5.2. Приборы и устройства функциональной
магнетоэлектроники
5.2.1. Процессоры сигналов на цмд
Уникальные свойства динамических неоднородностей магнитоэлектронной природы позволяют создать весьма эффективные устройства обработки информации. ЦМД как носитель информационного сигнала обладает следующими уникальными свойствами:
- домен в процессах сохраняет форму круглого цилиндра;
- свободно перемешается в двух измерениях;
- управляемо меняет форму, растягиваясь в полосовой домен;
- позволяет перейти к другому физическому носителю информационного сигнала, в том числе многозначному;
- управляемо зарождается или коллапсирует;
- реплицируется, делясь на две части и восстанавливая первоначальную форму и размер;
- визуально и электрически регистрируется;
- дипольно взаимодействует с другими соответствующими ЦМД.
Учитывая эти свойства ЦМД, можно выделить следующие отличительные от интегральных схем свойства приборов функциональной электроники:
1) управление процессами обработки информации и ее передача физическими носителями по информационным каналам имеет тотальный и синхронный характер;
2) компланарность носителей информационного сигнала имеет две степени свободы его передачи и поэтому время обработки информации уменьшается;
3) динамические неоднородности в виде ЦМД при взаимодействии друг с другом неограниченно долго сохраняют свои конечные размеры и количество в системе до, во время и после взаимодействия.
Эти свойства позволяют создать процессоры для обработки дискретной информации. Анализ показывает, что можно создать логические элементы, реализующие следующие функции: повторение, ИЛИ, И, НЕ, исключающее ИЛИ. Эти элементы и их сочетания позволяют обрабатывать функционально полные системы логических элементов.
На рис. 5.9 показаны реализации логических элементов с ортогональным и антипараллельным расположением входов.
Рис. 5.9. Логические элементы на основе ЦМД:
а - с ортогональным; б - с параллельным
расположением входов Х1 и Х2
5.2.2. Процессоры сигналов на мсв
Переспективными процессами обработки сигналов в гигагерцевом диапазоне являются линии задержки на магнитостатических волнах. Эти устройства напоминают процессоры на ПАВ.
Конструктивно линия задержки на МСВ реализуется на многослойной структуре, состоящей из прочной подложки (Al2O3), тонкопленочной континуальной среды из железо-иттриевого граната (ЖИГ) и галлий-гадолннневого граната (ГГГ) (рис. 5.10).
Такой «сэндвич» является эффективной континуальной средой. Следует отметить, что тонкопленочная технология производства сред для устройств на МСВ совместима с технологией интегральных схем. В зависимости от свойств среды магнитостатические волны распространяются с дисперсией или бездисперсионно, время задержки на всех частотах одинаково. На рис. 5.10, а представлена бездисперсионная линия задержки. На входной детектирующий микрополосковый преобразователь поступает сигнал, который возбуждает МСВ, несущие с задержкой информацию на выходной генерирующий микрополосковый преобразователь. МСВ с частотой линейно не связаны, поэтому в линиях задержки наблюдается зависимость времени задержки от частоты (рис. 5.10, б). Для компенсации такой зависимости прикладывают магнитное поле, перпендикулярно направленное к пленке железо-итгриевого граната (ЖИГ). Используя также две заземленные обкладки, можно изменить параметры распространения МСВ и обеспечить постоянное время задержки в заданном частотном интервале.
В зависимости от направления приложенного поля можно возбудить различные типы волн. При направлении поля по оси z, приложенного перпендикулярно слою ЖИГ, возбуждается прямая объемная волна. Задержка сигнала возрастает с частотой.
Рис. 5.10. Линия задержки на МСБ (а) и ее характеристика (б)
При приложении поля вдоль оси х генерируется обратная объемная волна с убывающей зависимостью задержки от частоты. И наконец, при направлении магнитного поля вдоль оси у генерируются поверхностные волны, аналогичные ПАВ.
Линия задержки, использующая прямую волну, имеет возрастающую линейно-частотную модуляцию (ЛЧМ), а с обратной волной - убывающую. Если спектр сигнала, поступающего в линию задержки, соответствует полосе пропускания этой линии задержки, но имеет противоположный закон изменения задержки с частотой, например, убывающей, то выходной сигнал будет иметь форму узкого пика. Коэффициент сжатия может составлять несколько порядков.
Линия задержки может быть использована в качестве трансверсального фильтра. Известно, что требуемую характеристику фильтра получают путем суммирования и взвешивания выходных сигналов с ряда слабо связанных отводов. С их помощью снимают сигналы, распространяющиеся в линии задержки. Для приборов на магнитостатических поверхностных волнах существует возможность легкого ветвления волны в любых точках тракта распространения.
Заметим, что в зависимости от типа используемых входных и выходных преобразователей, соответственно генераторов и детекторов МСВ, можно получить различные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) преобразования. Преобразователь меандрового типа генерирует АЧХ, описываемую функцией (sinx)/x. Преобразователь с параллельными полосками работает в длинноволновой части спектра и генерирует вдвое больше гармоник, чем меандровая структура. Эти преобразователи легли в основу конструкции трансверсальных фильтров на МСВ, полосковых фильтров.
Устройство преобразования спектра СВЧ-сигналов - серродин представлен на рис. 5.11.
Основой конструкции является линия задержки, в которую встроена катушка подмагничивания для модуляции магнитного поля. В качестве континуальной среды использовалась пленка ЖИГ толщиной 10 мкм на подложке из ГГГ. Серродин работает в диапазоне частот 2 - 5 ГГц. Для динамической перестройки серродина необходимо изменить магнитное поле на несколько эрстед. Это можно реализовать с помощью малоиндукционных катушек, входящих в устройство управления серроднном. Динамический диапазон по входному сигналу составляет 30 - 50 дБ, величина управляемого сдвига частот от сотых долей до десятка килогерц при искажении спектра частот порядка 5 %. Расширение функциональных возможностей приборов на магнитостатических волнах будет обеспечено благодаря использованию эффектов взаимодействия этого типа динамических неоднородностей с акустическими, оптическими и другими типами волн.
Рис. 5.11. Конструкция серродина на МСВ: 1 - пленка ЖИГ;
2 - подложка из ГГГ; 3 - поликоровая пластина;
4 - микрополосковые преобразователи;
5 - модулирующие катушки;
6 - самарий-кобальтовые постоянные магниты