Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2014, № 12 · ELECTRODYNAMICS

Об электрическом управлении невзаимностью прохождения микроволн в метаструктурах

V.S. Butylkin1, G.A. Kraftmakher1, I.N. Kazantsev1

1 Fryazino Branch of Kotelnikov IRE RAS, Friazino, Russia
Full text UDC 621.371; 621.372.832 EDN TNVMIB

Abstract

A possibility of electric control of microwaves passage nonreciprocity (up to its inversion) is under investigation on the sample of a nonreciprocal proto-device consisted of a varactor loaded dipole and ferrite piece. Phenomenon of nonreciprocity in structures with transversely magnetized ferrites is caused by different absorption of waves which have the magnetic field sense of rotation coincident with direction of the ferrite magnetic moments precession and opposite it. That is why microwave magnetic field behaviour in the neighborhood of a dipole is regarded. This magnetic field is a result of the incident and scattered waves superposition. It is shown that whole magnetic field is elliptically polarized in common case. During the dipole own frequency re-tuning the phases of its current and scattered wave are changed. Hereupon the magnetic field sense of rotation can change. This change results in the nonreciprocity inversion. In contrast to traditional methods there is no need to re-magnetize ferrite for switching nonreciprocity. One can get re-tuning of the dipole frequency by alteration of a bias voltage applied to varactor. experimental investigation of a structure with varactor-loaded dipole “Butterfly” has demonstrated inversion of microwave nonreciprocity. The proposed metastructures open up wide prospects for applications in the field of information technologies. These metastructures may form the basis for manufacturing fast controlled and switchable nonreciprocal microwave systems.

  • microwave
  • switching
  • electrical control
  • ferrite
  • varactor
Аннотация (на русском)

Об электрическом управлении невзаимностью прохождения микроволн в метаструктурах

На примере невзаимного протодивайса - простейшего невзаимного устройства, состоящего из нагруженного варактором диполя и расположенного около него феррита - исследована возможность электрического управления невзаимностью распространения микроволн (вплоть до её инверсии). Поскольку в структурах с поперечно намагниченным ферритом эффект невзаимности обусловлен различным поглощением волн, направление вращения магнитного поля которых совпадает с направлением прецессии магнитных моментов в феррите и противоположно ему, рассмотрено поведение микроволнового магнитного поля в окрестности диполя. Показано, что формирующееся вследствие суперпозиции падающей и рассеянной волн магнитное поле оказывается в общем случае эллиптически поляризованным. При перестройке собственной частоты диполя изменяются фазы его тока и рассеянной волны. Вследствие этого может измениться направление вращения микроволнового магнитного поля. Последнее приводит к инверсии невзаимности. В отличие от традиционных методов, переключение невзаимности не нуждается в перемагничивании феррита. Оно достигается изменением постоянного электрического напряжения на варакторе, обеспечивающим переход частоты резонанса диполя через частоту ферромагнитного резонанса. Приведенные результаты экспериментального исследования структуры с нагруженным варактором диполем типа «Butterfly» демонстрируют инверсию невзаимности. Поскольку постоянная времени варакторов на порядки короче времени перемагничивания ферритов, результаты работы могут быть использованы в разработках быстроуправляемых невзаимных устройств для информационных систем, например, скоростных переключателей каналов «приём - передача».

For citation

Butylkin V.S., Kraftmakher G.A., Kazantsev I.N. Об электрическом управлении невзаимностью прохождения микроволн в метаструктурах // Journal of Radio Electronics. – 2014. – No. 12.

References

  1. Микаэлян А.Л. Теория и применение ферритов на сверхвысоких частотах. - М., Л.: Госэнергоиздат, 1963.
  2. Лакс Б., Батон К. Сверхвысокочастотные ферриты и ферримагнетики. - М.: «Мир», 1965.
  3. Oriental Magnetics Co. LTD. "Microwave Ferrite Products", URL: http://www.magnet-china.com/microwave-ferrite products.html (дата обращения: 10.10.2014 ).
  4. Future Electronics. URL: http://www.futureelectronics.com/en/diodes/switching-diodes.aspx (дата обращения: 10.10.2014 ).
  5. Bodger Billings, Tony Edridge. Ferrite Circulator Switches and Their Applications. // Microwave J., November 1, 2003.
  6. A.B. Ustinov, G. Srinivasan. Subterahertz excitations and magnetoelectric effects in hexaferrite-piezoelectric bilayers. // Appl. Phys. Lett., vol. 93, p. 142503, 2008, http://dx.doi.org: 10.1063/1.2996585.
  7. Young-Yeal Song, Jaydip Das, Pavol Krivosik, Nan Mo, and Carl E. Patton. Electric field tunable 60 GHz ferromagnetic resonance response in barium ferrite-barium strontium titanate multiferroic heterostructures. // Appl. Phys. Lett. 2009. Vol. 94. P. 182505, http://dx.doi.org: 10.1063/1.3131042.
  8. Y.K. Fetisov, G. Srinivasan. Electric field tuning characteristics of a ferrite-piez0electric microwave resonator. // Appl. Phys. Lett., vol. 88, No 14, p. 143503, 2006.
  9. А.П. Пятаков, А.К. Звездин. Магнитоэлектрические материалы и мультиферроики. // УФН. 2012. Т. 182. № 6. С. 593 - 620.
  10. I. Gil, J. Garcia-Garcia, J. Bonache, F. Martin, M. Sorolla and R. Marques. Varactor-loaded split ring resonators for tunable notch filters at microwave frequencies. // Electron. Lett. vol. 40, p. 1347-1348, Oct. 2004.
  11. Alper Genc and Reyhan Baktur. A tunable bandpass filter based on varactor loaded split-ring resonators. // Microwave and Optical Lett., vol. 51, No 10, P. 2394-2396, October 2009. http://dx.doi.org: 10.1002/mop.2464.
  12. Ilya V. Shadrivov. Pure nonlinear optical activity in metamaterials. // Appl. Phys. Lett., vol. 101, 041911, 2012, http://dx.doi.org: 10.1063/1.4739849.
  13. Alec Rose, Da Huang, and David R. Smith. Demonstration of nonlinear magnetoelectric coupling in metamaterials. // Appl. Phys. Lett., vol. 101, 051103, 2012, http://dx.doi.org: 10.1063/1.4738774.
  14. Polina V. Kapitanova, Alexey P. Slobozhnanyuk, Ilya V. Shadrivov, Pavel A. Belov, and Yuri S. Kivshar. Competing nonlinearities with metamaterials. // Appl. Phys. Lett. vol. 101, 231904, 2012, http://dx.doi.org: 10.1063/1.4768945.
  15. Бутылкин В.С., Крафтмахер Г.А. Гигантский невзаимный эффект при взаимовлиянии ферромагнитного и кирального резонансов. // Письма в ЖТФ: 2006, Т.32, №17, С. 88-94.
  16. Бутылкин В.С., Крафтмахер Г.А. Невзаимное прохождение микроволн в метаструктурах с поперечно намагниченной и решеткой резонансных элементов. // Письма в ЖТФ. 2007, Т. 33, вып. 20, С. 11 - 20.
  17. В.С. Бутылкин, Г.А. Крафтмахер. Невзаимные эффекты при распространении микроволн в структуре «ферритовая пластина-решетка резонансных элементов» в волноводе. // Радиотехника и электроника. Т. 54. № 7. С. 816 - 823. 2009.
  18. В.С. Бутылкин, Г.А. Крафтмахер, В.П. Мальцев. Поверхностные волны, направляемые пластиной из бианизотропного резонансного метаматериала. // Радиотехника и электроника. Т. 54. № 10. С. 1184 - 1195. 2009.
  19. G.A. Kraftmakher and V.S. Butylkin. Nonreciprocal amplitude-frequency resonant response of metasandwiches "ferrite plate - grating of resonant elements. // EuropeanPhysical Journal, Applied Physics, v. 49, 33004, 2010.
  20. В.С. Бутылкин, Г.А. Крафтмахер, В.П. Мальцев. Невзаимность прохождения микроволн вдоль бианизотропно-ферритовой метаструктуры. // Радиотехника и электроника. Т.58. №6. С.600 -607. 2013. DOI: 10.1134/S1064226913060041
  21. Бутылкин В.С., Крафтмахер Г.А. «Левая» композиционная среда на основе волноведущих структур с бианизотропным заполнением. Радиотехника и электроника, Т.51, №5, С. 518-532, 2006.
  22. Бутылкин В.С., Крафтмахер Г.А. Области пропускания бианизотропного и волноводно-бианизотропного метаматериалов на основе планарных двойных разомкнутых колец. // Радиотехника и электроника, Т.53, №1, С. 5-1, 2008.
  23. Бутылкин В.С., Крафтмахер Г.А. Влияние киральности на существование обратных волн в метаматериалах из резонансных планарных киральных элементов. Радиотехника и электроника, Т.53, №7, С. 800 - 808, 2008.
  24. Г.А. Крафтмахер, В.С. Бутылкин, Ю.Н.Казанцев. Электрически управляемые частотные полосы невзаимного прохождения микроволн в метаструктурах. // Письма в ЖТФ, т. 39, вып.11, с. 21 -28, 2013.
  25. G.A.Kraftmakher, V.S. Butylkin, Yu. N. Kazantsev. Electrically tunable nonreciprocity of microwave transmission through "ferrite - varactor loaded resonant element" planar metastructure. // Phys. Status Solidi C., 11, № 5-6, 1033-10-38, 2014. Doi: 10.1002/pssc.20130056
  26. Неганов В.А., Осипов О.В., Раевский С.Б., Яровой Г.П. Электродинамика и распространение радиоволн. - М.: «Радиотехника», 2007.
  27. G.A. Kraftmakher, V.S. Butylkin, Yu.N. Kazantsev. Sign reversal of the nonreciprocity of microwave propagation in a "ferrite varactor-loaded dipole" metastructure without reversal of the magnetization direction // Proceedings of META' 2014, 26P-Poster Session-II, №77, P. 1-3; Metamaterials 2014 book of abstracts, p. 58. Copenhagen, Denmark, 25-30 Aug 2014, 8-th International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwave and Optics.