Возбуждение магнитостатических волн планарными преобразователями тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

БАБИЧЕВ Рудольф Карпонич

ВОЗБУЖДЕНИЕ МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛН ПЛАНАРНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ

Специальность 01.04.03 - радиофизика

АВТО РЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Ростов-иа-Дону - 1997

Работа выполнена в Ростовском государственном университете.

Научный консультант: доктор физико-математических наук-

Зубков В.И.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Вашковский A.B.; доктор физико-математических наук, профессор JTepep A.M.; доктор технических наук, профессор Петров Б.М.

Ведущая организация: Ростовский научно-исследовательский

институт радиосвязи.

Зашита состоится 11 декабря 1997 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 063.52.06 в Ростовском государственном университете по адресу: 344104, г.Ростов-на-Дону, ул.Зорге, 5, физический факультет, ауд. 247.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке РГУ по адресу: г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148.

Автореферат разослан " /£ " ОАГШ^и 1997 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 063.52.06, кандидат физико-математических наук, доцент / Заргано Г.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Акт у а л I, н ость темы. Создание в середине семидесятых годов эффективной технологии выращивания эпитаксиальных ферриговых пленок стимулировало работы по теоретическому и экспериментальному и ¡учению магнитостатических волн (МСВ) в электродинамических системах, содержащих намагниченные ферритовые пленки (ФП). Магнитостатическими обычно называют обусловленные дипольным взаимодействием длинные спиновые волны, в формировании спектра которых обменное взаимодействие не играет существенной роли. Фазовая скорость этих волн мала, по сравнению со скоростью электромагнитных волн (ЭМВ) в среде, и для их описания можно использовать уравнения магнитостатики.

Такие свойства МСВ. как малые потери при распространении, разнообразие дисперсионных характеристик и возможность электрического управления ими, а также совместимость технологии тонких ФП с планар-ной технологией СВЧ интегральных схем. открыли перспективы создания нового класса приборов функциональной микроэлектроники - спинволно-вых СВЧ устройств.

В настоящее время ведутся интенсивные работы в области спинвол-новой электроники СВЧ. целью которых является создание устройств обработки сигналов в диапазоне СВЧ в реальном масштабе времени. Показано. чго на основе МСВ. распространяющихся в намагниченной ФП. возможно создание линий задержки, электрически перестраиваемых полосно-пропускающих и полосно-заграждаюших фильтров (ППФ и Г13Ф). фильтров с переменной полосой, перестраиваемых ! енерагоров [1].

Указанные устройства могут быть использованы для обработки сигналов в спутниковом телевидении, фазированных антенных решетках для СВЧ контроля состояния природной среды и т.п. Использование спинвол-ноиыч приборов в подобных радиоэлектронных системах весьма перепек-

тивно в отношении качественного совершенствования их функциональных возможностей.

Применение спинволновых приборов СВЧ выдвигает на первое место такие к ним требования, как их дешевизна, высокая технологичность, легкая воспроизводимость. Для решения этих задач необходима разработка методов машинного проектирования основных элементов любого спин-волнового устройства - преобразователей МСВ. Они представляют собой отрезки различных линий (микрополосковых (МПЛ), копланарных (КПЛ)), и различные их сочетания (решетки, меандры и т.п.), расположенные на намагниченной ФП. Преобразователи МСВ являются неотъемлемой частью любого спинволнового устройства и, в большинстве случаев, определяют его основные характеристики (например, амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) и вносимые потери фильтров).

При точном расчете преобразователя МСВ необходимо знание погонного импеданса излучения составляющей его основу линии передачи.

В настоящее время наиболее изучены закономерности возбуждения МСВ МПЛ [2-9], отрезки которой наиболее часто применяются в качестве преобразователей спинволновых устройств. Строгое решение самосогласованной задачи возбуждения в рамках магнитостатического приближения найдено для нормально [4] и касательно [5-6] намагниченной ФП, а также для структуры металл-диэлектрик-феррит-диэлектрик-металл (МДФДМ-структуры) при произвольной ориентации подмагничивающего поля [7].

Однако, преобразователи, содержащие отрезки МПЛ, широкополосны. и формирование с их помощью амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) с высокой крутизной скатов и малым изменением вносимых потерь в рабочей полосе СВЧ устройств затруднено. Поэтому при разработке фильтрующих устройств стали изучаться более сложные преобразователи, содержащие копланарные, меандровые, решетчатые, встречно-штрыревые, многополосковые линии и т.д. [10-12].

Имеющаяся универсальная расчетная модель многоэлементных преобразователей [12], предполагающая однородное распределение тока по ширине полоска и не учитывающая взаимодействие токов в соседних проводниках и влияние намагниченной ФП на распределение тока, не позволяет с достаточной для практики точностью проводить расчет устройств, содержащих такие преобразователи.

Электродинамический самосогласованный подход, использованный в работе [13] для решения задачи возбуждения МСВ преобразователями произвольного типа, не включает в граничные условия плотность поверхностного тока системы проводников и не позволяет вычислить ее импеданс излучения, что значительно усложняет изучение свойств самого преобразователя. Этот метод очень громоздок и, видимо, из-за вычислительных трудностей, пока применен только к расчету входного импеданса преобразователя, содержащего отрезок одиночной МПЛ [14].

Другой электродинамический метод, предложенный в работе [15], позволяет определить комплексный коэффициент распространения ЭМВ основного типа в структуре с полосковыми проводниками, приближенный расчет которого недостаточен для точного расчета многополосковых преобразователей.

Поэтому необходима разработка в магнитостатическом приближении такого метода расчета планарных преобразователей МСВ, который, с одной стороны, чтобы описывать реальные процессы возбуждения МСВ и соответствовать эксперименту, должен учитывать взаимодействие токов в проводниках и влияние на них намагниченной ФП. а с другой стороны, должен быть универсальным и обеспечивать с достаточной дня практики точностью машинное проектирование широкого набора планарных преобразователей, содержащих различные типы линий: копланарные, щелевые, меандровые, решетчатые, встречно-штыревые и т.д.

Целью работы является теоретическое и экспериментальное исследование общих закономерностей распространения МСВ в слоистых структу-

pax, содержащих намагниченную ФП, и их возбуждения планарными линиями; построение метода расчета и эквивалентных схем устройств, содержащих отрезки этих линий, и разработка устройств для СВЧ интегральных схем.

Научная новнзна и значимость работы заключается в следующем:

1. Предложен метод расчета планарных преобразователей, возбуждающих МСВ в многослойной МДФДМ-структуре при произвольном направлении приложенного постоянного магнитного поля, в котором пла-нарный преобразователь представлен в виде некоторого известного распределения плотности поверхностного тока в системе планарных проводников.

2. Разработан универсальный метод расчета сопротивления излучения планарных преобразователей, возбуждающих поверхностные МСВ (ПМСВ) в многослойной МДФД-структуре при направлении приложенного постоянного магнитного поля параллельно проводникам и заданном распределении продольной плотности поверхностного тока в системе планарных проводников.

3. Получено сингулярное однородное интегральное уравнение для плотности тока в системе копланарных проводников, лежащих на поверхности намагниченного вдоль проводников полубесконечного феррита, граничащего с вакуумом или диэлектриком.

4. Предложен метод решения однородного сингулярного интегрального уравнения для плотности тока, позволяющий найти аналитические выражения для продольной плотности поверхностного тока в произвольной системе копланарных проводников, лежащих на поверхности намагниченного вдоль проводников полубесконечного феррита, граничащего с вакуумом или диэлектриком.

5. Найдены решения однородного сингулярного интегрального уравнения для плотности тока, и впервые получены аналитические выражения для продольной плотности поверхностного тока в несимметричной КПЛ

(НКПЛ) с одним и двумя боковыми экранами, учитывающие влияние намагниченного феррита и взаимодействие токов в проводниках.

6. Для симметричной двухполосковой линии (СДПЛ), расположенной на полубесконечном намагниченном вдоль проводников феррите, найдено распределение продольной плотности поверхностного тока по поперечному сечению полосковых проводников при одинаково и противоположно направленных токах, учитывающее влияние намагниченного феррита и взаимодействие токов в проводниках.

7. Получены выражения для сопротивления излучения НКПЛ с одним и двумя боковыми экранами и СДПЛ, расположенных на поверхности намагниченной вдоль проводников ферритовой подложки конечной толщины, учитывающие как взаимодействие токов в проводниках, так и влияние на распределение поверхностного тока намагниченного феррита.

8. Получены выражения для сопротивления излучения НКПЛ и СДПЛ, расположенных на поверхности намагниченной вдоль проводников ферритовой подложки конечной толщины, в присутствии дополнительного экрана, помещенного на стороне подложки, противолежащей проводникам линии.

9. Предложена модель эквивалентной двухпроводной линии, позволяющая рассматривать процессы возбуждения МСВ ЭМВ, распространяющейся в пленарных линиях передачи, содержащих намагниченную ФП. Получены выражения для входного сопротивления короткозамкнутого, разомкнутого, четвертьволнового и полуволнового отрезка линии, содержащей полосковые проводники и намагниченную ФП, без ограничений на длину преобразователя, по сравнению с длиной электромагнитной волны, и величину потерь на преобразование ЭМВ в МСВ.

10. Предложена обобщенная методика расчета преобразователей, и проведен расчет устройств, содержащих двухполосковые короткозамкну-тые и разомкнутые на конце преобразователи ПМСВ.

11. В магнитостатическом приближении впервые получены аналитические выражения для погонной индуктивности НКПЛ с одним и двумя боковыми экранами, расположенных на намагниченном вдоль линии полубесконечном феррите, которые можно использовать для точного расчета характеристик устройств, содержащих отрезки таких линий на толстой намагниченной ФП.

12. Разработан численный метод решения интегрального уравнения для плотности тока микрополоскового преобразователя, расположенного на продольно намагниченной ФП, с учетом влияния экрана, в котором для представления фурье-образа плотности тока используются волновые функции Кулона с полуцелым индексом.

13. Найдено выражение для импеданса единицы длины МПЛ, использующее квадратичный, относительно поверхностной плотности тока, функционал.

14. Предложены и исследованы два варианта узкополосных бездисперсионных линий задержки на ПМСВ.

15. Предложена конструкция ППФ, содержащего в качестве преобразователей ПМСВ короткозамкнутые отрезки НКПЛ с одним экраном.

16. Предложены три варианта конструкции полосно-заграждающих фильтров, содержащих в качестве преобразователей обратных объемных МСВ (ООМСВ) КПЛ.

17. Разработаны трехканальное и четырехканальное селективные устройства, состоящие из узкополосных и широкополосных полосно-заграждающих фильтров, содержащих в качестве преобразователей ООМСВ КПЛ.

18. Разработаны микрополосковые, копланарные, микрополосково-щелевые ответвители с высокой направленностью для СВЧ интегральных схем.

Совокупность теоретических и экспериментальных результатов, связанных с получением новых данных о процессах возбуждения МСВ пла-

парными преобразователями; построение универсальной теории расчета планарных преобразователей и содержащих эти преобразователи устройств, разработка на ее основе различных спинволновых приборов и установление особенностей формирования их АЧХ, позволяет заключить, что в диссертации решена крупная научная проблема в области радиофизики, имеющая важное практическое значение для создания спинволновых СВЧ устройств с широкими функциональными возможностями.

Научная и практическая ценность результатов работы заключается в том, что полученные в ней результаты расширяют и углубляют физические представления о процессах, возникающих при возбуждении магнитостати-ческих волн и колебаний в слоистых структурах, содержащих намагниченные ФП, и о связанных с ними явлениях в спинволновых устройствах с электронной перестройкой частоты. Результаты работы применяются также для интерпретации физических экспериментов.

Практическая значимость работы заключается в разработке физических основ создания широкого класса многофункциональных СВЧ устройств на основе планарных линий передачи с намагниченной ФП. В частности, экспериментально исследована возможность создания перестраиваемых линий задержки, ППФ и ПЗФ с заданными характеристиками. Разработанный метод расчета фильтров, позволяющий проектировать устройства с заданными АЧХ, и созданные программы расчета преобразователей могут быть использованы при разработке и оптимизации параметров приборов спинволновой электроники СВЧ.

Достоверность результатов работы определяется как использованием строгих современных методов расчета и стандартной измерительной аппаратуры, так и согласием основных теоретических положений с результатами экспериментов.

Реализация результатов работы. Задачи, поставленные в ходе диссертационного исследования, решались в рамках фундаментальных и поисковых НИР, проводимых на кафедре радиофизики Ростовского государ-

стенного университета, а также в соответствии с Координационным планом АН СССР. Результаты диссертационной работы были использованы при проведении научно-исследовательских работ на предприятиях МЭП и МРП. Автор являлся ответственным исполнителем указанных работ. Материалы диссертации используются в спецпрактикуме по радиофизике и в лекционных курсах, читаемых автором в Ростовском государственном университете.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на международных, всесоюзных конференциях и семинарах:

• XXXI, XXXII, XXXIII Всесоюзных научных сессиях, посвященных Дню радио ( Москва, 1974,1976, 1977, 1978);

• Всесоюзном научном семинаре по обмену передовым опытом по производству и применению микроэлектронных изделий в радиоаппаратуре (Москва, 1974);

• VII Всесоюзном симпозиуме по дифракции и распространению волн (Москва, 1977);

• Выездном заседании секции волноводных устройств НТОРЭС "Применение волноводных устройств в технике связи" (Москва-Киев, 1980);

• Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы интегральной электроники СВЧ" (Ленинград, 1984);

• Всесоюзном научно-техническом семинаре НТОРЭС "Волноводные системы и устройства" (Днепропетровск, 1984);

• II, III, IV. V. VI Всесоюзных школах-семинарах "Спин-волновая электроника СВЧ" (Ашхабад, 1985; Краснодар, 1987; Львов, 1989: Звенигород, 1991; Саратов. 1993);

• Всесоюзной конференции по материаловедению (Донецк, 1978);

• XI Международной конференции по гиромагнитной электронике и электродинамике (Алушта, 1992);

• Первой Объединенной конференции по магнитоэлектронике (Москва, 1995);

• IX Международной школы-семинара "Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ" (Самара, 1997).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 48 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.

В статьях и докладах, написанных в соавторстве, диссертанту принадлежит постановка теоретических задач и физических экспериментов, включенных в диссертацию, большинство аналитических решений, физическая интерпретация результатов расчета и данных эксперимента.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и списка литературы, содержит 412 страниц текста, включающие 108 рисунков, 4 таблицы и список литературы из 184 наименований.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Предложенный метод решения самосогласованных задач о возбуждении ПМСВ в МДФД-структуре системой копланарных проводников, лежащих на поверхности намагниченной вдоль проводников ФП, и предложенные эквивалентные схемы преобразователей и устройств, позволяющие аналитически с достаточной для практики точностью проводить анализ СВЧ интегральных устройств на ПМСВ для произвольного типа пла-нарных преобразователей, с учетом влияния взаимодействия токов в проводниках и воздействия на них намагниченной ФП.

2. Сингулярное однородное интегральное уравнение для плотности поверхностного тока в системе копланарных проводников, лежащих на поверхности намагниченного вдоль проводников полубесконечного феррита, граничащего с вакуумом или диэлектриком, и предложенный метод его решения, позволяющий найти аналитические выражения плотности тока, с

учетом взаимодействия токов в проводниках и влияния на распределение поверхностного тока намагниченного феррита.

3. Метод расчета погонной индуктивности системы копланарных проводников, лежащих на поверхности намагниченного вдоль проводников полубесконечного феррита, использующий аналитические выражения плотности тока, учитывающие взаимодействие токов в проводниках системы и влияние на распределение поверхностного тока намагниченного феррита.

4. Численный метод решения интегрального уравнения для плотности тока микрополоскового преобразователя, расположенного на продольно намагниченной ФП, с учетом влияния экрана, в котором для представления фурье-образа плотности тока используются волновые функции Кулона с полуцелым индексом, и выражение для импеданса единицы длины МПЛ, использующее квадратичный, относительно поверхностной плотности тока, функционал.

5. Совокупность новых теоретических результатов, полученных при решении задач возбуждения ПМСВ в МДФД-структуре МПЛ, НКПЛ и СДПЛ, и ряд выявленных закономерностей в формировании частотных зависимостей сопротивления излучения указанными линиями.

6. Совокупность новых экспериментальных результатов, подтвердивших возможность создания на основе исследованных свойств МСВ и МПЛ, КПЛ и СДПЛ, линий задержки, ППФ и ПЗФ, многоканальных слективных устройств.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, восьми глав и заключения.

Во введении дан обзор литературы по вопросам, рассмотренным в оригинальных главах диссертации, обоснованы актуальность выбранного направления исследования, сформулированы цель работы и задачи, кото-

рые решаются в диссертации, кратко изложено содержание диссертации, приведены сведения об апробации результатов работы и перечислены положения, выносимые на защиту.

Первая глава работы посвящена исследованию свойств МСВ в слоистых структурах, с целью их использования в устройствах СВЧ.

Подраздел 1.2 посвящен теоретическому и экспериментальному исследованию характеристик ПМСВ низшего типа в структуре феррит-металл (ФМ-структуре) с конечной шириной ФП.

С помощью найденных в магнитостатическом приближении дисперсионного уравнения и выражений для компонентов поля ПМСВ, проанализированы структура магнитного поля и дисперсия МСВ с одной вариацией поля на ширине ФП, и показано, что для эффективного возбуждения только ПМСВ, локализованной и распространяющейся по металлизированной стороне ФП (далее ПМСВ-ФМ), следует использовать НКПЛ, поле ЭМВ которой близко по структуре с полем этой волны.

На макете линии задержки, содержащей два одинаковых коротко-замкнутых на одном конце копланарных преобразователя, экспериментально исследованы свойства ПМСВ-ФМ, минимальные вносимые потери которой на преобразование и распространение составили -10 дБ. Определено, что ПМСВ, которая локализована и распространяется на неметалли-зированной стороне ФП (далее ПМСВ-ФД), возбуждается данным копла-нарны.ч преобразователем малоэффективно, так как минимальные вносимые потери линии задержки при обратном направлении постоянного магнитного поля составили -30 дБ. Установлено также, что исследованным ко-планарным преобразователем ПМСВ-ФМ и ПМСВ-ФД низшего типа эффективно возбуждаются и принимаются не во всей расчетной полосе их существования, но наблюдаемая экспериментально рабочая полоса эффективного возбуждения ПМСВ-ФМ значительно шире, и в высокочастотной части этой полосы имеется однонаправленное возбуждение только ПМСВ-ФМ. Отмечено, что с увеличением толщины ФП ЖИГ полоса эффективно-

го возбуждения обеих ПМСВ увеличивается. Измеренные частотные зависимости времени задержки ПМСВ-ФМ и ПМСВ-ФД находятся в хорошем согласии с расчетными.

Теоретически и экспериментально показано, что с помощью ПМСВ-ФМ низшего типа можно реализовать широкополосные перестраиваемые ППФ и бездисперсионные линии задержки с малым временем задержки, которые имеют обратные вносимые потери не хуже -40 дБ.

В подразделе 1.3 приведены результаты исследования влияния толщины и конечной проводимости металлизированного слоя на затухание и дисперсию ПМСВ-ФМ.

Описывая поля ПМСВ скалярным потенциалом и сшивая на границах слоев ее номальные компоненты магнитной индукции и тангенциальные компоненты напряженности магнитного споя, с помощью уравнений Максвелла для металла с конечной проводимостью найдено дисперсионное уравнение ПМСВ в структуре металл-феррит-диэлектрик (МФД-структуре) с конечной толщиной и проводимостью металлического слоя, которое учитывает потери в металле и феррите.

По результатам численного решения этого комплексного уравнения, в предположении отсутствия потерь в феррите, проведен анализ комплексного волнового числа ПМСВ-ФМ. Обнаружено, что конечная проводимость металла существенно влияет на характеристики ПМСВ-ФМ и вызывает отсечку нормированной на толщину ФП действительной части волнового числа выше некоторого значения, определяемого параметрами структуры. Установлено, что в структурах с тонким слоем металла потери возрастают вблизи максимального значения действительной части волнового числа, а в структурах с толстым слоем - на границе существования ПМСВ-ФМ с идеальной проводимостью.

Экспериментальные исследования влияния толщины металлического слоя на дисперсию и потерн ПМСВ-ФМ, проведенные на нескольких макетах линии задержки, содержащих ФП из железоиттриевого граната (ЖИГ)

толщиной 14 мкм и медный слой толщиной 1,08; 2,7 и 3,2 мкм, показали, что измеренные частотные зависимости потерь и времени задержки соответствуют полученным теоретическим результатам, однако расчетные значения времени задержки несколько занижены, по сравнению с экспериментальными.

Влияние конечной проводимости металла необходимо учитывать при проектировании широкополосных фильтров и линий задержки с малым временем задержки, а также узкополосных фильтров на ПМСВ.

В подразделе 1.4 представлены результаты расчета характеристик МСВ в пленочной слоистой МДФ-структуре при произвольной ориентации внешнего магнитного поля. Приведены частотные зависимости волнового числа и времени задержки МСВ низшего типа гтри изменении ориентации внешнего магнитного поля и изменении толщины диэлектрического слоя. Впервые показано, что при малых углах между внешним магнитным полем и нормалью к поверхности ФП в структуре с близко расположенным экраном у волны низшего типа, распространяющейся перпендикулярно магнитному полю и сильно возмущаемой экраном, имеется частотная область, содержащая прямую и обратную ПМСВ (ППМСВ и ОПМСВ). Рассмотрена трансформация областей бездисперсионного распространения МСВ с уменьшением толщины диэлектрического слоя.

Обнаруженные свойства прямых ОМСВ (ПОМСВ) и ПМСВ, обусловленные влиянием экрана, можно использовать при конструировании широкополосных устройств с заданными полосовыми и дисперсионными свойствами. Полученные результаты необходимо учитывать при разработке устройств на ОМСВ и ПМСВ.

В подразделе 1.4 впервые подробно изучены дисперсия и трансформация друг в друга различных типов МСВ (прямых и обратных, объемных и поверхностных), распространяющихся в МДФДМ-структуре, в зависимости от толщины диэлектрических слоев и от направления внешнего постоянного магнитного поля относительно плоскости структуры. Вычислено

время задержки при распространении всех перечисленных типов МСВ. Показано, что изменением толщины диэлектрических слоев можно трансформировать ПОМСВ в ООМСВ.

При различных положениях экранов проанализированы характеристики МСВ в МДФДМ-структуре при изменении направления поля под-магничивания. Обнаруженные свойства ОМСВ и ПМСВ, обусловленные совместным влиянием двух экранов, могут оказаться полезными при разработке линий задержки с заданными дисперсионными свойствами и других устройств на ОМСВ и ПМСВ.

Приведенные в первой главе результаты теоретического и экспериментального исследований свойств МСВ, распространяющихся в широкополосной волноведущей МДФДМ-структуре и ее более простых частных модификациях, содержащих намагниченную ФП, показали, что на ее основе возможна реализация различных форм дисперсионной характеристики, необходимых для разработки большинства спинволновых устройств СВЧ. Проблема состоит в проектировании оптимальных преобразователей ЭМВ в МСВ, формирующих заданную АЧХ устройств, особенно сложных, многоэлементных, в которых имеется взаимодействие токов, неоднородность их распределения по ширине проводников и связь между токами в них и МСВ. Наиболее привлекательными представляются преобразователи, не-посредствнно нанесенные на ФП, эффективно возбуждающие и принимающие ПМСВ, поскольку при использовании ОМСВ возникают трудности с подавлением высших толщинных типов волн.

Во второй главе изложен метод расчета планарных преобразователей, возбуждающих МСВ в многослойной МДФДМ-структуре при произвольном направлении приложенного постоянного магнитного поля, в котором планарный преобразователь представлен в виде некоторого известного распределения плотности поверхностного тока в системе планарных проводников. Найдены выражения для возбуждаемых полей МСВ. Входящие в эти выражения интегралы вычисляются методом контурного интегрирова-

ния с использованием теории вычетов, в результате чего удается найти выражение для уносимой МСВ мощности, содержащее длину преобразователя, фурье-образ плотности поверхностного тока и функцию, зависящую от параметров ФП и поперечных размеров МДФДМ-структуры. В общем случае полученное выражение для мощности рассчитывается численно. Но для структуры с одним удаленным экраном, в случае, когда планарные проводники преобразователя расположены на поверхности ФП и приложенное постоянное магнитное поле параллельно этим проводникам, оно сильно упрощается, приобретает аналитический вид, и из него легко находится в явной форме выражение для сопротивления излучения единицы длины преобразователя ПМСВ, содержащего произвольную систему бесконечно протяженных полосковых проводников..

Однако, чтобы с помощью полученного выражения рассчитать сопротивления излучения ПМСВ конкретной системы проводников (КПД, двухполосковая (ДПЛ), многополосковая линии и др.), необходимо найти распределение поверхностной плотности тока в этой системе проводников, причем как можно более точно. Экспериментальные исследования показали [12], что необходимо учитывать влияние на плотность тока как взаимодействия токов в проводниках, так и воздействия полей ПМСВ, которые этими токами возбуждаются, то есть плотность тока должна находиться из решения самосогласованной задачи. Но даже для простейшей одиночной МПЛ, когда у преобразователя имеется лишь одна идеально проводящая полоска, расположенная на поверхности продольно намагниченной ФП и противолежащая экрану, нахождение точного решения интегрального уравнения для плотности тока сильно затруднено [5-6], и такое решение численным методом, с учетом влияния экрана, впервые найдено только в настоящей диссертационной работе (глава 6). Поэтому, в дополнение к предложенному методу расчета сопротивления излучения преобразователей ПМСВ, для разнообразных планарных линий необходимо разработать универсальный метод расчета плотности тока, который с достаточной точ-

ностыо к в [фактически используемой полосе распространения ПМСВ позволял бы найти аналитические выражения этой плотности тока, близкие к точному решению самосогласованной задачи. Тогда, вычисляя фурье-образ плотности тока и, с его помощью, сопротивления излучения, можно анализировать процесс формирования частотных зависимостей сопротивлений излучения различными планарными преобразователями с целью получения требуемых для практики частотных характеристик устройств на ПМСВ.

Полученные аналитические выражения для сопротивления излучения используются далее для анализа возбуждения ПМСВ различными планарными преобразователями: микрополосковыми, несимметричными копла-нарными, двухполосковыми и т.д. (главы 4,5) и расчета характеристик МСВ устройств, содержащих указанные преобразователи (глава 7).

Третья глава посвящена выводу интегрального уравнения для плотности тока в системе копланарных проводников, расположенных на поверхности намагниченного вдоль проводников полубесконечного феррита, разработке эффективного метода его решения и анализу аналитических решений, полученных для НКПЛ с одним и двумя боковыми экранами и СДПЛ.

В подразделе 3.1 изложен вывод интегрального уравнения для плотности тока в произвольной системе полосковых проводников, расположенных на поверхности продольно намагниченного полубесконечного феррита. Сначала, в магннтостатическом приближении с помощью уравнений Максвелла в интегральной форме и граничных условий, было найдено поле, создаваемое нитью СВЧ тока, расположенной на плоской границе феррита, намагниченного вдоль нити до насыщения постоянным магнитным полем. Далее, на поверхности феррита рассматривалась система копланарных проводников, ток в которой разбивался на элементы тока, выраженные через плотность тока и эквивалентные нитям тока. Напряженность магнитного поля, создаваемая данной системой проводников, опре-

делялась интегрированием по всем элементам тока на совокупности отрезков, являющихся поперечным сечением копланарных проводников, а из граничного условия для этой напряженности на идеальном металле проводников и было получено искомое сингулярное интегральное уравнение для плотности тока.

Сведение самосогласованной задачи определения плотности тока в системе копланарных проводников, расположенных на поверхности намагниченного вдоль проводников полубесконечного феррита, к полученному сингулярному интегральному уравнению позволяет представить решение в замкнутом виде, вывести простые аналитические выражения и строго описать взаимодействие токов в проводниках и влияние на них полубесконечного намагниченного феррита.

В подразделе 3.2 приведен метод решения полученного сингулярного интегрального уравнения для плотности тока, основанный на эквивалентной замене интегрального уравнения краевой задачей теории функций комплексного переменного - задачей Римана; этим методом найдены выражения для плотности тока в НКПЛ с одним и двумя боковыми экранами и СДПЛ; проанализированы закономерности распределения плотности тока при изменении поперечных размеров линий и частоты.

Подраздел 3.2.1 посвящен описанию метода решения интегрального уравнения для плотности тока. Показано, что уравнение представляет частный случай однородного сингулярного уравнения с ядром Коши и разомкнутыми контурами и сводится к краевой задаче Римана для системы разомкнутых контуров, являющихся поперечным сечением копланарных проводников. Дополняя систему контуров отрезками таким образом, чтобы результирующий контур образовал всю действительную ось, получаем задачу Римана с разрывными коэффициентами на всей действительной оси, которую решаем методом, изложенным в [16], с помощью вспомогательных функций, имеющих в исключительных точках те же разрывы, что и коэффициент в исходной задаче Римана. Отмечено, что особенности поведения

плотности тока на краях полосковых проводников учитываются этим методом автоматически, выбором требуемого класса решений.

Показано, что метод очень эффективен, так как позволяет найти плотность тока для любого конечного числа полосковых проводников, лежащих на поверхности намагниченного феррита, при произвольных способах возбуждения этих проводников СВЧ токами.

С целью изучения закономерностей формирования частотных зависимостей сопротивлений излучения, данный метод использован в диссертационной работе для нахождения распределения плотности тока в НКПЛ и СДПЛ, которые используются в последнее время для формирования АЧХ устройств на ПМСВ. Его использование для определения плотности тока, например, в аподизированной по периоду или ширине проводников системе, состоящей из 4-МО полосковых проводников, не составляет особого труда, но увеличивает объем вычислений.

В подразделе 3.2.2, методом, описанным в подразделе 3.2.1, получены аналитические выражения для продольной плотности поверхностного тока в НКПЛ с одним боковым экраном, учитывающие влияние намагниченного феррита и взаимодействие токов в проводниках. Обнаружено, что токо-распределение существенно изменяется как при приближении бокового экрана к полосковому проводнику, так и с ростом частоты в полосе распространения ПМСВ.

Установлено, что в полосе частот, где распространяется только одна ПМСВ, существующая в ФМ-структуре, НКПЛ елевым боковым экраном эквивалентна двум нитям тока, оси которых расположены на правом краю экрана и на правом краю полоски, и по которым протекают одинаковые по величине и противоположные по направлению токи.

В подразделе 3.2.3 для СДПЛ, расположенной на полубесконечном намагниченном вдоль проводников феррите, найдено распределение продольной плотности поверхностного тока по поперечному сечению полосковых проводников при одинаково и противоположно направленных то-

ках, учитывающее влияние намагниченного феррита и взаимодействие токов в полосковых проводниках.

Установлено, что, когда ширина полосковых проводников линии менее одной десятой ширины щели между ними, токораспределения в проводниках можно считать независимыми друг от друга. Если же ширина больше этого значения, то гокораспределение в проводниках существенно изменяется и качественно отличается от однородного.

В подразделе 3.2.3 приведены результаты анализа токораспределения в несимметричной копланарной линии, расположенной на поверхности продольно намагниченного полубесконечного феррита.

Показано, что в случае симметричной КПЛ (СКПЛ) кривые, характ теризующие распределение действительной части плотности тока, симметричны, а кривые для мнимой части - антисимметричны относительно середины центального проводника линии. Если уменьшить щель между центральным проводником и правым боковым экраном линии, то симметрия нарушится, и распределение тока изменится. При этом на левом боковом экране, удаленном от центрального проводника на расстояние, большее чем его ширина, изменения существенны вблизи верхней границы частотного диапазона ПМСВ в ФП, а на центральном проводнике и правом экране распределение тока сильно меняется во всем частотном диапазоне ПМСВ.

Установлено также, что у СКПЛ при щелях, сравнимых с шириной центрального проводника, плотность тока на центральном проводнике отличается от плотности тока на одиночной полоске. Взаимодействие токов можно не учитывать лишь в случае, если ширина шели СКПЛ на порядок больше ширины центрального проводника.

Показано, что в случае НКПЛ, у которой щели различны и соизмеримы с шириной центрального проводника, необходимо обязательно учитывать взаимодействие токов в проводниках и влияние на них намагнн-ченного феррита.

Результаты анализа токораспределений в НКПЛ и СДПЛ, приведенные в подразделах 3.2.2 - 3.2.4, показали, что распределение плотности тока по ширине полоскового проводника можно приближенно считать однородным и не зависящим от токов в соседних проводниках лишь в частном случае, когда соседние проводники удалены на расстояние в десятки раз большее, чем ширина полоскового проводника.

В четвертой главе полученные методом главы 2 аналитические выражения для сопротивления излучения ПМСВ, распространяющихся в многослойной структуре диэлектрик-феррит-диэлектрик (ДФД-структуре), в сочетании с найденными в подразделах 3.2.2-3.2.4 при решении сингулярного интегрального уравнения аналитическими выражениями для плотности тока в НКПЛ и СДПЛ, используются для решения самосогласованной задачи возбуждения ПМСВ НКПЛ и СДПЛ, расположенными на поверхности ФП конечной толщины.

В подразделе 4.1 получены выражения для сопротивления излучения НКПЛ с одним боковыми экраном, расположенных на поверхности намагниченной вдоль проводников ФП конечной толщины. Выражения справедливы во всей полосе распространения ПМСВ, локализованной вблизи границы феррит-металл, и не требуют громоздких вычислений.

Анализ результатов расчета сопротивлений излучения НКПЛ с одним боковым экраном, расположенных на поверхности намагниченной вдоль проводников ФП, показал, что частотные зависимости сопротивлений излучения представляют собой последовательности чередующихся максимумов и минимумов, положения которых зависят от расстояния между полоской и боковым экраном, и поэтому шириной полоски и щели можно в определенном частотном диапазоне формировать частотную зависимость сопротивления излучения.

Показано, что в НКПЛ с правым боковым экраном возможно возбуждение ПМСВ, локализованной вблизи границы феррит-металл, во всем диапазоне ее распространения.

В подразделе 4.2 аналогично получены выражения для сопротивления излучения СДПЛ, расположенной на поверхности намагниченной вдоль проводников ФП, учитывающие влияние полей, возникающих в намагниченном феррите, на распределение взаимодействующих друг с другом токов в полосковых проводниках.

Показано, что при узких полосковых проводниках СДПЛ результаты совпадают с известными результатами, полученными в приближении однородного распределения тока. Установлено, что в случае, когда ширина полосковых проводников превышает одну десятую расстояния между ними, результаты качественно и количественно различаются, что приводит к необходимости учитывать при расчете сопротивления излучения СДПЛ и характеристик спинволновых устройств, содержащих отрезки таких линий, влияние намагниченной ФП и взаимодействия токов в полосковых проводниках на распределение тока в линии.

В пятой главе исследуется влияние дополнительного экрана, помещенного на стороне ферритовои подложки, противолежащей проводникам НКПЛ и СДПЛ.

В подразделе 5.1 получены выражения для сопротивления излучения НКПЛ, расположенных на поверхности ФП, в присутствии дополнительного экрана, помещенного на стороне подложки, противолежащей проводникам линии.

Показано, что при приближении экрана к поверхности намагниченной ФП, на которой расположены проводники НКПЛ, частотная зависимость сопротивления излучения в низкочастотном диапазоне полосы возбуждения ПМСВ качественно меняется, а ширина этого диапазона частот увеличивается с приближением дополнительного экрана.

В подразделе 5.2 найдены выражения для сопротивления излучения СДПЛ, расположенных на поверхности ФП, в присутствии экрана, помещенного на стороне подложки, противолежащей проводникам линии.

Показано, что приближение экрана к поверхности намагниченной ФП, на которой расположены проводники СДПЛ, изменяет частотную зависимость сопротивления излучения в низкочастотном диапазоне полосы возбуждения ПМСВ. Подбором расстояния от экрана до поверхности намагниченной ФП можно добиться частотной зависимости с очень высокой крутизной ее низкочастотного ската.

Установлено, что экран, за счет подавления возбуждения длинноволновой части спектра ПМСВ, увеличивает крутизну частотной зависимости сопротивления излучения исследованных линий, что может быть использовано при формировании длинноволнового ската АЧХ устройств на ПМСВ, содержащих в качестве преобразователей отрезки этих линий.

В шестой главе точно рассчитываются погонные сопротивление излучения и индуктивность простейшей из планарных линий - МПЛ, содержащей продольно намагниченный ферритовый слой и экран.

Найдено выражение для импеданса единицы длины МПЛ, использующее квадратичный, относительно поверхностной плотности тока, функционал.

Разработан численный метод решения интегрального уравнения для плотности тока МПЛ-преобразователя, расположенного на продольно намагниченной ФП, с учетом влияния экрана, в котором для представления фурье-образа плотности тока используются волновые функции Кулона с полуцелым индексом.

Сравнение частотных зависимостей погонного импеданса, рассчитанных с использованием точного токораспределения, найденного численно при решении интегрального уравнения для поверхностной плотности тока в МПЛ, расположенной на продольно намагниченной подложке конечной толщины с экраном, с частотными зависимостями, рассчитанными с помощью аналитического выражения для плотности тока, найденного из решения однородного сингулярного интегрального уравнения для плотности тока в линии, расположенной на продольно намагниченном полу-

бесконечном феррите, показывает, что в низкочастотной трети возможной полосы распространения ПМСВ указанные зависимости мало отличаются друг от друга. Различия становятся существенными в высокочастотной половине возможной полосы распространения ПМСВ.

Установлено, что развитый в главах 2-5 метод расчета сопротивления излучения преобразователей ПМСВ при использовании токораспреде-ления, описанного в главе 3, дает достаточно точные результаты в низкочастотной половине возможной полосы распространения ПМСВ, что в большинстве практических применений достаточно, поскольку в высокочастотной половине полосы распространения ПМСВ, из-за сильных потерь в ФП, ПМСВ сильно затухают.

При расчете преобразователей для высокочастотной половины частотного диапазона существования ПМСВ необходимо использовать точное численное решение интегрального уравнения для поверхностной плотности тока в линии, расположенной на продольно намагниченной подложке конечной толщины с экраном.

Расчетные частотные зависимости импеданса МПЛ хорошо согласуются с экспериментом. Это позволяет использовать развитый в главах 2-5 метод расчета сопротивления излучения планарных преобразователен ПМСВ для проектирования МСВ устройств, содержащих различные пла-нарные преобразователи (копланарные, микрополосковые, многополоско-вые и пр.), с достаточной для практики точностью.

В седьмой главе предложен метод расчета и эквивалентные схемы устройств на МСВ, содержащих отрезки планарных линий, в том числе МПЛ. НКПЛ, СДПЛ и других.

В подразделе 7.1 предложена модель эквивалентной двухпроводной линии, позволяющая рассматривать процессы возбуждения МСВ с помощью ЭМВ, распространяющейся в планарных линиях передачи, содержащих ФП.

В подразделе 7.2 получены выражения для входного сопротивления короткозамкнугого, разомкнутого, четвертьволнового и полуволнового отрезка линии, содержащей полосковые проводники и ФП, без ограничений на длину преобразователя, по сравнению с длиной ЭМВ, и величину потерь на преобразование ЭМВ в МСВ.

Подраздел 7.3 посвящен изложению, основанному на результатах, полученных в подразделах 7.1 и 7.2, метода расчета преобразователей МСВ и спинволновых устройств, и, в качестве примера применения предложенного метода в сочетании с развитым в главах 2-5 методом расчета сопротивления излучения планарных преобразователей ПМСВ, проведен расчет вносимых потерь устройств, содержащих двухполосковые коротко-замкнутые и разомкнутые на конце преобразователи ПМСВ, который с достаточной для практики точностью соответствует эксперименту.

Разработанный в подразделах 7.1-7.3 метод расчета преобразователей МСВ и спинволновых устройств предполагает знание погонной индуктивности составляющей основу преобразователя планарной линии, расположенной на намагниченной ФП.

Подраздел 7.4 посвящен расчету погонной индуктивности НКПЛ и МПЛ, расположенных на намагниченном феррите, так как указанные линии чаще других используются в устройствах на МСВ.

Так, в подразделе 7.4.1, в магнитостатическом приближении, впервые получены аналитические выражения для погонной индуктивности расположенных на полубесконечном феррите НКПЛ с одним и двумя боковыми экранами, которые необходимо использовать для точного расчета характеристик устройств, содержащих отрезки этих линий.

Проведен расчет частотной зависимости погонной индуктивности НКПЛ при различных поперечных размерах. Сравнение с аналогичными частотными зависимостями для МПЛ показало их качественное совпадение.

В подразделе 7.4.2 методом возмущений найдены распределенные параметры МПЛ с продольно намагниченной ФП. Приведены расчетные частотные зависимости погонной индуктивности МПЛ для ряда значений толщины ФП. Показано, что рост погонной индуктивности при приближении частоты к частоте ферромагнитного резонанса является общим свойством линий, содержащих полосковые проводники, с продольно намагниченной ФП.

Подраздел 7.5 посвящен расчету волновых сопротивлений и эффективных диэлектрических проницаемостей планарных линий в отсутствие приложенного магнитного поля, которые также используются в описанном в подразделах 7.1-7.3 методе расчета преобразователей МСВ и спинволно-вых устройств.

Так в подразделе 7.5.1 проведен расчет волновых сопротивлений и эффективных диэлектрических проницаемостей связанных микрополоско-во-щелевых линий, расчет дисперсии ЭМВ в этих же линиях приведен в подразделе 7.5.2, а волновые сопротивления и эффективные диэлектрические проницаемости одиночный и связанных КПЛ, расположенных на диэлектрической подложке конечной толщины, рассчитаны в подразделе 7.5.3.

В восьмой главе приводятся результаты применения теории, описанной в главах 1-7, к практической разработке различных устройств СВЧ.

В подразделе 8.1 приведены результаты экспериментального исследования и разработки бездисперсионных линий задержки на ПМСВ.

В подразделе 8.1.1 приведены конструкция и характеристики разработанной технологичной узкополосной бездисперсионной линии задержки с малыми потерями, и исследована возможность ее перестройки внешним магнитным полем. Она отличается от аналогичных тем, что содержит МПЛ-преобразователи с технологичными емкостями на концах и имеет меньшие вносимые потери. Это позволяет использовать данную конструкцию для получения задержки в 500 не с вносимыми потерями -30-н-35 дБ, что в других конструкциях реализовать затруднительно.

В подразделе 8.1.2 приведены конструкция и характеристики разработанной узкополосной бездисперсионной линии задержки, в которой бездисперсионный участок сформирован за счет определенного расстояния от металлического экрана до поверхности намагниченной пленки ЖИГ, длина пленки подобрана такой, чтобы ее края не оказывали влияния на характеристики ПМСВ на бездисперсионном участке, а ширина составляла около половины длины ЭМВ в МПЛ в рабочей области частот. Для возбуждения и приема ПМСВ использованы разомкнутые на концах МПЛ-преобразо-ватели шириной 60 мкм.

В подразделе 8.2 приведены результаты экспериментального исследования перестраиваемых ППФ, в которых для возбуждения и приема ПМСВ используются преобразователи, содержащие короткозамкнутые на конце отрезки НКПЛ с одним боковым экраном. Разработанный малогабаритный перестраиваемый ППФ при центральной частоте 7680 МГц имел вносимые потери -8 дБ и полосу пропускания 140 МГц по уровню -3 дБ и 227 МГц по уровню -40 дБ. Обратные потери фильтра составили -30 дБ, а минимальный КСН на частоте 7770 МГц равнялся 1,275.

Подраздел 8.3. посвящен экспериментальному исследованию ПЗФ и устройств на их основе.

В подразделе 8.3.1. приведены результаты экспериментального исследования трех типов перестраиваемых ПЗФ на ООМСВ: на основе 50-омной КПЛ и на основе полуволнового отрезка КПЛ с одним и двумя центральными проводниками. Фильтр, содержащий 50-омную КПЛ, при перестройке в диапазоне частот 4,1 ч- 10,0 ГГц имеет полосу заграждения 60 МГц по уровню -10 дБ и максимальное затухание не хуже -30 дБ. У фильтров, содержащих отрезок КПЛ с одним и двумя центральными проводниками, при перестройке в диапазоне частот 4;1 -г 5,6 ГГц полоса заграждения по уровню -10 дБ составляет соответственно 30 и 15 МГц, а максимальное затухание - 30 и -40 дБ.

Показано, что наиболее эффективным является использование п качестве преобразователя ЭМВ в ООМСВ СКПЛ с волновым сопротивлением 50 Ом. В ПЗФ с таким преобразователем не требуется дополнительных мер по согласованию с коаксиальным трактом, и КСВН фильтра обычно менее 1,15. В силу этого, при длине копланарной линии 30 -ь 50 мм вносимое затухание вне полосы заграждения составляет лишь -I 4-1.5 дБ, что значительно меньше, чем в других типах ПЗФ. Указанные потери, определяемые в основном омическими потерями в СКПЛ и качеством коаксиально-полосковых переходов, могут быть существенно уменьшены.

В подразделах 8.3.2.-8.3.4. представлены результаты разработки устройств, содержащих наиболее эффективный преобразователь - СКПЛ с волновым сопротивлением 50 Ом.

В подразделе 8.3.2. представлены результаты разработки узкополосных ПЗФ с полосой заграждения 304100 МГц и затуханием в полосе заграждения не хуже -50 дБ.

В подразделе 8.3.3. представлены результаты разработки широкополосных ПЗФ с полосой заграждения до 600 МГц и затуханием в полосе заграждения не хуже -50 дБ.

В подразделе 8.3.4. представлены результаты разработки трехка-нального селективного устройства, состоящего из трех узкополосных ПЗФ и одного широкополосного ПЗФ, а также четырехканального селективного устройства, состоящего из трех узкополосных ПЗФ и двух широкополосных ПЗФ. ПЗФ соединялись последовательно и подстраивались так, чтобы частотные промежутки между максимумами сформированной АЧХ были одинаковыми. Результирующая АЧХ селективного устройства представляет собой чередующиеся полосы заграждения и пропускания.

Подраздел 8.4. посвящен исследованию направленных ответвителей для интегральных СВЧ схем.

Результаты разработки и исследования микрополосковых ответвите-лей со слабой связью и высокой направленностью приведены в подразделах 8.4.1 и 8.4.2.

В подразделе 8.4.3 приводятся результаты разработки и исследования направленных ответвителей на связанных КПЛ. Предложен метод увеличения направленности таких ответвителей со слабой связью.

Разработке широкополосных направленных ответвителей на связанных мнкрополосково-щелевых линиях посвящен подраздел 8.4.4, где описаны конструкции ответвителей с сильной и слабой связью и высокой направленностью.

Каждый раздел диссертации завершается выводами, отражающими основные результаты представленных в нем исследований.

В заключении сформулированы основные результаты работы и общие выводы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Предложен метод решения самосогласованных задач о возбуждении ПМСВ в МДФД-структуре системой копланарных проводников, лежащих на поверхности намагниченной вдоль проводников ФП, и предложены эквивалентные схемы преобразователей и устройств, позволяющие аналитически, с достаточной для практики точностью, проводить анализ СВЧ интегральных устройств на ПМСВ для произвольного типа планар-ных преобразователей, с учетом влияния взаимодействия токов в проводника и воздействия на них намагниченной ФП.

2. Выведено однородное сингулярное интегральное уравнение для плотности поверхностного тока в системе копланарных проводников, лежащих на поверхности намагниченного вдоль проводников полубесконечного феррита, граничащего с вакуумом или диэлектриком, и предложен метод его решения, позволяющий найти аналитические выражения плот-

пост тока, с учетом взаимодействия токов в проводниках и влияния на распределение поверхностного тока намагниченного феррита.

3. Предложен метод расчета погонной индуктивности системы ко-планарных проводников, лежащих на поверхности намагниченного вдоль проводников полубесконечного феррита, использующий аналитические выражения плотности тока, учитывающей взаимодействие токов в проводниках системы и влияние на распределение поверхностного тока намагниченного феррита.

4. Предложен численный метод решения интегрального уравнения для плотности тока микрополоскового преобразователя, расположенного на продольно намагниченной ФП, с учетом влияния экрана, в котором для представления фурье-образа плотности тока используются волновые функции Кулона с полуцелым индексом, и получено выражение для импеданса единицы длины МПЛ, использующее квадратичный, относительно поверхностной плотности тока, функционал.

5. Предложена модель эквивалентной двухпроводной линии, позволяющая рассматривать процессы возбуждения МСВ электромагнитной волной, распространяющейся в планарных линиях передачи, содержащих намагниченную ФП. Получены выражения для входного сопротивления короткозамкнутого, разомкнутого, четвертьволнового и полуволнового отрезка линии, содержащей полосковые проводники и намагниченную ФП, без ограничений на длину преобразователя, по сравнению с длиной электромагнитной волны, и величину потерь на преобразование ЭМВ в МСВ.

6. Предложена обобщенная методика расчета преобразователей, и проведен расчет устройств, содержащих двухполосковые короткозамкну-тые и разомкнутые на конце преобразователи ПМСВ.

7. Найдено выражение для импеданса единицы длины МПЛ, использующее квадратичный, относительно поверхностной плотности тока, функционал.

8. Предложены и исследованы два варианта узкополосных бездисперсионных линий задержки на ПМСВ.

9. Предложена конструкция ППФ, содержащего в качестве преобразователей ПМСВ короткозамкнутые отрезки НКПЛ с одним экраном.

10. Предложены три варианта конструкции ПЗФ, содержащих в качестве преобразователей ООМСВ КПЛ.

11. Разработаны трехканальное и четырехканальное селективные устройства, состоящие из узкополосных и широкополосных ПЗФ, содержащих в качестве преобразователей ООМСВ КПЛ.

12. Разработаны микрополосковые, копланарные, микрополосково-щелевые ответвители с высокой направленностью для СВЧ интегральных схем.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Бабичев Р.К., Иванов В.Н. Определение электрических параметров связанных микрополосково-щелевых линий. // Аннотации и тезисы докладов XXIX Всесоюзной научной сессии, посвященной Дню радио. Секция волноводных устройств. Москва. 1974. С.56.

2. Бабичев Р.К., Иванов В.Н., Рейзенкинд Я.А. Конструирование и экспериментальные исследования широкополосных направленных ответ-вителен для СВЧ интегральных схем на связанных щелевых и микрополос-ковых линиях. // Тезисы докладов Всесоюзного научного семинара по обмену передовым опытом по производству и применению микроэлектронных изделий в радиоаппаратуре. Москва. 1974. С.48-50.

3. Бабичев Р.К., Щучинскнй А.Г. Простой метод расчета копланар-ных волноводов при проектировании СВЧ ИС. II Тезисы докладов Всесоюзного научного семинара по обмену передовым опытом по производству и применению микроэлектронных изделий в радиоаппаратуре. Москва. 1974.С.51-53.

4. Бабичев Р.К., Иванов В.H. Широкополосные направленные отпег-вители со слабой связью на связанных микрополосково-щелевых и копла-нарных линиях. // Аннотации и тезисы докладов XXXI Всесоюзной научной сессии, посвященной Дню радио. Секция волноводных устройств. Москва. 1976 С. 106-107.

5. Бабичев Р.К., Иванов В.Н. Определение электродинамических параметров связанных полосково-щелевых линий. //"Электронная техника". Серия 1. "Электроника СВЧ". 1976. №3. С. 121-122.

6. Бабичев Р.К., Щучинский А.Г. К расчету копланарных волноводов с диэлектрической подложкой конечной толщины. //"Электронная техника". Серия 1. "Электроника СВЧ". 1976. № 11. С. 110-113.

7. Бабичев Р.К., Иванов В.Н. Исследование дисперсии в связанной микрополосково-щелевой линии. // Теория дифракции и распространения волн. Краткие тезисы докладов. VI Всесоюзный симпозиум по дифракции и распространению волн. Т.П. Москва. 1977. С.63-65.

8. Бабичев Р.К., Иванов В.Н. Широкополосные микрополосковые направленные ответвители с высокой направленностью. // Аннотации и тезисы докладов XXXII Всесоюзной научной сессии НТОРЭС. Секция волноводных устройств. Москва. 1977. С.34-35.

9. Бабичев Р.К., Иванов В.Н. Широкополосные направленные ответвители на связанных микрополосково-щелевых линиях.//"Эле!стронная техника". Серия 1. "Электроника СВЧ". 1977. № 8. С.114-115.

10. Бабичев Р.К., Иванов В.Н., Киселева Г.В., Натхин И.И. Микрополосковые направленные ответвители. // Аннотации и тезисы докладов XXXIII Всесоюзной научной сессии НТОРЭС. Секция волноводных устройств. Москва. 1978.С.71-72.

11. Бабичев Р.К., Натхин И.И., Киселева Г.В. Широкополосные компланарные направленные ответвители с высокой направленностью. // "Применение волноводных устройств в технике связи". Материалы выезд-

ного заседания секции волноводных устройств НТОРЭС. Москва-Киев. 1980. С.20.

12. Бабичев Р.К.. Иванов В.Н., Тутченко A.A. Широкополосные двухсекционные микрополосковые направленные ответвители. //"Применение волноводных устройств в технике связи". Материалы выездного заседания секции волноводных устройств НТОРЭС. Москва-Киев. 1980. С.21.

13. Натхин И.И., Бабичев Р.К., Иванов В.Н., Киселева Г.В. Увеличение направленности ответвителей на копланарных волноводах со слабой связью. //"Электронная техника". Серия 1. "Электроника СВЧ". 1981. № 4. С.66-67.

14. Тутченко A.A., Бабичев Р.К., Иванов В.Н., Натхин И.И. Микрополосковые направленные ответвители со слабой связью и высокой направленностью. //"Электронная техника". Серия 1. "Электроника СВЧ". 1983. № 7. С.65-66.

15. Натхин И.И., Бабичев Р.К., Иванов В.Н. Перестраиваемый по-лосно-заграждающий фильтр на магнитостатических волнах. // Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы интегральной электроники СВЧ". 1984. Ленинград. С. 131.

16. Натхин И.И., Бабичев Р.К., Иванов В.Н., Тутченко A.A. Двухок-тавные микрополосковые ответвители с высокой направленностью. // "Электронная техника". Серия 1. "Электроника СВЧ". 1985. № 5. С. 19.

17. Натхин И.И., Бабичев Р.К., Иванов В.Н. Увеличение направленности микрополосковых ответвителей со слабой связью. //Сборник "Электродинамика и радиофизическое приборостроение". Днепропетровск. 1985. С.95-96.

18. Тутченко A.A., Бабичев Р.К., Иванов В.Н. Исследование перестраиваемого полосно-пропускаюшего фильтра на магнитостатических волнах. // Сборник "Спинволновая электроника СВЧ". Ашхабад. 1985. С.131-132.

19. Натхин И.П., Бабичев Р.К., Иванов В.Н., Тутченко A.A. Двухок-тавные микроиолосковые отвегвители с высокой направленностью. // Сборник рефератов НИОКР, обзоров, переводов и депонированных рукописей. Серия "РТ". № 25. 1985.

20. Бабичев Р.К., Тутченко A.A., Иванов В.Н., Бабичева Г.В. Исследование характеристик поверхностных магнитостатических волн в металлизированной пленке нттрий-железистого граната. // Сборник "Физика и техника магнитных явлений". Куйбышев. 1986. С.80-85.

21. Натхин И.И., Бабичев Р.К., Иванов В.Н., Тутченко A.A. Исследование перестраиваемого полосно-заграждающего фильтра на магнитостатических волнах. // "Электронная техника". Серия 1. "Электроника СВЧ". 1986. №9. С. 13-16.

22. Мальцев Ю.Ф., Зайцев С.М., Тутченко A.A., Бабичев Р.К. Температурные исследования структурных параметров пленок иттриевого фер-рограната. // Тезисы Всесоюзной конференции по материаловедению. Донецк. 1987. С.68-70.

23. Бабичев Р.К., Иванов В.Н., Мальцев Ю.Ф., Рудковский В.Н. Рентгенооптическнй и экзоэмиссионный контроль состояния поверхностного слоя эпитаксиальных пленок ЖИГ. // Сборник "Спинволновые явления электроники СВЧ". Краснодар. 1987. С.140-141.

24. Бабичев Р.К., Иванов В.Н., Тутченко A.A. Исследование характеристик поверхностных магнитостатических волн в структуре со слоем металла конечной проводимости. // Тезисы докладов IV Всесоюзной школы-семинара "Спинволновая электроника СВЧ". Львов. 1989. С.74-75.

25. Бабичев Р.К., Зубков В.И. Влияние экрана на характеристики магнитостатических волн в слоистой структуре с ферритовой пленкой при произвольном подмагничиванин.// Радиотехника и электроника. 1989. Т.34. № 5. С.972-978.

26. Бабичев Р.К., Зубков В.И. Влияние двух экранов на характеристики магнитостатических волн в слоистой структуре с ферритовой плен-

кой при произвольном подмагничивании. // Радиотехника и электроника. 1989. Т.34. № 10. С.2074-2081.

27. Мальцев Ю.Ф., Монастырский Л.М., Бабичев Р.К., Тутченко A.A. Исследование приповерхностного слоя УъРе5Оп методом полного внешнего отражения рентгеновских лучей. // Известия вузов. Физика. 1989. № 12. С.98-101.

28. Бабичев Р.К., Зубков В.И., Иванов В.Н. Интегральное уравнение для плотности тока в произвольной системе копланарных проводников, возбуждающей поверхностные магнитостатические волны. // Тезисы докладов V Всесоюзной школы по спин-волновая электронике СВЧ. Звенигород. 1991. С.137-138.

29. Бабичев Р.К., Зубков В.И., Иванов В.Н., Натхин И.И. Сопротивление излучения несимметричных копланарных волноводов. // Тезисы докладов V Всесоюзной школы по спин-волновон электронике СВЧ. Звенигород. 1991. С. 139-140.

30. Бабичев Р.К., Зубков В.И., Иванов В.Н., Натхин И.И. Расчет преобразователей поверхностных магнитостатических волн на несимметричных копланарных линиях. // Труды XI Международной конференции по гиромагнитной электронике и электроднамике. 1992. Т. I. С.64-67. МЭИ..

31. Бабичев Р.К., Зубков В.И., Иванов В.Н., Натхин И.И. Интегральное уравнение для плотности тока в системе копланарных проводников. возбуждающей поверхностные магнитостатические волны. // Радиотехника и электроника. 1993. Т.38. № I. С.93-95.

32. Бабичев Р.К., Зубков В.И., Иванов В.Н., Натхин И.И. Плотность тока в несимметричных копланарных линиях, расположенных на намагниченном полубесконечном феррите. // Радиотехника и электроника. 1993. Т.38. № 2. С.267-272.

33. Бабичев Р.К., Бабичева Г.В., Зубков В.И., Иванов В.Н. Сопротивление излучения несимметричной копланарнон линии с одним боковым экраном, расположенной на поверхности намагниченной вдоль проводни-

ков ферритовой подложки. // Радиотехника и электроника. 1993. Т.38. № 6. С.987-994.

34. Бабичев Р.К., Зубков В.И., Иванов В.Н., Натхин И.И. Сопротивление излучения несимметричных копланарных линий, расположенных на продольно намагниченной ферритовой пластине. // Радиотехника и электроника. 1993. Т.38. № 7. С. 1208-1214.

35. Babichev R.K., Zubkov V.l., Ivanov V.N., Natkhin I.I. Excitation of magnetostatic surface waves by coplanar line. // Тезисы докладов VI Школы по спинволновой электронике СВЧ. Саратов. 1993. С.7-8.

36. Babichev R.K., Babicheva G.V., Zubkov V.l., Ivanov V.N. Design of double-bar magnetostatic surface wave microstrip transducers. // Тезисы докладов VI Школы по спинволновой электронике СВЧ. Саратов. 1993. С.115-116.

37. Babichev R.K., Zubkov V.l., Ivanov V.N., Revina G.I. Design of permanent magnet structure Held for the temperature stabilized magnetostatic wave devices. // Тезисы докладов VI Школы по спинволновой электронике СВЧ. Саратов. 1993. C.I 17-118.

38. Бабичев Р.К., Бабичева Г.В., Зубков В.И., Иванов В.Н. Сопротивление излучения двухполосковых линий, расположенных на поверхности намагниченной вдоль проводников ферритовой подложки. // Радиотехника и электроника. 1994. Т.39. № 1. С.40-49.

39. Бабичев Р.К., Зубков В.И., Иванов В.Н. Влияние намагниченной ферритовой пленки на распределенные параметры микрополосковой линии, возбуждающей поверхностные магнитостатические волны. // Радиотехника и электроника. 1995. Т.40. № 1. С.93-96.

40. Бабичев Р.К., Бабичева Г.В., Зубков В.И., Иванов В.Н. Расчет погонной индуктивности копланарной линии, расположенной на намагниченном вдоль линии полубесконечном феррите. // Радиотехника и электроника. 1995. Т.40. № 9. С.1361-1367.

41. Бабичев Р.К., Бабичева Г.В., Иванов В.Н. Эквивалентные схемы преобразователей магннтостатических волн. // Радиотехника и электроника. 1995. Т.40. №11. С.1721-1725.

42. Babichev R.K., Babicheva G.V., Zubkov V.I.. Ivanov V.N., Makhno V.I. Design of distributive inductance of asymmetrical coplanar line placed on the surface of semi-infinite longitudinaly magnetized ferrite. // Тезисы докладов Первой Объединённой конференции по магнитоэлектронике. Москва. 1995. С.222-223.

43. Babichev R.K., Babicheva G.V., Zubkov V.I., Ivanov V.N. Screen influence over the radiation resistance of coplanar and double-bar microstrip lines placed on the surface of the ferrite plate magnetized along the conductors.// Тезисы докладов Первой Объединённой конференции по магнитоэлектронике. Москва. 1995. С.224-225.

44. Иванов В.Н., Бабичев Р.К., Зубков В.И..Сопротивление излучения и индуктивность микрополосковой линии, содержащей продольно намагниченный ферритовый слой с экраном. // Радиотехника и электроника. 1997. Т.42. № I. С.38-42.

45. Бабичев Р.К., Бабичева Г.В., Зубков В.И., Иванов В.Н. Влияние экрана на сопротивление излучения копланарньрсн двухполосковых линий, расположенных на поверхности намагниченной вдоль проводников ферри-товой подложки. // Радиотехника и электроника. 1997. Т.42. № 4. С.389-394.

46. Иванов В.Н., Бабичев Р.К., Зубков В.И. Теория возбуждения поверхностных магннтостатических волн микрополосковой линией, содержащей намагниченную ферритовую пленку с экраном.// "Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ". Тезисы докладов IX Международной школы-семинара "Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ".Самара. 1997. T.V. Вып.2(18). С.217-220.

47. Иванов В.Н., Бабичев Р.К., Зубков В.И. Расчет импеданса излучения микрополосковой линии. //"Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ".

Тезисы докладов IX Международной школы-семинара "Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ".Самара. 1997. T.V. Вып.2(18). C.22I-225.

48. Иванов В.Н., Бабичев Р.К., Зубков В.И. Метод расчета импеданса микрополоскового возбудителя поверхностных магнитостатических волн. // Радиотехника и электроника. 1998. Т.43. В печати.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Вапне Г.М. СВЧ-устройства на магнитостатических волнах.// Обзоры по электронной технике. Сер. Электроника СВЧ.-М.: ЦНИИ Электроника. 1984 г. Вып. 8(1060).

2. Вашковский A.B., Герус C.B., Дикштейн И.Е., Тарасенко В.В. Возбуждение поверхностных магнитостатических волн в ферромагнитных пластинах. // ЖТФ. 1979. Т.49. № 3. С.628-632.

3. Вашковский A.B., Зубков В.И., Лебедь Б.М., Новиков Г.М. Узкополосная фильтрация СВЧ-сигналов при возбуждении магнитостатических волн в пленках железоигтриевого граната. // Радиотехника и электроника. 1985. Т.30. № 8. С. 1513-1521.

4. Вугальтер Г.А., Махалин В.Н. Отражение и возбуждение прямых объемных магнитостатических волн металлической полоской. // Радиотехника и электроника. 1984. Т.29. №7. С. 1252-1259.

5. Вугальтер Г.А., Гилинский И.А. Возбужденней прием поверхностных магнитостатических волн микрополосковым преобразователем. // ЖТФ. 1987. Т.57. №11. С.2250-2252.

6. Щеглов И.М., Гилинский И.А., Сорокин В.Г. Теория возбуждения поверхностных магнитостатических волн микрополосковой линией. // ЖТФ. 1987. Т.57. № 5. С.943-952.

7. Дмитриев В.Ф.. Калиникос Б.А. Возбуждение распространяющихся волн намагниченности микрополосковыми антеннами. // Изв. вузов. Физика. 1988. Т. 31. № 11. С. 24-53.

8. Вашковский A.B., Стальмахов B.C., Шараевский Ю.П. Магнито-статические волны в электронике сверхвысоких частот. Из-во СГУ. 1993. 320 С.

9. Ornori T., Yashiro К., OHkawa S. A study on magnetostalic surface wave excitation by microstrip. // IEICE Transactions on Electronics. 1994. V. E77C. № 2. P.312-318.

10. Гилинский И.A., Щеглов И.M. Возбуждение и прием поверхностных магнитостатических волн многоэлектродными преобразователями. // ЖТФ. 1989. Т.59. № 7. С.74-79.

11. Дмитриев В.Ф., Калиникос Б.А. К самосогласованной теории возбуждения спиновых волн многоэлементными антеннами.// ЖТФ. 1989. Т.59. № 1.С. 197-200.

12. Sethares J.С., Weinberg I.J. Magnetostatic wave transducers. // Circuits, Syst. and Sign. Processing. 1985. V. 4. № 1-2. P. 41-62.

13. Загрядский C.B. Возбуждение магнитостатических волн в произвольно намагниченных ферритовых пленках. // Радиотехника. 1991. № 3. С.29-30.

14. Богачев C.B., Загрядский C.B. Входное сопротивление микропо-лоскового возбудителя МСВ в узком ферритовом волноводе при перпендикулярном намагничивании.// Тезисы докладов Первой Объединённой конференции по магнитоэлектронике. Москва. 1995. C.216-2I7.

15. Васильев И.В., Макеева Г.С. Электродинамический анализ многопроводных полосковых возбудителей поверхностных магнитостатических волн в слоистых ферритовых волноведущих структурах. // Сборник "Спинволновая электроника СВЧ". Ашхабад. 1985. С. 119-120.

16. Гахов Ф.Д. Краевые задачи. М.: Наука, 1977. 640 С.

учеиу* а, ,, Д{ >К ГС5РА

Р^р г ¿1 Л, ,

-наук

'¡--Чйлькик управления ВАК Россия

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

БАБИЧЕВ Рудольф Карпович

ВОЗБУЖДЕНИЕ МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛН ПЛАНАРНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ

Специальность 01.04.03 - радиофизика

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Научный консультант: доктор физико-математических наук

Зубков В.И

Ростов-на-Дону - 1997

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................................................10

1. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛН В СЛОИСТЫХ СТРУКТУРАХ............................................................................................................................................44

1.1. Основные уравнения и граничные условия.......................................................................44

1.2. Исследовании характеристик поверхностных магнитостатичесжих волн в металлизированной пленке железоиттриивого граната.......................................................48

1.2.1. Дисперсионное уравнение и структура поля поверхностной магнитостатической волны низшего типа в структуре металл-феррит-диэлектрик с намагниченной ферритовой пленкой конечной ширины.........................................................................................................................49

1.2.2. Экспериментальное исследование дисперсии и времени задержки поверхностной магнитостатической волны низшего типа в структуре металл-феррит-диэлектрик с намагниченной ферритовой пленкой конечной ширины..................................................................................52

1.2.3. Выводы................................................................................................................................57

1.3. затуха1ше iюверх1юотных мап 1итостатических волн в слоис той структуре с металлическим слоем конечной проводимости...............................................................58

1.3.1. Дисперсионное уравнение поверхностных магитостатических волн в структуре металл-феррит-диэлектрик с конечной толщиной и проводимостью металла.................................59

1.3.2. Анализ комплексной постоянной распространения поверхностной магнитостатической волны, распространяющейся в намагниченной ферритовой пленке вдоль границы феррит-металл..................................................................................................................................62

1.3.3. Сравнение с известными расчетными результатами..........................................................70

1.3.4. Экспериментальное исследование влияния толщины металлического слоя на дисперсию и потери поверхностной магнитостатической волны и сравнение с расчетными характеристиками .....................................................................................................................................71

1.3.5. Выводы.................................................................................................................................79

1.4. исследование влияния экрана на характеристики магнитостатических волн в слоистой структуре с ферритовой пленкой при произвольном направлении под-магничивания..........................................................................................................................80

1.4.1. Дисперсионное уравнение магнитостатических волн, распространяющихся в структуре

металл-диэлектрик-феррит.................................................................................................80

1.4.2. Анализ частотных зависимостей волнового числа и времени задержки магнитостатической волны низшего типа...................................................................................................83

1.4.3. Выводы...................................................................................................................................93

1.5. Исследование влияния двух экранов ил характеристики магнтостлтических воли в слоистой структуре с ферритовой пленкой при произвольном направлении под-магничивания..........................................................................................................................95

1.5.1. Дисперсионное уравнение магнитостатических волн в структуре металл-диэлектрик-феррит-диэлектрик-металл.................................................................................................95

1.5.2. Анализ частотных зависимостей волнового числа и времени задержки магнитостатической волны низшего типа в структуре металл-диэлектрик-феррит-диэлектрик-металл...........96

1.5.3. Выводы............................................................................................................................... 111

2. ПРИБЛИЖЕННАЯ ТЕОРИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.............................................................112

2.1. При ближе! шля теория преобразователей магиитостатических волн, расг1рстраняю-1дихся в многослойной структуре с ферритовой пленкой при произвольном направлении приложенного постоянного магнитного поля....................................................... 113

2.1.1. Основные предположения...................................................................................................113

2.1.2. Уравнения электромагнитного поля и выражения для полей магиитостатических волн.... 114

2.1.3. Граничные условия и дисперсионное уравнение....................................................................119

2.1.4. Поля магиитостатических волн........................................................................................122

2.1.5. Мощность, уносимая распространяющимися магнитостатическими волнами................126

2.2. Приближенная теория преобразователей поверхностных магиитостатических волн, распр<х:трлняющихся в многослойной структуре с ферритовой пленкой.....................129

2.3. Выводы......................................................................................................................................136

3. ПЛОТНОСТЬ ТОКА В СИСТЕМЕ КОПЛАНАРНЫХ ПРОВОДНКОВ.................................137

3.1. инте1 ральное уравнение для i 1лотности тока в системе koiijiahapi1ых проводников,

возбуждающей поверхностные магнитостлтические волны........................................ 141

3.2. Плотность тока в системе koi гланарных j 1роводников, расположенных на на-

магниченном полуьескопечном феррите.......................................................................... 148

3.2.1. Метод решения сингулярного интегрального уравнения для плотности тока...................148

3.2.2. Распределение продольного тока в несимметричной копланарной линии с одним боковым экраном...................................................................................................................................156

3.2.3. Распределение тока в двухполосковой линии, расположенной на поверхности полубесконечного феррита.....................................................................................................................163

3.2.4. Распределение продольного тока в несимметричной копланарной линии с двумя боковыми экранами.............................................................................................................................170

3.3. Результаты и выводы.............................................................................................................174

4. СОПРОТИВЛЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ КОПЛАНАРНЫХ И ДВУХПОЛОСКОВЫХ ЛИНИЙ,

РАСПОЛОЖЕННЫХ НА ПОВЕРХНОСТИ ФЕРРИТОВОЙ ПОДЛОЖКИ.........................176

4.1. сопротивление излучения несимметричной копланарной линии с одним боковым экраном....................................................................................................................................... 176

4.2. Сопротивление излучения симметричной двухполосковой линии.............................184

4.3. Сопротивление излучения несимметричной копланарной линии с двумя боковыми экранами....................................................................................................................................193

4.4. Результаты и выводы.............................................................................................................204

5. ВЛИЯНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ЭКРАНА НА СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ КОПЛАНАРНЫХ И ДВУХПОЛОСКОВЫХ ЛИНИЙ..................................................................206

5.1. Сопротивление излучения несимметричной копланарной линии с экраном...........206

5.2. Сопротивление излучения симметричной двухполосковой линии с экраном..........214

5.3. Резуль таты и выводы................................................................................................,..............219

6. СОПРОТИВЛЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ И ИНДУКТИВНОСТЬ МИКРОПОЛОСКОВОЙ ЛИНИИ, СОДЕРЖАЩЕЙ ПРОДОЛЬНО НАМАГНИЧЕННЫЙ ФЕРРИТОВЫЙ СЛОЙ С ЭКРАНОМ........................................................................................................................................221

6.1. Приближенный метод расчета сопротивления излучения и индуктивности мик-юполосковой линии..............................................................................................................221

6.1.1. Сопротивление излучения и индуктивность микрополосковой линии...................................222

6.1.2. Результаты расчета погонных параметров микрополосковой линии..................................228

6.1.3. Выводы................................................................................................................................234

6.2. точный метод расче та импеданса микрополосковоео возбуди теля поверхностных

машитостатических волн................................................................................................... 235

6.2.1. Импеданс микрополоскового излучателя ПМСВ и интегральное уравнение для тока.........235

6.2.2. Метод решения интегрального уравнения...........................................................................237

6.2.3. Вычисление функций (к)...........................................................................................241

6.2.4. Вычисление интегралов, определяющих коэффициенты системы алгебраических ура.внений.245

6.2.5. Результаты расчета токораспределеним jz (х) и погонных параметров микрополосковой

линии...................................................................................................................................247

6.3. Выводы....................................................................................................................................253

7. МЕТОД РАСЧЕТА УСТРОЙСТВ НА МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ...................256

7.1. Эквивалентная двухпроводная линия................................................................................257

7.2. Входное сопротивление отрезка линии, содержащей полосковые проводники и

намагниченную фнрритовую пленку..................................................................................260

7.3. Метод расчета вносимых потерь устройств на магнитостатических волнах............264

7.4. Расчет погонной индуктивности линий с намагниченным ферритом.........................268

7.4.1. Расчет погонной индуктивности несимметричных копланарных линий, расположенных на полубесконечном феррите...................................................................................................268

7.4.2. Расчет погонной индуктивности микрополосковой линии, возбуждающей поверхностные магнитостатические волны................................................................................................283

7.5. Расчет электродинамических параметров копланарной, микрополосково-щелевой линий.......................................................................................................................................... 290

7.5.1. Расчет волновых сопротивлений и эффективных диэлектрических проницаемостей связанных микрополосково-щелевых линий...................................................................................290

7.5.2. Расчет дисперсии электромагнитных волн в микрополосково-щелевой линии...................294

7.5.3. Расчет копланарных волноводов с диэлектрической подложкой конечной толщины...........298

7.6. Результаты и выводы...........................................................................................................308

8. ИССЛЕДОВАНИЕ УСТРОЙСТВ ДЛЯ СВЧ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ..................................310

8.1. Исследование ьездиспшрсионных линий задержки на поверхнос пii>ix магнитостатических волнах..............................................................................................................310

8.1.1. Линия задержки с технологичными емкостями на концах микрополосковых преобразователей.......................................................................................................................................310

8.1.2. Линия задержки с разомкнутыми на концах микрополосковыми преобразователями.........314

8.1.3. Выводы................................................................................................................................317

8.2. Исследование перестраиваемых полосно-пропускающих фильтров па поверхностных магнитостатических волнах.................................................................................319

8.2.1. Полосно-пропускающие фильтры с преобразователями, содержащими короткозамкнутые на конце отрезки несимметричной копланарной линии с одним экраном.................................319

8.2.2. Выводы.................................................................................................................................334

8.3. Исследование полоснозаграждающих фильтров на мсв и устройств на их основе. 335

8.3.1. Исследование перестраиваемых полосно-заграждающих фильтров на магнитостатических волнах.................................................................................................................................335

8.3.2. Узкополосные полосно-заграждающие фильтры с копланарньши преобразователями........343

8.3.3. Широкополосные полосно-заграждающие фильтры с копланарньши преобразователями... 347

8.3.4. Трех- и четырехканальные селектирующие устройства....................................................351

8.3.5. Выводы.................................................................................................................................354

8.4. Исследовании направленных ответвителей для СВЧ интегральных схем.................356

8.4.1. Микрополосковые направленные ответвители со слабой связью и высокой направленностью................................................................................................................................356

8.4.2. Увеличение направленности микрополосковых ответвителей со слабой связью..................360

.8.4.3. Увеличение направленности ответвителей на копланарных волноводах со слабой

связью.................................................................................................................................368

8.4.4. Широкополосные направленные ответвители на связанных микрополосково-щелевых линиях.....................................................................................................................................375

8.4.5. Выводы.............................................:...................................................................................380

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................................................381

ЛИТЕРАТУРА..................................................................................................................................391

Список сокращений и обозначений

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика;

ДПЛ - двухполосковая линия;

ЖИГ - железо-иттриевый гранат;

КПЛ -копланарная линия;

мпл - микрополосковая линия;

МСВ - магнитостатическая волна;

МФ-структура - структура металл-феррит; МДФ-структура - структура металл-диэлектрик-феррит; МДФД-структура - структура металл-диэлектрик-феррит-диэлектрик; МДФДМ-структура - структура металл-диэлектрик-феррит-

диэлектрик-металл; НКПЛ - несимметричная КПЛ; ОМСВ - объемная МСВ; ООМСВ- обратная ОМСВ; ОПМСВ- обратная ПМСВ; ПМСВ - поверхностная МСВ; ПОМСВ- прямая ОМСВ; ППМСВ- прямая ПМСВ;

ПП - полосковые проводники (полосковых линий) ;

СВЧ - сверхвысокие частоты;

СДПЛ - симметричная ДПЛ;

СКПЛ- симметричная КПЛ;

ФП - ферритовая пленка;

ФЧХ - фазо-частотная характеристика;

ЭМВ - электромагнитная волна;

а - полуширина центрального проводника КПЛ и МПЛ;

полуширина щели в ДПЛ; Ь - расстояние между серединой центрального проводника и

правым боковым экраном КПЛ; В - магнитная индукция ; с - скорость света; С - погонная емкость;

й - расстояние между серединой центрального проводника и

левым боковым экраном КПЛ; / - частота МСВ;

/] - частота нижней границы частотного диапазона

существования ПМСВ; /2 - частота верхней границы частотного диапазона существования ПМСВ в свободной ФП; /3 - частота верхней границы частотного диапазона существования ПМСВ в структуре феррит-металл; Ь, с; г) - гипергеометрическая функция; - функция Аппеля; (7 - погонная проводимость утечки Н - напряженность магнитного поля МСВ; к - волновое число МСВ или ЭМВ; К - безразмерный коэффициент связи для ПМСВ; I, - погонная индуктивность; М - намагниченность насыщения феррита; й - толщина ФП;

- погонное сопротивление; Т - расстояние между дополнительным экраном и плоскостью ФП;

х, у, г - координаты;

у - модуль гиромагнитного отношения для электрона; у - постоянная распространения ЭМВ; /} - тензор магнитной проницаемости феррита; // - диагональная компонента тензора магнитной проницаемости; ца - недиагональная компонента тензора магнитной проницаемости;

К{к) - полный эллиптический интеграл; со - круговая частота.

ВВЕДЕНИЕ

С появлением СВЧ гибридных интегральных схем машинное проектирование стало неотъемлемым этапом разработки СВЧ устройств. Процесс разработки таких устройств в последнее время существенно усложнился из-за появления большого числа разнообразных активных и пассивных СВЧ элементов, возрастания сложности новых систем и необходимости более тщательного и точного проектирования.

Область машинного проектирования микросхем СВЧ в последнее время стремительно развивается. Однако имеющаяся литература [1] описывает моделирование ограниченного числа компонентов, которые входят в состав устройств СВЧ. Так, в настоящее время ведутся интенсивные работы в области спинволновой электроники СВЧ, целью которых является создание устройств обработки сигналов в диапазоне СВЧ в реальном масштабе времени. Показано, что на основе магнитостатических волн (МСВ), распространяющихся в намагниченной ферритовой пленке (ФП), возможно создание линий задержки, электрически перестраиваемых полосно-пропускающих и по-лосно-заграждающих фильтров, фильтров с переменной полосой, перестраиваемых генераторов [2]. Указанные устройства могут быть использованы для обработки сигналов, в спутниковом телевидении, фазированных антенных решетках, для СВЧ контроля состояния природной среды и т.п. Использование спинволновых приборов в подобных радиоэлектронных системах весьма перспективно в отношении качественного совершенствования их функциональных возможностей.

Применение спинволновых приборов СВЧ выдвигает на первое место такие к ним требования, как их дешевизна, высокая технологичность, легкая воспроизводимость. Для решения этих задач необ-

ходима разработка методов машинного проектирования основных элементов любого спинволнового устройства - преобразователей МСВ, представляющих собой отрезки различных линий (микропо-лосковых (МГТЛ), копланарных (КПЛ), решеток, меандров и различных их сочетаний), расположенных на намагниченной ФП. Преобразователи МСВ являются неотъемлемой частью любого спинволнового устройства и в большинстве с�