Управление параметрами излучения мультиферроиковой структуры электрическим полем

Цель исследования
Нахождение математического решения, способного связать волновые характеристики исследуемой магнитоэлектрической антенны с величиной прикладываемого электрического поля.
Рис.1. Структура исследуемой магнитоэлектрической антенны:
а) конструкция; б) структура подложки

Микрополосковая антенна
Диаграмма направленности (kb ≈ π) в плоскости H (z0x):
Модифицированный резонаторный метод [4]:
в плоскости E (z0y):
где:
(1)
(2)
Дисперсионное уравнение ЭМВ в подложке [5]:
(3)

Магнитоэлектрическая подложка
Приближенное дисперсионное уравнение для гибридной электромагнитно-спиновой волны [7]:
(4)
(5)
1. Влияние МЭ-эффекта на дисперсионную характеристику [8]:
(6)
для композита ЦТС - ИЖГ:
2. Влияние постоянного электрического поля на свойства сегнетоэлектрика
(модель мультиполяризационного механизма [9])
(7)
для слоя ЦТС:

Дисперсионная характеристика гибридной волны
Параметры для расчета:
слой a – ЦТС: a = 100 мкм, εa(0) = 1870;
слой b – ГГГ: b = 500 мкм, εb = 11.6;
слой L – ИЖГ: L = 5 мкм, εL = 14,
M0 = 1750 Гс; He0 = 4113 Э.
Угол ϕ = 0°.
Размеры МПА: 50 × 50 (мм),
d = a + L + b = 605 мкм.
(а)
(б)
(в)
Рис.2. а) дисперсионная характеристика;
зависимости от величины электрического поля
(б) – постоянной распространения,
(в) – резонансной частоты исследуемой антенны
f = 18,92 ГГц
kζ = 63

Диаграммы направленности исследуемой антенны
(а)
(б)
Рис.3. Расчетные диаграммы направленности, исследуемой МПА: (а) в плоскости H (z0x); (б) в плоскости E (z0y).
Увеличение прикладываемого постоянного электрического поля к сегнетоэлектрическому слою приводит к сужению диаграммы направленности в связи с уменьшением отношения резонансной длины волны к геометрическим размерам МПА.

Выводы
В работе получено единое волновое решение, которое в полной мере способно учесть процессы, происходящие в исследуемой магнитоэлектрической композитной структуре при приложении к сегнетоэлектрической компоненте внешнего постоянного электрического поля.
Увеличение постоянного электрического поля приводит почти к линейному росту резонансной частоты структуры. Это происходит за счет двух механизмов: МЭ-эффекта – через изменение эффективного магнитного поля феррита, а также за счет зависимости диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрического слоя от прикладываемого постоянного электрического поля. Суммарный эффект дает изменение резонансной частоты около 2 ГГц при изменении постоянного электрического поля на 40 кВ/см.
При постоянной частоте колебания изменение приложенного электрического поля может привести к образованию стоячих волн в слоистой структуре.

Литература
М.И. Бичурин, В.М. Петров, Д.А. Филипов, Г. Сринивасан Магнитоэлектрический эффект в композиционных материалах / НовГУ им. Ярослава Мудрого. Великий Новгород, 2005. - 226 с
Р.В. Петров, Г.Сринивасан Проектирование магнитоэлектрической фазированной антенной решётки // Вестн. Новг. гос. ун-та. Сер.: Техн. науки. 2009. № 50, - С. 61-65.
M.I. Bichurin, V.M. Petrov, R.V. Petrov, A.S. Tatarenko Magnetoelectric microwave devices // Ferroelectrics, 2011, 280(1):211-218 pp.
Б.А. Панченко, Е.И. Нефедев Микрополосковые антенны. – М.: Радио и связь, 1986. – 144 с.
Калиникос Б.А. Спиновый волны в ферромагнитных пленках // Соровский образовательный журнал, №5, 1996. – С. 93-100.
Н.Ю. Григорьева, Б.А. Калиникос Теория спиновых волн в пленочных ферромагнитных многослойных структурах : Монография. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2008. 176 с.
В.Е. Демидов, Б.А. Калиникос Особенности спектра дипольно-обменных электромагнитно-спиновых волн в несимметричных структурах металл-диэлектрик-ферромагнетик-диэлектрик-металл // ЖТФ, 2001, том71, вып.2: С. 89-93.
M. I. Bichurin, V. M. Petrov, and Yu. V. Kiliba Magnetic and magnetoelectric susceptibilities of a ferroelectric-ferromagnetic composite at microwave frequencies // PHYSICAL REVIEW B 66, 134404 (2002): 1-10pp.
Ang Ch., Yu Zh. DC electric-field dependence of the dielectric constant in polar dielectrics: Multipolarization mechanism model // Physical review B 69, 174109, 2004, 1-8 pp.

Приложение
(П.1)
(П.2)
(П.3)
(П.4)
(П.5)
(П.6)
(П.7)
Приближенное дисперсионное уравнение для гибридной электромагнитно-спиновой волны
где:

Приложение
(П.8)
(П.9)
(П.10)
(П.11)
(П.12)
(П.13)
(П.14)
(П.15)