Экспериментальное исследование микроволновых характеристик Y-циркуляторов на основе магнитных нанокомпозитов из опаловых матриц

В настоящее время одним из перспективных направлений создания наноструктурных материалов является технология получения магнитных нанокомпозитов на основе опаловых матриц путем заполнения межсферических полостей матрицы магнитными наночастицами [1]. Магнитные свойства опаловых матриц, содержащих наночастицы ферритов типа шпинели или граната, могут существенно отличаться от свойств массивных образцов.

В ОАО ЦНИТИ «Техномаш» разработана технология приготовления высококачественных образцов магнитных нанокомпозитов на основе опаловых матриц, состоящих из кубических упаковок наносфер двуокиси кремния SiO2, содержащих в межсферических полостях наночастицы ферритов. В [1] магнитные 3D-нанокомпозиты получены введением в межсферическое пространство опаловых матриц (плотно упакованных периодических структур субмикронных сфер SiO2 с диаметром от 200 до 280 нм) нано- частиц ферритов-шпинелей или металлических частиц.

Эксперименты показали, что внешние магнитные поля могут значительно изменять характеристики этого класса наноматериалов [2– 5]. В условиях магнитного резонанса на частотах миллиметровых волн были получены изменения до 60 % [1; 2]. Столь большие изменения, которые могут реализоваться в широком интервале частот, представляют несомненный интерес для использования в магнитноуправляемых электронных приборах и устройствах СВЧ.

Другое направление применения магнитных нанокомпозитов – это разработка на их основе невзаимных устройств СВЧ. Так в настоящее время исследуются циркуляторы, вентили на основе нанокомпозитов из ферромагнитных нанопроволок [6–9].

Магнитные нанокомпозиты на основе опаловых матриц имеют небольшие магнитные потери [3], их диэлектрическая проницаемость в два-три

Рис. 1. Y-циркулятор: 1 — магнитный нанокомпозит; 2 — диэлектрическая вставка; 3 – прямоугольные волноводы; S ₁, S ₂, S ₃ – входные сечения циркулятора; a = 16,0 мм, b = 4,0 мм, c = 16,0 мм, R = 14,5 мм

Рис. 2. Образцы магнитных нанокомпозитов (в форме цилиндрических вкладышей в Y-циркулятор): а ) с магнитными наночастицами Co_0,5Zn_0,5Fe₂O₄; б ) с магнитными наночастицами Co_0,5Zn_0,5Fe₂O₄ и Ni_0,5Zn_0,5Fe₂O₄; в ) с магнитными наночастицами Ni_0,5Zn_0,5Fe₂O₄; г ) с магнитными наночастицами Ni 0,5 Zn 0,5 Fe 2 O 4

раза меньше, чем ферритов, которые используются в настоящее время в технике СВЧ. Это дает основание перспективности использования магнитных нанокомпозитов в создании невзаимных устройств СВЧ (циркуляторов, вентилей).

Однако на сегодняшний день имеется достаточно мало сведений о гиромагнитных свойствах (невзаимности) магнитных нанокомпозитов на основе опаловых матриц. Невзаимные устройства СВЧ на основе этих нанокомпозитов пока еще не реализованы.

Экспериментальные и теоретические исследования невзаимных устройств СВЧ на основе магнитных нанокомпозитов из опаловых матриц до настоящего времени не проводились, отсутствует и оценка их характеристик.

Целью данной работы является экспериментальное исследование волноводных циркуляторов на основе магнитных нанокомпозитов из опаловых матриц, измерение их микроволновых характеристик и их сравнение с характеристиками ферритовых циркуляторов СВЧ.

Проведены измерения S-параметров матрицы рассеяния Y-циркуляторов на основе нанокомпозитов из опаловых матриц с магнитными нано-

Рис. 3. Экспериментальные частотные зависимости развязки R1311 между плечами Y-циркулятора на основе магнитных нанокомпозитов из опаловых матриц (––––): 1 – с магнитными наночастицами Co0,5Zn0,5Fe2O4; 2 – с магнитными наночастицами Co0,5Zn0,5Fe2O4 и Ni0,5Zn0,5Fe2O4; 3 – с магнитными наночастицами Ni0,5Zn0,5Fe2O4; 4 – с магнитными наночастицами Ni0,5Zn0,5Fe2O4; (– – –) – Y-циркулятор на основе магний-марганцевого MgMn феррита частицами кобальт-цинкового Co0,5Zn0,5Fe2O4 феррита, никель-цинкового Ni0,5Zn0,5Fe2O4 феррита в диапазоне частот 14–18 ГГц. Результаты измерений получены при помощи панорамного измерителя КСВН и затуханий Р2-67.

В стандартном ферритовом Y-циркуляторе с размерами a = 16,0 мм, b = 4,0 мм, c = 16,0 мм, R = 14,5 мм (рис. 1) цилиндрический вкладыш из магний-марганцевого MgMn феррита заменялся на образцы магнитных нанокомпозитов из опаловых матриц.

Для экспериментального исследования Y-циркулятора были изготовлены образцы магнитных нанокомпозитов из опаловых матриц с наночастицами ферритов Co_0,5Zn_0,5Fe₂O₄, Ni 0,5 Zn 0,5 Fe 2 O 4 в форме цилиндрических вкладышей в Y-циркулятор (рис. 2) с диаметром D _ф = 6,4 мм и высотой h = 3,4 мм.

Экспериментальные зависимости S-параметра матрицы рассеяния R ₁³₁¹ – развязки между плечами (т. е. коэффициента прохождения волны H₁₀ из плеча 1 в плечо 3 – обратных потерь) Y-циркулятора от частоты приведены на рис. 3 (сплошные кривые 1–4) для нескольких образцов магнитных нанокомпозитов из опаловых матриц: образец 1 – с магнитными наночастицами кобальт-цинкового феррита Co_0,5Zn_0,5Fe₂O₄; 2 – магнитными наночастицами кобальт-цинкового Co_0,5Zn_0,5Fe₂O₄ и никельцинкового Ni_0,5Zn_0,5Fe₂O₄ ферритов; 3, 4 – с магнитными наночастицами никель-цинкового Ni_0,5Zn_0,5Fe₂O₄ феррита. Номер кривой на рис. 3 соответствует номеру образца.

Рис. 4. Экспериментальные частотные зависимости прямых потерь R ₁²₁¹ Y-циркулятора на основе магнитных нанокомпо зитов из опаловых матриц ( –––– ): 1 – с магнитными наночастицами Co_0,5Zn_0,5Fe₂O₄; 2 – магнитными наночастицами Co_0,5Zn_0,5Fe₂O₄ и Ni_0,5Zn_0,5Fe₂O₄; 3 – с магнитными наночастицами Ni_0,5Zn_0,5Fe₂O₄; 4 – с магнитными наночастицами Ni_0,5Zn_0,5Fe₂O₄; (– – –) – Y-циркулятор на основе магниймарганцевого MgMn феррита

Для сравнения на рис. 3 (пунктирная линия) показана экспериментальная частотная зависимость развязки между плечами Y-циркулятора на основе магний-марганцевого MgMn феррита.

В эксперименте Y-циркулятор на основе магнитных нанокомпозитов из опаловых матриц настраивался на рабочую частоту f = 16,4 ГГц при следующих значениях напряженности внешнего постоянного магнитного поля: образец 1 – H _в = 1500 Э, образец 2 – H _в = 1590 Э, образец 3 – H _в = 1650 Э, образец 4 – H _в = 1640 Э.

На рис. 4, 5 (сплошные кривые 1–4) приведены экспериментальные зависимости S-параметров матрицы рассеяния R ₁²₁¹ (прямых потерь, т. е. коэффициента прохождения волны H₁₀ из плеча 1 в плечо 2) и R ₁¹₁¹ (коэффициента отражения на входе) Y-циркулятора от частоты для нескольких образцов магнитных нанокомпозитов из опаловых матриц. Для сравнения на рис. 4, 5 (пунктирные линии) показаны соответствующие экспериментальные зависимости для Y-циркулятора на основе магний-марганцевого MgMn феррита.

Из результатов измерений (рис. 3–5) следует, что Y-циркулятор на основе магнитных нанокомпозитов из опаловых матриц имеет более широкую полосу рабочих частот, меньшие прямые потери, большую развязку между плечами, чем Y-циркулятор на основе магний-марганцевого феррита. Наилучшие характеристики Y-циркулятора (рис. 3–5) получены для образца (N1) композита из опаловых матриц с магнитными наночастицами кобальт-цинкового феррита Co 0,5 Zn 0,5 Fe 2 O 4 .

Режим работы циркуляторов на основе магнитных нанокомпозитов из опаловых матриц дорезонансный. При этом в рабочей точке

Рис. 5. Экспериментальные частотные зависимости коэффициента отражения ( R ₁¹₁¹ ) на входе Y-циркулятора на основе магнитных нанокомпозитов из опаловых матриц ( –––– ): 1 – с магнитными наночастицами Co_0,5Zn_0,5Fe₂O₄; 2 – с магнитными наночастицами Co_0,5Zn_0,5Fe₂O₄ и Ni_0,5Zn_0,5Fe₂O₄; 3 – с магнитными наночастицами Ni_0,5Zn_0,5Fe₂O₄; 4 – с магнитными наночастицами Ni_0,5Zn_0,5Fe₂O₄; (– – –) – Y-циркулятор на основе магний-марганцевого MgM n ф еррита

Y-циркуляторов с магнитными нанокомпозитами напряженность внешнего постоянного магнитного поля H _в = 1500–1650 Э, что на 800–900 Э больше, чем для ферритового Y-циркулятора.

Таким образом, впервые проведены экспериментальные исследования циркуляторов СВЧ на основе магнитных нанокомпозитов из опаловых матриц и измерены их микроволновые характеристики. Получены экспериментальные зависимости прямых потерь, развязки между плечами и коэффициента отражения для Y-циркулятора на основе нанокомпозитов из опаловых матриц с магнитными наночастицами кобальт-цинкового Co0,5Zn0,5Fe2O4 феррита, никель-цинкового Ni0,5Zn0,5Fe2O4 феррита в диапазоне частот 14–18 ГГц.

Показано, что циркуляторы на основе магнитных нанокомпозитов из опаловых матриц имеют лучшие микроволновые характеристики, а именно: более широкую полосу рабочих частот, меньшие вносимые прямые потери, большую развязку между плечами, чем ферритовые циркуляторы.

Достигнутые в эксперименте характеристики невзаимных устройств СВЧ (циркуляторов) на основе магнитных нанокомпозитов из опаловых матриц имеют лучшие показатели:

– значительно большую развязку, что позволяет увеличить мощность передатчика РЛС, а следовательно, и максимальную дальность обнаружения цели;

– более широкую полосу рабочих частот, что позволяет уменьшить длительность высокоча- стотного импульса, а следовательно, и разрешающую способность РЛС по дальности.

Таким образом, применение невзаимных устройств СВЧ (циркуляторов, вентилей) на основе магнитных нанокомозитов позволит улучшить технические характеристики РЛС.

Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований грант № 12-02-97025-р_поволжье_а.

Ñïèñîê ëèòåðàòóðû

• 1.    Нанокомпозиты на основе опаловых матриц с 3D-структурой, образованной магнитными наночастицами / А.Б. Ринкевич [и др.] // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2008. № 4. С. 55-63.

• 2.    Микроволновые свойства 3D-нанокомпозитных металлодиэлектрических наноматериалов / А.Б. Ринкевич [и др.] // Наука и технологии в промышленности. 2011. № 3. С. 52-61.

• 3.    Частотная зависимость коэффициента поглощения миллиметровых волн в 3D-нанокомпозитах на основе опаловых матриц / А.Б. Ринкевич [и др.] // Радиотехника и электроника. 2009. Т. 54. № 8. С. 1—5.

• 4.    Anomalous magnetic antireson ance and resonance in ferrite n anoparticles embedded in opal matrix / V.V. Ustinov [et al.] // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2012. V. 324. P. 78–82.

• 5.    Magnetic antiresonance in metamaterial based on opal matrix with metallic cobalt nanoparticles embedded / A.B. Rinkevich [et al.] // Metamaterials. 2012. V. 6. № 1—2. P. 27–36.

• 6.    Nonreciprocal microwave devices based on magnetic nanowires / B.K. Kuanr [et al.] // Applied Physics Letters. 2009. № 94. P. 202505.

• 7.    Spiegel J., Huynen I. Microwave properties of ferromagnetic nanowires and applications to tunable devices // Solid State Phenomena. 2009. Vol. 152–153. P. 389–393.

• 8.    An unbiased integrated microstrip circulator based on magnetic nanowired substrate / M. Darques [et al.] // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2005. V. 53. № 6. P. 2043.

• 9.    Design and simulation of self-biased circulators in the ultra high frequency band / J. Wang [et al.] // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2012. № 324. P. 991—994.

Experimental investigation of microwave performances of Y-circulator based on magnetic opal nanocomposites

O.A. Golovanov , G.S. Makeeva ,M.I. Samoylovich ,

A.B. Rinkevich, D.N. Shirshikov