Малишев Володимир Юрійович Мікрохвильові властивості магнітокерованих пристроїв на основі резонатора поверхневої електромагнітної хвилі

Короткий опис

Малишев Володимир Юрійович, асистент кафедри нанофізики та наноелектроніки, Київський національний університет імені Тараса Шевченка. Назва дисертації: «Мікрохвильові властивості магнітокерованих пристроїв на основі резонатора поверхневої електромагнітної хвилі». Шифр та назва спеціальності 01.04.03 радіофізика. Спецрада Д 26.001.31 Київського національного університету імені Тараса Шевченка

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА
Кваліфікаційна наукова
праця на правах рукопису
Малишев Володимир Юрійович
УДК 537.6/.8, 537.86/.87
ДИСЕРТАЦІЯ
МІКРОХВИЛЬОВІ ВЛАСТИВОСТІ МАГНІТОКЕРОВАНИХ ПРИСТРОЇВ
НА ОСНОВІ РЕЗОНАТОРА ПОВЕРХНЕВОЇ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ
ХВИЛІ
01.04.03 – радіофізика
Подається на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук
Дисертація містить результати власних досліджень. Використання ідей,
результатів і текстів інших авторів мають посилання на відповідне джерело
______________________ В.Ю. Малишев
Науковий керівник Мелков Геннадій Андрійович
доктор фізико-математичних наук, професор
Київ – 2021

ЗМІСТ
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ..................................................................... 13
ВСТУП........................................................................................................................... 14
Розділ 1. ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ............................................................................... 26
1.1. Поверхневі електромагнітні хвилі (ПЕХ)........................................................ 26
1.1.1. ПЕХ на плоскій границі розділу середовищ ............................................ 27
1.1.2. ПЕХ у плоскопаралельній лінії передачі.................................................. 32
1.1.3. ПЕХ у плазмонних системах ..................................................................... 34
1.2. Резонатор поверхневої електромагнітної хвилі (РПЕХ) та надпровідні
пристрої на його основі ............................................................................................ 38
1.2.1. Будова РПЕХ ............................................................................................... 38
1.2.2. Збудження РПЕХ......................................................................................... 40
1.2.3. РПЕХ у прямокутному хвилеводі ............................................................. 42
1.2.4. Надпровідні пристрої на основі РПЕХ ..................................................... 45
Розділ 2. МЕТОДИКИ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ................ 49
2.1. Блок-схема проведених досліджень................................................................. 49
2.2. Зразки для експериментальних досліджень .................................................... 50
2.3. Дослідження мікрохвильових властивостей РПЕХ та пристроїв на його
основі 59
2.4. Дослідження РПЕХ та пристроїв на його основі за кріогенних температур64
2.4.1. Кріосистема “УТРЕКС”.............................................................................. 64
2.4.2. Мікрокріогенна система замкненого циклу ............................................. 67
2.5. Дослідження РПЕХ та пристроїв на його основі в магнітному полі............ 71
Розділ 3 МІКРОХВИЛЬОВІ ВЛАСТИВОСТІ МЕТАЛЕВИХ I
НАДПРОВІДНИХ РПЕХ ........................................................................................... 74
3.1. РПЕХ у стандартному 3-см прямокутному хвилеводі................................... 74
3.1.1. Металевий РПЕХ без діелектричної підкладки....................................... 74
3.1.2. Металевий РПЕХ на співрозмірній діелектричний підкладці ............... 78
3.1.3 РПЕХ у нестандартних хвилеводах ........................................................... 81
12
3.1.4. Надпровідний РПЕХ................................................................................... 84
3.1.5. Вплив товщини РПЕХ на його мікрохвильові властивості.................... 86
3.2. РПЕХ на надрозмірній діелектричній підкладці ............................................ 88
3.2.1. Вплив розташування РПЕХ відносно надрозмірної діелектричної
підкладки................................................................................................................ 88
3.2.2. РПЕХ на надрозмірній діелектричній підкладці при зміні одного з
власних латеральних геометричних розмірів резонатора................................. 90
Висновки до розділу 3 .............................................................................................. 93
Розділ 4. МАГНІТОКЕРОВАНІ ФІЛЬТРИ НА ОСНОВІ РПЕХ....................... 95
4.1. Фільтр на основі РПЕХ та плівки ЗІГ. ............................................................. 95
4.1.1. Фільтр на основі металевого РПЕХ та плівки ЗІГ................................... 96
4.1.2. Фільтр на основі надпровідного РПЕХ та плівки ЗІГ........................... 102
4.2. Фільтр на основі зв’язаних РПЕХ .................................................................. 105
Висновки до розділу 4 ............................................................................................ 112
Розділ 5. МІКРОХВИЛЬОВІ ВЛАСТИВОСТІ ЕКРАНОВАНОГО
ФЕРОМАГНІТНОГО РПЕХ................................................................................... 114
5.1. Теоретичний аналіз електромагнітних коливань в структурі феромагнітний
метал – екранований діелектрик............................................................................ 114
5.1.1. Поверхневі плазмон-поляритони у хвилеводній структурі реальний
метал – екранований діелектрик........................................................................ 116
5.1.2. Поверхневі магнон-плазмон-поляритони в резонансній структурі
реальний феромагнітний метал–екранований діелектрик.............................. 121
5.2. Експериментальні дослідження мікрохвильових властивостей
феромагнітного РПЕХ у достатньо слабкому магнітному полі......................... 130
Висновки до розділу 5 ............................................................................................ 139
ВИСНОВКИ ............................................................................................................... 140
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ .............................................................. 142
ДОДАТОК. СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗДОБУВАЧА......................................... 156

Список літератури

ВИСНОВКИ
1. Резонатор поверхневої електромагнітної хвилі (РПЕХ) 3-см діапазону довжин
хвиль є більш зручним інструментом для дослідження мікрохвильових
ефектів, що відбуваються за участі поверхневих електромагнітних хвиль, аніж
досліджений раніше РПЕХ 8-мм діапазону довжин хвиль: а) спектр власних
частот f(l, w) РПЕХ 3-см діапазону довжин хвиль, який включає в себе частоти
як поперечних (f ~ 1 / l), так і поздовжніх (f ~ 1 / w) коливань, є більш
впорядкованим; б) добротність РПЕХ у 3-см діапазоні довжин хвиль
виявляється помітно більшою і може сягати ~ 1000 для металевих РПЕХ і
~ 4000 для надпровідних РПЕХ за температури кипіння рідкого азоту.
2. РПЕХ є квазідвовимірним відкритим резонатором, мікрохвильові властивості
якого залежать від товщини провідної плівки РПЕХ d, розмірів діелектричної
підкладки та розмірів широкої a та вузької b стінок прямокутного хвилеводу, в
якому розміщено резонатор: а) за умови d ≪ l, w частота коливань основної
моди РПЕХ не залежить від d, проте добротність коливань Q0 ~ lg d при
d < 10 мкм, Q0 ≈ const при d > 10 мкм; б) за умови, що латеральні розміри
діелектричної підкладки L, W, на якій розміщено РПЕХ, перевищують
відповідні розміри резонатора l та/або w, відбувається трансформація спектра
коливань РПЕХ із одночасним зменшенням частот коливань та зміною їх
добротності (цей ефект найсильніше проявляється для резонаторів малих
розмірів розташованих поблизу від краю діелектричної підкладки); в) із
збільшенням розмірів поперечного перерізу a×b прямокутного хвилеводу, в
якому розміщено РПЕХ, частоти коливань РПЕХ зменшуються (на ~ 0,5 ГГц),
проте добротності коливань збільшуються (на 10–20%). Зазначені ефекти
пояснюються трансформацією розподілу електромагнітного поля коливань
РПЕХ для резонаторів нетипової конфігурації, що може бути використано для
розробки нестандартних магнітокерованих пристроїв на основі РПЕХ.
3. Розроблено магнітокерований фільтр на основі РПЕХ і плівки залізо-ітрієвого
гранату (ЗІГ), що має робочу смугу частот Δf ~ 20 – 90 МГц і здатний
141
забезпечити перебудову частоти фільтра на величину ~ 900 МГц (~ 4 ГГц для
надпровідного РПЕХ) у тангенціальному магнітному полі H ~ 2,5 кЕ.
Встановлено, що такі фільтри мають оптимальні характеристики (втрати в
смузі загородження ~ 38 дБ, крутизна фронтів АЧХ ~ 6 дБ/МГц, втрати поза
смугою < 3 дБ), коли між плівкою ЗІГ та провідною поверхнею РПЕХ
розташовано діелектричний прошарок товщиною ~ 10 мкм. Цей ефект
пояснюється наявністю мінімальних спотворень розподілу електромагнітного
поля коливань РПЕХ і плівки ЗІГ з одночасним існуванням достатньо
сильного зв’язку між цими коливаннями.
4. Експериментально досліджено взаємодію двох окремих РПЕХ та двох РПЕХ,
розташованих на спільній надрозмірній діелектричній підкладці, і показано,
що оптимальна взаємодія між резонаторами, за якої забезпечується
синхронізація їх коливань, досягається при відстані між ними ~ λw/2, де λw –
ефективна довжина хвилі в хвилеводі (з урахуванням впливу діелектричної
підкладки). Розроблено дволанковий режекторний фільтр 3-см діапазону
довжин хвиль на основі двох взаємодіючих надпровідних РПЕХ,
розташованих у позамежному хвилеводі, що має помітно кращі
характеристики (втрати в смузі загородження ~ 43 дБ, крутизна фронтів АЧХ
~ 0,3 дБ/МГц), аніж одноланковий фільтр на основі РПЕХ.
5. Теоретично та експериментально вивчена можливість реалізації
магнітокерованих РПЕХ 3-см діапазону частот на основі феромагнітних
матеріалів і показано, що для таких систем у зовнішньому постійному
магнітному полі B ~ 200 мТл відбувається перебудова частоти резонатора на
~ 1%, коефіцієнта стоячої хвилі ~ в 7 разів. Ефект перебудови характеристик
РПЕХ є максимальним за умови, що мікрохвильове магнітне поле основної
моди РПЕХ є ортогональним до поля підмагнічування, і мінімальним, коли ці
поля є паралельними. Поведінка такої системи може бути пояснена
існуванням мікрохвильових поверхневих магнон-плазмон-поляритонів
(ПМПП), які збуджуються в матеріалі резонатора, за умови, що частота
коливань РПЕХ стає близькою до частоти магнонів у феромагнетику.