автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Электромагнитные и магнитостатические волны в устройствах СВЧ с гиромагнитными пленками

На правах рукописи

ЧУПРУНОВ Вадим Юрьевич

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ И МАГНИТОСТАТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ В УСТРОЙСТВАХ СВЧ С гаРОМАГНИТНЬЕМИ ПЛЕНКАМИ

Специальность 05.12.07 - Антенны, СВЧ-устройства и их технологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

>

Саратов 2005

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический

университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Димитрюк Александр Александрович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Иванченко Владимир Афанасьевич

Защита состоится 17 июня 2005 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.01 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет», корп. 2, ауд. 404.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет».

кандидат технических наук Посадский Виктор Николаевич

Ведущая организация ЗАО «Тантал-Наука» (г. Саратов)

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из основных направлений современной техники СВЧ является создание миниатюрных ферритовых устройств различного назначения с улучшенными электродинамическими и радиотехническими характеристиками. Такие устройства используют уникальные гиромагнитные свойства ферритов СВЧ диапазона и позволяют реализовать ряд функций обработки СВЧ-сигналов, которые часто не могут быть осуществлены другими способами. При этом ферритовые устройства СВЧ могут как осуществлять обработку сигналов, передающихся электромагнитными или магнитостатическими волнами, так и выполнять преобразование одних волн в другие.

В радиотехнических системах различного назначения известны и широко используются взаимные и невзаимные ферритовые устройства на основе различных волноведущих структур с электромагнитными волнами. Интенсивно развивается и СВЧ техника ферритовых устройств на основе поверхностных и объемных магнитостатических волн в тонких поликристаллических и монокристаллических ферритовых пленках. С помощью таких устройств реализуются функции задержки и фильтрации сигнала, его ограничение по максимальному уровню или, наоборот, подавление слабого шума в сигнале и т.д.

Достигнутый в последние годы прогресс в конструировании и технологии изготовления ферритовых микросхем создал условия для существенного расширения функциональных возможностей интегральных ферритовых устройств. Однако возможности проектирования интегральных ферритовых устройств существенно снижаются тем, что анализ базовых элементов проводится чаще всего на основе простейших моделей или приближенными методами. Следствием этого является необходимость значительной экспериментальной доработки интегральных ферритовых устройств, поэтому на сегодняшний день имеется насущная потребность в разработке подхода к теоретическому исследованию базовых ферритовых элементов ИС СВЧ, учитывающему те процессы в ферритах, которые ранее не принимались во внимание.

В последние годы наибольший интерес у разработчиков ферритовых устройств СВЧ на магнитостатических волнах (МСВ) вызывают вопросы взаимного влияния и энергетического взаимодействия электромагнитных и магнитостатических волн. Исследуются вопросы возникновения гибридных электромагнитно-спиновых волн, являющихся результатом взаимодействия электромагнитных и волн намагниченности. В результате этих исследований были созданы устройства с замедленными электромагнитными волнами.

Академиком Ю.В. Гуляевым было обнаружено явление фазового синхронизма волн различной физической природа (электромагнитных и магнитостатических), при котором про I. В связи с

этим разработка уточненного подхода к решению задачи взаимодействия электромагнитных и магнитостатических волн, определение частотной области существования точек фазового синхронизма в устройствах СВЧ с гиромагнитными монокристаллическими пленками является актуальной задачей.

Цель и задачи диссертационного исследования. Целью настоящей работы является разработка уточненного подхода к решению задач анализа СВЧ устройств с ферритовыми пленками конечных поперечных размеров и применение этого подхода для разработки электродинамических моделей и проектирования устройств обработки СВЧ сигналов, применяющихся в радиотехнических системах различного назначения.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

- разработка методики и алгоритма решения электродинамической задачи распространения и взаимодействия волн различной физической природы (электромагнитных и магнитостатических волн намагниченности) в планарных волноведущих структурах с гиромагнитными пленками конечных поперечных размеров;

- разработка уточненных двумерно ограниченных на поперечном сечении электродинамических моделей некоторых базовых элементов устройств СВЧ с гиромагнитными пленками;

проведение теоретических исследований некоторых вариантов конструкций СВЧ устройств с гиромагнитными пленками в частотной области поперечного ферромагнитного резонанса и выработка на их основе рекомендаций по практическому конструированию и выбору режимов работы.

Методы исследования. При выполнении данной работы были использованы методы математической физики и элементы векторного анализа. Для теоретического исследования моделей базовых элементов устройств СВЧ с гиромагнитными пленками использовались метод минимальных автономных блоков, основанный на принципе декомпозиции в задачах электродинамики и так называемый метод "магнитных стенок".

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Развит и применен для электродинамического анализа и математического моделирования резонансного взаимодействия электромагнитных волн и волн намагниченности в волноведущих структурах с монокристаллическими ферритовыми пленками метод связанных волн.

2. Получены расчетные соотношения, позволившие смоделировать (в виде дисперсионных характеристик) эффект резонансного взаимодействия динамических и магнитостатических мод в планарных структурах,

-г.уЛг»! - «И..»1

•»*» '»»е

содержащих намагниченные ферритовые пленки конечных поперечных размеров.

3. Выявлены условия эффективного возбуждения магнитостатических мод электромагнитными ( и наоборот) в феррит-сегнетоэлектрических волноводах с образованием гибридных электромагнитно-спиновых волн.

4. Проведен электродинамический анализ взаимодействия электромагнитных и магнитостатических мод в волноведущих структурах с гиромагнитными пленками и выявлен вклад различных составляющих спектра в энергообмен между волнами разной физической природы.

5. Исследовано пересечение дисперсионных кривых электромагнитных и магнитостатических волн, обнаружен эффект их расталкивания, установлен аномальный характер дисперсии МСВ при учете потерь в экранированных структурах, содержащих полосково-щелевые линии и магнитные пленки.

6. Изучены и проанализированы условия эффективного взаимодействия и преобразования динамических и магнитостатических мод в феррит-диэлектрических структурах.

7. Обнаружены и аналитически исследованы так называемые "подполосочные" типы МСВ, направляемые полосой или щелью полосково-щелевой структуры, содержащей гиромагнитные пленки.

Практическая значимость работы заключается в следующем: Предложенные математические модели и разработанные на их основе алгоритмы и программы существенно сокращают затраты времени и вычислительных ресурсов на решение практических задач при проектировании ферритовых устройств СВЧ.

Сформулированы практические рекомендации по выбору марок феррита, режима подмагничивания и коэффициента металлизации замедляющей структуры, позволяющие обеспечить работу ферритовых устройств СВЧ в требуемом частотном диапазоне.

Результаты проведенных исследований СВЧ устройств на МСВ и выработанные практические рекомендации позволяют улучшить электродинамические и радиотехнические характеристики СВЧ устройств следующих типов:

- приборов и устройств с бездиссипативной фильтрацией;

- частотно-селективных приборов с пространственной фильтрацией;

- эффективных преобразователей МСВ.

Использование результатов. Материалы диссертационной работы в виде методик и программного обеспечения использовались в ФНПЦ "НИИ физических измерений" при проектировании СВЧ фильтров на магнитостатических волнах, а также используются в учебном процессе на кафедре "Радиотехника" Саратовского государственного технического университета при чтении спецкурса "Компьютерное проектирование антенно-фидерных устройств".

Достоверность полученных результатов обеспечивается фундаментальностью исходных уравнений и законов, используемых для построения математических моделей, корректностью упрощающих допущений и соответствием результатов расчета теоретическим и экспериментальным данным, полученным другими авторами.

Личный вклад автора. Представленные в диссертации результаты всех расчетов получены автором самостоятельно. Кроме того, в совместно опубликованных работах автор принимал непосредственное участие в анализе полученных результатов и формулировке выводов, составляющих основу этих публикаций.

На защиту выносятся:

1. Методика исследования линий передачи СВЧ с гиромагнитными ферритовыми пленками полубесконечных и конечных поперечных размеров, позволяющая анализировать электродинамические характеристики собственных волн в линии с учетом возможности в некотором частотном диапазоне энергообмена между электромагнитными и магнитостатическими волнами.

2. Уточненные электродинамические модели устройств СВЧ на основе отрезков планарных линий передачи СВЧ с гиромагнитными пленками конечных поперечных размеров, учитывающие эффект взаимодействия электромагнитных и магнитостатических волн.

3. Результаты теоретических исследований, в ходе которых выявлены особенности в поведении дисперсионных характеристик волн различной физической природы в линиях передачи СВЧ с ферритовыми пленками, обнаружены и проанализированы специфические типы волн, обусловленные конечными размерами пленки.

Апробация работы. Результаты диссертационного исследования получены автором в период с 1998 по 2004 год. Отдельные аспекты работы докладывались на:

• 14-th International Conference on Microwave Ferrities, ICFM-98, Eger,

Hungary, 1998.

• Международном симпозиуме "Надежность и качество 99", Пенза,

1999 г.

• Третьем рабочем семинаре "Машинное проектирование в

прикладной электродинамике и электронике", IEEE Saratov-Penza

Chapter, Саратов, СГТУ, 1999.

• Международном симпозиуме "Надежность и качество 2000", Пенза,

2000

• 8-th International Conference of Ferrite. 18-21 Sept. 2000, (ICF 8),

Kyoto, Japan.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международных научно-технических конференциях "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (Саратов, 2004) и "Радиотехника и связь" (Саратов, 2004).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Объем работы 187 страниц, в том числе 60 рисунков на 33 стр., 4 стр. приложений. Библиография - 92 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи работы, приведены научные положения и результаты, выносимые на защиту, сведения о научной новизне, практической значимости и использовании результатов работы.

В первой главе проведен аналитический обзор современного состояния рассматриваемой проблемы. Во втором разделе главы развивается подход к построению математических моделей волноведущих структур спин-волновой электроники СВЧ с гиромагнитными пленками. В построенных моделях совместно рассматриваются процессы распространения, возбуждения и взаимодействия волн различной физической природы. Излагается строгая электродинамическая постановка самосогласованной задачи, которая заключается в следующем: система уравнений Максвелла для волноведущих структур, содержащих намагниченные слои ферромагнетика, дополняется уравнением движения намагниченности в ферромагнетике в форме Ландау-Лифшица

л М

где Л =Н0 +Н, М = М0+т, Н0 - постоянное поле подмагничивания, Н - переменная компонента магнитного поля, т - переменная составляющая намагниченности ш = М-М0, М0 - равновесная намагниченность, в предположении, что Н«Н0 и т«М0. Электродинамические граничные условия на поверхностях раздела сред, дополняются граничными условиями, учитывающими состояние спинов на поверхности ферромагнетика: условиями Киттеля для жесткого закрепления спинов (т = 0) или Радо-Уитмена для свободных поверхностных спинов ((й,Уш) = 0).

В третьем разделе проводится электродинамический анализ электромагнитных полей ферритовых волноведущих структур, в которых возможно возбуждение магнитостатических волн.

В четвертом разделе главы предложена новая методика решения задачи взаимодействия электромагнитных (ЭМВ) и магнитостатических (МСВ) волн, основанная на методе связанных волн, предложенном А. Г. Гуревичем для резонаторов с гиротропными включениями. Эта методика в

данной работе развита и применена для волноведущих структур с гиромагнитными пленками.

Волны в волноведущей структуре, содержащей тонкие магнитные пленки монокристаллического феррита, следует трактовать как связанную систему электромагнитных волн в волноведущей структуре с изотропной средой заполнения и волн намагниченности в тонкой гиромагнитной пленке. Такая трактовка возможна в случае, когда толщина магнитной пленки с1{ много меньше длины волны в среде с диэлектрической проницаемостью ег, равной диэлектрической проницаемости феррита ¿1 « 2пс/(а^/е^). Ферритовая пленка с подмагничиванием рассматривается как волноведущая структура, поддерживающая распространение волн намагниченности и способная, в свою очередь, взаимодействовать с внешними полями электродинамической волноведущей структуры.

Анализ полей в таких структурах является самосогласованной задачей, так как поля и токи, возникающие в намагниченных ферритовых пленках при распространении ЭМВ, в свою очередь, влияют на порождающее их поле. Магнитостатические поля Нм-можно рассматривать как сторонние и учитывать путем введения эквивалентного Тэ магнитного тока, обусловленного возбужденной намагниченностью

шст в феррита вой пленке.

Предлагаемая уточненная система уравнений связанных электромагнитных и волн намагниченности хорошо отражает физическую сущность процесса, так как содержит волновые числа (собственные значения) волн различной физической природы. С помощью этой системы получены динамические (дисперсионные) характеристик линий передачи

свч.

¡<от + у[т х Н0] = -у[М0 х £ С°ПЬ±П ] О)

П

КК + ЮС1 = ^^(У,(2)

где N.. = [еп, й* ]+[йп, ё* ] }с1з - норма потока мощности.

в

Физический смысл такой постановки задачи состоит в том, что быстрые ЭМВ, распространяясь в линии, при некоторых условиях возбуждают МСВ, которые могут изменить электродинамические характеристики ЭМВ (и наоборот). Бесконечная система уравнений является полной, поскольку в ней используется разложение по полной ортогональной системе собственных функций. Такая система позволяет определить все типы волн, которые могут существовать в данной структуре, но для решения практических задач достаточно знать

дисперсионную характеристику основного типа и область возникновения высших типов. Как показывает проведенный нами анализ уравнения (2), сильная связь между собственными типами ЭМВ волноведущей структуры и волн намагниченности ферритовой пленки существует при выполнении условия фазового синхронизма

Уф ЭМВ ~ иф исв •

Условие фазового синхронизма для построения устройств фильтрации СВЧ сигнала с узкой полосой режекции можно обеспечить использованием замедляющей системы ЭМВ и подбором марки феррита, режима его подмагничивания, определенной величины зазора между замедляющей системой и ферритовой пленкой.

Уравнения связанных мод ЭМВ и МСВ в волноведущих структурах с гиромагнитными пленками могут быть представлены в виде:

¡(км-ки)С:п=-^|{1]с1т1(у)2)ехРНкГх]с1кП-Н!па8 (3) 1(ки +кш)С!!„ ]с1т1(У,2)ехРНкГх]с1кГ} • Н°+„ё8 (4)

Б п> _

где км- комплексный коэффициент распространения ЭМВ, к^, -продольные волновые числа ЭМВ в регулярной волноведущей структуре , С+п'С™ " амплитудные коэффициенты собственных электромагнитных и волн намагниченности.

В целях разрешения бесконечности системы ограничимся в (3), (4) лишь резонансными (в зависимости от частоты о) членами, т.е. учитываем только сильно взаимодействующие ЭМВ и МСВ. Это упрощает решение задачи без потери ее физической сущности.

1(кга-кга)С:1=-^|{1]сГт1(у,2)ехр[Чк>]с1кхм}-Н»1а8 (5)

Г^п в » ~«о

к К + кв) с!, = |{1 ]с(Гй1(у,г)ехрНкГ1х]акП • Й°+1(И (6)

^•п 5 га

Полученное решение будет приближенным, но более точным, чем полученное без учета влияния резонансного взаимодействия. Вдали от области взаимодействия оно совпадает с известными решениями и для ЭМВ и для МСВ.

Вторая глава посвящена электродинамическому анализу процессов распространения ЭМВ и МСВ в волноведущих структурах, содержащих пленки намагниченного ферромагнетика. Рассмотрена природа распространения основного и высших типов волн. Анализируется влияние геометрических размеров линий передачи, ограниченных на поперечном сечении, на характеристики их распространения.

Рис. 1. Дисперсионные кривые электромагнитных и магнитостатических волн при поперечно касательном поле намагничивания Но=100 кА/м, Мз=140 кА/м с1ф=0.1 мм, <1=0 1 мм, \у=1 мм, 1=0.002 мм, г=0,7 мм, а х Ь = 7.2 х 3.4 мм2, ед=400, бф=14, ширина линии ферромагнитного резонанса ДН = 8А/м. Кривая 1 соответствует низшему основному типу электромагнитной волны полосковой линии "'необыкновенной" квази Т-волне. Структура волны определяется центральным проводником, стенками экранирующего волновода, диэлектрической подложкой и ферритовой пленкой. Кривая 2 -"полосковый" тип, его структура определяется центральным проводником и широкой стенкой экранирующего волновода. Пунктирными линиями обозначены дисперсионные кривые электромагнитных волн в изотропной волноведущей структуре.

Рассчитанные дисперсионные характеристики показывают, что существует область поперечного ферромагнитного резонанса, являющаяся областью раздела объемных и поверхностных магнитостатических волн. Особенностью распространения волн является то, что вблизи поперечного ферромагнитного резонанса происходит сгущение дисперсионных характеристик объемных МСВ и гибридизация электромагнитных волн с образованием гибридных электромагнитно-спиновых волн (рис. 1).

Предложена формула передаточной функции волновода с магнитостатическими волнами, позволяющая отследить влияние дисперсионных свойств на коэффициент передачи фильтра.

к"\*72-пя

где V/- ширина ферритовой пленки, к" - продольное волновое число МСВ, В третьей главе проводится спектральный и частотный анализ преобразования динамических мод (ЭМВ) и магнитостатических мод в ферритовых волноведущих структурах и определяется вклад различных составляющих спектра в энергообмен.

Приведены результаты расчета полного спектра собственных волн двумерно ограниченных ферритовых волноведущих структур (базовых элементов полосково-щелевых преобразователей МСВ и слоистых феррит-диэлектрических волноводов). Алгоритм и программа расчета построены на основе метода минимальных автономных блоков (МАБ).

Выяснено, что основными рабочими типами волн щелевых гиротропных волноведущих структур являются "необыкновенные" четная квази-ЬМ] и нечетная квази-ЬМ2 волны.

В процессе теоретических исследований была впервые обнаружена вероятность возникновения особого типа магнитостатических волн -подполосочных. Возникновение "подполосочных" типов МСВ обусловливается тем, что образуется плоский волновод между микрополоском и основанием экрана.

Ранее такие волны не обнаруживались, однако их существование косвенно подтверждается анализом результатов' экспериментальных данных, приводимых в литературе. В частотной области существования подполосочных МСВ наблюдалась сильная изрезанность фазочастотной характеристики электрически и магнитоуправляемой линии задержки. Линия задержки представляла собой пленку железо-иттриевого граната (ЖИГ) с двумя (входным и выходным) полосковыми преобразователями спиновых волн, помещенных во внешнее магнитное поле смещения различной ориентации, и приближенную к пленке пластину сегнетоэлектрика с электродами, к которому прикладывается электрическое поле.

Таким образом, в сантиметровом частотном диапазоне имеют место кроме основных, объемных магнитостатических мод ферритового слоя, объемные моды, распространяющиеся вдоль микрополоска. На основании серии проведенных численных расчетов и полученных дисперсионных кривых микрополосковой линии (рис. 2,а) на ферритовой подложке и в односторонне металлизированном ферритовом слое (рис. 2,6) при неизменной толщине ферритовой подложки был сделан вывод, что подполосочные типы МСВ существуют при соотношении ширины микрополоска к толщине ферритовой подложки, удовлетворяющем

выражению 0.21 < — ^ 0.5.

с1

В разделе 3.5 главы рассматривается методика построения расчетных моделей фильтров на МСВ на основе волноведущих структур с гиромагнитными пленками. В основе методики лежит определение частотных диапазонов функционирования с учетом возможного взаимодействия электромагнитных и магнитостатических волн. Следующим шагом при проектировании требуемого функционального устройства является вывод соотношений для элементов матрицы рассеяния, определяющих все его основные радиотехнические характеристики (коэффициент передачи, коэффициент отражения для прямой и обратной волн). Для этого надо знать волновое сопротивление подходящей к фильтру линии передачи Ъ^ и входное характеристическое сопротивление фильтра в месте подключения этой линии Ъъ

§ _ 2Э —Z0 ' 2э + 70*

Накладывая теперь конкретные требования на значения элементов матрицы (например, условия оптимального согласования, максимального пропускания сигнала), можно получить расчетные соотношения, связывающие в явном виде радиотехнические характеристики устройств с их геометрическими размерами, рабочей частотой, параметрами использованного феррита, величиной подмагничивающего поля.

Описанная методика апробирована на примере расчета фильтра на поверхностных МСВ с решетчатым преобразователем с учетом особенностей взаимодействия электромагнитных и магнитостатических волн (рис. 3). Исследовался полосно-пропускающий фильтр, работающий в полосе частот 4.2-4.5 ГГц, основанный на использовании селективных свойств полосковых элементов. Принцип действия такого фильтра близок к принципу действия фильтров на поверхностных акустических волнах. Фильтр выполнен в виде двух микрополосковых токовых преобразователей, короткозамкнутых с одной стороны, с другой соединенных с подводящей линией передачи с волновым сопротивлением Хо, между ними расположена отражательная решетка короткозамкнутых микрополосковых линий. В такой системе сигнал прямой электромагнитной наводки на выходе был

Рис. 2. Дисперсионные характеристики электромагнитных и магиитостатических волн в несимметричной микрополосковой линии на ферритовой подложке. 1,7 — электромагнитная квази-ТЕМ волна; 2, 4, 6 - объемные магнитостатические волны с различной вариацией по ширине ферритовой пленке; 3,5 - подполосочные объемные магнитостатические волны с различными законами распределения поля по ширине металлической полоски

Рис. 3. Конструкция фильтра на поверхностных МСВ. I - металлизированная диэлектрическая подложка, П - пленарная структура фильтра в виде двух микрополосковых токовых преобразователей, короткозамкнутых с одной стороны, с другой соединенных с подводящей линией передачи с волновым сопротивлением ¿о, между ними расположена решетка короткозамкнутых микрополосковых линий, III -ферритовая пленка, IV - подложка из галлий-гадолиниевого граната

незначительным. Для того, чтобы предотвратить возбуждение коротких (высокочастотных) МСВ, преобразователь отделялся от пленки определенным зазором. Смещающее магнитное поле находилось в плоскости пленки, вследствие чего возбуждалась поверхностная, однонаправленная магнитостатическая волна, и поэтому уменьшались потери сигнала. Зависимость набега фазы от частоты в полосе пропускания линейная. Максимальная мощность СВЧ -100 мкВт.

Результаты теоретических исследований сравнивались с экспериментальными данными из литературных источников. Расхождение результатов составило 1,5-2 %.

Четвертая глава посвящена анализу результатов теоретического исследования некоторых конструкций фильтров на МСВ. Методом связанных волн раскрывается механизм взаимодействия электромагнитных и магнитостатических волн в феррит-сегнетоэлектрических ВС. Определяются условия эффективного взаимодействия волн различной физической природы и степень связи ЭМВ и МСВ. Методологической основой этого анализа служит теорема взаимности и принцип фазового синхронизма.

Цель анализа результатов - экспериментальное подтверждение точности разработанных математических моделей.

Полученное численное приближенное решение самосогласованной задачи о взаимодействии электромагнитных волн и волн намагниченности имеет общий характер, так как все особенности электродинамической системы учитываются в собственных функциях и дисперсионных характеристиках волн.

Это решение справедливо для регулярных волноведущих структур с гиротропными пленками любых геометрических сечений.

На основе выполненных численных расчетов изучены особенности распространения и взаимодействия волн различной физической природы. На верхних частотах существования объемных и на нижних частотах существования поверхностных магнитостатических волн в ферритовой пленке смоделирован эффект фазового синхронизма электромагнитных и магнитостатических волн (рис. 4).

По результатам исследования ряда базовых волноведущих структур для фильтров МСВ были построены полезные для инженерной практики зависимости, позволяющие определить оптимальные значения величины зазоров для полосно-пропускающих фильтров на магнитостатических волнах (рис. 5).

Все расчеты велись с учетом потерь в ферритовой пленке, что позволило получить результаты, лучше соответствующие реальным значениям прямых потерь в фильтрах на МСВ.

При разработке программы анализа на ЭВМ дисперсионных характеристик экранированных планарных волноведущих структур с гиромагнитными пленками с поперечно- касательным подмагничиванием

Рис. 4. Дисперсионные зависимости ЭМВ, МСВ и гибридных электромагнитно-спиновых волн в экранированной феррит-сегнетоэлектрической волноведущей структуре с поперечно-касательным полем намагничивания. Геометрия структуры: экран а х Ь= 5 х 3 мм; 1 - монокристаллическая пленка феррита ёф=5 мкм, е = 15; 3 -слой сегнетоэлектрика бд=1 мм, е = 400, 2,4,5 - воздушный зазор, ¿,=10 мкм, г=10 мкм. Поле намагничивания Но=80 кА/м, намагниченность насыщения феррита М5 = 140 кА/м, ширина линии ферромагнитного резонанса АН = 8 А/м

|_,ДБ 0------

-ю--р--'—.----

-и --—-—'-------

-зо--:----— ---

чо----—<---

-50 -;----•--

-<о' * *

Уз ъ/г 1 Хэмв

Хмсв

Рис. 5. Зависимость коэффициента передачи волноведущей структуры с ферритовой пленкой от выбора рабочих длин волн ЭМВ и МСВ в сантиметровом диапазоне

были использованы предложенные в первой главе данной работы обобщенные математические модели таких линий.

Для оценки точности разработанных моделей и созданных на их основе программ было проведено сравнение полученных расчетных дисперсионных характеристик с экспериментальными данными, приведенными в публикациях других авторов. Анализ результатов дал основание сделать вывод о достаточно хорошем совпадении теоретических и экспериментальных данных как в качественном, так и в количественном отношениях. Это позволило рекомендовать предложенные математические и разработанные на их основе программы для ЭВМ для применения в процессе проектирования новых вариантов конструкций устройств с гиромагнитными пленками фильтрующего типа.

В заключении сформулированы основные результаты работы и выводы.

Основные результаты диссертации и выводы

Настоящая работа направлена на решение одной из приоритетных научно-технических задач - создание отечественных радиотехнических систем и комплексов СВЧ диапазона, по своим характеристикам превосходящих зарубежные аналоги. Для решения этой задачи, имеющей важнейшее народнохозяйственное значение, необходимо обеспечить создание новых и совершенствование существующих СВЧ устройств с улучшенными электродинамическими характеристиками.

В диссертации решена актуальная проблема разработки нового подхода к анализу устройств СВЧ с ферритовыми пленками, основанного на методе связанных волн и позволяющего учесть возможность взаимодействия и энергообмена между волнами различной физической природы - электромагнитными и магнитостатическими (спиновыми).

Данный подход позволяет уточнить приближенное решение задачи нахождения частотных областей фазового синхронизма в устройствах СВЧ с гиромагнитными пленками в широком диапазоне частот и волновых чисел.

В процессе проведения исследований решены следующие задачи:

- предложен новый подход, разработаны методика и алгоритм решения электродинамической задачи независимого распространения и взаимодействия электромагнитных и магнитостатических волн в волноведущих структурах с гиромагнитными пленками;

- разработаны обобщенные математические модели экранированной микрополосковой линии, щелевой линии, содержащих ферритовую пленку, что позволяет провести анализ на ЭВМ рабочих характеристик широкого класса конструкций преобразователей МСВ;

- разработана методика построения расчетных моделей фильтрующих ферритовых устройств на основе волноведущих структур с гиромагнитными пленками;

- в ходе теоретических исследований определены условия эффективного взаимодействия электромагнитных и магнитостатических волн с образованием расталкивающихся ветвей дисперсионных характеристик, степень связи волн различной физической природы в зависимости от зазора между ферритовой пленкой и слоем сегнетоэлектрика в экранированных линиях передачи, а также выработаны отдельные рекомендации по выбору марок феррита и режима подмагничивания для фильтрующих ферритовых устройств, устранению нежелательной многомодовости в гиромагнитных пленках и достижению оптимального согласования устройства с подводящей линией передачи.

В ходе решения поставленных задач получены новые научные и практические результаты:

1. Решены методом связанных волн в сочетании с методом минимальных автономных блоков (МАБ) электродинамические задачи для волноведущих структур с гиромагнитными пленками.

2. Предложенный подход к анализу двумерно ограниченных волноведущих структур с гиромагнитными пленками в отличие от известных работ допускает одновременное рассмотрение как электромагнитных, так и магнитостатических волн с учетом возможности энергообмена между ними.

Эти результаты подтверждают первое защищаемое положение.

3. Разработаны уточненные двумерно ограниченные на поперечном сечении электродинамические модели: базовых элементов устройств СВЧ на основе отрезков планарных волноведущих структур с гиромагнитными пленками.

4. Получены в широком частотном диапазоне дисперсионные характеристики электромагнитных и магнитостатических волн, способных распространяться в экранированной микрополосковой линии, щелевой линии, содержащих ферритовую пленку.

5. Разработан пакет программ, обеспечивающий расчет основных электродинамических характеристик двумерно ограниченных волноведущих структур с гиромакгнитными пленками.

6. Получены в качестве частных случаев (в приближении магнитной стенки) аналитические выражения, позволяющие определить частоты отсечки магнитостатических волн.

Таким образом, подтверждено второе защищаемое положение.

7. Па верхних частотах существования объемных и на нижних частотах существования поверхностных магнитостатических волн в ферритовой пленке выявлен эффект фазового синхронизма электромагнитных волн, распространяющихся в ВС, и магнитостатических волн распространяющихся в ферритовой пленке. Установлено, что в результате расталкивания дисперсионных ветвей образуется полоса непропускания сигнала, поэтому, поместив преобразователь для съема энергии на ферритовую пленку, можно обеспечить полосно-заграждающий эффект.

Это дает возможность реализовать режекторный фильтр с полосой заграждения порядка 5 МГц.

8. По результатам теоретических исследований выработаны отдельные рекомендации по режимам подмагничивания для ферритовых устройств, устранению нежелательной многомодовости в гиромагнитных пленках и достижению оптимального согласования устройства с подводящей линией передачи сантиметрового диапазона длин волн.

Таким образом, доказана справедливость третьего защищаемого положения.

Главный результат настоящего диссертационного исследования

состоит в том, что его проведение способствовало решению важной народнохозяйственной задачи повышения качества проектирования радиотехнических систем и комплексов различного назначения и созданию новых интегрированных малогабаритных СВЧ устройств с улучшенными электродинамическими характеристиками. В рамках решения этой задачи предложена новая научно обоснованная методика, направленная на устранение сложного многократного макетирования и способствующая повышению качества проектирования СВЧ устройств с гиромагнитными пленками.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Electrodynamic analysis of the magnetostatic and electromagnetic waves transformation by strip-slot antennas on ferrite film structures/ V.Yu. Chuprunov, A.E. Jalnin, G.S. Makeeva // Proceed of 14-th International Conference on Microwave Ferrities. Eger, Hungary, 1998.- P. 27-30.

2. Чупрунов В.Ю. Электродинамическое моделирование трансформации электромагнитных и магнитостатических мод в полосково-щелевых линиях с пленками ферромагнетика / В.Ю. Чупрунов, А.Е. Жалнин, Г.С. Макеева // Машинное проектирование в прикладной электродинамике и электронике: Труды третьего рабочего семинара IEEE Saratov-Penza Chapter. Саратов: СГТУ, 1999. - С. 23-26.

3. Чупрунов В.Ю. Электродинамическое моделирование гибридных электромагнитно-спиновых волн в пленочных феррит-сегнетоэлектрических волноводах/ В.Ю. Чупрунов, Г.С. Макеева// Машинное проектирование в прикладной электродинамике и электронике: Труды третьего рабочего семинара IEEE Saratov-Penza Chapter. Саратов: СГТУ, 1999. - С. 27-30.

4. Strip-down Magnetostatic Modes in Strip-slot Waveguiding Structures on Gyromagnetic Substrates/ V.Yu. Chuprunov, G.S. Makeeva // Terahertz and Gigahertz Photonics, R. Jennifer Hwu, Ke Wu, Editors, Proceedings of SPIE, Vol.4111 (2000).-P. 49-57.

5. Existence frequency regions of magnetostatic modes in two-dimensional ferrite waveguiding structures / V.Yu. Chuprunov, G.S. Makeeva // Terahertz and Gigahertz Photonics, R. Jennifer Hwu, Ke Wu, Editors, Proceedings of SPIE, Vol. 4111 (2000). - P. 58-65.

5. Existence frequency regions of magnetostatic modes in two-dimensional ferrite waveguiding structures / V.Yu. Chuprunov, G.S. Makeeva // Terahertz and Gigahertz Photonics, R. Jennifer Hwu, Ke Wu, Editors, Proceedings of SPIE, Vol. 4111 (2000). - P. 58-65.

6. Чупрунов В.Ю. Определение критических частот магнитостатических мод в пленочных ферритовых волноводах//Надежность и качество 2000: Труды Междунар. симпозиума. Пенза, 2000. - С. 360-362.

7. Чупрунов В.Ю. Численное моделирование гибридизации электромагнитных и магнитостатических волн для приборов и устройств с бездиссипативной фильтрацией / А.А. Димитрюк, В.Ю.Чупрунов // Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП): Материалы Междунар. науч.-техн. конф./ СГТУ. Саратов, 2004. - С. 261265.

8. Чупрунов В.Ю. Метод связанных волн в электродинамической теории волноводов с гиротропными средами / А.А. Димитрюк, В.Ю.Чупрунов // Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП): Материалы Междунар. науч.-техн. конф./ СГТУ. Саратов, 2004. - С. 266-

9. Чупрунов В.Ю. Магнитостатические и электромагнитные волны в линиях передачи СВЧ с ферритовыми пленками / A.A. Димитрюк, В.Ю.Чупрунов // Радиотехника и связь: Материалы Междунар. науч.-техн. конф./ СГТУ. Саратов, 2004. - С. 153-157.

10. Чупрунов В.Ю. Математическое моделирование ферритовых СВЧ устройств с линейными функциями / A.A. Димитрюк, В.Ю.Чупрунов // Радиотехника и связь: Материалы Междунар. науч.-техн. конф./ СГТУ. Саратов, 2005. - С. 235-239.

11. Чупрунов В.Ю. Учет диссипации в электродинамических моделях линий передачи СВЧ на магнитостатических волнах / A.A. Димитрюк, В.Ю.Чупрунов, П.В. Замоторин // Радиотехника и связь: Материалы Междунар. науч.-техн. конф./ СГТУ. Саратов, 2005. - С. 240-244.

272.

Лицензия ИД № 06268 от 14.11,01

Подписано в печать 05.05.05 Бум. тип. Тираж 100 экз.

Усл. печл. 1,16 Заказ 186

Формат 60x84 1/16 Уч.-издл. 1,0 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77

Кошшринтер СГТУ, 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77

Р12799

РНБ Русский фонд

2006-4 9799

ч

Введение.

Глава 1. Функциональные возможности и проблемы проектирования СВЧ устройств на основе волноведущих структур с ферритовыми пленками.

1.1. Гиромагнитные свойства ферритовых пленок и возможности их применения в технике СВЧ.

1.2. Основные подходы и методы исследования волноведущих и резонаторных структур с гиромагнитными включениями.

1.3. Собственные и вынужденные волны в линиях передачи СВЧ с гиромагнитными пленками.

1.4. Обоснование применимости метода связанных волн для анализа волноведущих структур с гиромагнитными пленками.

1.5. Выбор и обоснование метода вычисления постоянных распространения электромагнитных и магнитостатических волн в волноведущих структурах с гиромагнитными пленками.

Глава 2. Решение задач электродинамического анализа планарных волноведущих структур со слоистым феррит-диэлектрическим заполнением.

2.1. Экранированный ферритовый слой.

2.2. Полосковая, щелевая и копланарная линии на ферритовой подложке с поперечно-касательным подмагничиванием.

2.3. Анализ распространения и возбуждения магнитостатических волн в пленочных ферритовых МСВ-волноводах.

Глава 3. Энергообмен и процесс преобразования электромагнитных и магнитостатических волн в линиях передачи с гиромагнитными пленками.

3.1. Электродинамический анализ преобразования динамических и магнитостатических волн в полосково-щелевых линиях с гиромагнитными пленками.

3.2. Спектральный анализ процесса возбуждения и преобразования магнитостатических мод полосковыми преобразователями МСВ.

3.3. Анализ вклада различных составляющих спектра электромагнитных и магнитостатических волн в энергообмен.

3.4 Численное моделирование процесса преобразования электромагнитных и магнитостатических волн.

3.5. Расчетная модель фильтра на поверхностных магнитостатических волнах.

Глава 4. Электродинамическое моделирование процесса взаимодействия электромагнитных и магнитостатических волн в волноведущих структурах с гиромагнитными пленками.

4.1. Применение метода связанных волн для анализа процесса распространения электромагнитных и магнитостатических волн.

4.2. Условия реализации эффективного взаимодействия электромагнитных и магнитостатических волн.

4.3. Численное моделирование процесса взаимодействия электромагнитных и магнитостатических волн.

4.4. Рекомендации по оптимизации конструктивных, электродинамических параметров и выбору рабочих диапазонов фильтров на МСВ.

Актуальность темы. Одним из основных направлений современной техники СВЧ является создание миниатюрных ферритовых устройств различного назначения с улучшенными электродинамическими и радиотехническими характеристиками. Такие устройства используют уникальные гиромагнитные свойства ферритов СВЧ диапазона и позволяют реализовать ряд функций обработки СВЧ-сигналов, которые часто не могут быть осуществлены другими способами. При этом ферритовые устройства СВЧ могут как осуществлять обработку сигналов, передающихся электромагнитными или магнитостатическими волнами, так и выполнять преобразование одних волн в другие.

В радиотехнических системах различного назначения известны и широко используются взаимные и невзаимные ферритовые устройства на основе различных волноведущих структур с электромагнитными волнами. Интенсивно развивается и СВЧ техника ферритовых устройств на основе поверхностных и объемных магнитостатических волн в тонких поликристаллических и монокристаллических ферритовых пленках. С помощью таких устройств реализуются функции задержки и фильтрации сигнала, его ограничение по максимальному уровню или, наоборот, подавление слабого шума в сигнале и т.д.

Достигнутый в последние годы прогресс в конструировании и технологии изготовления ферритовых микросхем создал условия для существенного расширения функциональных возможностей интегральных ферритовых устройств. Однако возможности проектирования интегральных ферритовых устройств существенно снижаются тем, что анализ базовых элементов проводится чаще всего на основе простейших моделей или приближенными методами. Следствием этого является необходимость значительной экспериментальной доработки интегральных ферритовых устройств, поэтому на сегодняшний день имеется насущная потребность в разработке подхода к теоретическому исследованию базовых ферритовых элементов ИС СВЧ, учитывающему те процессы в ферритах, которые ранее не принимались во внимание.

В последние годы наибольший интерес у разработчиков ферритовых устройств СВЧ на магнитостатических волнах (МСВ) вызывают вопросы взаимного влияния и энергетического взаимодействия электромагнитных и магнитостатических волн. Исследуются вопросы возникновения гибридных электромагнитно-спиновых волн, являющихся результатом взаимодействия электромагнитных и волн намагниченности. В результате этих исследований были созданы устройства с замедленными электромагнитными волнами.

Академиком Ю.В. Гуляевым было обнаружено явление фазового синхронизма волн различной физической природы (электромагнитных и магнитостатических), при котором происходит их энергообмен. В связи с этим разработка уточненного подхода к решению задачи взаимодействия электромагнитных и магнитостатических волн, определение частотной области существования точек фазового синхронизма в устройствах СВЧ с гиромагнитными монокристаллическими пленками является актуальной задачей.

Цель и задачи диссертационного исследования. Целью настоящей работы является разработка уточненного подхода к решению задач анализа СВЧ устройств с ферритовыми пленками конечных поперечных размеров и применение этого подхода для разработки электродинамических моделей и проектирования устройств обработки СВЧ сигналов, применяющихся в радиотехнических системах различного назначения.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

- разработка методики и алгоритма решения электродинамической задачи распространения и взаимодействия волн различной физической природы (электромагнитных и магнитостатических волн намагниченности) в планарных волноведущих структурах с гиромагнитными пленками конечных поперечных размеров;

- разработка уточненных двумерно ограниченных на поперечном сечении электродинамических моделей некоторых базовых элементов устройств СВЧ с гиромагнитными пленками; проведение теоретических исследований некоторых вариантов конструкций СВЧ устройств с гиромагнитными пленками в частотной области поперечного ферромагнитного резонанса и выработка на их основе рекомендаций по практическому конструированию и выбору режимов работы.

Методы исследования. При выполнении данной работы были использованы методы математической физики и элементы векторного анализа. Для теоретического исследования моделей базовых элементов устройств СВЧ с гиромагнитными пленками использовались метод минимальных автономных блоков, основанный на принципе декомпозиции в задачах электродинамики и так называемый метод "магнитных стенок".

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Развит и применен для электродинамического анализа и математического моделирования резонансного взаимодействия электромагнитных волн и волн намагниченности в волноведущих структурах с монокристаллическими ферритовыми пленками метод связанных волн.

2. Получены расчетные соотношения, позволившие смоделировать (в виде дисперсионных характеристик) эффект резонансного взаимодействия динамических и магнитостатических мод в планарных структурах, содержащих намагниченные ферритовые пленки конечных поперечных размеров.

3. Выявлены условия эффективного возбуждения магнитостатических мод электромагнитными ( и наоборот) в феррит-сегнетоэлектрических волноводах с образованием гибридных электромагнитно-спиновых волн.

4. Проведен электродинамический анализ взаимодействия электромагнитных и магнитостатических мод в волноведущих структурах с гиромагнитными пленками и выявлен вклад различных составляющих спектра в энергообмен между волнами разной физической природы.

5. Исследовано пересечение дисперсионных кривых электромагнитных и магнитостатических волн, обнаружен эффект их расталкивания, установлен аномальный характер дисперсии МСВ при учете потерь в экранированных структурах, содержащих полосково-щелевые линии и магнитные пленки.

6. Изучены и проанализированы условия эффективного взаимодействия и преобразования динамических и магнитостатических мод в феррит-диэлектрических структурах.

7. Обнаружены и аналитически исследованы так называемые "подполосочные" типы МСВ, направляемые полосой или щелью полосково-щелевой структуры, содержащей гиромагнитные пленки.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

Предложенные математические модели и разработанные на их основе алгоритмы и программы существенно сокращают затраты времени и вычислительных ресурсов на решение практических задач при проектировании ферритовых устройств СВЧ.

Сформулированы практические рекомендации по выбору марок феррита, режима подмагничивания и коэффициента металлизации замедляющей структуры, позволяющие обеспечить работу ферритовых устройств СВЧ в требуемом частотном диапазоне.

Результаты проведенных исследований СВЧ устройств на МСВ и выработанные практические рекомендации позволяют улучшить электродинамические и радиотехнические характеристики СВЧ устройств следующих типов:

- приборов и устройств с бездиссипативной фильтрацией;

- частотно-селективных приборов с пространственной фильтрацией;

- эффективных преобразователей МСВ.

Использование результатов. Материалы диссертационной работы в виде методик и программного обеспечения использовались в ФНПЦ "НИИ физических измерений" при проектировании СВЧ фильтров на магнитостатических волнах, а также используются в учебном процессе на кафедре "Радиотехника" Саратовского государственного технического университета при чтении спецкурса "Компьютерное проектирование антенно-фидерных устройств".

Достоверность полученных результатов обеспечивается фундаментальностью исходных уравнений и законов, используемых для построения математических моделей, корректностью упрощающих допущений и соответствием результатов расчета теоретическим и экспериментальным данным, полученным другими авторами.

Личный вклад автора. Представленные в диссертации результаты всех расчетов получены автором самостоятельно. Кроме того, в совместно опубликованных работах автор принимал непосредственное участие в анализе полученных результатов и формулировке выводов, составляющих основу этих публикаций.

На защиту выносятся:

1. Методика исследования линий передачи СВЧ с гиромагнитными ферритовыми пленками полубесконечных и конечных поперечных размеров, позволяющая анализировать электродинамические характеристики собственных волн в линии с учетом возможности в некотором частотном диапазоне энергообмена между электромагнитными и магнитостатическими волнами. I

2. Уточненные электродинамические модели устройств СВЧ на основе отрезков планарных линий передачи СВЧ с гиромагнитными пленками конечных поперечных размеров, учитывающие эффект взаимодействия электромагнитных и магнитостатических волн.

3. Результаты теоретических исследований, в ходе которых выявлены особенности в поведении дисперсионных характеристик волн различной физической природы в линиях передачи СВЧ с ферритовыми пленками, обнаружены и проанализированы специфические типы волн, обусловленные конечными размерами пленки.

Апробация работы. Результаты диссертационного исследования получены автором в период с 1998 по 2004 год. Отдельные аспекты работы докладывались на:

• 14-th International Conference on Microwave Ferrities, ICFM-98, Eger, Hungary, 1998.

• Международном симпозиуме "Надежность и качество 99", Пенза,

1999 г.

• Третьем рабочем семинаре "Машинное проектирование в прикладной электродинамике и электронике", IEEE Saratov-Penza Chapter, Саратов, СГТУ, 1999.

• Международном симпозиуме "Надежность и качество 2000", Пенза,

2000

• 8-th International Conference of Ferrite. 18-21 Sept. 2000, (ICF 8), Kyoto, Japan.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международных научно-технических конференциях "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (Саратов, 2004) и "Радиотехника и связь" (Саратов, 2004).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Объем работы 187 страниц, в том числе 60 рисунков на 33 стр., 4 стр. приложений, Библиография - 92 наименования.

Заключение

Настоящая рабрта направлена на решение одной из приоритетных научно-технических задач - создание отечественных радиотехнических систем и комплексов СВЧ диапазона, по своим характеристикам превосходящим зарубежные аналоги. Для решения этой задачи, имеющей важнейшее народнохозяйственное значение, необходимо обеспечить создание новых и совершенствование существующих СВЧ устройств с улучшенными электродинамическими характеристиками.

В диссертации решена актуальная проблема разработки нового подхода к анализу устройств СВЧ с ферритовыми пленками, основанного на методе связанных волн и позволяющего учесть возможность взаимодействия и энергообмена между волнами различной физической природы -электромагнитными и магнитостатическими (спиновыми).

Данный подход позволяет уточнить приближенное решение задачи нахождения частотных областей фазового синхронизма в устройствах СВЧ с гиромагнитными пленками в широком диапазоне частот и волновых чисел.

В процессе проведения исследований решены следующие задачи:

- предложен новый подход, разработаны методика и алгоритм решения электродинамической задачи независимого распространения и взаимодействия электромагнитных и магнитостатических волн в волноведущих структурах с гиромагнитными пленками; разработаны обобщенные математические модели экранированной микрополосковой линии, щелевой линии, содержащих ферритовую пленку, что позволяет провести анализ на ЭВМ рабочих характеристик широкого класса конструкций преобразователей МСВ;

- разработана методика построения расчетных моделей фильтрующих ферритовых устройств на основе волноведущих структур с гиромагнитными пленками;

- в ходе теоретических исследований определены условия эффективного взаимодействия электромагнитных и магнитостатических волн с образованием расталкивающихся ветвей дисперсионных характеристик, степень связи волн различной физической природы в зависимости от зазора между ферритовой пленкой и слоем сегнетоэлектрика в экранированных линиях передачи, а также выработаны отдельные рекомендации по выбору марок феррита и режиму подмагничивания для фильтрующих ферритовых устройств, устранению нежелательной многомодовости в гиромагнитных пленках и достижению оптимального согласования устройства с подводящей линией передачи.

В ходе решения поставленных задач получены новые научные и практические результаты:

1. Впервые решение электродинамических задач для волноведущих структур с гиромагнитными пленками выполнено методом связанных волн в сочетании с методом минимальных автономных блоков (МАБ);

2. В отличие от известных работ предложенный подход к анализу двумерно ограниченных волноведущих структур с гиромагнитными пленками допускает одновременное рассмотрение как электромагнитных, так и магнитостатических волн с учетом возможности энергообмена между ними;

Эти результаты подтверждают первое защищаемое положение.

3. Разработаны уточненные двумерно ограниченные на поперечном сечении электродинамические модели: базовых элементов устройств СВЧ на основе отрезков планарных волноведущих структур с гиромагнитными пленками.

4. Получены в широком частотном диапазоне дисперсионные характеристики электромагнитных и магнитостатических волн, способных распространяться в экранированной микрополосковой линии, щелевой линии, содержащих ферритовую пленку.

5. Разработан пакет программ, обеспечивающий расчет основных электродинамических характеристик двумерно ограниченных волноведущих структур с гиромакгнитными пленками.

6.- Получены в качестве частных случаев (в приближении магнитной стенки) аналитические выражения, позволяющие определить частоты отсечки магнитостатических волн;

Таким образом, подтверждено второе защищаемое положение.

7. На верхних частотах существования объемных и на нижних частотах существования поверхностных магнитостатических волн в ферритовой пленке выявлен эффект фазового синхронизма электромагнитных волн, распространяющихся в ВС и магнитостатических волн распространяющихся в ферритовой пленке. Установлено, что в результате расталкивания дисперсионных ветвей образуется полоса непропускания сигнала, поэтому, поместив преобразователь для съема энергии на ферритовую пленку, можно обеспечить полосно-заграждающий эффект. Это дает возможность реализовать режекторный фильтр с полосой заграждения порядка 5 МГц.

8. Установлено, что в структуре феррит-сегнетоэлектрик-полупроводник благодаря проникновению СВЧ полей рассеяния гибридных электромагнитно-спиновых (ГЭСВ) волн (только при условии фазового синхронизма) возможно обеспечить увлечение электронов полупроводника. Таким образом, вышеизложенная особенность распространения парциальных волн может найти применение в устройствах детектирования ГЭСВ в результате резонансного взаимодействия ЭМВ и МСВ.

9. По результатам теоретических исследований выработаны отдельные рекомендации по режимам подмагничивания для ферритовых устройств, устранению нежелательной многомодовости в гиромагнитных пленках и достижению оптимального согласования устройства с подводящей линией передачи сантиметрового диапазона длин волн.

Таким образом, доказана справедливость третьего защищаемого положения.

Главный результат настоящего диссертационного исследования состоит в том, что его проведение способствовало решению важной народнохозяйственной задачи повышения качества проектирования радиотехнических систем и комплексов различного назначения и созданию новых интегрированных малогабаритных СВЧ устройств с улучшенными электродинамическими характеристиками. В рамках решения этой задачи предложена новая научно обоснованная методика, направленная на устранения сложного многократного макетирования и способствующая повышению качества проектирования СВЧ устройств с гиромагнитными пленками.

1. Устройства на основе спиновых волн для обработки радиосигналовв диапазоне частот 50 МГц .20 ГГц/ В .Б. Анфиногенов, С.Л.Высоцкий, Ю.В. Гуляев, П.Е. Зильберман, Ю.Ф. Огрин, А.О. Раевский // Радиотехника. 2000 г. -№ 3. - С. 6-14.

2. Гласс Х.Л. Ферритовые пленки для СВЧ устройств // ТИИЭР, 1988 г., Т. 76, №2.-С. 64-72.

3. Наблюдение распространения МСВ в пленке феррошпинели / В. Б. Анфиногенов, П. Е. Зильберман, Г. Т. Казаков, Л. А. Митлина, А. А. Сидоров, В.

4. B. Тихонов // Письма в ЖТФ. -1986.- Т. 12. №16 -С. 996-999.

5. Распространение МСВ в структуре феррит-сегнетоэлектрик / В. Б. Анфиногенов, Т. Н. Вербицкая, П. Е. Зильберман, Г. Т. Казаков, В. В. Тихонов // Письма в ЖТФ. -1986.- Т. 12. № 8 - С. 454-457.

6. Резонансное взаимодействие магнитостатических и медленных электромагнитных волн в композитной среде пленка ЖИГ-сегнетоэлектрическая пластина / В. Б. Анфиногенов, Т. Н. Вербицкая, Ю. В. Гуляев, П. Е. Зильберман,

7. C. В. Мериакри, Ю. Ф. Огрин, // Письма в ЖТФ. -1986.- Т. 12. №15 - С. 938-943.

8. Анфиногенов В. Б. Полосно-пропускающая фильтрация в структуре пленка ЖИГ замедляющая система типа "меандр" / В. Б. Анфиногенов, П. Е. Зильберман // 4 семинар по функциональной магнитоэлектронике: Тезисы докладов, Красноярск, 1990 г. - С. 203-204.

9. Исхак B.C. Применение магнитостатических волн: Обзор // ТИИЭР. 1988 г. -Т. 76.-№2. С. 86-104.

10. Захаров В. Е. Турбулентность спиновых волн за порогом их параметрического возбуждения / В. Е. Захаров, В. С. Львов, С. С. Старобинец // УФН. 1974. т. 114, № 4. с. 607-654.

11. Гурзо В. В. Шумоподавитель на поверхностных магнитостатических волнах / В. В. Гурзо, В. Н. Прокушкин, Ю. П. Шараевский // II Всесоюз. Школа-семинар "Спинволновая электроника СВЧ": Тез. докл. Ашхабад, 1985 г. С. 23.

12. Stitzer S. N., Goldie Н. R., Adam J. D., Emtage P. R. Magnetostatic surface wave signal to - noise enhancer // IEEE MTT-S Int. Microwave Symposium Digest, USA. 1980. P. 238-240.

13. Гурзо В. В. Аттенюатор с динамической нелинейной характеристикой на поверхностных магнитостатических волнах / В. В. Гурзо, В. Н. Прокушкин, Ю. П. Шараевский // Изв. Вузов. Сер. Радиоэлектроника. 1986. - Т. 29, № 9. - С. 95-96.

14. Адам Дж. Применение устройств на магнитостатических волнах один из путей микроминиатюризации СВЧ-приборов / Дж. Адам, М. Даниел, Д. Шродер // Электроника. 1980. Т. 53, № 11. - С. 36-44.

15. Gastera J. D. State of the art in design and technology of MSW device // J. Appl. Phys. 1984. Vol. 55. № 6. P. 546-547.

16. Сурин В. В. Нелинейные явления в ферритовых СВЧ линиях задержки / В. В. Сурин, Ю. А. Шевченко // Радиотехника и электроника. 1969. Т. 14, № 11 С. 2065-2069.

17. Медников А. М. Нелинейные эффекты при распространении поверхностных спиновых волн в пленках ЖИГ.// ФТТ.1981, Т. 23, № 1. С. 242-245.

18. Лебедь Б. М. Магнитостатические колебания в ферритах и их использование в технике СВЧ / Б. М. Лебедь, В. П. Лопатин // Обзоры по электронной технике. Сер. 1 Электроника СВЧ. М. 1978, Вып. 12(561).

19. Звездин А. К. Функциональные устройства на магнитостатических и магнитоакустических волнах / А. К. Звездин, Л. М. Медников, А. Ф. Попков // Электронная промышленность. 1983. № 8. С. 14-19.

20. Никитов В.А. Исследования и разработка устройств на магнитостатических спиновых волнах / В.А. Никитов, С.А. Никитов // Зарубежная радиоэлектроника. 1981. №2. С.41-52.

21. Вапнэ Г.М. СВЧ устройства на магнитостатических волнах. // Обзоры по электронной технике. Сер. 1. Электроника СВЧ. Вып. 8 (1060). — М.: ЦНИИ "Электроника", 1984 80 с.

22. Волны в касательно намагниченном ферритовом слое (электродина-мический расчет и равномерные асимптотики) / В.Н. Иванов, Н.П. Демченко, И.С. Нефедов, Р.А. Силин, А.Г. Щучинский // Изв.вузов. Радиофизика. 1989. - Т.32. - N6. - С. 764.

23. Поверхностные волны в плоском волноводе с феррит-диэлектрическим заполнением / В.Н. Иванов, С.И. Толстолуцкий, А.Г. Щучинский // Радиотехника и электроника, 1981, т. 26, № 4, с. 695-700.

24. Щучинский А. Г. Дисперсия волн в полосковой линии в полосковой линии с закороченным проводником и феррит-диэлектрическим заполнением / В.Н. Иванов, А.Г. Щучинский // Радиотехника и электроника. 1982, т.27, № 5, с. 856865.

25. Книшевская Jl.В. Расчет электрического поля в микрополосковой линии на s-гиротропной подложке / Л.В. Книшевская, В.К. Шугуров // В сб.: Тезисы докладов V Всесоюзной научно-технической конференции "Метрология в радиоэлектронике", М., 1981, с. 298-301.

26. Неганов В.А. Метод сингулярных интегральных уравнений для расчета собственных волн экранированных щелевых структур // Радиотехника и электроника. 1986. - Т.31. - N 3. - С. 479-484.

27. Неганов В.А. Оценка погрешности решения краевых задач о собственных волнах полосковых и щелевых структур методом сингулярных интегральных уравнений // Радиотехника и электроника. 1988. - Т.ЗЗ. - N 5. - С. 1076-1077.

28. Полосково-щелевые структуры сверх и крайне высоких частот / В.А. Неганов, Е.И. Нефедов, Г.П. Яровой // М.: Наука. Физматлит, 1996 304 с.

29. Курушин Е.П. Электродинамика анизотропных волноведущих структур / Е.П. Курушин, Е.И. Нефедов // М.: Наука 1983. - 199 с.

30. Никольский В.В. Вариационные методы для внутренних задач электродинамики. М.: Наука, 1967. 460 с.

31. Никольский В.В. Применение автономных многомодовых блоков при анализе щелевой, высокодобротной и копланарной линии / В.В. Никольский, О.А. Голованов // Радиотехника и электроника. 1980. - Т.25.- № 6. - С. 1165-1170.

32. Голованов О.А. Исследование методом автономных многомодовых блоков сложных планарных структур// Радиотехника и электроника. 1985. - Т. 30, № 5. -С. 901-904.

33. Голованов О.А. Математическое моделирование полупроводниковых зеркальных волноводов на основе арсенида галлия/ О. А. Голованов, Г. С. Макеева //Радиотехника и электроника. 1986. -Т. 31, № 8. - С. 1516-1519.

34. Голованов О.А. Модели минимальных автономных блоков для волноводных устройств СВЧ с нелинейными средами // Радиотехника и электроника. 1990. -Т. 35,№9.-С. 79-80.

35. Голованов О.А. Численный алгоритм решения задач дифракции для волноводных устройств СВЧ с нелинейными средами // Радиотехника и электроника. 1990. - Т. 35, № 9. - С. 1853-1862.

36. Голованов О.А. Электродинамический анализ устройств СВЧ с полупроводниковыми нелинейными средами // Изв. Вузов. Радиофизика. — 1991. -т. 34, №7.-с. 442-452.

37. Вугальтер Г.А. Возбуждение и прием поверхностных магнитостатических волн микрополосковым преобразователем / Г.А. Вугальтер, И.А. Гилинский // Журнал технической физики. 1985 -Т. 55, № 11 - с. 2250-2252.

38. Вугальтер Г.А. Возбуждение и прием поверхностных спиновых волн произвольно нагруженными преобразователями / Г.А. Вугальтер, Б.Н. Гусев, А.Г. Гуревич // Журнал технической физики. 1987 -Т. 57, № 7 - С. 1338.

39. Гилинский И.А. Возбуждение и прием поверхностных магнито-статических волн. Многоэлектродная задача / И.А. Гилинский, И.М. Щеглов // Предпринт 17. -ИФП СО АН СССР, Новосибирск, 1987,44с.

40. Гилинский И.А. Теория возбуждения поверхностных магнитостатических волн / И.А. Гилинский, И.М. Щеглов // Журнал технической физики. 1985 -Т. 55, № 12-с. 2323-2332.

41. Щеглов И.М. Теория возбуждения поверхностных магнитостатических волн. Численные результаты и сравнение с экспериментом / И.М. Щеглов, И.А. Гилинский, В.Г. Сорокин // Журнал технической физики. 1987. - Т.57, № 5. -с.943-952.

42. Эквивалентные схемы преобразователей магнитостатических волн / Р.К. Бабичев, Г.В. Бабичева, В.И. Зубков // Радиотехника и электроника. 1995. - Т.40. -N11.-С. 1720-1724.

43. Гуревич А. Г. Магнитные колебания и волны / А.Г. Гуревич, ГА. Мелков // Изд. Физико-математическая литература, М., 1994, С. 462.

44. Спиновые волны / А.И. Ахиезер, В.Г. Барьяхтар, С.В. Пелетминский // М.: Наука, 1967. 368 с.

45. Магнитостатические волны в электронике сверхвысоких частот / А.В. Вашковский, В.С .Стальмахов, Ю.П. Шараевский // Изд-во СГУ, Саратов, 1993. -312 с.

46. Макеева Г.С. Электродинамический анализ преобразования электромагнитных и магнитостатических мод в интегральных ферритовых структурах./// Радиотехника и электроника. 1999. - Т.44. - N 7. - С. 794-799.

47. Юров Ю.Я. К теории тонких проводов, находящихся в волноводе // Изв. вузов. Радиоэлектроника. -1969. Т.12. - N 6.- С. 603-609.

48. Вугальтер Г.А. Магнитостатические волны: Обзор / Г.А. Вугальтер, И.А. Гилинский //Изв. вузов. Радиофизика. 1989. - N 10. - С. 1187 - 1220.

49. Вайнштейн JLA., Солнцев В.А. Лекции по сверхвысокочастотной электронике. М.: Сов. радио, 1973. - 400 с.

50. Юров Ю.Я. Техническая электродинамика. Конспект лекций. 4.2. JL: РИО ЛЭТИ, 1975.- 168 с.

51. Калиникос Б.А. Спектр и линейное возбуждение спиновых волн в ферромагнитных пленках / Известия вузов. Физика — 1981, вып. 8, с. 42-56.

52. Фелсен JI. Излучение и рассеяние волн / Л. Фелсен, Н. Маркувиц // М.: Мир,1978, т.2, 555 с.

53. Загрядский С.В. Возбуждение магнитостатических волн в произвольно намагниченных ферритовых пленках // Радиотехника. 1991.- N З.-С. 29-30.

54. Никольский В.В. Декомпозиционный подход к задачам электродинамики / В.В. Никольский, Т.И. Никольская // М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983,304 с.

55. Новиков Г.М. Экспериментальное исследование распространения МСВ в пленочных волноводах/ Г.М. Новиков, Е.З. Петрунькин// Радиотехника и электроника. 1984.-T.29.-N 9.-С. 1691-1695.

56. Распространение магнитостатических волн в пленках железо-иттриевого граната субмикронной толщины / А.С. Андреев, Ю.В. Гуляев, П.Е. Зильберман, В.Б. Кравченко, А.В. Луговской, Ю.Ф. Огрин, А. Г. Темирязев, Л.М. Филимонова // ЖЭТФ.-1984.-Т.86. №

57. Нефедов Е.И. Полосковые линии передачи. Избранные вопросы теории (обзор) / Е.И. Нефедов, А.Т. Фиалковский // Радиотехника и электроника, том 24,1979, вып. 3, С. 433-453.

58. Никольский В.В., Никольская Т.И. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Наука, 1989. - 543 с.

59. Глущенко А.Г. Исследование щелевой линии с тонкой монокристаллли-ческой ферритовой пленкой / Радиотехника и электроника. 1976, т. 21, № 6, С. 1311-1312.

60. Чопра К.Л. Электрические явления в тонких пленках. М.: Мир, 1972,436 с.

61. Фокусирующий преобразователь поверхностных магнитостатических волн / А.В. Вашковский, К.В. Гречушкин, А.В. Стальмахов, В.А. Тюлюкин // Радиотехника и электроника. 1986. - T.31.-N 4. - С. 837.

62. Вашковский А.В. Возбуждение магнитостатических волн источником конечных размеров/ А.В. Вашковский, А.В. Стальмахов // Proceed, of the 9-th Intern. Conf. on Microwave Ferrites ICMF'88.- Estergom, Hungary. 1988. - C. 102.

63. Дифракционные явления при распространении ограниченных волновых пучков обьемных магнитостатических волн/ А.В. Вашковский, К.В. Гречушкин, А.В. Стальмахов, В.А. Тюлюкин // Радиотехника и электроника. 1987. - Т.32, № И.-С. 2295-2305.

64. Распространение ограниченного волнового пучка поверхностной магнитостатической волны/ А.В. Вашковский, К.В. Гречушкин, А.В. Стальмахов, В.А. Тюлюкин // Радиотехника и электроника. 1988. - Т.ЗЗ, № 4, С. 876.

65. Харкевич А.А. Спектры и анализ. М.: ГИФ-MJl, 1962.- 236 с.

66. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. 4.1. - М.: Радио, 1967. -439 с.

67. Васильев И.В. Распространение магнитостатических волн в металлизированной ферритовой структуре конечных размеров/ И.В. Васильев, Г.С. Макеева // Радиотехника и электроника. 1984. - Т.29.- N 3. - С. 419-423.

68. Лаке Б. Сверхчастотные ферриты и ферримагнетики/ Б. Лаке, К. Батон // М. Мир, 1965. 675 с.

69. Вайнштейн Л.А. Электромагнитные волны. М.: Радио и связь, 1988,440 с.

70. Гречушкин К.В. Распространение магнитостатических волн в ферритовых волноводах / К.В. Гречушкин, А.В. Стальмахов, В.А. Тюлюкин // Радиотехника и электроника. 1990. - Т.35. - N 5. - С. 977-985.

71. Фелсен Л. Излучение и рассеяние волн / Л. Фелсен, Н. Маркувиц// М.: Мир, 1978.-Т.2.-555 с.

72. Загрядский С.В. Самосогласованная задача о возбуждении пучков магнитостатических волн/ С.В. Загрядский, А.Г. Резванов//Журнал технической физики, 1998, Т. 68, № 8-С.95-101.

73. Minor J. Modes in the shielded microstrip on a ferrite substrate/J. Minor, D. Bolle // IEEE Trans., 1971, v. MTT-19, N 7, p. 570-577.

74. Лебедь Б.М. Расчетная модель фильтра на магнитостатических волнах / Б.М. Лебедь, А.Б. Альтман // Радиотехника и электроника. 1997. Т. 42. № 6. С. 719.

75. Гольдштейн Л.Д. Электромагнитные поля и волны / Л.Д. Гольднггейн, Н.В. Зернов//М.: Сов. радио, 1971.

76. Альтман А.Б. // Тез. докл. конф. "Ферритовые СВЧ приборы и материалы". Сер. I. Электроника СВЧ. М.: ЦНИИ "Электроника", 1987. Выл. 3,4. С. 85.

77. Фельдштейн А.Л. Синтез четырехполюсников я восьмиполюсников на СВЧ / А.Л. Фельдштейн, Л.Р. Явич.//М.: Связь, 1971.

78. Машинное проектирование СВЧ устройств / К. Гупта, Р. Гардж, Р. Чадха // М.: Радио и связь, 1987.

79. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств/ С.И. Бахарев, В.И. Вольман, Ю.Н. Либ // М.: Радио и связь, 1982.

80. Наблюдение быстрых электромагнитно-спиновых и электромагнитно-спиново-упругих волн в пленках железо-иттриевого граната (ЖИГ)/ П.Е. Зильберман, Б.Т. Семен, В.В. Тихонов, Д.В. Толкачев // Письма в ЖТФ. 1989. -T.15.-N10.-C. 59-63.

81. Бездиссипативная фильтрация в структуре феррит-сегнетоэлектрик / В.Б. Анфиногенов, Т.Н. Вербицкая, Ю.В. Гуляев, П.Е. Зильберман, Ю.Ф. Огрин, В.В. Тихонов // Ш семинар по функциональной магнитоэлектронике: Тез. докл. — Красноярск, 1988. С. 198-199.

82. Загрядский С.В. Расчет ферритовых фильтров с учетом магнитостатических колебаний в гиромагнитных резонаторах/ С.В. Загрядский, А.Г. Резванов // Радиотехника. 1987. -№ 2, С. 50-52.

83. Мериакри С.В. Резонансное увлечение электронов электромагнитно-спиновой волной в структуре феррит-сегнетоэлектрик-полупроводник // Ш семинар по функциональной магнитоэлектронике: Тезисы докладов Красноярск, 1988. с. 198-199.

84. Фазо-частотные характеристики СВЧ линий передачи на основе структур ЖИГ-сегнетоэлектрик / Ю.Ф. Огрин, Н.С. Голубев, В.Г. Гайворон // IV семинар по функциональной магнитоэлектронике: Тез. докл. Красноярск, 1990. С. 239-240.

85. Чупрунов В.Ю. Математическое моделирование ферритовых СВЧ устройств с линейными функциями / А.А. Димитрюк, В.Ю.Чупрунов // Радиотехника и связь: Материалы Междунар. науч.-техн. конф./ СГТУ. Саратов, 2005. С. 235-239.

86. Чупрунов В.Ю. Учет диссипации в электродинамических моделях линий передачи СВЧ на магнитостатических волнах / А.А. Димитрюк, В.Ю.Чупрунов, П.В. Заматорин // Радиотехника и связь: Материалы Междунар. науч.-техн. конф./ СГТУ. Саратов, 2005. С. 240-244.

87. Современный Фортран. Самоучитель / М.А. Немнюгин, О.Л. Стесик // СПб.: БХВ-Петербург, 2004.- 496 с.