Расчет резонаторного фильтра на прямых объемных магнитостатических волнах (стр. 1 из 4)

Представлена методика расчета полосно-пропускающих резонаторных фильтров на прямых объемных магнитостатических волнах (ПОМСВ). Расчетные значения сопротивления излучения и реактанса микрополосковых линий, связанных с намагниченной пленкой в заземленной структуре, были использованы в модели резонаторов из сосредоточенных элементов. В качестве примера рассчитаны характеристики перестраиваемых одно и многорезонаторных узкополосных фильтров, работающих в X-диапазоне.

В данной работе рассчитываются параметры матрицы рассеяния

полосно-пропускающих резонаторных фильтров на ПОМСВ, используя:

значения ширины линии ферримагнитного резонанса (ФМР);

вычисление сопротивления излучения

и реактанса излучения

пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ);

моделирование эквивалентной схемы резонатора на сосредоточенных элементах с помощью компьютерной программы Serenade Design Environment 8.0.

Так как ПОМСВ являются магнитными волнами, то устройства, содержащие N одинаковых планарных резонаторов (ПР), могут быть рассчитаны с использованием данных только одного МПР и индуктивной связи между резонаторами.

Вычисления

производились программой, написанной на языке Fortran

Глава 1. Описание резонатора

Планарные резонаторы (ПР) на прямых объемных магнитостатические волнах (ПОМСВ), изготовленные на выращенных с помощью жидкофазной эпитаксии пленках железисто-иттриевого граната (ЖИГ), являются мощным и надежным средством для перестраиваемой СВЧ узкополосной фильтрации. Резонансные свойства ПР зависят от его размеров (обычно площадью несколько мм2 и десятки мкм толщиной). Если lx и ly – размеры МПР в (x,y)-плоскости, резонансный волновой вектор будет равен

где n, m = 1, 3, 5... – нечетные числа. Значения (n, m) описывают последовательность резонансов, в то время как вклад толщины не эффективен для обычного возбуждаемых значений k от нескольких десятков до 100 см-1. ПР на ПОМСВ могут использоваться как в полосно-заграждающих, так и полосно-пропускающих фильтрах с узкой полосой (от 10 до 20 МГц на уровне 3 децибел). Топология ПР полосно-пропускающего фильтра показана на рис. 1.

Рис. 1. Топология ПР полосно-пропускающего фильтра на ПОМСВ.

Геометрия устройства и параметры ПР (ширина линии ферромагнитного резонанса и намагниченность) необходимые величины, определяющие электрические характеристики фильтра.

Глава 2. Ширина линии ферромагнитного резонанса, сопротивление излучения и реактанс излучения

Основную информацию для определения формы АЧХ фильтра, можно получить, если измерить форму ферромагнитного резонанса ПР, по которой можно рассчитать ненагруженную добротность резонатора

где

– резонансная частота,

– гиромагнитное отношение и

– ширина линии ферромагнитного резонанса. Из-за слабой частотной зависимости

, его измеренное значение в середине полосы частот может быть принято за константу во всей полосе частот. Для этой цели была измерена АЧХ основной моды (n=1, m=1) ФМР с резонансом TE102 при 9.23 ГГц в нормально намагниченном резонаторе, имеющим длину lx = 0.94 мм, ширину lу = 2.9 мм, и толщину t = 45 мкм. Для типичных размеров ПР

возбуждаемый волновой вектор k может быть рассчитан как

Приложенное нормально к поверхности пленки постоянное магнитное поле обеспечивает возбуждение прямых объемных магнитостатических волн (ПОМСВ). В этом случае, полная ширина линии ФМР ΔH = 1.0 E была получена по измерению полосы пропускания на уровне половины максимальной мощности. Сопротивление излучения такого ПР может быть рассчитано, если рассмотреть структуру, в которой пятидесятиомные микрополосковые линии, расположенные на диэлектрической подложке, связаны сверху с резонатором. Таким образом, получаем зависимость

от частоты или от возбуждаемого волнового вектора

[2 - 6]. Со стороны ПР, роль согласованной микрополосковой линии предполагает, что ее сопротивление должно быть равно сопротивлению резонатора, в котором выполнено условие критической связи. Реактанс излучения

есть интеграл Гильберта от

, который вычисляется во всей полосе существования ПОМСВ [7].

В литературе имеется множество теоретических результатов для вычисления характеристик приборов МСВ, содержащих одну или две заземленные плоскости, в том числе учитывающие специфические эффекты, такие как распределение тока в микрополоске [5] и неоднородное подмагничивание в резонаторе [8, 9]. Новые эквивалентные схемы для моделирования приборов МСВ предложены в работах [10] и [11].

Редко для описания ПР использовались распределенные структуры, подобно [12], и, в частности, сосредоточенные элементы и их частотная зависимость были рассчитаны главным образом для объемных волн [13]. Фактически, большинство результатов, относящихся к планарным резонаторам МСВ, получено экспериментально и моделирование с помощью распределенных или сосредоточенные элементов не проводилось подробно. Недавно, связь резонаторов была экспериментально изучена для применения в СВЧ многополосной фильтрации [14]. В этой работе, размеры ПР и его магнитные свойства будут использованы для расчета электрических величин, чтобы изучить потенциальные возможности резонатора для его применения в полосно-пропускающих фильтрах. В этом случае размеры ПР играют критическую роль в достижении чисто активного сопротивления резонатора без реактивного вклада, а также в достижении электрического согласования. В дальнейшем расчет электрических параметров ПР проведен, учитывая связь резонатора с микрополосковой линией, так как нас интересуют внутренние свойства ПР и величины, необходимые для вычисления его собственной добротности

В этом теоретическом предположении при определении характеристик ПР, когда резонатор удаляется вверх относительно проводников, вводят экспоненциальное уменьшение константы связи как функцию расстояния от пленки до положения микрополоска. Эта аппроксимация аналогична решению, принимаемому в расчет для эффекта зазора, уже использованного в [2].

На рис. 2 и 3 представлены зависимости

от

, которые были теоретически рассчитаны в случае внешнего, перпендикулярного плоскости пленки, магнитного поля Hподм = 5000 Е в предположении, что ЖИГ пленка связана с микрополосками, имеющими различную ширину wm (60, 120 и 240 мкм), изготовленными на коммерческой поликоровой подложке толщиной 254 мкм в микрополосковой линии с одной заземленной плоскостью. Очевидно, что чем больше значение ширины микрополоска wm и более селективная характеристика фильтра, тем меньше максимальное значении

. С другой стороны, узкие микрополоски могут быть предпочтительны, если необходима очень сильная связь ПР с ними. Ширина микрополоска wm = 240 мкм – предельный случай, соответствующий пятидесятиомной согласованной микрополосковой линии. Вертикальная линия, изображенная на рисунках, соответствует возбуждаемому значению волнового числа k в резонаторе при ФМР. В частности если возбуждаемое волновое число близко к значению при максимуме кривой Rm, но немного ниже, имеется незначительное изменение сопротивления ПР.