Наиболее значимые результаты лаборатории электродинамики и СВЧ электроники

Микромагнитный анализ краевых эффектов в тонкой магнитной пленке при возбуждении колебаний намагниченности на локальных участках

Авторы: Б.А. Беляев, А.В. Изотов, Г.В. Скоморохов, П.Н. Соловьев.

Численный анализ динамики намагниченности пермаллоевой магнитной пленки (Ni₇₅Fe₂₅) с одноосной магнитной анизотропией H_a, находящейся в планарном постоянном магнитном поле H, проведен микромагнитным расчетом ее 3D-модели, в которой пленка размерами 10´10 мм и толщиной 60 нм разбивалась на 256´256´1 дискретных элементов. Участок пленки диаметром 1 мм возбуждался переменным магнитным полем h на частоте 2.3 ГГц. На каждом локальном участке по угловым зависимостям поля ФМР было найдено эффективное поле анизотропии H_a^эфф, величина которого на краях пленки сильно отличается от поля H_a. Обнаружено, что в магнитных полях меньших поля H_ФМР = 43.9 Э локальное воздействие СВЧ полем возбуждает в пленке неоднородные колебания намагниченности – магнитостатические волны, которые распространяются перпендикулярно ориентации магнитного момента вправо и влево от локальной области. Эти колебания у краев пленки, отличаются по характеру и амплитуде от колебаний в ее центре. В полях H ³ H_ФМР волны колебаний намагниченности не возбуждаются.

Показано, что обнаруженные эффекты обусловлены полями размагничивания, возникающими на краях пленки. При ориентации равновесной намагниченности перпендикулярно краю исследуемой пленки, размагничивающее поле по абсолютной величине может достигать огромных значений ~ 13 кЭ.

Фрагмент 3-D модели магнитной пленки – (a), распределение по площади пленки поля эффективной одноосной магнитной анизотропии – (b) и распределение амплитуды переменной намагниченности m_rf  при возбуждении колебаний в центре пленки (x = 0, y = 0), у края, параллельного оси абсцисс (x = 0, y = 4.5 мм) и у края, параллельного оси ординат, (x = −4.5 мм, y = 0).

Беляев Б.А., Изотов А.В., Скоморохов Г.В., Соловьев П.Н.
Микромагнитный анализ краевых эффектов в тонкой магнитной пленке
при локальном возбуждении колебаний намагниченности //
Изв. ВУЗов. Физика. – 2020. – Т. 63. № 5. – С. 116-121. (Impact Factor WoS – 0.616, Q4)

 

СВЧ полосно-пропускающий фильтр и поляризатор из диэлектрических слоев с субволновыми решетками полосковых проводников

Авторы: Б.А. Беляев, В.В. Тюрнев, А.С. Волошин, Ан.А. Лексиков, Р.Г. Галеев, В.Ф. Шабанов.

Финансирование: Мин. науки и высшего образования РФ (соглашение № 075-11-2019-078)

Тип результата: прикладной

СВЧ поляризатор (патент РФ № 2619137) и фильтр (патент РФ № 2687978) состоят из спрессованных диэлектрических слоев, на поверхностях которых изготовлены субволновые металлические решетки в виде параллельных полос, сеток и патчей. Резонаторы в структуре состоят из двух диэлектрических слоев, разделенных наружными и внутренними решетками.

Поляризатор вдвое увеличивает емкость канала в радиорелейной связи, при передаче сигнала в одной полосе на двух ортогональных поляризациях. В многоканальных системах связи с близкими полосами пропускания использование двух чередующихся ортогональных поляризаций позволяет значительно уменьшить взаимное влияние смежных каналов.

Полосно-пропускающий фильтр может служить основой при изготовлении панелей радиопрозрачных в заданном диапазоне частот укрытий для приемо-передающих антенн.

Амплитудно-частотные характеристики поляризатора (слева) и фильтра (справа). Линии – расчет, точки эксперимент. Вверху фотографии устройств – (a) и фрагменты наружных – (b) и внутренних – (c) решеток полосковых проводников их резонаторов.

Беляев Б.А., Тюрнев В.В., Волошин А.С., Лексиков Ан.А., Галеев Р.Г., Шабанов В.Ф.
Полосно-пропускающий фильтр-поляризатор на диэлектрической слоистой структуре
с решетками полосковых проводников //
ДАН. – 2020. – Т. 493. – С. 5-10.
Беляев Б.А., Тюрнев В.В., Волошин А.С., Лексиков Ан.А., Галеев Р.Г., Шабанов В.Ф.
Полосно-пропускающий фильтр из диэлектрических слоев
с субволновыми решетками полосковых проводников на границах //
ДАН. – 2020. – Т. 494. – С. 75-81.

Однонаправленная магнитная анизотропия в нанокристаллической тонкой пермаллоевой пленке, индуцированная градиентом деформаций

Авторы: Б.А. Беляев, А.В. Изотов, П.Н. Соловьев, Н.М. Боев.

С помощью сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса исследовано влияние неоднородных упругих деформаций на параметры магнитной анизотропии нанокристаллической пермаллоевой тонкой пленки магнитострикционного состава Ni_71.5Fe_28.5. Заданное распределение упругих деформаций в пленке обеспечивалось контролируемым изгибом специально изготовленной стеклянной подложки со ступенькой толщины, сделанной на противоположной относительно пленки стороне. При изгибе такой подложки в области «ступеньки» происходит значительное «усиление» градиентов упругих напряжений по сравнению с однородной по толщине подложкой. Помимо индуцированной упругими напряжениями одноосной магнитной анизотропии (анизотропии второго порядка) в пленке обнаружена однонаправленная магнитная анизотропия (анизотропии первого порядка), связанная с градиентами упругих напряжений. Показано, что эта однонаправленная анизотропия обусловлена флексомагнитным эффектом, устанавливающим связь между намагниченностью пленки и величиной градиента деформации. Экспериментально измеренное значение коэффициента флексомагнитной связи для исследованной тонкой пленки составило 1.5×10³ Oe∙cm.

Слева на рисунке схематическое изображение держателя для формирования контролируемых деформаций в магнитной пленке на подложке со ступенькой толщины. Справа – распределение параметров одноосной – H₂, и однонаправленной – H₁ магнитной анизотропии по площади тонкой магнитной пленки под воздействием изгибной деформации «ступенчатой» подложки. Белые черточки – направление осей легкого намагничивания одноосной анизотропии, стрелки – однонаправленной анизотропии.

 Boris A. Belyaev, Andrey V. Izotov, Platon N. Solovev, and Nikita M. Boev.
Strain-Gradient-Induced Unidirectional Magnetic Anisotropy in Nanocrystalline Thin Permalloy Films. //
Physica Status Solidi Rapid Research Letter. 2019. 1900467.

 

Эффективные электромагнитные параметры диэлектрической среды
с металлическими наночастицами

Авторы: Б.А. Беляев, В.В. Тюрнев

Получены спектры эффективной комплексной диэлектрической проницаемости и эффективной комплексной магнитной восприимчивости для диэлектрической среды с металлическими наночастицами. В отличие от подходов Бруггемана и Максвелла Гарнетта, использующих в расчетах квазистатическое приближение, рассчитано неоднородное распределение электромагнитных полей внутри металлических наночастиц, что позволило исследовать зависимость электромагнитных параметров гетероструктуры не только от частоты, но и от размера частиц. Показано, что частота плазмонного резонанса понижается как с увеличением размера частиц, так и с увеличением их концентрации в гетероструктуре. Показано также, что диэлектрическая среда, содержащая немагнитные металлические наночастицы, проявляет диамагнитные свойства. При этом положение максимума на частотной зависимости мнимой части магнитной восприимчивости совпадает с частотой релаксации носителей заряда. Рассчитанные спектры действительной и мнимой компонент диэлектрической проницаемости гетероструктуры с размерами металлических частиц меньше 10 нм хорошо согласуются с расчетами Бруггемана, однако с расчетами Максвелла Гарнетта согласие наблюдается только при концентрациях наночастиц меньше 10–6.

Частотные зависимости эффективной диэлектрической проницаемости водной суспензии наночастиц серебра диаметром a при концентрации c_m=1×10^–2: 1 – a=20 нм, 2 – a=40 нм, 3 – a=60 нм, 4 – по формуле Бруггемана, 5– по формуле Максвелла Гарнетта..

Беляев Б.А., Тюрнев В.В.
Электродинамический расчет эффективных электромагнитных параметров
диэлектрической среды с металлическими наночастицами заданных размеров. //
ЖЭТФ. 20187. Т. 154, Вып 4. С. 716-729.

 

 

Мультислойный полосковый резонатор и полосно-пропускающий фильтр с широкой полосой заграждения на его основе

Авторы: Беляев Б.А., Сержантов А.М., Лексиков А.А., Бальва Я.Ф., Лексиков Ан.А.

Создана новая конструкция миниатюрного резонатора на основе слоистой диэлектрической структуры с параллельными полосковыми проводниками на поверхностях слоев, обладающая высокой собственной добротностью. Резонаторы опытного образца четырехзвенного фильтра, состоящие из семи проводников, изготовлены в виде гибридной структуры из шести слоев металлизированных медью пленок полиамида толщиной 50 mm, имеющих относительную диэлектрическую проницаемость e=3.5. Центральная частота полосы пропускания фильтра f₀»0.36 ГГц, его габариты 31.8´15.5´8.5 мм³, а ширина полосы заграждения 44f₀ по уровню –60 дБ. 

Конструкция мультислойного полоскового резонатора и фотография опытного образца фильтра четвертого порядка на семи проводниковых резонаторах. Справа – амплитудно-частотные характеристики фильтра: штриховая линия – расчет, сплошная – эксперимент.

Belyaev B.A., Serzhantov A.M., Leksikov A.A., Bal’va Ya. F., Leksikov An. A.
Multilayered multiconductor stripline resonator and its application to bandpass filter with wide stopband. //
Microwave and Optical Technology Letters. Vol. 59. No. 9. 2017. P. 2212-2216.