РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2014, том 59, № 8, с. 824-835
УДК 537.86;530.182;621.318.134
ГЕНЕРАЦИЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ СВЕТЛЫХ СОЛИТОНОВ В КОЛЬЦЕВЫХ АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ С МНОГОРЕЗОНАНСНЫМИ ФЕРРОМАГНИТНЫМИ И ВАКУУМНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
© 2014 г. С. В. Гришин1, Б. С. Дмитриев1, Ю. Д. Жарков1, М. А. Морозова1, С. А. Никитов1, 2, В. Н. Скороходов1, Ю. П. Шараевский1
1Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского, Российская Федерация, 410012 Саратов, ул. Астраханская, 83 Е-таП: grishfam@sgu.ru 2Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Российская Федерация, 125009 Москва, ул. Моховая 11, корп. 7 Поступила в редакцию 03.02.2014 г.
Приведены результаты экспериментального и теоретического исследования генерации параметрических светлых солитонов в кольцевых автоколебательных системах с ферромагнитными пленками. Продемонстрирована возможность формирования таких структур за счет трехволновой параметрической неустойчивости поверхностной магнитостатической волны и временной дисперсии, создаваемой в кольце различными многорезонансными элементами: клистроном-усилителем или маг-нонным квазикристаллом со структурой Фибоначчи.
Б01: 10.7868/80033849414080099
ВВЕДЕНИЕ
В последние три десятилетия солитоны огибающей магнитостатических волн (МСВ) активно исследуются как в ферромагнитных средах [1—9], так и в кольцевых автоколебательных системах на их основе [10—17]. По аналогии с оптическими солитонами [18], солитоны огибающей МСВ формируются в результате установления баланса между дисперсией и кубической нелинейностью. В ферромагнитных средах одним из основных механизмов, обусловливающих появление кубической нелинейности, являются процессы четы-рехволнового взаимодействия спиновых волн. Однако достаточно высокий уровень потерь МСВ в таких средах приводит к уменьшению времени "жизни" солитона в пленке, что затрудняет его наблюдение. Пионерские работы Б.А. Калиникоса с соавторами [10—13] продемонстрировали возможность компенсации потерь МСВ за счет усиления, когда ферромагнитная пленка находится в цепи обратной связи активного кольцевого резонатора. Использование методов временной [10, 11] и частотной [12, 13] фильтрации совместно с четы-рехволновыми процессами взаимодействия спиновых волн приводит к генерации периодических последовательностей солитонов огибающей МСВ. Длительность таких структур не превышает время прохождения импульса через ферромагнитную
пленку, что обусловливает формирование светлых солитонов непосредственно в самой пленке за счет установления баланса между пространственной дисперсией и кубической нелинейностью. Данный баланс наблюдается при достижении сигналом уровня мощности, соответствующего порогу формирования светлых солитонов.
Наряду с четырехволновыми процессами в ферромагнитных средах существуют и трехволно-вые параметрические процессы распада/слияния спиновых волн [19—23], которые, как известно, приводят к формированию параметрических со-литонов как на частоте сигнальной волны, так и на частоте волны накачки [18]. Кубическая нелинейность является здесь результатом каскадной связи двух квадратичных эффектов. В ферромагнитных пленках трехволновый параметрический распад МСВ на диполь-дипольные и обменные спиновые волны приводит к появлению у МСВ нелинейных потерь и к формированию сверхкоротких импульсов из прямоугольных СВЧ-им-пульсов большой длительности [23]. Наличие у МСВ нелинейных потерь является также причиной генерации диссипативных структур в форме релаксационных колебаний в активном кольцевом резонаторе с ферромагнитной пленкой [24]. Однако в обоих случаях возможность формирования параметрических светлых солитонов за счет
/\
40
4
6
i
И
ч
Рис. 1. Блок-схема кольцевой автоколебательной системы: 1 — клистрон-усилитель, 2 — нелинейная спин-волновая линия передачи на ПМСВ, 3, 4 — направленные ответвители, 5 — анализатор спектра, 6 — осциллограф реального времени.
трехволновых процессов распада МСВ не рассматривается.
Первые экспериментальные результаты по автономной генерации солитоноподобных импульсов в кольцевой автоколебательной системе с ферромагнитной пленкой за счет трехволнового распада поверхностной МСВ (ПМСВ) приведены в [25]. В данной работе формирование солитоноподобных импульсов наблюдается только при наличии в цепи обратной связи объемного резонатора. Длительность таких структур значительно превышает время обхода сигнала по кольцу, а их формирование происходит при возбуждении в ферромагнитной пленке ПМСВ, которая является модуляционно устойчивой волной. Солитонопо-добные импульсы формируются при определенном уровне мощности сигнала в кольце, а фаза огибающей внутри таких импульсов не постоянна, а имеет вид, характерный для диссипативных со-литонов [6, 26]. Таким образом, генерируемые в [25] солитоноподобные импульсы при трехволно-вой параметрической неустойчивости ПМСВ не являются светлыми солитонами огибающей ПМСВ, а само их формирование в кольце требует теоретического объяснения.
В данной работе приводятся результаты экспериментального и теоретического исследования генерации параметрических светлых солитонов огибающей поверхностной МСВ в кольцевой автоколебательной системе, содержащей в цепи обратной связи либо активный многорезонансный элемент в виде клистрона-усилителя, либо пассивный многорезонансный элемент в виде маг-нонного квазикристалла (МКК) со структурой Фибоначчи. Как будет показано далее, генерация параметрических светлых солитонов возможна только при использовании в автоколебательной системе многорезонансного элемента.
2.65
2.75 2.85
I, ГГц
2.95
Рис. 2. Зависимость коэффициента усиления клистрона-усилителя от частоты при I = 17 мА, и = 2023 В и Рвх = —30 дБм.
1. КОЛЬЦЕВАЯ АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА С НЕЛИНЕЙНОЙ ФЕРРОМАГНИТНОЙ СРЕДОЙ И КЛИСТРОНОМ-УСИЛИТЕЛЕМ
Генерация параметрических светлых солито-нов огибающей ПМСВ осуществляется в кольцевой автоколебательной системе, в цепи обратной связи которой находится нелинейная спин-волновая линия передачи на ПМСВ (рис. 1). В качестве усилителя используется многорезонаторный пролетный клистрон, обладающий одновременно свойствами активного и резонансного элементов [27]. Спин-волновая линия передачи имеет стандартную конфигурацию линии задержки, в которой для возбуждения и приема ПМСВ используются два микрополосковых проводника шириной 30 мкм, находящихся на расстоянии 3 мм друг относительно друга. В качестве ферромагнитной среды используется пленка железо-ит-триевого граната (ЖИГ) с намагниченностью насыщения 1680 Гс и толщиной 40 мкм, которая накладывается поверх проводников и находится в непосредственном контакте с ними. Внешнее постоянное магнитное поле Н0 = 425 Э прикладывается параллельно микрополосковым проводникам и перпендикулярно к направлению распространения ПМСВ. При данной величине Н0 трехволно-вые процессы распада ПМСВ разрешены.
Усилитель представляет собой пятирезонатор-ный пролетный клистрон средней мощности, имеющий резонансную зависимость коэффициента усиления от частоты (рис. 2). Представленная на рис. 2 амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) клистрона-усилителя характеризуется тремя резонансными пиками, один из которых (основной) имеет резонансную частоту /01 = 2798 МГц,
1
5
3
(a) (б)
Рис. 3. Амплитудные (а) и фазовые (б) характеристики клистрона-усилителя, измеренные на частоте /01 при Рвх = —30 дБм.
соответствующую центральной частоте клистро-
х кл
на, а два других имеют резонансные частоты /02 =
= 2825 МГц и /3 = 2838 МГц соответственно. При проведении эксперимента клистрон-усилитель работал в малосигнальном режиме и компенсировал потери в кольце. Управление режимами генерации СВЧ-сигнала осуществлялось с помощью изменения тока пучка I и ускоряющего напряжения и клистрона-усилителя. Экспериментальные зависимости коэффициента усиления клистрона Ккл от тока пучка, а также набега фазы сигнала Дф от ускоряющего напряжения клистрона приведены на рис. 3. Из анализа результатов следует, что клистрон-усилитель является не только активным элементом, коэффициент усиления которого возрастает с увеличением тока пучка, но и электронным фазовращателем, способным менять набег фазы сигнала на величину больше чем п.
На рис. 4 приведены спектры мощности, а также временные зависимости амплитуды и фазы огибающей генерируемого СВЧ-сигнала при изменении ускоряющего напряжения клистрона. Фаза огибающей рассчитывается на основе преобразования Гильберта, применяемого к измеренным временным реализациям. Из представленных на рис. 4 спектров мощности следует, что изменение ускоряющего напряжения клистрона приводит к перестройке частоты генерации /[ен (частоты несущей многочастотного сигнала) от-
/-кл
носительно центральной частоты клистрона /01 . Одновременно с этим во временной области наблюдается изменение амплитуды и фазы огибающей генерируемых диссипативных структур и переход от квазипериодической последовательности СВЧ импульсов в виде релаксационных
колебаний (см. рис. 4a) к квазипериодическим последовательностям импульсов с двухпиковой (см. рис. 4б) и однопиковой (см. рис. 4в) структурами. В первых двух случаях профиль фазы внутри импульсов имеет ярко выраженный экстремум (максимум). Однако в случае релаксационных колебаний профиль фазы внутри импульсов становится несимметричным (фаза медленно нарастает на фронте импульса и быстро спадает на его срезе) по сравнению с двухпиковыми импульсами, где профиль фазы симметричен и близок по форме к параболе [25]. В случае однопиковых импульсов (см. рис. 4в) профиль фазы внутри импульсов практически не меняется во времени, а профиль амплитуды импульсов становится близким к профилю светлых солитонов. Постоянство профиля фазы внутри импульсов свидетельствует об установлении в автоколебательной системе баланса не только между усилением и потерями, но и между дисперсией и нелинейностью [6].
В случае генерации диссипативных структур в виде релаксационных колебаний, когда Af=/ген —
— /1 = 3 МГц (рис. 4a), частота автомодуляции спиновых волн имеет значение /ам = 1/Тп = = 146... 170 кГц (Тп — период следования импуль
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.