РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 49, № 10, с. 1251-1257
РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ^^^^^^^^^^ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ И ПЛАЗМЕ
УДК 537.876
ПРОХОЖДЕНИЕ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО СИГНАЛА ЧЕРЕЗ ПЛАНАРНУЮ СТРУКТУРУ МИКРОПОЛОСКОВАЯ ЛИНИЯ ПЕРЕДАЧИ ТИПА МЕАНДР-ПЛЕНКА ЛЕГИРОВАННОГО ЖЕЛЕЗОИТТРИЕВОГО ГРАНАТА © 2004 г. Ю. К. Фетисов
Поступила в редакцию 25.02.2004 г.
Исследовано прохождение сверхвысокочастотного сигнала через планарную структуру, содержащую микрополосковую линию передачи в форме меандра и пленку легированного железоиттрие-вого граната, помещенную во внешнее магнитное поле. Получены амплитудно- и фазочастотные характеристики структуры при различных ориентациях и напряженностях поля. Показано, что возбуждение различных типов магнитостатических волн в пленке феррита приводит к формированию полосы непропускания на амплитудно-частотной характеристике структуры. Планарная структура может быть использована для создания перестраиваемых полосно-заграждающих сверхвысокочастотных фильтров.
ВВЕДЕНИЕ
При прохождении электромагнитной волны (ЭМВ) сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона через планарную структуру, содержащую микрополосковую линию передачи в форме меандра и пленку феррита, возникают резонансные явления, которые могут быть использованы для частотной фильтрации СвЧ-сигналов. Меандровая линия передачи имеет собственные частотные полосы непропускания сигнала, возникающие из-за брэггов-ского отражения падающей волны от проводников периодической структуры. Кроме того, распространяющаяся по меандру ЭМВ может возбуждать в пленке феррита магнитостатические спиновые волны (МСВ), что приводит к формированию дополнительных частотных полос непропускания или прохождения сигнала через структуру.
Распространение СВЧ-сигналов через линию передачи в форме меандра с пленкой феррита же-лезоиттриевого граната (ЖИГ), помещенную во внешнее магнитное поле, исследовалось в работах [1-3]. Показано, что при использовании меандров с малым коэффициентом замедления внутри области частот пропускания линии передачи формируется серия узких пиков ослабления с резкими скачками фазы выходного сигнала, возникающих из-за резонансного взаимодействия пространственных гармоник ЭМВ с поверхностной МСВ. Для меандров с большим коэффициентом замедления внутри области частот непропускания линии передачи наблюдали узкие полосы прохождения сигнала, возникающие из-за резонансного возбуждения коротковолновых МСВ и их последующего взаимодействия с двумя встречными пространственными гармониками замедленной ЭМВ.
Вместе с тем многие важные для применений особенности распространения СВЧ-сигналов через такие структуры остались до настоящего времени неизученными.
В данной работе проведены более детальные исследование частотных, фазовых и мощностных характеристик структуры микрополосковая меандровая линия передачи - пленка феррита. В частности, измерены характеристики структуры при различных ориентациях внешнего магнитного поля, выявлены особенности формирования формы полосы непропускания структуры и частотной перестройки полосы при изменении поля, обсуждаются условия линейного прохождения сигналов через структуру. Полученные данные важны для создания СВЧ-фильтров на основе подобных планарных структур.
1. ПЛАНАРНАЯ СТРУКТУРА МЕАНДР-ПЛЕНКА ФЕРРИТА
В измерениях использовалась планарная структура, схематически изображенная на рис. 1. Линия передачи из проводящего микрополоска в форме меандра была изготовлена методами фотолитографии на поликоровой подложке толщиной 1 мм, металлизированной с обратной стороны. Длина меандра составляла 6.5 мм, ширина - 7 мм, период меандра равнялся С = 1 мм. Ширина микрополоска меандра равнялась w = 100 мкм, толщина слоя проводника (серебро) составляла 4 мкм. Для ввода и вывода СВЧ-сигнала использовались два отрезка 50-омной полосковой линии, изготовленные на той же подложке и соединенные с концами меандра.
1251
7*
Рис. 1. Геометрия планарной структуры микрополос-ковый меандр-пленка феррита.
ле прикладывалось в плоскости структуры вдоль (как показано на рис. 1) или перпендикулярно длинным проводникам меандра, либо по нормали к плоскости структуры.
С помощью панорамного измерителя комплексных коэффициентов передачи Agilent E5071B регистрировались частотные зависимости амплитуды и сдвиг фазы прошедшего и отраженного от структуры сигнала при различных ориентациях и различных значениях напряженности поля H0 в диапазоне частот входного сигнала f = 0...8.5 ГГц и при уровнях мощности сигнала Рвх от -50 дБм до +10 дБм. Полученные данные регистрировались и обрабатывались с помощью компьютера.
Сверху на поверхность меандра накладывалась пленка граната, легированного галлием (ва-ЖИГ). Пленка была выращена методом жидко-фазной эпитаксии на подложке из галлийгадоли-ниевого граната (ГГГ). Пленка имела толщину ~18 мкм и размеры в плоскости 8 х 8 мм2, так что она закрывала всю поверхность меандра. Намагниченность насыщения пленки равнялась 4пМ = = (650 ± 3) Гс, ширина линии однородного ферромагнитного резонанса пленки на частоте 5 ГГц составляла АН - 0.8 Э. Структура помещалась между полюсами электромагнита в однородное намагничивающее поле напряженностью Н0. По-
2. ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТРУКТУРЫ
На рис. 2а изображена амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) (т.е. зависимость коэффициента пропускания L = 10 log (Р вых/Рвх) от частоты f где PBX и Рвых - мощности сигнала на входе и выходе соответственно) описанной линии передачи, измеренная без пленки феррита. В области частот пропускания линии передачи от нуля до ~6.4 ГГц потери прохождения сигнала слабо зависели от частоты и не превышали -4 дБ. Вблизи граничной частоты f - 6.4 ГГц на АЧХ видна соб-
L, дБ 0 -
3
5
f, ГГц
Рис. 2. Амплитудно-частотные характеристики микрополосковой меандровой линии передачи: а - без пленки; б - с пленкой ва-ЖИГ при различных ориентациях поля: А - поле лежит в плоскости пленки и параллельно длинным проводникам меандра, Но = 1346 Э; Б - поле лежит в плоскости пленки и перпендикулярно длинным проводникам меандра, Но = 535 Э, В - поле направлено перпендикулярно к плоскости пленки, Но = 1850 Э. Частота /м соответствует нижней границе собственной полосы непропускания меандра.
L, дБ 0
-40
-80
1
3
4
5
f, ГГц
Рис. 3. АЧХ структуры микрополосковый меандр-пленка Ga-ЖИГ при намагничивании в ориентации поля А для различных значений H0, Э: 271 (7), 477 (2), 633 (3), 810 (4), 981 (5), 1126 (6), 1307 (7), 1483 (8).
ственная полоса непропускания меандра глубиной около -50 дБ. Собственная полоса непропускания линии передачи возникает из-за брэгговского отражения ЭМВ от периодически расположенных проводников меандра.
Наложение на меандр пленки ва-ЖИГ и включение магнитного поля приводило к двум эффектам. Во-первых, край собственной полосы непропускания меандра /м смешался в область меньших частот на ~500 МГц. Потери прохождения сигнала на всех частотах внутри полосы пропускания меандра при этом не изменялись, либо возрастали не более чем на 0.5 дБ. Смещение частоты /м обусловлено увеличением эффективной диэлектрической проницаемости среды вокруг меандра. Во-вторых, на АЧХ структуры появлялась дополнительная полоса непропускания сигнала.
На рис. 26 приведены типичные АЧХ структуры с пленкой феррита. Три кривые, наложенные друг на друга, отвечают различным ориентациям внешнего магнитного поля Н0: А - поле лежит в плоскости пленки и направлено вдоль длинных проводников меандра; Б - поле лежит в плоскости пленки и направлено перпендикулярно к длинным проводникам меандра; В - поле направлено по нормали к плоскости пленки. Значения Н0 для каждой ориентации поля выбраны так, чтобы полосы непропускания на различных кривых не перекрывались друг с другом. С увеличением Н0 все три дополнительные полосы непропускания смещались вверх по частоте.
Как видно из сравнения кривых на рис. 26, дополнительная полоса непропускания для структуры, намагниченной в ориентации поля А, имеет наиболее симметричную, близкую к прямоугольной форму и максимальный уровень вносимых потерь. Эта ориентация поля представляет наи-
больший интерес для создания фильтров СВЧ-сигналов и будет рассмотрена более подробно.
Рис. 3 демонстрирует поведение дополнительной полосы непропускания на АЧХ структуры, намагниченной в ориентации поля А, при изменении напряженности поля. С увеличением Н0 от 271 Э до 1483 Э центральная частота полосы непропускания возрастала от ~1.5 до ~5.3 ГГц. Максимальное ослабление сигнала в полосе непропускания для всех значений поля превышало -40 дБ. Обращает на себя внимание качественное изменение формы полосы при перестройке поля. При малых Н0 (кривая 1 на рис. 3) полоса непропускания имеет крутой низкочастотный склон, более пологий высокочастотный склон и состоит из нескольких четко разрешимых узких пиков с максимальной глубиной первого пика -70 дБ. С увеличением Н0 узкие пики исчезают и формируется достаточно плоское "дно" полосы непропускания на уровне около -40 дБ. В диапазоне частот 3.. .5.3 ГГц ширина полосы непропускания оставалась примерно постоянной и сохраняла симметричную и близкую к прямоугольной форму.
На рис. 4 в более крупном масштабе показаны частотные зависимости коэффициента пропускания Ь, коэффициента отражения Я = 10 ^ (Ротр/Рвх) (где Ротр - мощность, отраженная от структуры) и сдвига фазы Ф сигнала на выходе из структуры, измеренные при поле намагничивания Н0 = 1090 Э. Видно, что в пределах области частот наибольших потерь полосы непропускания ~3.94.. .4.06 ГГц коэффициент отражения меняется незначительно и равен Я - -6 дБ. Резонансы коэффициента отражения вблизи частот 3.87 и 4.25 ГГц обусловлены интерференцией в подводящих СВЧ-линиях и не влияют на величину коэффициента пропускания. Это свидетельствует о том, что формирование дополнительной полосы непропускания сигнала
0г
(а)
180
и
ей
а и
-180
4.0
(в)
3.6
3.8
4.0
4.2 /, ГГц
Рис. 4. Частотные характеристики структуры мик-рополосковая меандровая линия передачи-пленка ва-ЖИГ при Н0 = 1090 Э: а - коэффициент прохождения Ь, б - коэффициент отражения Я, в - сдвиг фазы Ф прошедшего сигнала.
/,
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.