Исследование анизотропных свойств магнитостатических волн в плоскослоистых структурах, содержащих намагниченную ферритовую пленку тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ
|
Вяткина, Светлана Александровна
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Ростов-на-Дону
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2013
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.03
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
Вяткина Светлана Александровна
ИССЛЕДОВАНИЕ АНИЗОТРОПНЫХ СВОЙСТВ МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛН В ПЛОСКОСЛОИСТЫХ СТРУКТУРАХ, СОДЕРЖАЩИХ НАМАГНИЧЕННУЮ ФЕРРИТОВУЮ ПЛЕНКУ
Специальность 01.04.03 - радиофизика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
005539656
Ростов-на-Дону - 2013
005539656
Работа выполнена на кафедре радиофизики физического факультета Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет».
Научный руководитель: доктор физико-математических наук,
профессор Бабичев Рудольф Карпович
Официальные оппоненты:
Вызулин Сергей Александрович, доктор физико-математических наук, доцент, ФГКОУ ВПО "Краснодарский университет Министерства внутренних дел Российской Федерации», профессор кафедры информатики и математики
Лерер Александр Михайлович, доктор физико-математических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет», профессор кафедры прикладной электродинамики и компьютерного моделирования физического факультета
Ведущая организация:
Федеральное государственное унитарное предприятие «Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи» федеральный научно-производственный центр
Защита состоится « » сентября 2013 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.208.10 в Южном федеральном университете по адресу: 344090, г. Ростов-на-Дону, ул. Зорге, 5, Южный федеральный университет, физический факультет, ауд. 318.
С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке Южного федерального университета по адресу: г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148.
Автореферат разослан «<56 » августа 2013 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.208.10 доктор физико-математических наук, профессор
Г. Ф.Заргано
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В последнее время магнитостатические волны (МСВ) и устройства на их основе, такие как линии задержки, шумоподавители, электрически перестраиваемые полосно-пропускающие и полосно-заграж-дающие фильтры, перестраиваемые генераторы [1] получили широкое распространение. Они могут быть использованы для обработки сигналов в диапазоне СВЧ в реальном масштабе времени, в спутниковом телевидении, фазированных антенных решетках.
Благодаря возросшему интересу к применению МСВ в сантиметровом диапазоне волн стали актуальными исследования распространения обратных объемных МСВ (ООМСВ) в плоскослоистых структурах [2]. Дисперсионные характеристики ООМСВ в структуре феррит-диэлектрик-металл (ФДМ-структуре) были впервые исследованы в [3]; в работах [4, 5] рассматривалась неколлинеарность групповой и фазовой скоростей ООМСВ, а также эффекты управления лучом, вызванные анизотропией их распространения, которые необходимо учитывать при расчете расширения волнового пучка ООМСВ, излучаемого линейным преобразователем конечной длины. В работе [6] было показано, что ООМСВ обладают невзаимностью, которую также нужно учитывать. Для решения этих задач необходимо исследовать закономерности распространения луча ООМСВ, возбуждаемого линейным преобразователем конечной длины в ФДМ-структуре.
Планарные слоистые структуры, содержащие намагниченные ферритовые пленки (ФП), перспективны для использования в квазиоптических аналогах СВЧ элементов на МСВ [2, 6,7]. Для проектирования таких устройств необходимо уметь рассчитывать дисперсионные характеристики МСВ в области малых волновых чисел1, где магнитостатическое приближение использовать нельзя. Дисперсионное уравнение, предложенное в [8], справедливо для структуры диэлектрик-феррит-диэлектрик (ДФД-структуры), в которой касательно намагниченная ФП окружена однородной диэлектрической средой. На практике же среды по обе стороны ФП имеют различную диэлектрическую проницаемость: например, одной поверхностью ФП железо-иприевого граната (ЖИГ) граничит с подложкой из галлий-гадолиниевого граната (ГТТ), а другой поверхностью - с поликоровой подложкой, на которой располагаются преобразователи МСВ. При распространении поверхностной МСВ (ПМСВ) с малыми волновыми числами в узком интервале частот при определенном соотношении параметров структуры может возникать волна, вытекающая из ФП в окружающие диэлектрические пространства [9]. По этим причинам в указанных структурах необходимо точно рассчитывать дисперсионные характеристики МСВ, особенно в области малых волновых чисел.
При проектировании устройств на МСВ нужно точно определять направления групповых скоростей и фокусировки МСВ. В работах [7, 10] представлены теоретические исследования фокусировки магнитоплазменных поля-ритонов, приведены диаграммы фокусировки ПМСВ и ООМСВ, распространяющихся в свободной касательно намагниченной ферритовой пластине. Одна-
1 Область малых волновых чисел к МСВ (обычно от единиц до нескольких десятков см"1) - область вблизи начальной частоты спектра МСВ, где к становятся сравнимыми с волновым числом в вакууме к^ = 0)!с- [1,9].
ко, на практике широкое применение получили магнитные пленки ЖИГ, выращенные методом жидкофавной эпитаксии на диэлектрической подложке ГГГ. Другой поверхностью пленка может также граничить с диэлектрическим материалом. Использованное в [7] магнитостатическое приближение не позволяет учесть влияние на дисперсионные характеристики МСВ диэлектриков с отличными от единицы относительными диэлектрическими проницаемостями на границах магнитного слоя, особенно при малых волновых числах [8]. Точное определение дисперсионных характеристик может стать решающим, например, при расчете формы преобразователя МСВ с заданными свойствами. Поэтому является актуальным анализ фокусировки и направления групповых скоростей МСВ с помощью более точного электродинамического подхода.
При разработке интегральных СВЧ устройств на МСВ необходимо учитывать изменение направления распространения и перераспределение энергии МСВ между различными элементами устройства. Поэтому перспективны планарные магнонные кристаллы (МК) на основе ФП и металлического экрана с периодической решеткой из щелей [11, 12, 13], которая проста в изготовлении с помощью микроэлектронной технологии интегральных схем. В [12, 13] предложен анализ планарного МК, в котором между ФП и металлическим экраном находится воздушная прослойка (е = 1), и ширина щели в экране много меньше длины волны МСВ. Для расширения возможностей управления МСВ в МК актуальным является изучение плоскослоистых структур, содержащих слой диэлектрика (£ > 1) между ФП и экраном. Не менее актуальным является исследование МК, когда размеры щели соизмеримы с длиной волны МСВ. Решение подобных задач начинают с нахождения электромагнитных полей (ЭМП), возникающих в указанных структурах при дифракции МСВ на щелях решетки, т. е. ЭМП, возбуждаемых магнитными токами - эквивалентами щелевого отверстия [14].
Таким образом, из вышесказанного следует, что исследование анизотропных свойств МСВ в плоскослоистых структурах, содержащих намагниченную ФП, является актуальным и представляет научный интерес.
Цель настоящей диссертационной работы состоит в: исследовании характеристик распространения и фокусировки ПМСВ и ООМСВ в области малых волновых чисел в плоскослоистых структурах, содержащих касательно намагниченную ФП, ограниченную по обе стороны средами с различной диэлектрической проницаемостью; анализе влияния металлического экрана на дифракционные свойства линейного излучателя конечной длины, возбуждающего луч ООМСВ в ФДМ-структуре; разработке метода расчета ЭМП, возникающих при дифракции МСВ на щелевом отверстии в металлическом экране планарной ФДМ-структуры с ФП, намагниченной нормально и касательно к поверхности.
В процессе работы над диссертацией решены следующие задачи:
1. В магнитостатическом приближении проведен расчет дифракционных профилей пучка ООМСВ, возбуждаемого линейным преобразователем конечной длины в плоскослоистой ФДМ-структуре при различных толщинах диэлектрического слоя и величине поля подмагничивания.
2. При помощи строгого электродинамического метода исследованы дисперси-
онные характеристики и направления распространения энергии, в частности, фокусировка и направление групповых скоростей МСВ, возбуждаемых в касательно намагниченной ФП, граничащей по обе стороны с диэлектриками с различной диэлектрической проницаемостью, в области малых волновых чисел, где магнитостатическое приближение использовать нельзя. 3. Разработан метод расчета в магнитостатическом приближении ЭМП, возникающих при дифракции на щели в металлическом экране МСВ, распространяющихся в плоскослоистых ФДМ-структурах, содержащих нормально и касательно намагниченную ФП.
Научная новизна работы заключается в следующем:
• впервые проведен расчет дифракционных профилей пучка ООМСВ, возбуждаемого линейным излучателем конечной длины в ФДМ-структуре, содержащей касательно намагниченную ФП, и проанализировано влияние металлического экрана на дифракционные свойства излучателя в зависимости от его удаленности от ФП при различной величине поля подмагничивания;
• предложен строгий электродинамических! метод расчета дисперсионных характеристик МСВ, в случае, когда они распространяется под произвольным углом в плоскости касательно намагниченной ФП, окруженной по обе стороны диэлектриками с различной диэлектрической проницаемостью, который позволяет точно рассчитать дисперсионные характеристики ПМСВ и ООМСВ в области малых волновых чисел; с помощью разработанного метода получено дисперсионное уравнение, на основе которого проведен анализ зависимости минимального волнового числа и границ частотного диапазона ООМСВ и ПМСВ от толщины ФП и относительных диэлектрических проницаемостей слоев, граничащих с ФП;
• впервые на основе точного дисперсионного уравнения получены диаграммы фокусировки ПМСВ и ООМСВ, излучаемых точечным преобразователем в структурах, содержащих ФП, граничащую со средами с разной диэлектрической проницаемостью. Также в указанных структурах получены векторные диаграммы направлений групповых и фазовых скоростей ПМСВ и ООМСВ с малыми волновыми числами, которые возбуждаются тонким линейным бесконечно длинным преобразователем;
• получены аналитические выражения для ЭМП, возбуждаемых источниками магнитного тока, эквивалентными щелевому отверстию в металлическом экране при дифракции на нем МСВ, в ФДМ-структурах с ФП, намагниченной нормально или касательно к поверхности.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту.
1. Метод расчета в магнитостатическом приближении дифракционных профилей пучка ООМСВ, возбуждаемого линейным преобразователем конечной длины в плоскослоистой ФДМ-структуре, позволяющий оценить для различных значений поля подмагничивания влияние на дифракционную расходимость луча ООМСВ металлического экрана при различной толщине диэлектрического слоя, отделяющего экран от ферритовой пленки.
2. Строгий электродинамический метод расчета дисперсионных уравнений МСВ, которые распространяются под произвольным углом в плоскости
касательно намагниченной феррнтовой пленки, окруженной по обе стороны диэлектриками с различной диэлектрической проницаемостью, позволяющий точно рассчитывать дисперсионные характеристики МСВ в области малых волновых чисел.
3. Совокупность новых теоретических результатов, полученных при анализе в области малых волновых чисел дисперсионных характеристик и направлений распространения энергии ПМСВ и ООМСВ в ДФД-структурах. В частности, показано, что в области малых волновых чисел ПМСВ и ООМСВ представляют собой поверхностную (ПЭМВ) и обратную объемную (ООЭМВ) электромагнитные волны, соответственно. Рассчитанные дисперсионные зависимости ПЭМВ и ООЭМВ, находящиеся в хорошем согласии с результатами эксперимента, имеют существенные отличия от теоретических результатов, получаемых в магнитостатическом приближении, особенно, когда диэлектрические проницаемости диэлектриков, окружающих ферритовую пленку, отличатся от диэлектрической проницаемости воздуха.
4. Метод расчета в магнитостатическом приближении электромагнитных полей, возникающих при дифракции МСВ на щелевом отверстии в металлическом экране в планарных ФДМ-структурах, в которых ферритовая пленка может быть намагничена касательно или нормально к поверхности.
Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы подтверждается использованием современных строгих методов расчета, проверкой их сходимости; согласованностью полученных аналитических и расчетных результатов с данными, представленными в работах других авторов, а также с данными экспериментов.
Практическая значимость. Полученные в данной диссертационной работе результаты вносят важный вклад в развитие физических представлений о распространении и фокусировке МСВ с малыми волновыми числами в планарных структурах, содержащих намагниченную ФП, ограниченную по обе стороны диэлектриками с различной диэлектрической проницаемостью. Именно такие структуры применяются на практике при проектировании приборов спин-волновой электроники СВЧ.
Компьютерные программы, написанные автором для расчетов дисперсионных характеристик, могут быть успешно использованы для оптимизации квазиоптических аналогов СВЧ элементов на МСВ, для которых крайне важно точное определение характеристик МСВ в области малых волновых чисел, где нельзя использовать магнитостатическое приближение.
Расчет направления групповых скоростей и фокусировки ООМСВ и ПМСВ в области малых волновых чисел, реализуемый с помощью созданных автором программных средств, позволяет с достаточной для практики точностью моделировать форму преобразователя МСВ с заданными свойствами.
Определение ЭМП, возникающих при дифракции МСВ на щели в металлическом экране в ФДМ-структурах, создает основу для дальнейшего изучения дифракции МСВ на периодических решетках щелей, сравнимых по поперечным размерам с длиной волны МСВ, и изучению возможности создания на основе таких структур магнонных кристаллов.
Апробация диссертационной работы. Доклады и статьи по результатам диссертационной работы представлены на 14 научных конференциях, в том числе на следующих 9 международных научных конференциях:
• Международная научная конференция «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» (Таганрог, 2009 г., 2011 г.),
• XVI международная конференции «Радиолокация и радиосвязь» (Москва -Фирсановка, 12 - 16 ноября 2008 г.),
• XVII международная конференция «Магнетизм, дальнее и ближнее спин-спиновое взаимодействие» (Москва - Фирсановка, 20 - 22 ноября 2009 г.),
• Международная школа «Хаотические автоколебания и образование структур» (Саратов, 4-9 октября 2010 г.),
• XVIII, XIX и XX Международная конференция «Электромагнитное поле и материалы». (Москва - Фирсановка, 2010 г., 2011 г., 2012 г.),
• Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, 19 -20 сентября 2012 г.).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 27 научных работ, из них 5 статей, из которых 4 - в рецензируемых изданиях перечня ВАК, рекомендованных для публикации материалов диссертации, и 22 работы -в сборниках материалов международных и всероссийских научных конференций.
Личный вклад соискателя. Автор принял непосредственное участие в разработке электродинамических методов расчета характеристик распространения, фокусировки и дифракции МСВ в плоскослоистых структурах, содержащих намагниченную ФП. Им разработаны описанные в работе методики и алгоритмы, созданы программы расчетов, сформулированы выводы по результатам работы. Автор провел все представленные в диссертации теоретические расчеты и исследования.
Структура н объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников. Она содержит 125 страниц основного текста, 41 рисунок и 14 страниц списка литературы из 129 наименований. Общий объем работы составляет 175 страниц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении представлен обзор литературных источников по вопросам и задачам, изучению которых посвящена диссертационная работа. Обоснована актуальность выбранных направлений научных исследований. Сформулированы цель работы и научная новизна проведенных исследований. Дано краткое изложение содержания разделов диссертационной работы. Приведены сведения об апробации результатов диссертации. Представлены положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассчитывается расширение пучка ООМСВ, возбуждаемого линейным преобразователем конечной длины в ФДМ-структуре. С помощью построения дифракционных и фазовых профилей луча ООМСВ изучается влияние металлического экрана на дифракционные свойства излучателя.
В разделе 1.1 описана исследуемая структура (вкладка на рис. 2): параллельная плоскости уОг бесконечная в направлениях осей у иг, плоскослоистая ФДМ-структура, в которой ФП толщиной .у намагничена до насыщения постоянным внешним магнитным полем Нп. Диэлектрик толщиной [, заполня-
2,4 2,2 2,0
1,4 1,2 1,0 0,8 0.6 0,4 0,2
| | | | | | | | , | I ' К •
: /
- /Г /=75Д(1
гц 2=125я»
-0,6 -0.4 -0,2 0,0 0.2 0.4 0,6
}\ АШ
Рис. 1
¿ф1у,г)
Н„
ющий зазор между ФП и металлическим экра- .. \ФшI ном, имеет относительную диэлектрическую проницаемостью е = 1. Возбудитель ООМСВ -узкий микрополосок апертурой 2а, который располагается вдоль оси у; плотность тока в нем считаем постоянной. Размагничивающие поля внутри ФП полагаем равными нулю. Потерями в феррите пренебрегаем, так как рассматриваем ФП из ЖИГ, обладающего низкими СВЧ магнитным потерями.
В разделе 1.3 предложен точный метод расчета магнитостатического потенциала ф(у,г) ООМСВ на поверхности ФП в исследуемой структуре. Для нахождения ф(у,г) преобразова- о,о тель ООМСВ разбивался на элементарные точечные излучатели, и затем был применен метод стационарной фазы. «о
В разделе 1.4 представлены численные расчеты дифракционных ) и фазовых 60 (Аф(у,г) - аргумент комплексной функции ф{у,г)) профилей луча ООМСВ, т.е. зависимостей соот- зо ветствующих функций от у при фиксированных значениях г. Расчет проведен для структур с раз- о личной толщиной диэлектрического слоя / между ФП и металлическим экраном. ООМСВ возбуж- _30 дается преобразователем апертурой 2а = 1 мм, который на рисунках условно изображен в виде полоски на оси у . Профили рассчитаны для дискретных значений г в диапазоне от г = 25 Лп до
" -90
г =125 Л0, где = 2л//с0 - длина волны ООМСВ.
На рис. 1 и 2 представлены дифракционные и фазовые профили низшей моды ООМСВ,
/ = 2.65 ГГц в структуре с I = 2.5 мкм, подмагничиваемой полем Нп = 500 Э. На рис. 3 и 4 представлены трехмерные графики дифракционного профиля пучка ООМСВ, которые показывают изменение профиля луча ООМСВ на поверхности металлизированной ФП (7=0) вдоль направления магнитного поля. На графиках хорошо видно дифракционное расширение пучка ООМСВ.
Так как целью исследования являлось изучение влияния металлического экрана на дифракционную картину, в разделе 1.5 представлены сравнительные графики дифракционных профилей луча ООМСВ в структурах с разной толщиной диэлектрического слоя £ между ФП и металлом.
Сравнение дифракционных профилей излучателей одной длины, расположенных, например, на свободной и металлизированной ФП, при одной частоте не
ЖИГ
ЩШЕКТШК
• /
£
0,4 0,6 .)'» ММ
-0,6 -0.4 -0,2 0,0 0,2
Рис.2
возбуждаемой на частоте
совсем корректно, поскольку волновые числа к0 у ООМСВ, которые они возбуждают, - разные, и, следовательно, на длине каждого излучателя укладывается различное число длин волн Л0. Поэтому более правильно сравнить дифракционные профили волн с одинаковыми к0, исходящих от излучателей равной длины.
Для сравнений были выбраны ООМСВ низшего типа с Л.0 = 0.0616 мм (/с0= 1019.63 см"1). Подбор частот возбуждения ООМСВ, имеющих выбранную Л0, осуществлялся с помощью дисперсионных кривых. На рис. 5 приведен пример такого подбора для случая, когда Нп = 500 Э.
Яп = 500 Э : | /=2.728 ГГц)
200 о
г ^ N \ ял = 500 Э
- Л \
IV
. \
\ \
ч \
- \ \
\\
ч\
* х\ -
—— 1 я 0
--1 »2.5 т м ' •, 1 .
, 1 :
2,4 2.5 2,6 2.7 2,8 2.9 .1.0
./; ггц
Рис. 5
1АИ
Рис. 7
II = 1500 Э.1.| /- 5.839 ГГц I
Рис. 4
Рис. 6
Рис. 8
Анализ построенных сравнительных графиков (рис. 6) показывает, что расширение пучка ООМСВ, распространяющегося в ФП, в присутствии металличе-
ского экрана имеет более выраженный характер, чем это имеет место в случае свободной пленки. При увеличении напряженности магнитного поля, подмагничи-вающего исследуемую структуру, влияние металлического экрана на дифракционное расширение луча ООМСВ ослабляется (рис. 7,8).
Во второй главе в разделе 2.2 представлен строгий электродинамический метод вывода точного дисперсионного уравнения для МСВ, распространяющихся под произвольным углом к полю подмагничивания в касательно намагниченной ФП, входящей в плоскослоистую ДФД-структуру. Потери в ФП не учитываются. Модель структуры описана в разделе 2.1 и представлена на вкладке рис. 9. С помощью предложенного метода можно точно рассчитывать дисперсионные характеристики МСВ в области малых волновых чисел, кроме того, в отличие от [8, 9], он позволяет сделать это в случае, когда среды по обе стороны ФП имеют различную диэлектрическую проницаемость.
В разделе 2.3 с помощью точного дисперсионного уравнения построены дисперсионные зависимости ЭМВ, возбуждаемых в частотном диапазоне, соответствующем ПМСВ и ООМСВ при угловом распространении в плоскости ФП, т. е. когда фазовая скорость волн составляет произвольный угол <р с направлением Нп.
На рис. 9 представлены дисперсионные характеристики волн, распространяющихся в положительном направлении оси у, в частотном диапазоне, соответствующем ПМСВ, в ФП толщиной 5е = 45 мкм, намагниченностью насыщения 4лМй = 1916 Гс и относительной диэлектрической проницаемостью е = 15, включенной в структуру с £•, = 1, е2 = 15, подмагничиваемую полем Нп = 400 Э. При малых волновых числах ПМСВ представляют собой волны, распространяющиеся в ФП, которые будем называть поверхностными электромагнитными волнами (ПЭМВ) (я-кривые). Их дисперсионные характеристики тем сильнее отличаются от рассчитанных в магнитостатическом приближении, чем больше относительная диэлектрическая проницаемость среды, прилегающей к поверхности ФП, вблизи которой распространяется ПЭМВ, отличается от единицы. Минимальное волновое число и нижняя граница частотного диапазона ПЭМВ при заданных параметрах структуры - толщине и намагниченности насыщения ФП и величине поля подмагничивания - зависят от соотношения диэлектрических проницаемостей слоев ДФД-структуры е, ех и а2 и определяются наибольшей из них. Результаты расчетов дисперсионных характеристик ПМСВ с (р =90° совпали с полученными в работе [9].
На рис. 10 представлены дисперсионные характеристики ЭМВ, распространяющихся в положительном направлении оси у, в частотном диапазоне, соответствующем ООМСВ, в структуре с параметрами ех = 1, е2 = 15, г = 15, .? =45 мкм, 4тгМ0 = 1916 Гс, Яп =400 Э.
При малых волновых числах ООМСВ низшего типа представляют собой волны, распространяющиеся в ФП, которые далее будем называть обратными объемными ЭМВ (ООЭМВ) (а-кривые). Дисперсионные характеристики ООЭМВ тем более отличны от характеристик, рассчитываемых в магнитостатическом приближении, чем больше относительная диэлектрическая проницаемость любой из
2730
2720
2710
2690
Рис. 9
диэлектрических сред, прилегающих к по- /< мгп
. 2760
верхности ФП, отличается от единицы. Минимальное волновое число и верхняя 2750 граница частотного диапазона ООЭМВ при заданных толщине и намагниченности 2?4о ФП, относительных диэлектрических про-ницаемостях слоев и величине подмагни-чивающего поля определяются точкой максимума дисперсионной кривой ООЭМВ, поскольку в этой точке происходит изменение характера распространения объемной ЭМВ с обратного на прямой.
На графиках 9 и 10 также изображены дисперсионные Ь - и с -кривые. Ъ -кривые соответствуют объемным волнам с прямым характером распространения, локализующимся в ФП. ЭМВ, соответствующие с -кривым, распространяются в ФП и в нижнем полупространстве.
В разделах 2.4 и 2.5 исследована зависимость дисперсионных характеристик ПЭМВ (1 Я„) (рис. 11-12) и ООЭМВ 0=0°) (рис. 13-14) от толщины ФП. Расчет проведен для ДФД-структур: 1)воздух(^1 = 1)-ЖИГ-ГТТ(£2 =11); 2) керамическая подложка (г^ = 100)-ЖИГ-ГГТ(е2 =11). Параметры пленки ЖИГ: 4тгМ0 = 1750 Гс, я = 15.4.
На рис. 11-12 толстыми пунктирными и толстыми сплошными кривыми изображены дисперсионные характеристики ПЭМВ, распространяющихся по верхней поверхности пленки ЖИГ, в структурах 1 и 2, соответственно. Тонкие сплошные кривые - дисперсионные зависимости ПЭМВ, распространяющихся в структуре 2 по нижней поверхности ЖИГ. На рис. 13-14 тонкими и толстыми сплошными кривыми изображены дисперсионные характеристики ООЭМВ в структурах 1 и 2, соответственно. Характеристики, рассчитанные в магнитостатическом приближении, представлены тонкими пунктирными кривыми. На рисунках кривые 1 соответствуют толщине ФП 5=3 мкм; 2-5 мкм; 3-10 мкм, 4-15 мкм; 5-30 мкм.
Рис. 10
При увеличении толщины ЖИГ растет различие между дисперсионными кривыми, рассчитанными с помощью точного дисперсионного уравнения, и вычисленными в магнитостатиче-ском приближении. Например, для ФП с л = 30 мкм, входящей в структуру 2, различия в 4 МГц могут затрагивать широкий диапазон волновых чисел - до 100 см-1 (кривые 5).
При возрастании напряженности магнитного поля отклонение дисперсионных характеристик, рассчитываемых строгим электродинамическим методом, от вычисленных в магнитостатиче-ском приближении, при прочих равных параметрах структуры — растет.
В разделе 2.6 результаты расчетов сопоставлены с результатами измерений, которые были получены с помощью экспериментальной установки, специально собранной для этих целей.
В эксперименте были исследованы две ДФД-структуры: 1) воздух - ЖИГ - ГГГ; 2) пластина ПК-1-г-ВЮО - ЖИГ - ГГГ. Параметры пленки ЖИГ: 5 = 15 мкм, 4лМ0 = 1750 Гс, е =15.4, ФП была нанесена на подложку из ГГГ с е2 = 11 толщиной 0.5 мм. Керамическая пластина ПК-1-г-ВЮО, использованная в структуре 2, имела относительную диэлектрическую проницаемость 100±1 и толщину 1 мм. Толщины диэлектриков, окружающих ФП, были подобраны так, чтобы их можно было считать бесконечно толстыми, как того требует теоретическая модель. При расчете дисперсионных зависимостей была учтена роль магнитной анизотропии пленки. Также было учтено влияние температуры на намагниченность насыщения ФП: измерения характеристик ООМСВ проводились при температуре на 7° С ниже, чем измерения ПМСВ, поэтому намагниченность насыщения ФП в эксперименте с ООМСВ увеличилась до 1780 Гс.
Рис. 13 Рис. 14
к. см"
Рис. 11
Рис. 12
На рис. 15 и 16 показаны расчетные и экспериментальные дисперсионные характеристики ООЭМВ (^=0°), распространяющихся в структурах 1 и 2, в случаях, когда внутреннее магнитное поле в ферритовой пленке составляет Нп = 1545 Э и Нп= 1645 Э. Сплошными кривыми показаны расчетные дисперсионные характеристики. Расчетные и измеренные дисперсионные характеристики ПЭМВ (<р=90), распространяющихся в пленке ЖИГ вблизи ее верхней поверхности в структурах 1 и 2, подмагничиваемых Ни = 1435 Э и Нп = 1685 Э, представлены на рисунках 17 и 18, соответственно. Ромбиками обозначены экспериментальные характеристики в структуре 1, кружками - в структуре 2. Пунктирные кривые -зависимости, рассчитанные в магнитостатическом приближении.
Г. МГц
6350
6325 63011 (¡275 625(1 6225 620» 6175 6150 6125 6100 6075 6050 6025
Рис. 15
/, МГц
6650
6625 6600 6575 6550 6525 6500 6475 6450 6425 6400 6375 6350 6325
0 30 60 90 120 150 180 210 240 2 к, си
Рис. 16
Рис. 17 Рис. 18
Результаты расчетов и измерений находятся в хорошем соответствии. Они подтверждают справедливость полученных в разделе 2.2 дисперсионных уравнений. Это позволяет полагать, что использование строгого электродинамического метода расчета дисперсионных характеристик МСВ в области малых чисел дает достаточную для практики точность.
Третья глава посвящена изучению направления распространения энергии МСВ, возбуждаемых в касательно намагниченной ФП, включенной в планарную ДФД-структуру. Получены диаграммы фокусировки и сравнительные диаграммы направления групповых скоростей волн в таких используемых на практике структурах, как ФП (ЖИГ), одной поверхностью граничащая с подложкой из ГГТ, другой — с поликоровой или керамической подложкой. Проведено сравнение полученных результатов с расчетами, сделанным в магнитостатическом приближении.
В разделе 3.1 описана исследуемая ДФД-структура. Она идентична структуре, изучаемой в главе 2. В разделе 3.2.1 изложен метод численного расчета диаграмм фокусировки волн в дальней зоне возбуждающего их точечного преобразователя, в котором используются изочастотных характеристик [7]. В каждой точке изочастотной кривой вычисляется нормаль — она совпадает с направлением групповой скорости, а значит и полного потока энергии волны. Величина потока энергии, распространяющегося в направлении, задаваемом нормалью, пропорциональна квадрату кривизны изочастотной кривой в заданной точке пространства волновых векторов. Когда кривизна обращается в О, образуется «каустика» расходящегося потока энергии, т. е. в этом направлении происходит фокусировка лучей, расходящихся от излучателя.
Изочастотные кривые рассчитываются из дисперсионного уравнения, полученного с помощью строгого электродинамического метода, представленного в разделе 2.2 главы 2.
В разделе 3.2.2 приведены результаты расчета изочастотных кривых (рис. 19) и диаграмм фокусировки (рис. 20) ПЭМВ, возбуждаемых на частоте / = 6.305 ГГц точечным преобразователем в структуре: керамическая подложка (е1 =100) - ЖИГ = 15.4) - ГГГ (¿г2 =11). Рассмотрены волны, распространяющиеся по верхней поверхности пленки ЖИГ с £ = 15 мкм, 4лМ0 = 1750 Гс, подмагничиваемой внешним магнитным полем Нп = 1535 Э. На рисунках характеристики, рассчитанные в магнитостатическом приближении, изображены пунктирными линиями.
ЭМВ, возбуждаемые точечным преобразователем, имеют два выделенных направления распространения на каждой из поверхностей ФП, которые, однако, не являются «каустиками» (рис. 20) [7]. Наличие диэлектриков, примыкающих к поверхностям феррита, практически не влияет на направления фокусировки и величину энергии, переносимую в этих направлениях. Отличия от магнитостатического приближения заключаются в том, что чем больше относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, примыкающего к поверхности, вблизи которой распространяются ПЭМВ, отличается от единицы, тем больше энергия волн распределяется по сектору угла внутри основных направлений распространения в ФП.
В разделе 3.2.3 приведены расчетные изочастотные кривые (рис. 21) и диаграммы фокусировки (рис. 22) ООЭМВ, возбуждаемых точечным преобразователем в ферритовой пленке ЖИГ в структуре: керамическая подложка =100) -ЖИГ (£ = 15.4) - ГГТ (е2 =11). Волны возбуждаются на частоте / = 6.28 ГГц в пленке ЖИГ с ^ = 15 мкм и 4лМ0 = 1750 Гс, подмагничиваемой внешним магнитным полем Н„ = 1545 Э.
Мощность, отн.ед
я,
100 80 60 10
Рис. 19
Рис. 20 Мощность, отн.ед
-50 «10 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 ) к, см
Рис. 21 Рис. 22
Обратные объемные волны, возбуждаемые в ФП точечным преобразователем, фокусируются в восьми направлениях - «каустиках» [7]. Присутствие диэлектриков, примыкающих к поверхностям феррита, оказывает влияние на направления и амплитуду первых четырех «каустик», которые показаны на рисунке 22.
В случае, когда диэлектрики, граничащие с поверхностями ФП, имеют разные диэлектрические проницаемости, изочастотные кривые и диаграммы фокусировки ООЭМВ ассиметричны относительно оси вдоль направления подмагничивающего поля Нп, поскольку объемные волны, распространяющиеся в положительном направлении оси у (толстые сплошные кривые), испытывают большее влияние диэлектрика, примыкающего к верхней поверхности ФП, а волны в отрицательном направлении у (тонкие сплошные кривые), - большее влияние диэлектрика, заполняющего нижнее пространство.
Отклонение направлений фокусировки и изочастотных кривых от вычисленных в магнитостатическом приближении (пунктирные кривые) можно оценить по величине диэлектрической проницаемости сред, окружающих ФП. Оно тем значительнее, чем больше диэлектрическая проницаемость диэлектриков отличается от проницаемости воздуха.
В разделе 3.3 были исследованы направления групповых скоростей ПЭМВ и ООЭМВ, которые возбуждаются в планарных ДФД-структурах преоб-
/=6.295 ГГц
!к
в /
\ н —7
\ /
\ \ \ 1
,{<Р=80.42°
■ни
/= 6.305 ГГц
7Л
Рис. 23 У
/
\ ^
\\
/
:80,42°
разователем в форме тонкого бесконечно длинного полоска.
Когда излучатель ПМСВ ориентирован так, что угол ср между волновым вектором поверхностной волны и вектором Нп близок к 90° (рис. 23 и 24 для Нп = 1535 Э), т. е. когда возбуждаемая ПМСВ имеет малые волновые числа и является ПЭМВ, то, чем больше относительная проницаемость диэлектрика, примыкающего к поверхности пленки, по которой распространяется волна, отличается от единицы, тем больше вектор групповой скорости ПЭМВ отклоняется от рассчитанного в магнитостатическом приближении в сторону уменьшения угла между векторами групповой и фазовой скоростей.
Например, когда волновой вектор ПМСВ направлен под углом ср = 80.42 к полю Нп, а угол между векторами групповой и фазовой скоростей (V ТТк) в в магнитостатическом приближении составляет <9МС= 32.96 (рис.23),
в свободной пленке при расчете дисперсионных характеристик с помощью строгого электродинамического метода в = 30.92 (направление вектора групповой скорости показано вектором
V [), а когда к поверхности, по которой распространяется ПМСВ, прилегает керамическая подложка с е = 100, в уже отличается от рассчитанного в магнитостатическом приближении практически на 16 и составляет 14.65 (у^)-
При возбуждении ООМСВ преобразователем в форме бесконечно длинного полоска, который ориентирован по отношению к Йп так, что (р - мал (рис. 25 и 26 для Яп = 1545 Э), т. е. когда ООМСВ имеет малые волновые числа и является ООЭМВ, обнаружено, что чем больше диэлектрическая проницаемость диэлектрика, примыкающего к одной из у поверхностей пленки, отличается от проницаемости воздуха, тем больше вектор групповой скорости волны отклоняется от полученного в магнитостатическом приближении в сторону уменьшения угла между векторами групповой и фазовой скоростей. Когда волновой вектор ООЭМВ направлен под углом ср = 8.88° к внешнему магнитному полю, а угол вмс = 145.63°, в свободной пленке при расчете с по-
Нп
Рис. 24
н
/к / /
/ / / /
<р = 8.88°
б6 / = 6.28 ГГц
Ч:
V* .4 чч И Л
Рис. 25
Г1г
/к
/
/ /
(р = 8.! ?>
/=6.3 ГГц
мощью строгого электродинамического метода угол в равен 145.54 (V ]), когда к верхней поверхности
ФП прилегает поликоровая подложка с е] = 9.8, в уже отличается от вмс на 1.5° и составляет 144.09° (у?2), когда г, = 100 составляете
в = 137.66 , т. е. отличие
ч
\
•Л/
В четвертой главе представлен метод расчета ЭМП, возникающих при дифракция МСВ на щелевом отверстии площадью в металлическом экране в плоскослоистой структуре, содержащей помимо экра-
Рис. 28
Рис. 29
В разделе 4.4 с помощью решения системы уравнений Максвелла для магнитоанизотропных пленок в магнитостатическом приближении найдены выражения для матриц перехода А в случае касательно (подмагничивающее поле Нп\\у) и нормально (Нп\\г) намагниченного слоя феррита. После этого определены компоненты электромагнитного поля, возбуждаемого сторонними источниками магнитного тока, эквивалентными щели в металлическом экране: - в области над металлическим экраном (раздел 4.3):
н:=—
Ш
к22-\К.2)"
Р
+ />,к2( 1Д)
-¡К (г—Г')
(1)
Р
- в области под металлическим экраном в структуре, содержащей касательно намагниченную ФП (раздел 4.5):
Н'у -
4п'кМ и.
Ш
где
Р
л _ -рк (РРкМ(ИI - Уа)сКр1,11) + (ц1 Рь р1
=е
А-5к{рк(1) + В-с1г{ркй)
+ Но*!1
(3)
^ = О ~ г^оМОсО + ¿г(£0 - ^ )с/грО + г
АезКрс1) + Веск{рс1) ' " V А
= £0Е\с1г{р1г) + £25/?(/?/г), Ве = е^с^рк) + £0$Ъ{рИ)),
Л ~ 1-1аК\ + Р Но + 1-1\р{рИа -Нак\ ^
Вк = рр/,м(МосКр!г) + м^КрИ)); — в области под металлическим экраном в структуре, содержащей нормально намагниченную ФП (раздел 4.6):
щ=—Г—/I I
р~
Г, 2 \
+ 1,
э>к(г-г')
(5)
где
^ =с-рн(£ ~ ^оЫ(р^) - £(е0 -£{)сИ(рс1) ^ Аезк{рё) + ВесЬ(рс1)
(б)
>л =-', — 4 V Л)
Ае = еаехск{рк) + £25к(рк), Ве = -£{Е1сИ{р1г) + £0зк(рК)), ^
А = МоРи2сКрЬ)- ИхР'^КрК), Вк =рр/1(/10ск(р!г) +м^КрИ)),. В выражениях (1)-(7): р = ^[к]2 + к22, 1¥0=^]/.10/с0, к0 = а^£0р0, 1 I--( ^
у(ан + ша) -со
1 +
сом (а>н + 1соа)
(сон + iaxx)2 - а2
V
> ан=УНп>
фм =/4лМ0, где со - частота МСВ, 4лМ0 - намагниченность насыщения ФП, а — безразмерный параметр потерь, у - гиромагнитное отношение; (Б) - компоненты магнитного тока.
Если положить, что пространство между ФП и металлическим экраном заполнено воздухом (£■[ =е0 и /.г1 = /л0), то формулы для полей примут вид, полученный в [12,13].
Каждая из глав оканчивается разделом «Выводы», в котором размещен перечень результатов, полученных в главе.
В заключении представлены основные результаты настоящей диссертации и сделаны общие выводы.
Основные результаты и выводы диссертационной работы.
Результатом исследований, проведенных в рамках диссертационной работы, являются следующие впервые полученные выводы и положения:
1. Проведено исследование дифракционного расширения пучка ООМСВ, возбуждаемого линейным преобразователем конечной длины в ФДМ-структуре. Изучено влияние металлического экрана на дифракционную расходимость пучка ООМСВ при различных значениях поля, подмагничивающего ФП.
2. Предложен строгий электродинамический метод вывода дисперсионных уравнений МСВ, распространяющихся под произвольным углом в плоскости касательно намагниченной ФП, входящей в планарную ДФД-структуру. На основе полученных дисперсионных уравнений исследованы в области малых волновых чисел дисперсионные характеристики МСВ, возбуждаемых в ФП, окруженной диэлектрическими средами с различной диэлектрической проницаемостью. Проанализирована зависимость дисперсионных характеристик МСВ от толщины ФП и от величины напряженности подмагничивающего поля, действующего на исследуемую структуру.
3. Проведена проверка расчетов дисперсионных характеристик ПМСВ и ООМСВ в области малых волновых чисел, вычисленных на основе строгого электродинамического метода, с результатами измерений, сделанных на экспериментальной установке. Получено хорошее согласие измеренных и расчетных данных.
4. Изучены направления распространения энергии МСВ в плоскослоистых ДФД-структурах, содержащих касательно намагниченную ФП, граничащую с обеих сторон с диэлектриками с различной диэлектрической проницаемостью. Исследовано в области малых волновых чисел направление групповых скоростей МСВ, возбуждаемых преобразователем в форме бесконечно длинного полоска.
5. Разработан метод расчета в магнитостатическом приближении ЭМП, возникающих при дифракции МСВ на щелевом отверстии в металлическом экране плоскослоистой ФДМ-структуры. Получены аналитические выражения для компонент магнитного поля, возбуждаемого сторонними источниками магнитного тока, эквивалентными щели в экране структуры. Рассмотрены касательно и нормально намагниченные ФП; для них найдены матрицы перехода токов и напряжений эквивалентных схем.
6. Разработаны программы на основе оригинальных численных методик при помощи математических пакетов Math Works MatLab 2008 и MapleSoft Maple 14.
7. Проведен анализ используемых теоретических методов на внутреннюю сходимость, также методы проверены сравнением полученных результатов с теоретическими результатами, представленными другими авторами.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. С.А. Вяткина, Р.К. Бабичев, В.Н. Иванов. Электромагнитные волны в касательно намагниченной ферритовой пленке, распространяющиеся под углом к полю подмагничивания. // Электромагнитные волны и электронные системы. 2011. Т. 16. №10. С. 64-70.
2. С.А. Вяткина, Н.П. Нистратов, Р.К. Бабичев, И.И. Натхин. Дисперсия обратных объемных магнитостатических волн в структуре «диэлектрик-феррит-диэлектрик». //
Электромагнитные волны и электронные системы. 2012. Т. 17. № 6. С. 76-80.
3. С.А. Вяткина, Н.П. Нистратов, Р.К. Бабичев, В.Н. Иванов. Экспериментальное исследование дисперсии поверхностных магнитостатических волн. // Электромагнитные волны и электронные системы. 2012. Т. 17. № 10. С. 43-46.
4. С.А. Вяткина, Н.П. Нистратов, Р.К. Бабичев, В.Н. Иванов. Экспериментальное исследование дисперсионных характеристик поверхностных магнитостатических волн. // Изв. вузов «ПНД». 2012. Т. 20. № 5. С. 84-96.
5. Г.П. Синявский, Р.К. Бабичев, С.А. Вяткина. Исследование пучка обратных объемных магнитостатических волн в структуре феррит-диэлектрик-металл. // Физические основы приборостроения. 2012. № 2. С. 30-40.
6. A.B. Вашковский, Р.К. Бабичев, В.Н. Иванов, С.А. Вяткина. Расширение пучка обратных объемных магнитостатических волн, излучаемого конечным линейным возбудителем. // Материалы XVI МНК «Радиолокация и радиосвязь». Москва - Фирсановка. 12 - 16 ноября 2008 г. С. 166-172.
7. A.B. Вашковский, Р.К. Бабичев, В.Н. Иванов, С.А. Вяткина. Влияние металлического экрана на расширение пучка обратных объемных магнитостатических волн, излучаемого конечным линейным преобразователем. // Материалы XIV международной зимней школы-семинара по электронике сверхвысоких частот и радиофизике. Саратов. 3-8 февраля 2009 г. С. 28.
8. A.B. Вашковский, Р.К. Бабичев, В.Н. Иванов, С.А. Вяткина. Дисперсия электромагнитных волн в касательно намагниченной ферритовой пленке. // Материалы МНК «Излучение и рассеяние электромагнитных волн». Таганрог -Дивноморское. ТТИ ЮФУ. 27 июня - 1 июля 2009 г. С. 492-496.
9. A.B. Вашковский, Р.К. Бабичев, В.Н. Иванов, С. А. Вяткина. Влияние металлического экрана на расширение пучка обратных объемных магнитостатических волн, излучаемого конечным линейным возбудителем. // Материалы 7 региональной НТК «Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовки кадров на юге России». Новороссийск. МГА им. адм. Ф. Ф. Ушакова. 26-28 ноября 2009 г. С. 143-146.
10. A.B. Вашковский, Р.К. Бабичев, В.Н. Иванов, С.А. Вяткина. Фокусировка электромагнитных волн в касательно намагниченной ферритовой пленке. // Материалы XVII МНК «Магнетизм, дальнее и ближнее спин-спиновое взаимодействие». Москва - Фирсановка. 20 - 22 ноября 2009 г. С. 53-59.
11. A.B. Вашковский, Р.К. Бабичев, В.Н. Иванов, Вяткина С.А. Электромагнитные волны в касательно намагниченной ферритовой пленке. // Материалы XVII МНК «Магнетизм, дальнее и ближнее спин-спиновое взаимодействие». Москва - Фирсановка. 20 - 22 ноября 2009 г. С. 60-67.
12. A.B. Вашковский, Р.К. Бабичев, В.Н. Иванов, С.А. Вяткина. Дисперсия электромагнитных волн в касательно намагниченной ферритовой пленке. // Материалы 8 региональной НТК «Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовка кадров наюге России». 4.2. Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова. 2010. С. 262-264.
13. A.B. Вашковский, Р.К. Бабичев, В.Н. Иванов, С.А. Вяткина. Фокусировка электромагнитных волн в касательно намагниченной ферритовой пленке. // Материалы 8 региональной НТК «Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовка кадров на юге России». 4.2. Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова. 2010. С. 265-268.
14. С.А. Вяткина, Р.К. Бабичев, В.Н. Иванов. Электромагнитные волны в касательно
намагниченной ферритовой пленке, распространяющиеся под углом к полю подмагничивания. // Материалы ХП Всероссийской школы-семинара «Волновые явления в неоднородных средах». Звенигород. МГУ. 24-29 мая 2010 г. С. 16-19.
15. С.А. Вяткина, Р.К. Бабичев, В.Н. Иванов. Фокусировка магнитостатических волн в касательно намагниченной ферритовой пленке. // Материалы IX Международной школы «Хаотические автоколебания и образование структур» (ХАОС-2010). Саратов. 4 - 9 октября 2010 г. С. 70-71.
16. С.А. Вяткина, Р.К. Бабичев, В.Н. Иванов. Дисперсия поверхностных магнитостатических волн, распространяющихся под углом к приложенному магнитному полю в касательно намагниченной ферритовой пленке. // Материалы XVIII МНК «Электромагнитное поле и материалы». Москва — Фирсановка. 19-21 ноября 2010 г. С. 182-189.
17. С.А. Вяткина, Р.К. Бабичев, В.Н. Иванов. Дисперсия обратных объемных магнитостатических волн, распространяющихся под углом к приложенному магнитному полю в касательно намагниченной ферритовой пленке. // Материалы XVIII МНК «Электромагнитное поле и материалы». Москва — Фирсановка. 19-21 ноября 2010 г. С. 190-196.
18. С.А. Вяткина, Н.П. Нистратов, В.Н. Иванов, Р.К. Бабичев. Дисперсионные характеристики ПМСВ в слоистых структурах, содержащих касательно намагниченную ферритовую пленку. // Материалы МНК «Излучение и рассеяние электромагнитных волн». Таганрог- Дивноморское. ТТИ ЮФУ. 27 июня - 4 июля 2011 г.
19. С.А. Вяткина, Н.П. Нистратов, В.Н. Иванов, Р.К. Бабичев. Дисперсия поверхностных магнитостатических волн в слоистых структурах, содержащих касательно намагниченную ферритовую пленку. // Материалы XIII Всероссийской школы-семинара «Физика и применение микроволн» («Волны-2011»), Волновые процессы в неоднородных средах. Звенигород. МГУ. 2011 г. С. 10-14.
20. Р.К. Бабичев, С.А. Вяткина, В.Н. Иванов. Электромагнитные волны, распространяющиеся в касательно намагниченной ферритовой пленке под углом к полю подмагничивания. // Материалы 9 региональной НТК «Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовка кадров на юге России». Новороссийск: МГА им. адм. Ф. Ф. Ушакова. 2011. С. 108-112.
21. С.А. Вяткина, Н П. Нистратов, Р.К. Бабичев, В.Н. Иванов. Экспериментальное исследование дисперсии поверхностных магнитостатических волн, распространяющихся в слоистых структурах, содержащих касательно намагниченную ферритовую пленку. // Материалы XIX МНК «Электромагнитное поле и материалы». МЭИ ТУ. Москва - Фирсановка. 18 - 20 ноября 2011г.
22. С.А. Вяткина, В.Н. Иванов, Р.К. Бабичев. Дифракция магнитостатических волн на щели в структуре, содержащей нормально намагниченную ферритовую пленку. XV Международная зимняя школа-семинар по электронике сверхвысоких частот и радиофизике. Саратов. 6-11 февраля 2012 г. С. 64-65.
23. С.А. Вяткина, Н.П. Нистратов, Р.К. Бабичев, В.Н. Иванов. Экспериментальное исследование дисперсионных характеристик поверхностных магнитостатических волн. XV Международная зимняя школа-семинар по электронике сверхвысоких частот и радиофизике. Саратов. 6—11 февраля 2012 г. С.91.
24. С.А. Вяткина, Р.К. Бабичев. Дифракция магнитостатических волн на щели в струк-
туре феррит-диэлектрик-металл. // Материалы ХШ Всероссийской школы-семинара «Волновые явления в неоднородных средах» («Волны-2012»), Звенигород. МГУ. 2012 г.
25. С.А. Вяткина, Р.К. Бабичев. Дифракция магнитостатических волн на щели в слоистых структурах, содержащих ферритовую пленку. // Материалы МНК «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (АПЭП-2012). Саратов. 19-20 сентября 2012 г. С. 131-133.
26. С.А. Вяткина, Р.К. Бабичев. Дифракция магнитостатических волн на щелевом отверстии в структуре феррит-диэлеетрик-металл. // Материалы XX МНК «Электромагнитное поле и материалы». Москва—Фирсановка. 17 —18 ноября 2012 г. С. 293-299.
27. С.А. Вяткина, Н.П. Нистратов, Р.К. Бабичев, И.И. Натхин. Дисперсия обратных объемных магнитостатических волн в слоистых структурах, содержащих касательно намагниченную ферритовую пленку. // Материалы XX МНК «Электромагнитное поле и материалы». Москва - Фирсановка. 17-18 ноября 2012 г. С. 300-305.
СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
[1] А. В. Вашковский, В. С. Стальмахов, Ю. П. Шараевский. Магаитостатические волны в электронике сверхвысоких частот. Саратов: Изд. Сарат. ун-та, 1993. 312 с.
[2] А. В. Вашковский, Э. Г. Локк. Свойства обратных электромагнитных волн и возникновение отрицательного отражения в ферритовых пленках. // УФН. 2006. Т. 176. №4. С. 403-414.
[3] N. D. J. Miller. Non-reciprocal magnetostatic volume waves. // IEEE Trans, on Magnetics. 1978. V. MAG-14, № 5. P. 829-831.
[4] S. N. Bajpai. Steering of magnetostatic bulk waves in dielectric layered structure. // J. Appl. Phys. 1979. V. 50, № 10. P. 6564-6566.
[5] Parekh J.P. and Tuan H.S. Beams steering and diffraction of magnetostatic backward volume waves. // J. Appl. Phys. 1981. V. 52, № 3. P. 2279-2281.
[6] А. В. Вашковский, Э. Г. Локк. Прямые и обратные неколлинеарные волны в магнитных пленках. // УФН. 2006. Т. 176. № 5. С.557-562.
[7] V. Veerakumar, R. Е. Camley. Magnon focusing in thin ferromagnetic films. // Phys. Rev. 2006. V. 74. № 21. P. 214401-8.
[8] R. Ruppin. Electromagnetic modes of a ferromagnetic slab. // J. Appl. Phys. 1987. V. 62. № l.P. 11-15.
[9] А. В. Вашковский, Э. Г. Локк. Влияние диэлектрической подложки и магнитных потерь на дисперсию и свойства поверхностной магнитостатической волны. //РЭ. 2001. Т. 46. № 6. С. 729-738.
[10] R. L. Stamps, R. Е. Camley. Focusing of magnetoplasmon polaritons. // Phys. Rev. 1985. B. 31(8). 4924.
[11] С. E. Банков, A. H. Лагарьков, С. А. Никитов. Обзор метаматериалов. // РЭ. 2008. Т. 53. № 5. С. 545-552.
[12] С. Е. Банков, С. А. Никитов. Рассеяние объемных магнитостатических волн на щелевых периодических решетках. // РЭ. 2007. Т. 52. № 11. С. 1301-1311.
[13] С. Е. Банков, С. А. Никитов. Рассеяние поверхностных магнитостатических волн на щелевых периодических решетках. // РЭ. 2008. Т. 53. № 5. С. 545-552.
[14] В. В. Бодров, В. И. Сурков. Математическое моделирование устройств СВЧ и антенн. Москва: Издательство МЭИ, 1994. 92 с.
Подписано в печать 17.08.2013. Печать офсетная. Бумага офсетная. Гарнитура Times. Формат 60x84/16. Объём 1,0 п.л. Заказ № 43946, 2013 г., тираж 100 шт.
Отпечатано в типографии «Диапазон-Плюс» ИНН 6165157389 344011, г. Ростов-на-Дону, пр. Буденновский, 97
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ"
На правах рукописи
04201361128
ВЯТКИНА Светлана Александровна
ИССЛЕДОВАНИЕ АНИЗОТРОПНЫХ СВОЙСТВ МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛН В ПЛОСКОСЛОИСТЫХ СТРУКТУРАХ, СОДЕРЖАЩИХ НАМАГНИЧЕННУЮ ФЕРРИТОВУЮ ПЛЕНКУ
Специальность 01.04.03 - радиофизика
ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Бабичев Рудольф Карпович
Ростов-на-Дону - 2013
СОДЕРЖАНИЕ
СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ............................................................5
ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................6
ГЛАВА 1. РАСШИРЕНИЕ ПУЧКА ОБРАТНЫХ ОБЪЕМНЫХ МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛН, ИЗЛУЧАЕМОГО КОНЕЧНЫМ
ЛИНЕЙНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ..............................................................18
1 Л. Параметры исследуемой ФДМ-структуры...............................................18
1.2. Дисперсионные характеристики...............................................................21
1.3. Метод определения магнитостатического потенциала...........................26
1.4. Расчет профилей пучка ООМСВ...............................................................29
1.5. Сравнение дифракционных профилей......................................................38
1.6. Выводы.........................................................................................................43
ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ В КАСАТЕЛЬНО НАМАГНИЧЕННОЙ ФЕРРИТОВОЙ ПЛЕНКЕ...............................................44
2.1. Модель структуры и основные положения..............................................45
2.2. Дисперсионное уравнение.........................................................................47
2.3. Численный анализ дисперсионных характеристик магнитостатических волн, распространяющихся под углом к полю подмагничивания................52
2.3.1. Электромагнитные волны, возбуждаемые в частотном диапазоне поверхностных магнитостатических волн...................................................53
2.3.2. Электромагнитные волны, возбуждаемые в частотном диапазоне обратных объемных магнитостатических волн...........................................57
2.3.3. Изочастотные кривые магнитостатических волн, распространяющихся под углом к полю подмагничивания.......................62
2.4. Дисперсионные характеристики поверхностных магнитостатических волн в области малых волновых чисел............................................................64
2.5. Дисперсионные характеристики обратных объемных магнитостатических волн в области малых волновых чисел........................74
2.6. Экспериментальные дисперсионные характеристики магнитостатических волн в области малых волновых чисел........................81
2.6.1. Экспериментальные дисперсионные характеристики поверхностных магнитостатических волн...................................................84
2.6.2. Экспериментальные дисперсионные характеристики обратных объемных магнитостатических волн............................................................87
2.7. Выводы.........................................................................................................89
ГЛАВА 3. ФОКУСИРОВКА И НАПРАВЛЕНИЕ ГРУППОВЫХ СКОРОСТЕЙ ЭМВ, РАСПРОСТРАНЯЮЩИХСЯ В КАСАТЕЛЬНО НАМАГНИЧЕННОЙ ФЕРРИТОВОЙ ПЛЕНКЕ..................................................92
3.1. Модель и численные параметры структуры............................................93
3.2. Фокусировка ЭМВ, возбуждаемых в касательно намагниченной ферритовой пленке точечным преобразователем...........................................96
3.2.1. Метод расчета диаграмм фокусировки..............................................96
3.2.2. Диаграммы фокусировки ПЭМВ........................................................98
3.2.3. Диаграммы фокусировки ООЭМВ...................................................104
3.3. Направление групповых скоростей ЭМВ, возбуждаемых бесконечно длинным полосковым преобразователем......................................................107
3.3.1. Направление групповых скоростей ПЭМВ......................................108
3.3.2. Направление групповых скоростей ООЭМВ...................................110
3.4. Выводы.......................................................................................................112
ГЛАВА 4. МЕТОД РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ДИФРАКЦИИ МСВ НА ЩЕЛЕВОМ ОТВЕРСТИИ В МЕТАЛЛИЧЕСКОМ ЭКРАНЕ В ФДМ-СТРУКТУРЕ...............................115
4.1. Модель структуры.....................................................................................116
4.2. Метод определения компонент электромагнитного поля, возбуждаемого в слоистых структурах сторонними источниками тока.... 118
4.3. Область над металлическим экраном.....................................................121
4.4. Область под металлическим экраном.....................................................124
4.4.1. Диэлектрический слой........................................................................124
4.4.2. Матрица перехода для касательно намагниченного слоя феррита..........................................................................................................126
4.4.3. Матрица перехода для нормально намагниченного слоя
феррита..........................................................................................................139
4.5. Электромагнитное поле в структуре, содержащей касательно намагниченную ФП.........................................................................................147
4.6. Электромагнитное поле в структуре, содержащей нормально намагниченную ФП.........................................................................................151
4.7. Выводы.......................................................................................................153
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................154
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................162
СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ
ГГГ - галлий-гадолиниевый гранат
ДФД-структура - структура диэлектрик-феррит-диэлектрик ЖИГ - железо-иттриевый гранат МСВ — магнитостатические волны
ООМСВ - обратные объемные магнитостатические волны
ООЭМВ - обратные объемные электромагнитные волны
ПМСВ - поверхностные магнитостатические волны
ПОМСВ - прямые объемные магнитостатические волны
ПЭМВ - поверхностные электромагнитные волны
СВЧ - сверхвысокочастотный
СЛУ - система линейных уравнений
ФДМ-структура - структура феррит-диэлектрик-металл
ФП - ферритовая пленка
ЭМВ - электромагнитные волны
ЭМП - электромагнитное поле
у - модуль гиромагнитного отношения
- магнитная постоянная £0 — электрическая постоянная с — скорость света / — частота МСВ со — круговая частота МСВ
ВВЕДЕНИЕ
В твердом теле в зависимости от его характеристик, внешних условий и частоты возбуждения могут распространяться волны различных классов и типов, один из которых носит название «дипольно-обменные спиновые волны» или просто спиновые волны. Спиновые волны представляют собой распространение возмущений прецессии магнитных моментов атомов в узлах кристаллических решеток в магнитоупорядоченных структурах [1]. Они могут возбуждаться в очень широком частотном диапазоне СВЧ - от единиц до сотен ГГц.
Спиновые волны обычно делят на обменные спиновые и дипольные спиновые. При больших значениях волнового числа влияние обменного взаимодействия существенно, и в твердом теле возбуждаются обменные
спиновые волны. При значениях волнового числа до 104см"1 обменное взаимодействие пренебрежимо мало, и в процессе распространения волн основную роль играет диполь-дипольное взаимодействие: в твердых телах распространяются медленные дипольные спиновые волны, их и называют магнитостатическими (МСВ) [1-4]. Такое название волны получили благодаря тому, что их электромагнитные поля возможно описать уравнениями, аналогичными уравнениям магнитостатики, с той разницей, что магнитная проницаемость среды распространения, входящая в уравнения, является не скалярной величиной, а тензором, зависящим от частоты возбуждения волн. Систему уравнений для магнитостатических волн получают из полной системы уравнений Максвелла, когда в последней отбрасывают запаздывающие члены. Такое приближение, называемое квазистатическим [5] или магнитостатическим [1], становится возможным благодаря тому, что длина волны, возбуждаемой в магнитоупорядоченной среде, значительно меньше длины электромагнитной волны в вакууме, в связи с чем у медленных волн в среде велики пространственные производные.
Магнитоупорядоченными средами, в которых возможно возбуждение и
распространение МСВ, называют такие среды, которые в отсутствии внешнего магнитного поля обладают некоторой упорядоченной магнитной структурой. К подобным средам относятся ферромагнетики, антиферромагнетики и ферриты [6, 7]. В частности, в СВЧ технике нашли широкое применение неметаллические ферриты, такие как иттриевый феррит со структурой граната или железо-иттриевый гранат (ЖИГ) У3Ре5019[8].
ЖИГ обладает очень низкими СВЧ магнитными потерями и диэлектрическими потерями [1, 3, 9-12]. МСВ в пленках ЖИГ легче всего возбуждаются на частотах СВЧ диапазона - от 0.2 до 40 ГГц [1, 2].Кроме того, широкое практическое использование МСВ стало возможным благодаря получению высококачественных пленок ЖИГ с толщинами в интервале от 0.2 до 100 мкм, обладающих большими размерами в плоскости - до 7 - 8 см.
В ферритовых пленках (ФП) могут распространяться три типа МСВ: поверхностные МСВ (ПМСВ) и обратные объемные МСВ (ООМСВ) -в касательно намагниченных ФП, прямые объемные МСВ (ПОМСВ) -в нормально намагниченных ФП [1, 13].
Актуальность теоретических и прикладных исследований волновых процессов в магнитоупорядоченных средах и в структурах, содержащих ФП, обусловлена следующими причинами:
- легко возбуждаются и принимаются практически во всем СВЧ диапазоне — т.е. малые потери при передаче;
- характеристики МСВ хорошо управляются величиной и направлением внешнего подмагничивающего поля;
- в анизотропных структурах, содержащих ФП, возможно возбуждение МСВ с неколлинеарным характером распространения, т.е. когда векторы фазовой и групповой скорости неколлинеарны;
- МСВ обладают сильной дисперсией, а именно, их дисперсионные характеристики зависят от внешних условий, таких как металлические экраны, периодические границы и др.;
- МСВ в тонких пленках являются замедленными, они могут
использоваться для создания новых устройств функциональной СВЧ электроники.
В связи с этим в последнее время МСВ и устройства на их основе, такие как линии задержки, шумоподавители, электрически перестраиваемые полосно-пропускающие и полосно-заграждающие фильтры, фазовращатели, перестраиваемые генераторы, получили широкое распространение [1-33]. Они могут быть использованы для обработки сигналов в диапазоне СВЧ в реальном масштабе времени, в спутниковом телевидении, фазированных антенных решетках.
Благодаря возросшему интересу к применению МСВ в сантиметровом диапазоне волн приобрели актуальность исследования распространения обратных объемных МСВ (ООМСВ) в плоскослоистых структурах [34]. Дисперсионные характеристики ООМСВ в структуре феррит-диэлектрик-металл (ФДМ-структуре) были впервые исследованы в [31]; в работах [35-37] упоминалось, что ООМСВ обладают неколлинеарностью групповой и фазовой скоростей, и что эффекты управления лучом, вызванные анизотропией их распространения, необходимо учитывать при расчете расширения волнового пучка ООМСВ, излучаемого линейным преобразователем конечной длины. В работе [38] было показано, что ООМСВ обладают невзаимностью, которую также нужно учесть при расчете дифракционной расходимости волнового пучка. Для решения такой задачи необходимо выполнить исследования закономерностей распространения луча ООМСВ, возбуждаемого линейным преобразователем конечной длины в ФДМ-структуре.
Планарные слоистые структуры, содержащие намагниченные ферритовые пленки (ФП), и МСВ, распространяющиеся в таких структурах, перспективны для использования в квазиоптических аналогах СВЧ элементов на МСВ [34, 38-41]. Для проектирования таких устройств необходимо уметь рассчитывать дисперсионные характеристики МСВ в
области малых волновых чисел1, где магнитостатическое приближение использовать нельзя. Дисперсионное уравнение, предложенное в [42], справедливо для структуры диэлектрик-феррит-диэлектрик (ДФД-структуры), в которой касательно намагниченная ФП окружена однородной диэлектрической средой. На практике же среды по обе стороны ФП имеют различную диэлектрическую проницаемость: например, одной поверхностью ферритовая пленка ЖИГ граничит с подложкой из галлий-гадолиниевого граната (ГГГ), а другой поверхностью - с поликоровой подложкой, на которой располагаются преобразователи МСВ. При распространении поверхностной МСВ с малыми волновыми числами в узком интервале частот при определенном соотношении параметров структуры может возникать волна, вытекающая из ФП в окружающие диэлектрические пространства [43]. По этим причинам в указанных структурах необходимо точно рассчитывать дисперсионные характеристики МСВ, особенно в области малых волновых чисел.
Важным при проектировании устройств на МСВ является точное определение направления распространения энергии МСВ, а именно направления групповых скоростей и фокусировки МСВ. В работах [39, 44] представлены теоретические исследования фокусировки магнитоплазменных поляритонов, приведены диаграммы фокусировки ПМСВ и ООМСВ, распространяющихся в свободной касательно намагниченной ФП. Однако, на практике широкое применение получили магнитные пленки ЖИГ, выращенные методом жидкофазной эпитаксии на диэлектрической подложке ГГГ [45, 46]. Другой поверхностью пленка может также граничить с диэлектрическим материалом. Магнитостатическое приближение, примененное в [39], не позволяет учесть влияние на дисперсионные характеристики МСВ диэлектриков с отличными от единицы относительными диэлектрическими проницаемостями на границах
1 Область малых волновых чисел к МСВ (обычно от единиц до нескольких десятков см"1) - область вблизи начальной частоты спектра МСВ, где к становится сравнимым с волновым числом в вакууме к0 = а)! с [1, 43].
магнитного слоя, в особенности при малых волновых числах [42]. Точное определение дисперсионных характеристик может стать решающим, например, при расчете формы преобразователя МСВ с заданными свойствами. Поэтому является актуальным анализ фокусировки и направления групповых скоростей МСВ с помощью более точного электродинамического подхода.
При разработке интегральных СВЧ устройств на МСВ возникают задачи, связанные с изменением направления распространения и перераспределением энергию МСВ между различными элементами устройства [47-58]. Для решения таких задач перспективны планарные магнонные кристаллы на основе пленки из магнитного материала и металлического экрана с периодической решеткой из щелей [59-69]. Щелевые решетки удобны в изготовлении с помощью микроэлектронной технологии интегральных схем [70].
В [68, 69] предложен анализ планарного МК, в котором между ФП и металлическим экраном находится воздушная прослойка (£ = 1), а ширина щели в экране много меньше длины волны МСВ. Для расширения возможностей управления МСВ в МК актуальным является изучение плоскослоистых структур, содержащих слой диэлектрика ( е > 1) между ФП и экраном. Не менее актуальным является исследование МК, когда размеры щели соизмеримы с длиной волны МСВ, и необходимо выполнить расчет электромагнитных полей (ЭМП), возникающих в указанной структуре при дифракции МСВ на щелях решетки. Решение подобных задач начинают с нахождения ЭМП, возбуждаемых магнитными токами - эквивалентами щелевого отверстия [70].
Окончательно можно заключить, что вышеперечисленные проблемы являются актуальными и представляют научный интерес.
Цель диссертационной работы состоит в исследовании характеристик распространения и фокусировки ПМСВ и ООМСВ в области малых волновых чисел в плоскослоистых структурах, содержащих касательно
намагниченную ФП по обе стороны ограниченную средами с различной диэлектрической проницаемостью; в анализе влияния металлического экрана на дифракционные свойства линейного излучателя конечной длины, возбуждающего луч ООМСВ в ФДМ-структуре; в создании метода расчета ЭМП, возбуждающихся при дифракции МСВ на щелевом отверстии в металлическом экране планарной ФДМ-структуры в случае, когда ФП намагничена нормально и касательно к поверхности.
Научная новизна работы заключается в следующем:
• впервые проведен расчет дифракционных профилей пучка ООМСВ, возбуждаемого линейным излучателем конечной длины в ФДМ-структуре, содержащей касательно намагниченную ФП, и проанализировано влияние металлического экрана на дифракционные свойства излучателя в зависимости от его удаленности от ФП при различной величине поля подмагничивания;
• предложен строгий электродинамический метод расчета дисперсионных характеристик МСВ, в случае, когда МСВ распространяется под произвольным углом в плоскости касательно намагниченной ФП, окруженной по обе стороны диэлектриками с различной диэлектрической проницаемостью, который позволяет точно рассчитать дисперсионные характеристики ПМСВ и ООМСВ в области малых волновых чисел;
• впервые с помощью строгого электродинамического метода получено дисперсионное уравнение, на основе которого проведен анализ зависимости минимального волнового числа и границ частотного диапазона ООМСВ и ПМСВ от толщины ФП и относительных диэлектрических проницаемостей сл
