靜磁波

靜磁被(Msw)是一種慢色散的磁控電磁波.它是YIG 材料中射頻(RF)電磁場和磁偶扳子自旋系統的強烈交換作用可以忽略時的自旋波.根據外加偏磁場HO,靜磁波傳播方向s和磁介質膜面法向N 的相對取向,可以激發幾種不同特性的靜磁波。

靜磁波 magnetostatic wave 鐵磁體和亞鐵磁體等磁有序體中所傳播的自旋波的長波部分。磁有序體在熱擾動或微波場等因素的影響下，局部區域內對磁性有影響的自旋偏離原來的有序排列方向而發生進動。物質內部相鄰原子的電子之間的交換作用和磁偶極矩的相互作用，使這種自旋的進動狀態向磁有序體的其他部分傳播，成為自旋波。它是磁有序體中自旋的集體運動模式，其波長為10-3～10-8米或更短，取決於頻率和外加偏磁場。自旋波按波長可分為靜磁波、偶極矩-交換波和交換波三類。靜磁波的自旋波長介於10-3～10-6米之間，接近於磁體的線度，因而可忽略交換作用，但必須考慮邊界效應。

基本介紹

• 中文名：靜磁波
• 外文名：magnetostatic wave 
• 用途：可製成新型的微波信息處理器件
• 外文名：magnetostatic wave 
• 波長：10-3～10-8米或更短

改善MSW色散特性的基本方法有以下幾種:

(1)採用多層膜結構

(2)延遲線級聯

(3)金屬階梯結構

(4)調整偏置場的均勻性

(5)反射陣技術

(6)離子注入技術

由於MSW在磁性膜中傳播時,也有能量分布,所有能影響這種能量分布的方法,均能對其色散產生影響.。採用多層膜結構￡,兩塊磁聯之間能量耦台的結果使得多層外延遲特性的線性度提高,頻寬增加採用飽和磁化強度分別為0.175T和0.15T,厚度為1Qm的磁膜,可實現中心頹率為2.8GHz,頻寬在0.14GHz以上的t25ns/cm至365ns/em的線性延遲.。多層膜結構既可用來使延遲線性化,也可用來產生恆定延遲。由於MSW縣有延遲隨頹率增加而下降的性質,通過級聯MSBVW$~MSSW或MSF-Vw而形成的組合器件在很大的頻寬內具有非色散回響調整兩個或其中之一延遲線的偏置場,可以控制組合器件的延遲.電可調延遲線在頻寬相陣天線和信號處理方面有著廣泛的套用.目前已經研製出在x段段寬為150M-FIz,時間延遲可調範圍達±20嘶的非色散電可控延遲元件。K.w;Chang等人對金屬階梯結構進行了研究￡”.表明這種結構下色散線性化的好壞主要取決於各階梯的尺寸,因為該機構下的延遲相當於一系列MSW延遲線的級聯,所以採用金屬階梯結構可以實現良好的色散控制.

目前這種技術主要套用於脈衝壓締系統,壓縮接收器和可變時間延遲器f1~1,I1.’Morgenlhaler從理論上分析了場幅度梯度,磁場方向梯度或兩種梯度同時存在對MSW色散特性的影響,指出控制梯度場改善MSW的色散特性.但是,目前為止尚未有實驗表明利用這種技術實現MSW線性延遲的可行性。利用反射陣控制色散,這種技術目前已相當完善,並且廣泛套用於反射陣濾波器中。通常採用更方便的離子注入形成反射陣列.採用離子注入技術可以在YIG的厚度範圍內形成飽和磁化強度的不均勻分布來控制MSW色散,Buris和Stancil採用變分法研究了飽和磁化強度的不均勻性與MSW色散特性的關係,實驗證明這種技術能有效地控制Msw的色散特性。

MSW的套用

在YIG薄膜中傳播的MSW為我們提供了極為方便的方法,即在微波頹率下直接進行信號處理.目前,利用YIG薄膜中傳播的MSW已研製出了諸如諧振器,延遲線,振盪器,濾波器等多種MSW器件並相應地在系統中獲得套用。

MSW諧振器

目前已有三種結構形式的MSW諧振器

l,它們分別為:周期性溝槽柵狀結構,直邊結構與環狀結構.w.Ishak詳細研究了MSW可調諧振器,分析了各種MSW諧振器的優缺點及其套用.基於周期性溝槽柵狀結構的MSSW,MsFVw諧振器具有高負載的優點,但因其要求的YIG薄膜尺寸較大,帶來對磁極尺寸及處理方面的特殊要求。採用金屬反射陣代替刻蝕溝槽,雖然結構及製作工藝簡單,但存在插損增大的問題.對s波段環狀結構諧振器的研究表明有必要對消除多模回響作進一步研究,利用矩形YIG薄膜作成的直邊結構諧振器克服了上述諧振器的缺點,藉助於雙端諧振,在大部分可調諧頻段插損可以低至GdB,

MSW諧振器已經套用於可調振盪路,高頻預造濾波器及頻率調製器中。平面狀的Msw諧振器在儀表和通訊系統中具有較大潛力的套用.司調諧振器作為造頻元件套用於0.5--26GHz頻段的可諧振盪器電路中.MSW在Y1G薄膜中傳播速度比光速小兩個數量級,決定了MSW諧振器的外觀尺寸在10一100m之間,可以直接套用光刻技術,這種空間上的壓縮使MSW諧振器的體積較小.又因其採用的平面結構形式使其易與單片積體電路(MMIC)相容

MSW延遲線.

MSW延遲線是MSW延遲特性的直接套用,它是所有MSW器件的基礎.目前已研製出可以實現不同微波功能的多種MSW延遲線,非色散MSW延遲線,色散MSW延遲線,可變延遲線,抽頭延遲線.MSW延遲線與同軸延遲線相比,它能在更小的體積,更輕的重量上獲得與同軸延遲線類似的延遲且損耗相當。目前s波段的延遲線作為延遲元件已套用於微掃描接收器中,與使用SAW器件的系統相比,MSW器件能直接在微波頻率下進行信號處理,且可實現1GHz頻寬.在簡單的壓縮式接收器中輸入信號與線性頻率混台產生一個本徵振盪,混台輸出至延遲線,延遲線的輸出是輸入信號的付里葉轉換,這種技術套用於快速寬頻頻譜分析。

MSW振盪器

早期的MSW振盪器大多是MSW延遲線式,Msw延遲線式振:盪器因其結構簡單(平面),優良的相位干擾特性以及寬頻可調引起人們極大關注,已有多篇文章報導了採用MSW延遲線,外部放大。MSW延遲線式振盪器器和定向耦台器作成的sw:振盪器,但是在這種振盪器中因為存在長電路致使在可調頻段內出現不合乎需要的頹率突變。另一類MSW振器盪是基於諧振的振盪器與其它的振盪器相比,MSW振盪器具有頻寬,穩定性好,可調及結構簡單的優點.目前MSW振盪器主要用作微波信號源。

MSw濾波器

目前利用石榴石薄膜中的EMsw:研製出三種類型的濾波器:耦台諧振式,延遲線式,MSW與光相互作用式.這些濾波器及其濾波器組因其低損,低耗,適宜於光封處理,結構緊湊,重複性好等優點廣泛套用於衛星通訊及軍事領域中。

MSWa 展望

目前MSW技術中最有效的套用是MSW諧振器,Hewlere-Packard進一步研究後指 出,隨著這種器件穩定性的進一步提高,將進一步套用於微波測試設備中。在各種已研製出並經實驗研究的MSW器件中,最令人感興趣的主要是那些與色散延遲線,電可調時間延遲元件和微波可調振盪器有關的器件.目前,離子注八技術的套用,特別是在精確的相位控制方面尤其引人注目,富有成效.納秒時間延遲控制能力的實現使MSW時間延遲元件真正用作相陣元.。MSW可調光濾波和光譜分析極為引人注目.可以預測,在不遠的將來,這種器件將獲得廣泛的套用。目前人們加強了對MSW器件相位噪聲特性的研究,並採用基於MSW的檢波實現自動相位噪聲測量,提高MSW件穩定性及進一步發展寬頻仍是需要加以研究的課題。 Msw器件的主要缺點是其對溫度的敏感性,較高的插損以及限於低能套用的局限性。靜磁作用過程決定了其低能套用的本質,但是其隨溫度變化的敏感性和較高插損問題可以通過將來的研究加以解決。

實驗

在鐵磁共振實驗的附加峰（副峰）中，1956年，R.L.懷特和I.H.索爾特首次觀察了亞鐵磁體中的靜磁模。1961年，R.W.達蒙等研究了平面結構中的靜磁模。1965年,F.A.奧爾森在YIG（釔鐵石榴石）單晶上觀察到表面自旋波的傳播。70年代開始研究在 GGG(釔鎵石榴石)上外延YIG單晶薄膜中傳播靜磁波。

其他概念

靜磁波在有限尺寸的磁介質中傳播時，磁介質內部和表面上的磁矩受到不同的偶極矩場作用，同時由於其磁各向異性而有不同的應力分布，因而表面層的自旋所受的作用力矩與內部自旋所受的不同，從而出現不同的進動頻率。當靜磁波在磁介質體內傳播時，稱為靜磁體波。其能量在整個材料內按三角函式規律分布，此時表面自旋可能不被激發而處於釘扎狀態；同樣也可能出現只有表面層被激發而進動的自旋模式，它沿表面層傳播，其振幅自表面向體內按指數律衰減，這種靜磁波稱為靜磁表面波。

實際套用

利用靜磁波的慢波特性(傳播速度為104～106米/秒)以及可以磁控相速、群速的性能，可製成新型的微波信息處理器件，實現諸如延時、相移、帶通濾波和脈衝壓縮等功能。