Экономика в промышленности Под редакцией профессора А. В. Ляшенко Саратов Издательство Саратовского университета 2015
Скачать 2.44 Mb.
|
ЭФФЕКТЫ НЕВЗАИМНОСТИ ПРИ РАСПРОСТРАНЕНИИ ГИБРИДНЫХ ВОЛН В ПОПЕРЕЧНО ОГРАНИЧЕННОЙ СЛОИСТОЙ МУЛЬТИФЕРРОИДНОЙ СТРУКТУРЕ А. В. Садовников, К. В. Бубликов, М. А. Константинова, Е. Н. Бегинин, С. Е. Шешукова Саратовский государственный университет Россия, 410012, Саратов, Астраханская, 83 E-mail: SadovnikovAV@gmail.com В работе рассмотрены эффекты гибридизации поверхностной спиновой и электромагнитной волн в слоистой мультиферроидной структуре феррит-сегнетоэлектрик. С помощью метода конечных элементов проведен расчет дисперсионных характеристик волн, распространяющихся в структуре. Показана трансформация модового состава гибридных спиновых электромагнитных волн в области связи медленной и быстрой электромагнитной волн. Продемонстрировано влияние направления распространения электромагнитной спиновой волны на эффективность гибридизации в волноведущей структуре. Ключевые слова: поверхностная волна, невзаимность, слоистая структура, гибридизация. Nonreciprocity of Surface Hybrid Spin-Electromagnetic Waves in Layered Finite-Width Ferrite-Ferroelectric Structure А. V. Sadovnikov, K. V. Bublikov, M. A. Konstantinova, E. N. Beginin, S. E. Shehukova In the present work hybridization effects of the spin and electromagnetic waves in a layered structure ferrite-ferroelectric are considered. Using the finite element method the electrodynamic properties of the layered structure are calculated. Shows the transformation of the modes of hybrid electromagnetic waves in the field of communication of slow and fast electromagnetic waves. Shows the influence of the direction of propagation of electromagnetic waves on the spin hybridization efficiency and distribution fields in the waveguide structure. Key words: surface wave, non-reciprocity, layered structure, hybridization. В связи с развитием новых технологий изготовления тонкопленочных мультиферроидных структур типа феррит-сегнетоэлектрик [1] в настоящее время актуальным является исследование перспективного класса таких планарных волноведущих систем. Известно, что поверхностные спиновые волны (ПСВ) в ферритовых пленках распространяются преимущественно вдоль одной из поверхностей (максимум полей локализован вблизи одной из сторон пленки) [2]. Это связано с направлением постоянного магнитного поля, перпендикулярного направлению распространения ПСВ. При этом в случае симметричной нагрузки феррита свойства волн, распространяющихся в разных направлениях и с разных сторон, окажутся одинаковыми. Если же нагрузка будет различной либо поверхность феррита окажется деформирована, то условия для распространения ПСВ в разных направлениях оказываются неодинаковыми. В этом случае будут проявляться отличия в свойствах дисперсионных характеристик. Данный эффект называется свойством невзаимности [3] и хорошо изучен для направляющих структур с частичным заполнением гиротропной средой [3], для магнонных кристаллов с периодической деформацией поверхности или периодической металлизацией [4, 5]. Большой интерес к мультиферроикам вызван возможностью двойного внешнего управления, когда электронная перестройка происходит за счет изменения приложенных постоянных электрических и магнитных полей. Активно разрабатываются приборы на основе мультиферроиков, такие как перестраиваемые СВЧ-фильтры, фазовращатели, ответвители мощности [6–8]. Учет свойств невзаимности в слоистых структурах оказывается важным ввиду возможности расширения функциональности указанных СВЧ-устройств. Создание устройств со сложной геометрией и тенденция к уменьшению их размеров требуют рассмотрения волновых процессов с учетом многомодового характера распространения. При этом аналитическое электродинамическое решение задач подобного рода затруднено ввиду того, что для поперечно ограниченных структур с гиротропными средами уравнения Максвелла не распадаются на независимые системы ТЕ- и ТМ-волн [3], и анализ электродинамических характеристик требуется проводить, используя численные методы. В данной статье при помощи метода конечных элементов (МКЭ) впервые рассматриваются невзаимные свойства гибридных волн, распространяющихся в разных направлениях в слоистой структуре феррит-сегнетоэлектрик, ограниченной в поперечном направлении, а также результаты исследования особенностей гибридизации и свойств невзаимности гибридных волн для быстрых и медленных ветвей дисперсионных характеристик. В работе [9] на примере планарного ферритового волновода конечной ширины авторами была рассмотрена электродинамическая задача методом конечных элементов для квази ТЕ-волн с отличными от нуля компонентами полей вдоль направления распространения (далее приставку «квази» будем опускать). В исследуемой частотной области свойства этих волн соответствуют ПСВ. Решим похожую задачу для касательно намагниченной (H0 = 1300 Э) структуры, состоящей из нагруженного сегнетоэлектриком (СЭ) железоиттриевого граната (ЖИГ) на подложке галлий-гадолиниевого граната (ГГГ). Ширина слоев 2 мм, толщина ЖИГ 20 мкм, СЭ 300 мкм, ГГГ 500 мкм. Граничные условия в виде металлических экранов задавались вдали от ферритовой пленки с целью исключить их влияние на результаты расчета (40 толщин пленки ЖИГ до металлических стенок сверху и снизу от поверхности ЖИГ, 1,5 ширины пленки до магнитных стенок слева и справа расчетной области). Для такой структуры в работе [10] на примере первой поперечной (ширинной) моды с помощью МКЭ был показан хорошо известный эффект гибридизации [11], приводящий к расталкиванию дисперсионных кривых и вызванный взаимодействием ТЕ-волн парциальных систем диэлектрического и ферритового волновода. Рассмотрим взаимодействие поверхностных ТЕ-волн, распространяющихся в слое ЖИГ со стороны сегнетоэлектрика (будем называть их прямыми и обозначим индексом k+) и со стороны подложки ГГГ (будем называть их встречными и обозначим индексом k–), с волнами – ТЕ, распространяющимися в СЭ-слое. Согласно общепринятой терминологии [3], рассматриваемые поперечные моды волн ферритового слоя будем обозначать ТЕФn, а поперечные моды сегнетоэлектрического слоя ТЕСn, где n – номер моды, соответствующий числу вариаций поля в поперечном направлении структуры. Ветви гибридных волн, групповая скорость которых с уменьшением частоты падает, будем называть ТЕС-Фn, а ветви с возрастающей групповой скоростью – ТЕФ-Сn (по асимптотическому поведению с уменьшением частоты). На примере первой и третьей ширинных мод рассмотрим взаимодействие парциальных систем для значения 4000 диэлектрической проницаемости СЭ-слоя, что соответствует используемым варикондам ВК-4 [12]. Дисперсионные характеристики прямых и встречных волн ферритового и диэлектрического волноводов без взаимодействия представлены на рис. 1, а, б для n = 1 и n = 3 соответственно. В данном случае дисперсии прямых и встречных волн совпадают, т. е. эффектов невзаимности не наблюдается. Результаты расчета слоистой структуры (см. рис. 1, в, г) показывают, что процесс гибридизации привел к расталкиванию дисперсионных кривых первой (см. рис. 1, в) и третьей (см. рис. 1, г) мод. Эффект максимален в области f и k вблизи пересечения мод парциальных систем с соответствующими номерами. При этом в слоистой структуре гибридные волны, распространяющиеся в разных направлениях, проявляют невзаимные свойства. Максимум эффекта невзаимности, который можно трактовать как разницу между k+- и k–-волн [3]:  , соответствует максимальному расталкиванию и соответственно точке пересечения дисперсионных кривых парциальных систем. Стоит также отметить, что частоты отсечек k+-волн в слоистой структуре возросли и находятся выше f, в отличие от волн, распространяющихся со стороны подложки ГГГ. Эти различия волновых процессов стоит соотнести с процессами гибридизации, эффективность которых зависит от перекрытия полей парциальных систем.Поэтому для встречных волн, максимум компонент полей которых сосредоточен со стороны подложки, область взаимодействия существенно сужается к точке пересечения дисперсионных кривых волн ферритового и диэлектрического волноводов, в отличие от прямых волн, компоненты которых оказываются локализованными внутри СЭ-слоя. Из рис. 1, в, г можно также видеть, что разница между k+- и k–-волн для первой поперечной моды оказывается больше, чем для третьей, а область взаимодействия парциальных систем с ростом моды смещается по частоте вниз. 0 50 100 150 k, см–1 5,8 f, ГГц 5,7 5,6 5,5 f 0 50 100 150 k, см–1 0 50 100 150 k, см–1 0 50 100 150 k, см–1 5,8 f, ГГц 5,7 5,6 5,5 5,8 f, ГГц 5,7 5,6 5,5 5,8 f, ГГц 5,7 5,6 5,5 f f f сэ = 4000 сэ = 4000 сэ = 4000 сэ = 4000 а б в г ТЕС3 k+, k– k+ k– ТЕФ–С3 k+ k– ТЕФ3 k+, k– ТЕС–Ф3 ТЕС–Ф1 ТЕФ-С1 k– k+ k– k+ ТЕФ1 k+, k– ТЕС1 k+, k– Рис. 1. Результаты расчета дисперсионных характеристик волн парциальных систем без взаимодействия (ферритового и диэлектрического волноводов) для первой (а) и третьей (б) мод, а также волн в слоистой структуры для первой (в) и третьей (г) мод Электродинамический расчет был выполнен также для первой и третьей поперечных мод для случая, когда диэлектрическая проницаемости СЭ-слоя составляла 8000, что соответствует используемым варикондам ВК-8 [12]. Результаты представлены на рис. 2. Можно видеть, что область связи парциальных систем смещается в область больших частот. При этом расстояние по волновым числам между ветвями дисперсионных кривых ТЕФ-С и ТЕС-Ф при расталкивании выросло как для прямых, так и для встречных волн, что указывает на возросшую эффективность гибридизации. Наблюдается также незначительное увеличение разницы между k+- и k–-волн, т. е. возрастание невзаимных свойств. 5,8 f, ГГц 5,7 5,6 5,5 f 0 50 100 150 k, см–1 0 50 100 150 k, см–1 0 50 100 150 k, см–1 0 50 100 150 k, см–1 5,8 f, ГГц 5,7 5,6 5,5 5,8 f, ГГц 5,7 5,6 5,5 5,8 f, ГГц 5,7 5,6 5,5 f f f сэ = 8000 сэ = 8000 сэ = 8000 сэ = 8000 а б в г ТЕС31 k+, k– k+ k– ТЕФ–С31 k+ k– ТЕФ30 k+, k– ТЕС–Ф31 ТЕС-Ф11 ТЕф–с11 k– k+ k– k+ ТЕФ10 k+, k– ТЕС11 k+, k– Рис. 2. Результаты расчета дисперсионных характеристик волн парциальных систем без взаимодействия (ферритового и диэлектрического волноводов) для первой (а) и третьей (б) мод, а также волн в слоистой структуре для первой (в) и третьей (г) мод Таким образом, на основе приведенных результатов можно сделать следующие выводы:
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (гранты 13-02-00732, 13-07-12409, 14-02-00976), РНФ (15-19-10040) и стипендий президента РФ (СП-313.2015.5, СП-1551.2013.5). БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
УДК 537.53 |
Похожие:
 | Решением Президиума вак министерства образования и науки РФ издание включено в Перечень ведущих рецензируемых изданий, в которых |  | К38 Неправомерные действия должностных лиц налоговых органов. Саратов: Изд-во Сарат ун-та, 2008 376 с.: ил. 978-5-292-03835-1 |
| Лингвометодические проблемы преподавания иностранных языков в высшей школе: Межвуз сб науч тр. / Под ред. Л. И. Со | | Лингвометодические проблемы преподавания иностранных языков в высшей школе: Межвуз сб науч тр. / Под ред. Л. И. Со |
| Экономика. Теория и практика: материалы III международной научно-практической конференции (16 июня 2015 г.). Отв ред. Зарайский А.... | | О. В. Бессчетнова : под ред. Г. В. Дыльнова. — Саратов : Научная книга, 2008. — 288 с |
| Для преподавателей, научных работников и студентов, обучающихся по специальности «Социально-культурный сервис и туризм» | | Для преподавателей, научных работников и студентов, обучающихся по специальности «Социально-культурный сервис и туризм» |
| «Педагогика и психология» Пензенского государственного технологического университета О. А. Вагаева | | «Педагогика и психология» Пензенского государственного технологического университета О. А. Вагаева |