Крейди Г. А., Васючков В. І., Дзяпко А. Д., Чумак А. В. Київський національний університет імені Тараса Шевченка КНУ вул. Володимирська, 64, Київ – 01033, Україна Тел.: +38 (044) 266-05-53; fax: +38 (044) 266-06-00; e-mail: melkov@univ.kiev.ua

Анотація – Досліджено можливість застосування для обробки мікрохвильових сигналів дипольно-обмінних спінових хвиль (досвіт) з величиною хвильового

вектора k ~ 104 см ‘1. Порушення досвіт здійснено за допомогою пружного двухмагнонного розсіяння спінових хвиль на неоднорідностях, для фазування та посилення досвіт використовувався метод параметричного обернення хвильового фронту. Експеримент був проведений на плівках желе-зо-иттриевой граната в трисантиметрових діапазоні довжин хвиль накачування. Були отримані затримки сигналу до

2,6 мкс при вносяться втрати менше 20 дБ / мкс.

I. Вступ

В даній роботі проведено теоретичні та експериментальні дослідження можливості створення нового покоління феритових приладів, що використовують короткі довгоживучі дипольно-обмінні спінові хвилі (Досвіт) з величиною хвильового вектора до ~ 104 см ‘1. Використання цих хвиль замість традиційних дипольних магнітостатичних хвиль (МСВ) з до ~ 102 см ‘1 повинно привести до зменшення розмірів цих приладів, збільшенню затримки сигналів, збільшення добротності коливань та ін Основні труднощі на шляху використання досвіт обумовлені низькою ефективністю їх порушення та багатомодове, що приводить до расфазировки порушеної набору досвіт.

Для підвищення ефективності збудження досвіт в роботі використано пружне двухмагнонное розсіяння спінових хвиль на неоднорідностях [1]. Для фазування набору досвіт застосовано параметричне звернення хвильового фронту [2].

II. Основна частина

Процес двухмагнонного розсіювання є одним з основних процесів релаксації, в результаті двухмагнонного розсіяння велика частка енергії МСВ перекачується в досвіт, де вона продовжує існувати навіть після зникнення МСВ, т. к. час життя досвіт зазвичай істотно більше часу життя МСВ. Двухмагнонное розсіювання визначається процесами пружного розсіяння хвиль на неоднорідностях, в результаті якого хвиля з хвильовим вектором до перетворюється в хвилю, що володіє вектором до ‘. Ймовірність такого процесу залежить від характеру неоднорідностей і хвильових векторів к, до ‘[1]. У разі розсіяння на неоднорідностях розміром а має максимум при к ‘= к ± 2я / а \ у високоякісних зразках залізо-иттриевой граната зазвичай а ~ 1 мкм, що означає появу в зразку хвиль з до ~ 104 см ‘1. Внаслідок того, що всі параметри неоднорідностей є випадковими, через двухмагнонного розсіювання МСВ порушується цілий набір досвіт з самими різними напрямками розповсюдження. Набір власних частот порушених досвіт

Атдо~ Т ~1 де ts – Тривалість імпульсу МСВ у

часу. При наносекундних значеннях ts набір

частот Ашдо складає десятки мегагерц. Тому

безпосереднє використання розсіяних на неоднорідностях досвіт для спрямованого переносу енергії неможливо, макроскопічний сигнал від них розсіюється в просторі і зникає за час ~ ts .

Для відновлення макроскопічного сигналу від досвіт, що виникли в результаті розсіювання сигнальних МСВ, можна скористатися процесом параметричного обернення хвильового фронту [2]. Під дією імпульсу накачування, включеного через час tp після сигнального імпульсу, з різних

точок плівки все розсіяні досвіт з різними швидкостями почнуть бігти в зворотному напрямку і все одночасно (більш швидкі хвилі пройдуть більшу відстань, повільніші – менше) досягнуто розсіюючих центрів, на яких в результаті зворотного двухмагнонного розсіювання виникне вторинна звернена МСВ, що біжить у напрямку до вхідних антені, де через час 2tp

вона сформує вихідний сигнал.

Експериментальний макет складався з плівки ж-лезо-иттриевой граната розміром 1,5 мм х 20мм х х 7,1 мкм, вміщеній всередину діелектричного (s ~ 80) резонатора накачування. Магнітостатіческіе хвилі в плівці створювалися за допомогою збудливою (і одночасно і приймальні) мікрополос-кової антени. Постійне магнітне поле Й0 було направлено вздовж напрямку поширення МСВ, тобто антеною в феритової плівці порушувалися зворотні об’ємні магнітостатіческіе хвилі (ООМСВ) [1]. Частота сигналу ® ~ 4J ГГц,

ts= 30 нс, потужність сигналу Ps = 0,3 мВт. Сигнальний електромагнітний імпульс збуджував в плівці пакет ООМСВ з хвильовими числами до ~ 102 см ‘1 і

груповий швидкістю vgm = 3 • 106 см / с. Частота накачування юр в ~ 2 рази перевищувала частоту сигналу: юр «2ms : Тривалість імпульсу накачки тр = 50 нс, її потужність Рр = 4,5 Вт Для порушення коливань накачування в діелектричному резонаторі він містився всередину стандартного прямокутного трисантиметрових хвилеводу, приєднаного до магнетронного генератора накачування. Змінне поле накачування в резонаторі було паралельним постійному магнітному полю Й0 , Тобто мав місце випадок паралельної параметричної накачки [1]. Вихідний сигнал Pout знімався з микрополосковой антени і за допомогою циркулятора прямував на вимірювальну схему.

Рис. 1. Залежність вихідної потужності Pout і часу затримки td вихідного сигналу від часу включення імпульсу накачки tp; Але = 1092 Е. Fig. 1. Dependence of the power Pout and the delay time td of the output pulse on the time tp at which the pumping pulse has been switched on, H0=1092 Oe

Результати експериментальних вимірювань потужності Pout і часу затримки td вихідного сигналу від часу включення імпульсу накачки tp зображені на рис. 1. Видно, що спостерігається експоненціальне згасання вихідний потужності з ростом tp. При цьому на кривій Pout{tp) Можна виділити три ділянки I, II, III, що мають різні швидкості спадання Pout при зміні tp . Ці швидкості

визначаються частотою релаксації хвиль, що вносять основний вклад у вихідний сигнал. Ділянка I на рис.1 при / <100 не обумовлений зверненням хвильового фронту дипольних МСВ, детально досліджених в [3]. Частота релаксації МСВ Tk=/AHk/2,

визначена з рис. 1, становить 5,5 • 10б з ‘1 (Ширина лінііАНдо = 0,65 Е). Ділянка II на рис. 1 обумовлений хвилями з АНдо -0,3 Е, ділянка III – хвилях з дядо ~ 0,18 Е-таке значення ширини лінії відповідає коротким слабозатухающім досвіт з до ~ 104 см ‘1. З рис. 1 видно, що завдяки порушенню слабозатухающіх досвіт вдалося отримати затримку мікрохвильового сигналу до 2,6 мкс, при цьому повні втрати склали 47,5 дБ, що істотно перевершує досягнуті раніше на феррито-вих лініях затримки результати [4].

III. Висновок

В роботі показана можливість використання коротких довгоживучих дипольно-обмінних спінових хвиль для обробки сигналів НВЧ діапазону. У плівках залізо-иттриевой граната здійснена затримка сигналу частоти 4,7 ГГц на час td = 2,6 мкс при

загальних втратах не перевищують 47,5 дБ.

IV. Список літератури

[1] Гуревич А. Г., Крейди Г. А. Магнітні коливання і хвилі, Наука, Москва, 1994.

[2] Зельдович Б. Я., Пилипецька Р. Ф., Шкунов В. В. Звернення хвильового фронту, Наука, Москва, 1985.

[3] Крейди Г. А., Серга А. А., Славін А. М. та ін ЖЕТФ, ш. 116, 2192, 1999.

[4]  J. D.Adam, Proc.lEEE, v.76, 159, 1988.

MICROWAVE SIGNAL PROCESING USING DIPOLE-EXCHANGE SPIN WAVES

Melkov G. A., Vasyuchka V. I., Dzyapko A. D.,

Chumak A. V.

Taras Shevchenko National University of Kiev KNU 26, Glushkova Ave., Kiev-01680, Ukraine

Tel.: +38 (044) 266-05-53: fax: +38 (044) 266-06-00 e-mail: melkov@univ.kiev.ua

Abstract – The possibility of application of dipole-exchange spin waves (DESW) in ferrite (yttrium-iron garnet or YIG) films for microwave signal processing is investigated. The short- wavelength DESW were excited as a result of scattering of an input long-wavelength dipolar spin wave pulse on inhomogeneities in the YIG film.

I. Introduction

Currently, all the applications of ferrite films in microwave frequency range are based on the excitation of relatively long wave magnetostatic waves (MSW) with wave vector magnitudes in the range of k< 102 cm’1. Relatively short dipole exchange spin waves (DESW) having wave vector magnitudes in the range of k = 104 cm’1 have several important advantages in comparison with MSW: much smaller group velocity and several times smaller dissipation parameter. The main difficulties in using of DESW are caused by the low excitation efficiency and by multimode character of such excitation.

II. Main part

To solve the problem of effective transformation of electromagnetic signals into DESW we use the process of two- magnon elastic scattering of linearly excited long wavelength MSW on the inhogeneities and defects existing in a ferrite sample. In the process the highest probability of excitation corresponds to the DESW withfc«|fcm +2Wa| , where a – is the

characteristic size of the inhomogeneity or defect. For the high- quality samples of YIG, having a typical defect size of the order of 1 |xm, this means that that packet of relatively slow and short-

wavelength DESW with k ~ 104 cm’1 will be excited.

To solve the problem of phasing of the DESW packet we used pulsed microwave pumping for parametric wave front reversal. As a result of the action of the parametric pumping supplied to the film at the moment t = t reversed idle waves will be generated. At the time t = 2tp all the reversed waves will be phased,

and will form a substantial delayed output signal.

The experimental setup consisted of an YIG film waveguide, the middle part of which was placed in a rectangular opening inside a dielectric (s = 80) resonator, and a single

microstrip transducer used for excitation and reception of the pulsed MSW signal having carrier frequency ms ! 2n = 4.7 GHz.

The results of the experimental measurements of the power Pout and the delay time td of the output signal as functions of

the time tp are presented in Fig.1. It is clear from Fig. 1 that

due to the excitation of low-dissipative DESW we were able to obtain the delay of the input pulsed microwave pulse of up to

2.6  us, while the total insertion loss was 47.5 dB.

III. Conclusion

We have demonstrated that short and low-dissipative DESW with k = 104 cm’1 can be successfully used for microwave signal processing in YIG films, and the controlled time delay of the input pulsed signal exceeding 2.5 (js can be achieved when insertion losses are lower than 20 dB/(js.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»