости от толщины плёнки. Соответствующие численные значения представлены в таблице 2.

Таблица 2. Эффективная намагниченность 4лМея ЖИГ резонатора в зависи-

мости от толщины плёнки d.

d (мкм) 47iMeff, Гс d (мкм) 47iMeff, Гс

0.001 1639.60 0.500 1709.49

0.002 1642.19 0.600 1710.09

0.005 1644.58 0.700 1713.94

0.007 1647.24 0.800 1716.32

0.008 1649.74 0.900 1716.58

0.010 1652.21 1.000 1717.35

0.020 1654.64 5.000 1727.00

0.030 1657.15 10.000 1725.53

0.040 1659.54 15.000 1723.35

0.050 1661.91 20.000 1717.45

0.060 1664.26 30.000 1707.74

0.070 1666.57 40.000 1695.23

0.080 1668.86 50.000 1672.13

0.090 1671.11 60.000 1649.77

0.100 1673.35 70.000 1615.13

0.200 1690.95 80.000 1592.88

0.300 1698.09 100.00 1517.43

Дисперсионная характеристика резонатора определялась по методике решения уравнения Уокера для плёнки ЖИГ с ограниченными размерами, изложенной, например, в монографии: Гуревич А.Г., Мелков Г.А. Магнитные колебания и волны. - Москва: Физматлит, 1994.-464 с.

t fi.'i'u----------------------------- Рассматривался случай по-

верхностных магнитоста-тических волн. На рис. 7 приведены дисперсионные характеристики плёнки ЖИГ с шириной 500 мкм и значениями толщины d. Характеристики даны при величине внешнего постоянного магнитного поля 0,5 Э в ненасыщенном состоянии, т.е. для эффективных значений намагниченности 4rcMeff, в сравнении с дисперсионными характеристиками для намагниченности насыщения 4лМ,.

О 1000 2000 3000 4000

Рис. 7. Семейство дисперсионных характеристик для плёнки ЖИГ различной толщины для намагниченностей 4лМ,гг ( ——) и 4ПМ8 (- -).

Следовательно, использование ЖИГ резонаторов в ненасыщенном режиме позволяет создать ИМУ с относительно низкими рабочими частотами (до 1 ГГц) и малыми величинами индукции управляющего магнитного поля (порядка величины магнитного поля Земли) для использования, например, в задачах магнитной навигации и дефектоскопии, измерителях слабых магнитных полей и пр.

Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований по созданию плёнок ЖИГ с расширенным диапазоном намагниченности насыщения 4лМ, от 100 до 1759 Гс (данный раздел выполнен совместно с ФГУП «НИИ МВ», г. Зеленоград), что позволяет расширить рабочие диапазоны частот и повысить технологичность разрабатываемых ИМУ.

Проведенные исследования [2- 5, 34- 39] показали возможности расширения технических возможностей ИМУ на плёнках ЖИГ, включающих структуры с пониженной намагниченностью насыщения. Исследованы возможности создания плёнок ЖИГ для применения при разработке квазимонолитных и монолитных ИМУ.

Кроме того, в случае использования плёнок ЖИГ в ненасыщенном режиме, исключается необходимость использования дополнительной системы подмагничивания, что существенным образом влияет на масс- габаритные характеристики ИМУ, в частности при создании ЗО датчиков магнитного поля.

Глава 2 «Моделирование элементов интегральных магнитоуправляемых устройств и разработка программ расчета» посвящена принципам моделирования ИМУ и их элементов- феррито-вых резонаторов (сферических и плёночных), биполярных и полевых транзисторов, преобразователей индукции магнитного поля с ферри-товыми резонаторами [6- 11, 21, 40- 48]. Представлены программы расчета полупроводниковых структур— кристаллов биполярных и полевых транзисторов, преобразователей индукции магнитного поля в УВЧ и СВЧ диапазонах [23- 25,49- 52].

Основные подходы к созданию пассивных интегральных СВЧ схем рассмотрены в ряде известных работ (Неганов В.А., Нефедов Е.И., Яровой Г.П. Электродинамические методы проектирования устройств СВЧ и антенн. - М: Радио и связь, 2002. -416 е.). Для создания соответствующих алгоритмов и программ моделирования ИМУ активного типа использовались базовые эквивалентные схемы, включающие: ферритовые резонаторы, биполярные либо полевые транзисторы и необходимые цепи согласования и управления. Для моделирования транзисторов использованы модели Гуммеля- Пуна и Матерка. При проектировании ИМУ определенного функционального назначения (датчик магнитного поля, магнитоуправляемый генератор, синтезатор частот и пр.) в конкретном диапазоне частот базовые эквивалентные схемы ИМУ дополняются необходимыми элементами согласования, питания, схемами цифровой обработки и пр.

Магниточувствительный элемент ИМУ, преобразователь индукции магнитного поля, содержит отрезок микрополосковой линии передачи и ферритовый резонатор. Микрополосковая структура моделировалась в компьютерной САПР с использованием электродинамических моделей элементов микрополоскового тракта.

Моделирование микрополосковых преобразователей индукции с ферритовыми резонаторами проводилось с использованием эквивалентной схемы в виде параллельного RCL- контура, параметры которого задавались теоретически при помощи известных «инженерных» формул. Полученные таким образом параметры затем использовались в качестве первого приближения при решении задачи оптимизации с использованием в качестве целевых функций результатов эксперимента. Другой подход к моделированию преобразователей индукции основан на использовании четырехполюсника («чёрного ящика») с заданными по результатам измерений S- параметрами.

Как упоминалось выше, активная часть ИМУ включает один или несколько транзисторов. В диссертационной работе использовались полевые и биполярные транзисторы УВЧ и СВЧ диапазонов отечественного производства. Поскольку стоимость создания моделей достаточно велика, стандартные библиотеки отечественных и многих зарубежных транзисторов в современных САПР просто отсутствуют. Поэтому при создании ИМУ актуальными становятся задачи моделирования транзисторов, т.к. ошибки при их проектировании могут привести к значительным финансовым затратам.

Модели отдельных типов транзисторов были предоставлены их производителями (НПО «Салют», г.Н.Новгород; НПО «Алмаз- Фазотрон», г.Саратов). Для ряда других транзисторов в качестве исходной информации при моделировании использовались их экспериментальные статические и частотные характеристики.

Методика моделирования транзисторов по их экспериментальным характеристикам отрабатывалась на примере полевого транзистора MGF4941AL в сверхширокой полосе частот (более четырех октав!). Фирма - производитель транзистора (Mitsubishi Semiconductor «GaAs FET») приводит в информационном листе статические (6 шт.) и частотные (8 пгг.) характеристики, являющиеся целевыми функциями оптимизации. Известная эквивалентная базовая схема Матерка кристалла полевого транзистора содержит 29 параметров, обобщённая схема Матерка дополняется ещё 12 параметрами, имеющими смысл индуктивностей, емкостей и сопротивлений выводов транзистора.

Непосредственное решение задачи оптимизации 14 характеристик в сверхшироком диапазоне частот (от 0,0 до 22 ГТц) с использованием более 40 параметров практически невозможно даже с использованием современной вычислительной техники и существующих САПР. Удовлетворение совокупности большого числа одинаково значимых критериев возможно путём представления общей задачи мо-

делирования в виде двух частных задач оптимизации для статических и частотных характеристик. Частные задачи оптимизации решаются с использованием одного из вариантов метода взвешенных сумм и построением обобщённых критериев оптимальности в виде квадратичных свёрток.

Результаты оптимизации статических и частотных характеристик (амплитудных и фазовых характеристик Б- параметров в диапазоне частот до 22 ГГц) транзистора МСГ4941ЛЬ, оптимальные параметры модели Матерка, оценка погрешности моделирования приведены в диссертации. Результаты оптимизации отдельных частотных характеристик транзистора, в сравнении с экспериментальными, представлены на рисунках 8 а),б) и 9 а),б). Необходимо отметить, что относительная погрешность моделирования может быть существенно снижена для конкретных диапазонов рабочих частот и для меньшего числа экспериментальных характеристик. Для большинства задач моделирования транзисторов, представленных в диссертационной работе, погрешность моделирования находилась в пределах от 5 до 10 %.

21 22 0.О1 5.01 10.01 1501 20.01 22

Частота, ГГц а) Частота, ГГц б)

Рис. 8. а), б) Амплитудно- частотные характеристики 8- параметров полевого транзистора Пунктирные линии- экспериментальные, сплошные линии - оптимальные характеристики

Рис. 9. а), б) Фазо- частотные характеристики Я- параметров полевого транзистора. Пунктирные линии- экспериментальные, сплошные линии - оптимальные характеристики

Модели элементов ИМУ, представленные выше, используются при разработке топологии всего устройства [8- 11]. Задача синтеза характеристик ИМУ, как и любого другого устройства, содержит следующие этапы: постановка задачи синтеза, структурная оптимизация,

анализ устройства, параметрическая оптимизация, реализация устройства. Для решения задач синтеза использовано сочетание более десяти методов оптимизации (Gradient Optimization, Conjugate Gradient, Simplex Optimizer, прямого поиска, случайного поиска и др.). В результате определяется структура ИМУ, создаётся принципиальная электрическая схема, которая может включать элементы питания, согласования и цифровой обработки.

В главах 3 и 4 диссертационной работы приведены результаты поисковых исследований, проводимых под руководством профессора Игнатьева А.А., по возможности создания ИМУ различного функционального назначения, в различных диапазонах частот, с различными уровнями мощности и т.д.

Глава 3 «Разработка и исследование интегральных магнитоуправляемых устройств в радиотехнических диапазонах частот с использованием сферических ферритовых резонаторов» содержит результаты исследований по созданию ИМУ с использованием ферритовых резонаторов с различными значениями намагниченности насыщения. Представлены топологии преобразователей индукции магнитного поля [46, 52], магнитоуправляемых устройств на полевых транзисторах и усилителей низкой и высокой мощности, разработаны топологии магнитоуправляемых устройств на биполярных мощных транзисторах.

Исследованы варианты построения электрических схем ИМУ для усилительных и генераторных режимов работы в различных диапазонах частот.

В электрических схемах ИМУ ферритовые резонаторы выполняют роль управляемых полосно - запирающего или полосно - пропускающего фильтров, неизбежно вносящих потери на выходе преобразователя индукции магнитного поля. Как правило, отечественные транзисторы имеют недостаточное усиление уже на частотах УВЧ диапазона. Поэтому в ряде случаев в диапазонах УВЧ, СВЧ в схемах на отечественных транзисторах использовались каскадные включения.

Основные подходы и методы решения задач синтеза устройств СВЧ подробно рассмотрены в [1]. В диссертации представлены результаты решения ряда задач структурного и параметрического синтеза ИМУ в УВЧ и СВЧ диапазонах (до 37,5 ГГц).

На первом этапе синтеза создавались компьютерные модели элементов ИМУ: преобразователей индукции магнитного поля, полевых и биполярных транзисторов, усилительных и генераторных схем на их основе.

Задачи достижения требуемых параметров ИМУ решались с использованием процедуры минимаксной оптимизации по достижению требуемых технических характеристик ИМУ. На этом этапе в качестве варьируемых параметров использовались только номинальные значения емкостей, индуктивностей, сопротивлений резисторов. На

втором этапе оптимизации использовались дополнительные варьируемые параметры- размеры соответствующих проводников, поворотов, тройников, шлейфов, монтажных проволок и пр. Следующий этап оптимизации заключался в замене сосредоточенных элементов схемы (резисторов, индуктивностей, конденсаторов) микрополосковыми моделями. На заключительном этапе оптимизации оценивалось влияние допусков на изготовление элементов микрополоскового тракта и их физическая реализуемость в условиях производства. Полученная топология ИМУ является оптимальной, использует все возможные параметры схемы и допускает возможность микрополоскового исполнения.

В диссертации предложены конструкции, представлены расчетные значения основных характеристик преобразователей магнитной индукции по монолитной арсенид- галлиевой технологии (толщина подложки 100 мкм) в диапазонах УВЧ, СВЧ для применения в ИМУ. В качестве примера на рис. 10 а), б) представлены некоторые варианты конструкций МУПТ для уровней мощности 20 мВт в УВЧ диапазоне частот на кристаллах арсенида галлия.

Рис. 10. Конструкции МУПТ а) на основе ПТШ- 900 (диапазон частот 0,7- 3,0 ГГц, размеры 1,0x1,5 мм); б) на основе ПТШ- 900 (диапазон частот 1,3— 4,0 ГГц; размеры 2,0x1,5 мм);

На основе решения задач технического проектирования в диссертации предложены основные конструкции ИМУ (МУБТ и МУПТ) с использованием ферритовых сферических резонаторов для различных уровней выходной мощности в участках диапазонов УВЧ, СВЧ.

В частности, разработаны и исследованы конструкции МУБТ на основе кристаллов транзистора КТ9175Б и МУПТ на основе транзистора ПТШ- 5000 с уровнями выходной мощности до 2 Вт в диапазоне УВЧ. Также в диссертации представлены топологии плат МУПТ для усилительных и генераторных режимов в диапазонах СВЧ (от 18 до 37,5 ГТц).

В главе 4 диссертации «Разработка и исследование конструкций интегральных магнитоуправляемых устройств в УВЧ диапазоне с использованием эпитаксиальных плёночных структур железо- иттриево-го граната с намагниченностями насыщения 4тгМ5 от 100 Гс до 1759 Гс» рассматриваются вопросы разработки ИМУ с использовани-

ем плёнок ЖИГ с широким диапазоном изменения намагниченностей насыщения 4пМ5, разработаны топологии преобразователей индукции, блоков усилителей для МУБТ и МУПТ [6, 14].

В диссертации разработаны и исследованы топологии преобразователей индукции на подложках из арсенида галлия для использования с плёнок ЖИГ, приведены их расчётные характеристики в диапазонах частот от 0,2 ГГц до 3,0 ГГц:

В диссертации подробно исследованы и проанализированы фазовые и амплитудные характеристики преобразователей индукции полосно-пропускающего типа и полосно- запирающего (режекторного) типа, в том числе для зпитаксиальных структур с уменьшенными значениями намагниченности насыщения от 100 до 1759 Гс.

В рамках диссертационной работы решены задачи оптимизации характеристик и разработаны конструкции усилителя и генератора для ИМУ в монолитном исполнении [14- 15] в диапазоне от 0,3 до 3,0 ГГц на подложке из арсенида галлия.

Полное исследование амплитудных и фазовых характеристик МУПТ, включая исследования с использованием зпитаксиальных плёночных структур ЖИГ с уменьшенными значениями намагниченности насыщения представлено в диссертации.

В диссертационной работе проведена оценка стойкости ИМУ к воздействиям ряда механических и климатических факторов, определён состав параметров- критериев годности ИМУ. Проведенная оценка чувствительности МУПТ позволяет сделать вывод о возможности регистрации изменения индукции внешнего магнитного поля не более 1,5 нТл. При использовании ИМУ в качестве первичного преобразователя для датчика малых механических смещений оценочные расчеты показывают, что ИМУ может отследить низкочастотные механические вибрации (до 100 Гц) с амплитудой менее 0,1 мкм.

Рис. 11. а) бескорпусной вариант ИМУ (на серийном биполярном кристалле 2Т9197А) на поликоровом основании (2Вт, 700 МГц- 900 МГц); б) МУПТ на кристалле арсенида галлия на полевом транзисторе /77Ш-5000 (2Вт, 2.5- 4,0 ГГц)

В главе 5 «Экспериментальные исследования интегральных магнитоуправляемых устройств на сферических ферритовых резонаторах» диссертации представлены результаты экспериментальных исследований ИМУ с использованием сферических ферритовых

резонаторов в УВЧ, СВЧ диапазонах [6- 7, 19- 20]. Примеры различных вариантов исполнения ИМУ показаны на рис. 11 а), б).

Для исследования характеристик ИМУ разработаны различные варианты оснастки в зависимости от технологического исполнения ИМУ и диапазона рабочих частот. В ряде макетов в качестве измерительной оснастки использовались серийные металлокерамиче-ские корпуса биполярных транзисторов и интегральных схем (рис. 12). В УВЧ и нижней части СВЧ диапазонов оснастка выполнялась в коаксиальном канале 3,5/ 1,52 мм.

Ш 10:; а) ■ИВК-- ¿ш б)

Рис. 12. а) ИМУ в серийном корпусе транзистора 2Т9197А; б) ИМУ в серийном корпусе ИС

Результаты экспериментальных исследований в диапазонах УВЧ, СВЧ коэффициента передачи преобразователей индукции магнитного поля в зависимости от приложенного внешнего постоянного магнитного поля приведены в главе 5 диссертации.

Экспериментальные исследования ИМУ проводились в УВЧ, СВЧ диапазонах в различных режимах работы (усилительном, генераторном) для различных типов сигналов (регулярных, сеток частот, квазишумовых). Далее приведены результаты некоторых экспериментов.

• ^ЛЯИа) б)

Рис. 13. а) фотография плат генератора б) генерация регулярного сигнала. Частота/^ 17,80 ГГц, Д/= 0,9 кГц

На рис. 13 а) представлена фотография плат генератора СВЧ диапазона в измерительной оснастке. Генератор выполнен в интегральном исполнении, использованы два транзистора ПТШ-100, три платы согласования с линией обратной связи, преобразователь индукции с ферритовым резонатором типа КГ-140. Генераторные свойства

МУПТ исследовались на спектроанализаторе С4-60 в диапазоне от 18 до 35 ГГц. На рис. 13 б) изображена осциллограмма режима генерации регулярных сигналов, индукция внешнего магнитного поля составляет 630 мТл, мощность на основной частоте составила от 150 до 200 мкВт.

В главе 6 «Экспериментальные исследования интегральных магнитоуправляемых устройств на эпитаксиальных плёночных структурах железо- иттриевого граната» приведены результаты экспериментальных исследований ИМУ на эпитаксиальных плёночных структурах ЖИГ в УВЧ диапазоне [17, 21- 22].

Экспериментальные исследования ИМУ с намагниченностями насыщения эпитаксиальных структур 4ттМ5 от 100 Гс до 1759 Гс проводились на векторном анализаторе цепей #5250А в диапазоне частот до 3 ГГц для различных направлений векторов внешнего магнитного поля. Получены магнитоуправляемые полосно- пропускающие и полосно- запирающие режимы, результаты приведены в диссертации.

Фотографии макетов ИМУ показаны в главе 6 диссертации. Исследованы магнитоуправляемые режимы перестройки частоты генерации экспериментальных макетов ИМУ в диапазоне частот до 3 ГГц.

В рамках эксперимента проведены исследования различных типов сигналов генерации ИМУ (от монохроматического до сеток частот) при изменении напряжения питания.

»и« >23 : !:

II к б)

Рис. 14. Различные режимы генерации ИМУ с эпитаксиальными структурами ЖИГ а) Частота сигнала генерации/,',) = 694 МГц б) Эквидистантная сетка частот (масштаб — 2 МГц в клетке), центральная частота/а = 1123 МГц в) Сетка частот от 690 до 862 МГц, центральная частота /ц = 776 МГц (масштаб -15 МГц в клетке)

На рис. 14 а)- в) представлены исследования спектров сигналов ИМУ генераторного типа при изменении напряжения. На рисунке 14 а) показан гармонический сигнал при 1 — 100 мА, 17 = 5,8 В. На рисунке 14 6) сигнал в виде эквидистантной сетки частот с центральной частотой /ц = 1123 МГц при I = 90 мА, и = 5,2 В. На рисунке 14 в) представлен сигнал генерации в виде сетки частот от 690 до 862 МГц при / — 100 мА, и =5,6 В.

В диссертационной работе проведены исследования по созданию на основе ИМУ функционально законченных устройств, в частности датчиков различного назначения. В Таблице 3 показаны

сравнительные характеристики экспериментальных макетов ИМУ и их аналогов.

Таблица 3. Сравнительные характеристики ИМУ при использовании в качесгг-ве датчиков магнитного поля___

Показатели технического уровня Значения показателей технического уровня отечественных и зарубежных аналогов Датчик на основе ИМУ

МПФ-ЗМГ GSMP-30 HMR2300 НМС 1021 МДЭ-1И

1. Диапазон измерений,мкТл 65 120 800 1200 2000

2.Чувствитель-ность, нТл 5 0.0020.014 6,7 2,7 1,5

3. Погрешность 100 нТл 0,1 нТл <0,8 мкТл <1,2 мкТл 10 нТл

4.Потребляемая мощность, тВт <1000 8000 525 25-125 100

5.Диапазон температур,град -20-40 -40-55 -40-85 -55-150 -60-125

6. Объем, см3 21 672,7 - 0,137 0,003

7. Масса, г. 3300 1160 28 0,14 30 (в корпусе)

Фирма (предприятие-разработчик), страна ФГУП Геологоразведка», РФ Gisco, США Honeywell, США Honeywell, США ОАО «Тантал», РФ

Основные выводы и результаты диссертации:

1 Теоретические исследования показали, что в ненасыщенных состояниях плёнок железо- иттриевого граната тонкая структура полосовых доменов, наблюдаемая экспериментально, вызвана периодическими отклонениями векторов намагниченности от плоскости плёнки, что позволило создать обобщённую модель полосовых доменов и определить значение эффективной намагниченности ферритового резонатора в слабых магнитных полях.

2 Разработанные схемотехнические и электродинамические модели и соответствующие программы расчёта позволяют создавать технологичные конструкции интегральных магнитоуправляемых радиотехнических устройств и их основных элементов: преобразователей индукции магнитного поля на сферических и плёночных ферритовых резонаторах, усилительных и генераторных схем на полевых и биполярных транзисторах.

3 Созданы конструкции интегральных магнитоуправляемых радиотехнических устройств на сферических и плёночных ферритовых резонаторах с повышенной чувствительностью к магнитному полю (до единиц нанотесла) и расширением рабочих частот до диапазонов УВЧ,

СВЧ по сравнению с известными интегральными схемами на гальваномагнитном и магниторезистивном эффектах.

4 Экспериментально получены усилительные, генераторные, шумопо-добные режимы работы интегральных магнитоуправляемых устройств на сферических и плёночных ферритовых резонаторах с намагничен-ностями насыщения 4яМ5 от 100 до 1759 Гс в диапазонах УВЧ, СВЧ.

5 В работе выполнены теоретические оценки и экспериментальные исследования возможностей практического использования интегральных магнитоуправляемых радиотехнических устройств и влияния на них механических и температурных воздействий.

6 Проведены теоретические и экспериментальные исследования интегральных магнитоуправляемых устройств по их практическому использованию в качестве датчиков различного назначения.

В приложениях представлены:

1 Программы расчета и моделирования интегральных магнитоуправляемых устройств и их элементов.

2 Методика измерений параметров интегральных магнитоуправляемых устройств.

3 Рекомендации и предложения по направлениям применения интегральных магнитоуправляемых устройств.

4 Оценка эффективности использования интегральных магнитоуправляемых устройств в режимах усиления и генерации сигналов по сравнению с типовыми решениями и схемами на транзисторах.

Теоретические и экспериментальные исследования ИМУ, выполненные в диссертационной работе, решают крупную задачу по созданию элементной базы нового типа для решения задач навигации, диагностики ферросодержащих материалов и изделий, магнитной локации, при создании управляемых генераторов шумоподобных сигналов, синтезаторов частот, перестраиваемых активных фильтров, датчиков магнитных полей и различных механических величин (ускорения, вибрации), сейсмодатчиков.

Обобщая представленные новые научные результаты, в частности принципы разработки ИМУ на основе ЖИГ резонаторов, новые подходы к конструированию таких устройств, разработку технологичных конструкций устройств для УВЧ, СВЧ диапазонов, а также решение оптимизационных задач, внедрение результатов работы, можно сделать вывод, что в диссертации решена крупная научно-техническая проблема, имеющая важное народно- хозяйственное значение.

Личный вклад автора:

Разработка алгоритмов моделирования, составление и отладка программ на алгоритмическом языке ФОРТРАН, проведение числен-

ных экспериментов, получение расчётных материалов, написание статей, разработка конструкций ИМУ, проведение экспериментальных исследований макетов ИМУ и их составных частей. Автор имеет 8 публикаций из перечня ВАК Минобрнауки РФ, два патента на изобретение, опубликованные без соавторов.

Автор выражает благодарности д.т.н. Мешанову В.П., д.ф.-м.н. [Альтшулеру Е.Ю.|, д.ф.-м.н. Тихонову В.В. за полезные обсуждения и замечания по теоретической части диссертации и д.ф.-м.н. Игнатьеву A.A., руководившему работами по разработке и экспериментальным исследованиям макетов ИМУ. Список публикаций по теме диссертации: Монография

1. Сверхширокополосные микроволновые устройства/ Давидович М.В., Кац Б.М., Креницкий А.П., Мещанов В.П., Хвалин A.JL [и др.] /Под ред. Креницкого А.П., Мещанова В.П./. М.: Радио и связь. 2001. 528 с.

Статья в IEEE Transactions on МТТ:

2. Kats В.M., Meschanov V.P., Khvalin A.L. Synthesis of superwide- band matching adapters in round coaxial lines// IEEE Transactions on MTT. 2001. V. 49, № 3, March. P.575- 580.

Статьи e журналах из перечня ВАК Минобрнауки РФ:

3. Хвалин A. J1 Метод поверхностной магнитной проницаемости в решении задачи анализа слоистых феррито- содержащих структур// Вестник Тихоокеанского государственного университета. 2009. №4(15). С. 25-30.

4. Хвалин A.JL Дисперсионные соотношения для слоистых феррито-содержащих структур в прямоугольном волноводе// Вестник Тихоокеанского Государственного Университета. 2010. №1(16). С. 73-80.

5. Хвалин A.JL Использование метода поверхностной магнитной проницаемости для получения дисперсионных соотношений в слоистых ферритосодержащих структурах//Электромагнитные волны и электронные системы. 2010. Т.15, №6. С.31-33

6. Хвалин A.JL, Овчинников C.B., Сотов Л.С., Самолданов В.Н. Первичный преобразователь на основе ЖИГ- генератора для измерения сильных магнитных полейИ Датчики и системы. 2009. №10. С.57- 58

7. Хвалин A.JL, Игнатьев A.A., Самолданов В.Н. Микрополосковые преобразователи энергии электромагнитного поля на основе сферических ЖИГ- резонаторов. Изв.вузов. Электроника. - 2010. № 4(84). - С. 75 - 79.

8. Мещанов В.П., Хвалин A.JI. Методика уточнения характеристик модели Матерка полевого транзистора. Радиотехника. 2010. №5. С. 111-115

9. Хвалин A.J1. Многокритериальная многопараметрическая задача моделирования характеристик полевого транзистора в сверхшироком диапазоне частот. Гетеромагнитная микроэлектроника: Сб. науч. тр. /

Под ред. проф. А.В.Ляшенко. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2010. Вып. 8. С. 16-24

10. Хвалин А.Л., Самолданов В.Н., Васильев A.B. Моделирование магнитоуправляемых генераторов с использованием Microwave Office// Электромагнитные волны и электронные системы. 2009. №11. С.15- 18.

11. Хвалин A.JL, Сотов JI.C., Васильев A.B. Расчёт характеристик интегрального магнитоуправляемого генератора в диапазоне частот 26,037,5 ГГц. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2010. №11. С.47-49.

12. Хвалин A.JL, Васильев A.B. Оптимальный синтез характеристик транзисторного усилителя УВЧ диапазона в интегральном исполнении. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2010. №10. С.29-33.

13. Хвалин A.JL, Васильев A.B. Оптимизация характеристик транзисторного усилителя УВЧ диапазона в интегральном исполнении. Гетеромагнитная микроэлектроника: Сб. науч. тр. / Под ред. проф. А.В.Ляшенко. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2010. Вып. 8. С. 10- 16.

14. Хвалин А.Л., Игнатьев A.A., Самолданов В.Н. Исследование магнитоуправляемого генератора УВЧ диапазона на эпитаксиальных структурах ЖИГ в интегральном исполнении// Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2010. Т. 13, № 1. С. 95—98.

15. Хвалин А.Л., Васильев A.B., Игнатьев A.A., Самолданов В.Н. Исследование интегральных магнитоуправляемых генераторов в СВЧ диапазоне частот. Вопросы электромеханики. Труды НПП ВНИИЭМ. 2010. Т. 114. № 1.С. 51-55.

16. Хвалин AJL, Сотов Л.С., Овчинников C.B., Кобякин В.П. Экспериментальные исследования гибридного интегрального магнитоуправляемого генератора// Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2009. №11.С.42-44.

17. Сотов Л.С., Харин В.Н., Хвалин А.Л. Детекторы режимов функционирования генераторов случайных сигналов// Автоматика и телемеханика. 2010. №5. С. 166-170.

18. Сотов Л.С., Харин В.Н., Хвалин А.Л. Встроенные средства контроля случайных сигналов. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2010. №7. С.30-33.

19. Хвалин А.Л., Игнатьев A.A., Васильев A.B. Исследования микро-полосковых преобразователей энергии с эпитаксиальными структурами ЖИГ с пониженной намагниченностью насыщения. Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2010. Т. 13, № 2. С. 90-93.

20. Хвалин А.Л., Игнатьев A.A., Сотов Л.С. Квазишумовые режимы работы ЖИГ- генератора в интегральном исполнении// Вопросы электромеханики. 2009. Т.113, №6. С.55- 61.

21. Хвалин А.Л. Магнитостатические модели 180-градусных доменных границ в одноосных пленках ЖИГ// Антенны. 2011. №11. С.4-14.

22. Хвалин A.JI. Моделирование магнитной микроструктуры полосовых доменов в плёнках ЖИГ Гетеромагнитная микроэлектроника : сб. науч. тр. / под ред. проф. А. В. Ляшенко- Саратов: Изд-во Сарат. унта, 2011,-Вып. 11. С.4-14.

23. Хвалин A.JI. Распределение намагниченности в «тонкой структуре» полосовых доменов в плёнках железо- иттриевого граната Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. - М. : ФГУП «НГТП ВНИИЭМ», 2012. -Т. 129.-№ 4. -С. 49 -52.

24. Хвалин A.JI. Обобщенная модель магнитной микроструктуры полосовых доменов в плёнках железо- иттриевого граната// Вестник Тихоокеанского Государственного Университета. 2013. №1(28). С. 35-44. Алгоритмы программ:

25. Программа расчета мощного биполярного магнитоэлектронного транзистора: Свидетельство Роспатента об официальной регистрации №2004610987 /Самолданов В. Н., Ляшенко A.B., Игнатьев A.A., Хвалин А.Л. заявл. 26.02.04; зарегистр. 21.04. 04.

26. Программа расчета магнитоэлектронных элементов связи: Свидетельство Роспатента об официальной регистрации №2004610991/ Ма-ринин А. В., Ляшенко A.B., Игнатьев A.A., Хвалин А.Л. заявл. 26.02.04; зарегистр. 21.04. 04.

27. Программа расчета мощного полевого магнитоэлектронного транзистора: Свидетельство Роспатента об официальной регистрации №2004610992/ Плешков В.В., Ляшенко A.B., Игнатьев A.A., Хвалин А.Л. заявл. 26.02.04; зарегистр. 21.04. 04.

Патенты на изобретения:

28. Полосовой ферритовый фильтр сверхвысоких частот: Заявка: 2009117566/09 / Хвалин А.Л., Сотов Л.С. RU 2 393 594 С1 МПК Н01Р 1/20 (2006.01) Заявл. 12.05.2009 Опубл. 27.06.2010 Бюл. № 18.

29. Фильтр СВЧ с возможностью юстировки ферритового резонатора: Заявка: 2009120967/09/ Хвалин А.Л. заявл. RU 2 396 644 С1 МПК Н01Р 1/217 (2006.01) Заявл. 02.06.2009 Опубл.: 10.08.2010 Бюл. № 22 .

30. Генератор случайных перестановок: Заявка: № 2009104555/09/ Сотов Л.С., Харин В.Н., Хвалин А.Л. RU 2 395 834 С1 МПК G06F 7/58 (2006.01) Заявл. 12.02.2009 Опубл.: 27.07.2010 Бюл. № 21.

31. Генератор импульсов случайной длительности: Заявка: №2009104553/08/ Сотов Л.С., Харин В.Н., Хвалин А.Л. RU 2408059 С2 МПК G06F7/58 (2006.01) НОЗКЗ/84 (2006.01) Заявл. 20.08.2010 Опубл. 27.12.2010. Бюл. №36.

32. Устройство обнаружения электропроводящих объектов на базе датчиков магнитного поля с частотным выходом: Заявка: 2011120385/28/ Сотов Л.С., Хвалин А.Л. RU 2472182 С1 МПК G01V3 11 (2006.01) Заявл. 20.05.2011 Опубл. 10.01.2013. Бюл. № 1. Учебно- методические пособия:

33. Хвалин А.Л., Сотов Л.С. Моделирование нелинейных аналоговых физических систем. Саратов: Изд-во СГУ, 2009. 28 с.

34. Малярчук В.А., Сотов JI.C., Хвалин А.Л. Имитационные модели физических систем с дискретным временем. Саратов: Изд-во СГУ, 2009. 56 с.

35. Руководство к лабораторным работам по курсу «Гетеромагнитная микроэлектроника»/ Куликов М.Н., Овчинников C.B., Романченко JI.A., Хвалин A.JI. Саратов: Изд-во СГУ. 2009. 72 с.

Публикации в других изданиях:

36. Игнатьев A.A., Ляшенко A.B., Страхова JI.JL, Хвалин А.Л. [и др.] Отечественные и зарубежные патенты по магнитометрическим датчикам и магнитометрам за 1994 - 2003 годы // Гетеромагнитная микроэлектроника. Саратов: Изд-во СГУ. 2004. Вып. 1. С. 152-165.

37. Игнатьев A.A., Ляшенко A.B., Хвалин А.Л., Страхова Л.Л. [и др.] Отечественные и зарубежные патенты по транзисторам, магнитотранзисторам и ЖИГ- генераторам за 1992- 2003 годы // Гетеромагнитная микроэлектроника. Саратов: Изд-во СГУ. 2004. Вып. 1. С. 165- 173.

38. Игнатьев A.A., Страхова Л.Л., Кудрявцева С.П., Хвалин А.Л. Патентные исследования по разработке высокочастотных транзисторов, магнитотранзисторов и устройств на их основе // Гетеромагнитная микроэлектроника. Саратов: Изд-во СГУ. 2008. Вып. 3. С.85- 101.

39. Хвалин А.Л., Игнатьев A.A., Васильев A.B., Самолданов В.Н. Электродинамическое проектирование селективных усилителей с гетеромагнитным взаимодействием// Проблемы защиты информации ограниченного доступа от утечки по техническим каналам: Мат. Все-рос. науч.-практ. конф. Саратов, РАЦ «Тантал». 2003. С.129- 135.

40. Хвалин А.Л. Игнатьев A.A. Электродинамическое моделирование магнитоэлектронных элементов в ненасыщенных состояниях// Перспективные направления развития электронного приборостроения: Мат. науч.-техн. конф. Саратов: Изд-во СГУ. 2003. С.42-45.

41. Хвалин А.Л., Игнатьев A.A., Васильев A.B., Самолданов В.Н. Электродинамический расчет при проектировании гетеромагнитных усилителей// Перспективные направления развития электронного приборостроения: Мат. науч.-техн. конф. Саратов: Изд-во СГУ. 2003.с.45-48.

42. Игнатьев A.A., Хвалин А.Л., Ляшенко A.B., Васильев A.B., Самолданов В.Н. Электродинамическое моделирование СВЧ усилителей с гетеромагнитным управлением// Гетеромагнитная микроэлектроника. Саратов: Изд-во СГУ. 2004. Вып 1. С. 103- 109.

43. Хвалин А.Л., Игнатьев A.A., Ляшенко A.B., Кудрявцева С.П. Моделирование феррит- содержащих электродинамических структур в ненасыщенных состояниях// Гетеромагнитная микроэлектроника. Саратов: Изд-во СГУ. 2004. Вып 1. С. 65- 84.

44. Хвалин А.Л., Солопов A.A. Сопротивление излучения микропо-лосковой линии с плёночным ферритом// Гетеромагнитная микроэлектроника. Саратов: Изд-во СГУ. 2009. Вып. 6. С. 40- 43.

45. Хвалин А.Л., Самолданов В.Н., Игнатьев A.A. [и др.] Компьютерное моделирование ферритовых резонаторов во внутренних цепях би-

полярного транзистора в усилительном режиме работы// Гетеромагнитная микроэлектроника. Саратов: Изд-во СГУ. 2004. Вып

1.С. 114-122.

46. Хвалин A.JL, Игнатьев A.A., Самолданов В.Н. Теоретические исследования моделей полевых транзисторов КВЧ диапазона в режимах усиления при выходной мощности до 40 мВт// Гетеромагнитная микроэлектроника. Саратов: Изд-во СГУ. 2005. Вып 2. С. 72-80.

47. Хвалин А.Л., Самолданов В.Н. Разработка биполярных магнитоэлектронных транзисторов в усилительном режиме для регулярных сигналов на высоком уровне мощности в УВЧ диапазоне// Гетеромагнитная микроэлектроника. Саратов: Изд-во СГУ. 2005. Вып

2. С. 57-61.

48. Хвалин A.JL, Игнатьев A.A., Васильев A.B. Разработка полевых магнитоэлектронных транзисторов в усилительном и генераторном режимах регулярных сигналов на низком уровне мощности в УВЧ диапазоне// Гетеромагнитная микроэлектроника. Саратов: Изд-во СГУ. 2005. Вып 2. С. 53-57.

49. Хвалин A.JL, Васильев A.B. Разработка магнитоэлектронных элементов связи для сигналов на низком и высоком уровнях мощности// Гетеромагнитная микроэлектроника. Саратов: Изд-во СГУ. 2005. Вып 2. С. 30-36.

50. Хвалин A.JI. Физические принципы моделирования полевых транзисторов в УВЧ диапазоне// Гетеромагнитная микроэлектроника. Саратов: Изд-во СГУ. 2008. Вып. 4. С.59- 68.

51. Хвалин А. Л., Самолданов В.Н. Моделирование магнитоэлектронных элементов связи в среде Microwave Office-2007// Гетеромагнитная микроэлектроника.Саратов:Изд-во СГУ.2008. Вып. 4.

52. Сотов Л.С., Хвалин A.JI Средства разработки и исследования архитектурных моделей в САПР System Studio. Часть 2. Основные объекты SystemC и их использование// Гетеромагнитная микроэлектроника. Саратов: Изд-во СГУ. 2008. Вып. 5. С. 146- 177.

53. Сотов Л.С., Хвалин А.Л. Средства разработки и исследования архитектурных моделей в САПР System Studio. Часть 1. Использование инструментов System Studio при моделировании матричного генератора перестановок// Гетеромагнитная микроэлектроника. Саратов: Изд-во СГУ. 2008. Вып. 5. С.121-146

54. Хвалин АЛ., Игнатьев A.A., Васильев A.B. Программа расчёта мощных полевых магнитоэлектронных транзисторов в диапазоне частот до 30 ГГц// Гетеромагнитная микроэлектроника. Саратов: Изд-во СГУ. 2005. Вып 2. С. 23-29.

55. Хвалин А.Л., Игнатьев A.A., Самолданов В.Н. Программа расчёта мощных составных биполярных транзисторов в СВЧ диапазоне// Гетеромагнитная микроэлектроника.Саратов: Изд-во СГУ. 2005. Вып 2. С. 19-23.

56. Хвалин АЛ., Игнатьев A.A., Самолданов В.Н., Ляшенко A.B. Программа расчёта магнитоэлектронных элементов связи КВЧ

диапазона// Гетеромагнитная микроэлектроника. Саратов: Изд-во СГУ. 2005. Вып 2. С. 15-19.

57. Хвалин А.Л., Игнатьев A.A., Самолданов В.Н., Ляшенко A.B. Разработка программ расчёта магнитоэлектронных элементов связи УВЧ диапазона// Гетеромагнитная микроэлектроника. Саратов: Изд-во СГУ. 2005. Вып 2. С. 8-15.

58. Игнатьев A.A., Прозоркевич A.B., Хвалин A.JL, Сотов Л.С. Система автоматизированного проектирования СВЧ схем MWO-2002 для подготовки специалистов по специализации «Физические методы и средства защиты информации»// Проблемы защиты информации ограниченного доступа от утечки по техническим каналам: Мат. Всерос. науч.-практ. Конф. Саратов, РАЦ «Тантал». 2003. С. 42 - 47.

59. Солопов A.A., Ляшенко A.B., Игнатьев A.A., Хвалин A.JI. [и др.] Использование САПР MWO 2002 для подготовки специалистов - разработчиков СВЧ устройств для защиты информации// Гетеромагнитная микроэлектроника. Саратов: Изд-во СГУ. 2004. Вып 1.С. 122-130.

60. Игнатьев A.A., Прозоркевич A.B., Хвалин AJL, Сотов Л.С., Коваленко М.Л. Применение САПР MWO 2002 для подготовки специалистов по защите информации// Направления развития электронного приборостроения: Мат. науч.- техн. конф. Саратов. 2003. С.200-205.

61. Хвалин А.Л., Сотов Л.С. Использование Microwave Office 2007 для моделирования нелинейных аналоговых усилителей// Гетеромагнитная микроэлектроника. Саратов: Изд-во СГУ. 2008. Вып. 5. С. 112- 121.

62. Игнатьев A.A., Прозоркевич A.B., Сотов Л.С., Хвалин А.Л. Профессиональный EDA пакет MWO-2002 в роли современного обучающего средства// EDA Express. № 7.0А0 «Родник- Софт».2003.С.34-36.

63. Хвалин А.Л., Самолданов В.Н., Васильев A.B. Использование САПР MWO-2007 в задачах моделирования магнитоуправляемых усилителей для обучения студентов физических специальностей// Гетеромагнитная микроэлектроника.Саратов:Изд-во СГУ.2008.Вып З.С.44-51.

Отпечатано фотоспособом в соответствии с материалами, предоставленными заказчиком Подписано в печать 28.02.2014 г. Формат 60x84 /щ Бумага писчая №1. Гарнитура Тайме.

Заказ 1099. Печать оперативная. Усл.печ.л.1.84. Тираж 130 экз. Отпечатано в издательстве учебной и научной литературы Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики 443090. Г.Самара, Московское шоссе 77. т.(846)228-00-44

ОАО «Институт критических технологий», г.Саратов

на правах рукописи

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

05201451128

Хвалин Александр Львович

Анализ и синтез интегральных

магнитоуправляемых радиотехнических

устройств на ферритовых резонаторах

05.12.04 Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Самара-2014

у

Содержание

Стр.

Содержание

Термины и определения

Обозначения и сокращения

Введение

Глава 1

2 6 7 9 21

1.1 1.2

1.3

1.4

1.5

1.51

1.52

1.53

1.54

1.55

2.1 2.2

Исследования в диапазонах УВЧ, СВЧ по созданию интегральных магнитоуправляемых устройств.

Патентные исследования по применению ферритовых 21 резонаторов в радиотехнических устройствах Основные подходы к созданию магнитоуправляемых 23 транзисторных устройств

Выбор и обоснование направлений исследований. Общие 26 сведения о разрабатываемых устройствах

Исследования эпитаксиальных плёночных структур 27 железоиттриевого граната с расширенным диапазоном намагниченности насыщения 47гМ5 от 100 до 1750 Гс для интегральных магнитоуправляемых устройств. Решение задач анализа УВЧ, СВЧ резонаторов на 31 эпитаксиальных структурах ЖИГ с учётом доменной структуры

Создание метода анализа доменных структур в 32 эпитаксиальных структурах ЖИГ

Апробация метода на примере задачи оптимизации 42 основных параметров доменных границ Неелеского и Елоховского типов

Использование метода для анализа и синтеза основных 47 характеристик полосовых доменов в эпитаксиальных структурах ЖИГ

Создание обобщённой модели полосовой доменной 49 структуры в широком диапазоне толщин эпитаксиальных структур ЖИГ

Расчёт дисперсионных характеристик УВЧ, СВЧ 59 резонаторов на эпитаксиальных структурах с учётом микродоменной структуры ЖИГ

Глава 2 63

Анализ и синтез элементов интегральных магнитоуправляемых устройств и разработка программ расчета

Эквивалентные схемы интегральных магнитоуправляемых 63 устройств на биполярных и полевых транзисторах

Анализ и синтез преобразователей индукции магнитного 70

/

поля на ферритовых резонаторах

2.3 Оптимизация параметров эквивалентной схемы Гуммеля- 78 Пуна биполярных транзисторов на основе экспериментальных характеристик

2.4 Оптимизация параметров эквивалентной схемы Матерка 81 полевых транзисторов на основе экспериментальных характеристик

2.5 Разработка программ расчета элементов интегральных 90 магнитоуправляемых устройств.

2.51 Программа оптимизации параметров эквивалентных схем 90 биполярных и полевых транзисторов в диапазонах УВЧ,

свч

2.52 Программа оптимизации параметров преобразователей 96 индукции магнитного поля

2.6 Разработка программ расчета интегральных 99 магнитоуправляемых устройств

2. 61 Программа расчета интегральных магнитоуправляемых 99 устройств на полевых транзисторах в диапазонах УВЧ, СВЧ

2.62 Программа расчета интегральных магнитоуправляемых 101 устройств на биполярных транзисторах в диапазоне УВЧ Глава 3 105

Создание и исследование интегральных

магнитоуправляемых устройств в диапазонах УВЧ, СВЧ на сферических ферритовых резонаторах

3.1 Создание конструкций преобразователей индукции 105 магнитного поля в диапазонах УВЧ, СВЧ

3.2 Создание конструкций интегральных магнитоуправляемых 117 устройств на биполярных и полевых транзисторах на основе микрополосковых технологий в диапазонах частот от 0,3 до 18,0 ГГц

3.3 Использование интегральных технологий при создании 122 магнитоуправляемых устройств в диапазонах частот от 0,3

до 18,0 ГГц

3.4 Расчет характеристик интегральных магнитоуправляемых 125 устройств на биполярных и полевых транзисторах в усилительном и генераторном режимах в УВЧ диапазоне

3.5 Исследования интегральных магнитоуправляемых устройств 138 на полевых транзисторах в диапазоне от 0,3 до 18 ГГц в режимах генерации регулярных и шумоподобных сигналов

3.6 Расчет и создание конструкций интегральных 140 магнитоуправляемых устройств для усилительных и генераторных режимов в диапазоне частот от 18 до 40 ГГц

/

Глава 4

Создание и исследование интегральных 160

магнитоуправляемых устройств в УВЧ диапазоне на эпитаксиальных плёночных структурах железо-иттриевого граната с намагниченностями насыщения 4tüMs от 100 Гс до 1750 Гс

4.1 Исследования путей создания магнитоуправляемых 160 устройств квазимонолитного исполнения

4.2 Анализ и синтез характеристик микрополосковых 162 преобразователей индукции магнитного поля

4.3 Анализ и синтез характеристик транзисторного усилителя 166 для интегральных магнитоуправляемых устройств

4.4 Создание и исследование интегральных 169 магнитоуправляемых устройств квазимонолитного исполнения

4.5 Теоретическая оценка стойкости интегральных 179 магнитоуправляемых устройств к воздействиям механических и климатических факторов

4.6 Теоретические исследования предельной чувствительности 192 интегральных магнитоуправляемых устройств в генераторном режиме к внешним магнитным полям и механическим воздействиям (смещению, механическим колебаниям)

4.7 Теоретические исследования зависимости параметров 204 интегральных магнитоуправляемых устройств в генераторном режиме в диапазоне температур от минус 60°С до +125°С

4.8 Параметры - критерии годности интегральных 211 магнитоуправляемых устройств

Глава 5 215

Экспериментальные исследования интегральных магнитоуправляемых устройств на сферических ферритовых резонаторах

5.1 Измерительная оснастка для исследований интегральных 218 магнитоуправляемых устройств на сферических ферритовых резонаторах в УВЧ, СВЧ диапазонах

5.2 Исследование микрополосковых преобразователей 221 индукции магнитного поля в диапазонах УВЧ и СВЧ

5.3 Усилительный режим интегральных магнитоуправляемых 227 устройств на полевых транзисторах в УВЧ диапазоне

5.4 Усилительный режим интегральных магнитоуправляемых 231

устройств на биполярных транзисторах в УВЧ диапазоне

5.5 Режимы генерации регулярных и шумоподобных сигналов 234 магнитоуправляемыми устройствами на полевых транзисторах в диапазоне от 0,3 до 18 ГГц

5.6 Режимы генерации регулярных и шумоподобных сигналов 241 магнитоуправляемыми устройствами на полевых транзисторах от 18 до 37 ГГц

Глава 6 244

Экспериментальные исследования интегральных магнитоуправляемых устройств на ферритовых плёнках. Практическое применение интегральных

магнитоуправляемых устройств.

6.1 Исследование микрополосковых преобразователей 244 индукции магнитного поля

6.2 Исследования характеристик интегральных 250 магнитоуправляемых устройств в усилительном режиме

6.3 Исследование характеристик интегральных 254 магнитоуправляемых устройств в генераторном режиме

6.4 Оценка стойкости интегральных магнитоуправляемых 256 устройств к воздействиям механических и климатических факторов

Заключение. 263

ПРИЛОЖЕНИЯ

П-1 Программы расчета и моделирования интегральных 269 магнитоуправляемых устройств и их элементов.

П-2 Методика измерений параметров интегральных 273 магнитоуправляемых устройств

П-3 Рекомендации и предложения по'направлениям применения 277 интегральных магнитоуправляемых устройств

П-4 Оценка эффективности использования интегральных 283 магнитоуправляемых устройств в режимах усиления и генерации сигналов по сравнению с типовыми решениями и схемами на транзисторах

Список использованных источников. 286

Акты внедрения результатов диссертационной работы 306

Термины и определения

В диссертационной работе принимаются следующие термины с

соответствующими определениями:

- ферриты: Химические соединения окиси железа с окислами других металлов, сочетающие свойства ферромагнетиков и диэлектриков;

- ферромагнитный резонанс (электронный магнитный резонанс в ферромагнетиках): в узком смысле слова возбуждение однородной прецессии намагниченности, вызываемое высокочастотным магнитным полем, перпендикулярным постоянному намагничивающему полю;

- магнитное насыщение: Состояние ферромагнетика, при котором его намагниченность достигает предельного значения, не меняющегося при дальнейшем увеличении напряженности внешнего магнитного поля;

- ферритовый резонатор: Устройство, содержащее ферритовый резонатор малого размера и электродинамические элементы связи его с внешними цепями;

- феррит- транзисторная микроэлектронная структура: Структура, которая содержит транзистор и феррит (объемный или пленочный) либо непосредственно в транзисторе, либо в пределах его контактных площадок;

- интегральное магнитоуправляемое устройство (ИМУ): Транзисторная схема, интегрированная с ферритсодержащей структурой, основные параметры которой управляются при помощи внешнего постоянного магнитного поля;

- интегральное магнитоуправляемое устройство на биполярном транзисторе (МУБТ): ИМУ, созданное на базе кристалла биполярного транзистора;

- интегральное магнитоуправляемое устройство на полевом транзисторе (МУПТ): ИМУ, созданное на базе кристалла полевого транзистора;

- магнитоэлектронный элемент связи: участок линии передачи, обеспечивающий эффективное взаимодействие с ферритовым резонатором.

- полупроводниковая структура: кристалл, в котором сформированы структурные элементы транзистора.

- элементы матрицы рассеяния 4-полюсника (коэффициенты отражения и передачи): ¿'-параметры. Коэффициенты отражения и передачи четырёхполюсника;

- система автоматического проектирования; САПР: Система проектирования с использованием компьютерных технологий;

- транзистор полевой;

- транзистор биполярный;

- управление частотой и параметрами сигналов;

- программа расчета.

Обозначения и сокращения

В диссертации использованы следующие основные обозначения и сокращения:

1 частота: ц/

2 напряжение: 1Ю

3 ток: /

4 сопротивление активное: Я

5 индуктивность: Ь

6 емкость: С

7 взаимная индуктивность: М

8 напряженность магнитного поля: Н

9 индукция магнитного поля: В

10 намагниченность насыщения: М

11 мощность: Р

12 температура: Т

13 диаметр:

14 диэлектрическая проницаемость: б

15 магнитная проницаемость: //

16 гиромагнитное отношение: у

17 ферромагнитный резонанс: ФМР

18 ферритовый резонатор: ФР

19 микрополосковая линия: МПЛ

20 интегральное магнитоуправляемое устройство: ИМУ

21 интегральное магнитоуправляемое устройство на биполярном транзисторе: МУБТ

22 интегральное магнитоуправляемое устройство на полевом транзисторе: МУПТ

23 магнитоэлектронный элемент связи: МЭС

24 железо- иттриевый гранат: ЖИГ(УЮ)

25 амплитудно-частотная характеристика: АЧХ

26 период повторения импульсов: Т

27 длительность импульсов: х

28 напряжение стока полевого транзистора: ис

29 напряжение затвора полевого транзистора: из

30 полевой транзистор: ПТ

31 - волновое сопротивление

32 МСВ - магнитостатическая волна

33 ПМСВ - поверхностная магнитостатическая волна

34 ОМСВ - объемная магнитостатическая волна

35 В АХ - вольтамперная характеристика

36 КСВН - коэффициент стоячей волны по напряжению

37 К - коэффициент передачи

38 Ку - коэффициент усиления

39 К - размерность температуры по шкале Кельвина

40 Тк - температура Кюри

41 ис — напряжение стока полевого транзистора

42 из - напряжение затвора полевого транзистора

43 ГТГТФ — полосно-пропускающий фильтр

44 ВВФ - внешние воздействующие факторы

45 УВЧ (0,3-3,0 ГГц) - ультравысокие частоты

46 СВЧ (3,0-30,0 ГГц) - сверхвысокие частоты

47 КВЧ (30,0-300,0 ГГц) - крайне высокие частоты

Введение

Диссертационная работа имеет целыо исследование научно- технических основ для создания элементной базы интегральных магнитоуправляемых устройств (ИМУ). ИМУ представляют собой микросборки, использующие ферритовые резонаторы в качестве магниточувствительных элементов. Функционально ИМУ относятся к активным транзисторным устройствам, формирующим на выходе УВЧ или СВЧ сигналы, характеристики которых управляются при помощи внешнего постоянного магнитного поля.

Магнитоуправляемые устройства активного типа содержат преобразователь индукции магнитного поля в электрический сигнал постоянного тока, либо в УВЧ, СВЧ сигнал, и электронную схему обработки. Такие устройства, управляемые при помощи внешнего постоянного магнитного поля, широко используются уже более 50 лет [1- 5]. В настоящее время, в связи с требованиями миниатюризации изделий современной электроники, существует ряд областей использования магнитоуправляемых устройств, для которых Масс- габаритные характеристики становятся определяющими. В диссертационной работе решаются задачи, связанные с интеграцией магнитоуправляемых устройств активного типа.

Полупроводниковые технологии, используемые в электронных схемах обработки сигналов преобразователей, в своём развитии прошли не менее четырёх- пяти поколений по степени интеграции (дискретные транзисторы, интегральные схемы, большие интегральные схемы, сверхбольшие интегральные схемы). В настоящее время плотность компоновки транзисторов может достигать нескольких сотен тысяч штук на мм2. Поэтому при решении задач интеграции магнитоуправляемых устройств определяющими факторами являются тип и конструкция преобразователя индукции магнитного поля.

Преобразователи индукции магнитного поля могут быть различных типов в зависимости от условий применения, стоимости, масс- габаритных характеристик и требуемой чувствительности к магнитному полю:

магнитомеханические [6], индукционные [7], Squid- [8],

гальваномагнитные (на эффекте Холла) [9], магниторезонансные (квантовые) [10], магниторезистивные [11], феррозондовые [12]. Проведённые информационные исследования позволили определить основные подходы к повышению степени интеграции магнитоуправляемых устройств. Они заключаются в компоновке магниточувствительного элемента с электронной схемой в пределах одного кристалла либо в создании специальных магнитодиодов и магнитотранзисторов. На этой основе могут создаваться магнитные интегральные схемы.

В известных на сегодняшний день магнитных интегральных схемах [1317] используются преобразователи индукции магнитного поля на основе эффекта Холла, либо магниторезистивного эффекта, что обеспечивает чувствительность к магнитному полю порядка единиц миллитесла. Феррозондовые преобразователи индукции магнитного поля, несмотря на высокую чувствительность (десятки пикотесла), имеют весьма большие размеры (не менее 1 см3), что затрудняет их интеграцию. Наибольшую чувствительность к магнитному полю (десятки фемтотесла) имеют спиновые транзисторы и Squid-, которые требуют создания сложных систем с охлаждением до сверхнизких температур и малопригодны для практического использования.

В виде интегральных схем выпускаются датчики линейного или углового перемещения, магнитного поля, тока, расхода и др. Интегральные датчики Холла производят зарубежные фирмы Honeywell, Melexis, Allegro Microsystems, Micronas Intermetall, Siemens, Analog Devices, КО "Кристалл" (Украина) и др. Изделия микромагнитоэлектроники используются в системах управления производственными процессами, авиационной промышленности, автомобильной электронике, измерительной и вычислительной технике, дефектоскопии, медицинских и бытовых приборах и т.д. Зарубежные фирмы производят в год несколько миллиардов таких изделий!

Удобство бесконтактного срабатывания (полное отсутствие

механического износа), низкая стоимость, простота использования, стойкость к внешним воздействиям являются их неоспоримыми преимуществами перед другими группами изделий электронной техники.

К недостаткам известных магнитных интегральных схем прежде всего следует отнести ограничения по чувствительности к магнитному полю, что сужает области их применения. Однако невысокая цена и простота изготовления в ряде случаев оказываются решающими, например, при построении логических, релейных устройств, датчиков положения, механических смещений и пр. В существующих магнитных интегральных схемах, как правило, на выходе формируется выходной сигнал постоянного тока, либо низкочастотный сигнал.

В связи с современной тенденцией к повышению рабочих частот, следующим важным направлением в развитии магнитоуправляемых устройств является исследование возможности интеграции и миниатюризации СВЧ компонент. Известны работы российских исследователей Е.И.Нефёдова, В.И.Гвоздева, A.A. Яшина и др. по созданию объемных интегральных схем СВЧ пассивного типа [13- 24]. Исследованы типы линий передачи для использования в интегральных схемах, предложены устройства в интегральном исполнении: фильтры, мосты, переходы, зонды и пр.

Российский рынок электронных компонент заполнен магнитными интегральными схемами зарубежного производства, либо отечественными, разработанными и изготовленными 10-15 лет назад. В то же время нельзя не отметить огромный вклад в разработку этой темы ряда отечественных исследователей: О. К. Хомерики, В. И. Стафеева, А. Н. Марченко, Г. А. Егиазаряна, М. М. Мирзабаева, Ю. В. Афанасьева, Д. И. Агей