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JPH07105648B2 - YIG thin film microwave device - Google Patents

YIG thin film microwave device

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Publication number
JPH07105648B2
JPH07105648B2 JP10003786A JP10003786A JPH07105648B2 JP H07105648 B2 JPH07105648 B2 JP H07105648B2 JP 10003786 A JP10003786 A JP 10003786A JP 10003786 A JP10003786 A JP 10003786A JP H07105648 B2 JPH07105648 B2 JP H07105648B2
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JP
Japan
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thin film
magnetic
yig
yig thin
frequency
Prior art date
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JP10003786A
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義和 村上
誠吾 伊藤
勉 岡本
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
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Priority to EP86305293A priority patent/EP0208547B1/en
Priority to US06/883,605 priority patent/US4745380A/en
Priority to DE8686305293T priority patent/DE3687929T2/en
Priority to KR1019860005541A priority patent/KR950005158B1/en
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、YIG(イットリウム・鉄・ガーネット)薄膜
のフェリ磁性共鳴を用いたマイクロ波素子に直流バイア
ス磁界を印加する手段を具備するYIG薄膜マイクロ波装
置に係わる。
The present invention relates to a YIG thin film having means for applying a DC bias magnetic field to a microwave element using ferrimagnetic resonance of a YIG (yttrium / iron / garnet) thin film. Involved in microwave equipment.

〔発明の概要〕[Outline of Invention]

本発明はYIG薄膜のフェリ磁性共鳴を用いたマイクロ波
素子と、これにバイアス磁界を印加する永久磁石より成
る磁気回路とを有するYIG薄膜マイクロ波装置におい
て、YIGのFe3+イオンの一部を非磁性イオンで置換した
構成とし、更に永久磁石として特定の磁気特性の磁石を
用いることによって温度特性の極めて良好なYIG薄膜マ
イクロ波装置を構成する。
The present invention provides a microwave device using the ferrimagnetic resonance of the YIG thin film, to which the YIG thin film microwave apparatus comprising a magnetic circuit composed of the permanent magnet for applying a bias magnetic field, a portion of the YIG of Fe 3+ ions A YIG thin film microwave device having an extremely good temperature characteristic is constructed by using a magnet having specific magnetic characteristics as a permanent magnet, with a configuration in which nonmagnetic ions are substituted.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

マイクロ波装置として、GGG(ガドリニウム・ガリウム
・ガーネット)非磁性基板上に、フェリ磁性体であるYI
G薄膜を液相エピタキシャル成長(以下LPEという)させ
たYIG薄膜をフォトリソグラフィー技術による選択的エ
ッチングによって円形或いは矩形等の所要形状に加工
し、これのフェリ磁性共鳴を利用することによってフィ
ルタ,オシレータ等のマイクロ波装置を構成するものが
提案されている。
As a microwave device, YI which is a ferrimagnetic material on a GGG (gadolinium gallium garnet) non-magnetic substrate
A YIG thin film obtained by liquid phase epitaxial growth (hereinafter referred to as LPE) of a G thin film is processed into a required shape such as a circular shape or a rectangular shape by selective etching using a photolithography technique, and by utilizing the ferrimagnetic resonance of this, a filter, an oscillator, etc. What constitutes a microwave device has been proposed.

これらマイクロ波装置は、マイクロストリップライン等
を伝送線路としてマイクロ波集積回路を作成することが
可能であり、他のマイクロ波集積回路とハイブリッド接
続を容易に行うことができるという利点がある。また、
YIG薄膜磁気共鳴によるマイクロ波素子は、上述したよ
うにLPEとフォトリソグラフィー技術によって作製する
ことができることから量産性にすぐれている。
These microwave devices have an advantage that a microwave integrated circuit can be formed by using a microstrip line or the like as a transmission line, and hybrid connection with other microwave integrated circuits can be easily performed. Also,
The microwave device based on the YIG thin film magnetic resonance is excellent in mass productivity because it can be manufactured by the LPE and the photolithography technique as described above.

このようにYIG薄膜磁気共鳴素子によるマイクロ波装置
は、従前のYIG球を用いたものに比し、実用上の多くの
利点を有する。
As described above, the microwave device using the YIG thin film magnetic resonance element has many practical advantages as compared with the conventional microwave device using the YIG sphere.

ところが、このようなYIG薄膜のフェリ磁性共鳴を利用
したマイクロ波装置は、YIG薄膜のフェリ磁性共鳴周波
数fの温度Tの依存性が大であることから温度特性が悪
いという実用上に大きな問題点がある。
However, such a microwave device utilizing the ferrimagnetic resonance of the YIG thin film has a large practical problem that the temperature characteristic is poor because the temperature T of the ferrimagnetic resonance frequency f of the YIG thin film is highly dependent. There is.

以下、これについて説明する。This will be described below.

YIG薄膜をその膜面に垂直に直流磁界が印加されるよう
に磁気回路のギャップ中に置いた場合、そのフェリ磁性
共鳴周波数fは、異方性磁界の寄与が小さいとしてこれ
を無視すると、キッテル(Kittel)を式を用いて、次式
(1)のように表わすことができる。
When the YIG thin film is placed in the gap of the magnetic circuit so that a DC magnetic field is applied perpendicularly to the film surface, its ferrimagnetic resonance frequency f has a small contribution of the anisotropic magnetic field, and if this is ignored, the kitel (Kittel) can be expressed by the following equation (1) using an equation.

f(T)=γ{Hg(T)−NZ Y・4πS Y(T)} ‥‥(1) ここで、γは磁気回転比でγ=2.8MHz/0e、Hgは直流ギ
ャップ磁界、NZ YはYIG薄膜の磁気共鳴反磁界係数で静磁
モード理論を用いて計算される値、4πMS YはYIGの飽和
磁化である。Hg,4πMS Yは共に温度Tの関数であるか
ら、共鳴周波数fも温度の関数となる。具体例として
は、アスペクト比(厚み/直径)が、0.01のYIG円板の
垂直共鳴では、NZ Y=0.9774であり、仮にバイアス磁界H
gが温度によらず一定とした場合、4πMS Yは、−20℃で
1916G(ガウス)、+60℃では、1622Gとなるから共鳴周
波数fはこの温度範囲で、823MHzもの変化をする。
f (T) = γ {Hg (T) −N Z Y · 4π S Y (T)} (1) where γ is the gyromagnetic ratio γ = 2.8MHz / 0e, Hg is the DC gap magnetic field, N Z Y is the magnetic resonance diamagnetic field coefficient of the YIG thin film, which is a value calculated using magnetostatic mode theory, and 4πM S Y is the saturation magnetization of YIG. Since both Hg and 4πM S Y are functions of temperature T, the resonance frequency f is also a function of temperature. As a specific example, in the vertical resonance of a YIG disk with an aspect ratio (thickness / diameter) of 0.01, N Z Y = 0.9774, and the bias magnetic field H
Assuming that g is constant regardless of temperature, 4πM S Y is −20 ° C.
At 1916G (Gauss) and + 60 ° C, it becomes 1622G, so the resonance frequency f changes as much as 823MHz in this temperature range.

このようなYIG薄膜マイクロ波装置において、外囲温度
による共鳴周波数の変動を回避する方法としては、YIG
薄膜磁気共鳴素子を恒温槽内に配置して素子自体を一体
の温度に保持するとか電磁石によって温度に依存して磁
界を変化させて素子の共鳴周波数を一定に保持させるな
どの方法が考えられているが、これらは、電流制御など
の外部からのエネルギー供給を必要とすることからその
構成は複雑となる。
In such a YIG thin film microwave device, as a method of avoiding the fluctuation of the resonance frequency due to the ambient temperature, the YIG
Methods such as arranging the thin film magnetic resonance element in a constant temperature bath and keeping the element itself at an integrated temperature or keeping the resonance frequency of the element constant by changing the magnetic field depending on the temperature with an electromagnet have been considered. However, since these require external energy supply such as current control, their configuration is complicated.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

本発明は上述した問題点が解消された、すなわち、温度
特性を補償するための外部回路を必要とせず、更にこれ
に伴って温度特性を補償するための電力消費がなく、し
かも固定周波数,可変周波数の両方のYIG薄膜マイクロ
波装置に適用できて広範囲の使用周波数のYIG薄膜マイ
クロ波装置において、温度特性の補償を良好に行うこと
ができるようするものである。
The present invention solves the above-mentioned problems, that is, it does not require an external circuit for compensating the temperature characteristic, and further, there is no power consumption for compensating the temperature characteristic, and the fixed frequency, variable frequency The present invention can be applied to YIG thin film microwave devices of both frequencies, and enables good compensation of temperature characteristics in YIG thin film microwave devices of a wide range of operating frequencies.

本発明の説明に先立って本発明の理解を容易にするため
に、永久磁石および磁気回路について説明する。
Prior to the description of the present invention, in order to facilitate understanding of the present invention, a permanent magnet and a magnetic circuit will be described.

磁性材料の磁気特性は、磁化曲線および磁気履歴曲線に
よりそのほとんどが示される。よく知られているよう
に、全く磁化されていない材料に外部から磁界を作用さ
せ、その磁界の強さを種々変えていくと、これによって
材料中に誘起される磁束密度の状況は、第6図に示す磁
化曲線に示す経路を辿り、いわゆる磁気履歴曲線すなわ
ち磁気ヒステリシス曲線を描くことになる。永久磁石
は、一旦飽和まで磁化されたのち、磁界を取り去ること
により、その残留している磁気を利用するものであるか
ら、その磁気的状態は、第6図中Br(このBrを残留磁束
密度ないしはレマネンスと呼ぶ)の状態にあると考えら
れる。
Most of the magnetic properties of magnetic materials are shown by the magnetization curve and the magnetic hysteresis curve. As is well known, when a magnetic field is applied from the outside to a material that is not magnetized at all and the strength of the magnetic field is changed in various ways, the situation of the magnetic flux density induced in the material is By following the path indicated by the magnetization curve shown in the figure, a so-called magnetic hysteresis curve, that is, a magnetic hysteresis curve is drawn. Permanent magnets utilize the remaining magnetism by removing the magnetic field once magnetized to saturation, so the magnetic state is Br (indicated by Or called Remanence).

永久磁石は、外部に磁界を供給する目的で使用するもの
であるから、その磁気回路中には、必ず磁気空隙(磁気
ギャップ)が設けられるものであり、この磁気ギャップ
は磁石内部に反対方向の磁界すなわち反磁界を発生させ
ることになる。したがって、永久磁石の動作点は、第6
図の磁気履歴曲線の第2象限、すなわち減磁曲線と呼ば
れるレマネンスBr点から保磁力Hcに至る部分の曲線上に
くることになる。フェライトおよび希土類磁石の減磁特
性は、ほとんど真空の透磁率に等しい傾斜すなわちリコ
イル透磁率μをもつ直線部分と、急激に垂下していく
直線部分との2つからなっており、2部分を分つ屈曲点
をクニック点と呼ぶ。
Since the permanent magnet is used for the purpose of supplying a magnetic field to the outside, a magnetic air gap (magnetic gap) is always provided in the magnetic circuit. A magnetic field, that is, a demagnetizing field will be generated. Therefore, the operating point of the permanent magnet is
It comes to the second quadrant of the magnetic hysteresis curve in the figure, that is, a curve called a demagnetization curve from the point of remanence Br to the coercive force Hc. The demagnetization characteristics of ferrite and rare earth magnets consist of two parts, a linear part having a slope almost equal to the magnetic permeability of vacuum, that is, a recoil magnetic permeability μ r, and a linear part that droops drastically. The point of inflection is called a knick point.

さらに、いま、第7図に示すようにヨーク3の磁気ギャ
ップgに永久磁石4が配置されて閉磁路1が形成された
磁気回路2についての磁界計算について説明する。
Further, the magnetic field calculation for the magnetic circuit 2 in which the closed magnet circuit 1 is formed by disposing the permanent magnet 4 in the magnetic gap g of the yoke 3 as shown in FIG. 7 will now be described.

この場合、マックスウエルの方程式 を第7図の回路に適用する。In this case, Maxwell's equation Is applied to the circuit of FIG.

ここで、永久磁石4の断面積をAm、磁気ギャップの断面
積をAg、永久磁石4の厚さをそれぞれ1/2lm、磁気ギャ
ップ長をlg永久磁石4及び磁気ギャップg内の磁束密度
を永久磁石4及び磁気ギャップg内の磁界をHm及びHgと
し、ヨークの透磁率を無限大と仮定すると、ヨーク内の
磁界は0であるから、 いまの場合Am=Agであるから、 〔問題点を解決するための手段〕 第1図はYIG薄膜マイクロ波装置の構成図で図中(1)
はYIG薄膜によるマイクロ波素子、(2)はこのマイク
ロ波素子(1)にバイアス磁界を与える磁気回路で、こ
の磁気回路(2)は、例えばコ字状ヨーク(3)とその
両端部の相対向する面に、夫々厚さ1/2・lmの永久磁石
(4)が配置され、両磁石(4)及び(4)間に間隔lg
をもって磁気ギャップgが形成され、この磁気ギャップ
g内にマイクロ波素子(1)が配置される。
Here, the cross-sectional area of the permanent magnet 4 is Am, the cross-sectional area of the magnetic gap is Ag, the thickness of the permanent magnet 4 is 1/2 lm, the magnetic gap length is lg, and the magnetic flux density in the permanent magnet 4 and the magnetic gap g is permanent. Assuming that the magnetic fields in the magnet 4 and the magnetic gap g are Hm and Hg and the magnetic permeability of the yoke is infinite, the magnetic field in the yoke is 0. In this case Am = Ag, [Means for Solving Problems] FIG. 1 is a block diagram of a YIG thin film microwave device (1)
Is a microwave element made of a YIG thin film, (2) is a magnetic circuit for applying a bias magnetic field to this microwave element (1), and this magnetic circuit (2) is, for example, a U-shaped yoke (3) and its both end portions relative to each other. Permanent magnets (4) each having a thickness of 1/2 lm are arranged on the facing surfaces, and a gap lg is provided between both magnets (4) and (4).
A magnetic gap g is formed with the microwave element (1) arranged in the magnetic gap g.

そして、本出願人の出願に係る特願昭60−150431号出願
で提案したように、この磁気回路(2)中に、foを使用
周波数、γを磁気回転比、NZ YをYIG薄膜の反磁界係数、
▲4πM Y SO▼(o)をYIGの後述するFe3+との非磁性
イオンの置換量を零とするときの室温における飽和磁
化、α1 Y(o)を同様の置換量が零のときの室温付近に
おけるYIGの飽和磁化の1次の温度係数とするとき、室
温での永久磁石(4)のレマネンスBrが、 (fo/γ)+NZ Y・▲4πM Y SO▼(o)以上で、且つ室
温付近でのBrの1次の温度係数が 以上の永久磁石を用いる。
Then, as proposed in Japanese Patent Application No. 60-150431 application filed by the present applicant, in this magnetic circuit (2), fo is a used frequency, γ is a gyromagnetic ratio, and N Z Y is a YIG thin film. Demagnetizing factor,
▲ 4π M Y SO ▼ (o) is saturation magnetization at room temperature when the amount of nonmagnetic ion substitution with Fe 3+ of YIG described later is zero, and α 1 Y (o) is the same when the amount of substitution is zero When the first-order temperature coefficient of the saturation magnetization of YIG near room temperature is, the remanence Br of the permanent magnet (4) at room temperature is (fo / γ) + N Z Y · ▲ 4πM Y SO ▼ (o) or more. , And the first-order temperature coefficient of Br near room temperature The above permanent magnet is used.

尚、ここに使用周波数foとは、マイクロ波装置の使用周
波数が固定である場合は、この周波数を指称し、可変と
するときは、固定のバイアス磁界に重畳して磁気回路に
図示していないが電磁コイルへの通電制御によってバイ
アス磁界が可変されるようになされているが、この電磁
コイルへの通電電流をオフとしたときの周波数を指称す
る。
It should be noted that here, the used frequency fo refers to this frequency when the used frequency of the microwave device is fixed, and when it is variable, it is superimposed on a fixed bias magnetic field and not shown in the magnetic circuit. The bias magnetic field is varied by controlling the energization of the electromagnetic coil. The frequency when the energizing current to the electromagnetic coil is turned off is referred to.

そして、特に本発明においては、マイクロ波素子(1)
のYIG組成を、そのFe3+イオンの一部を非磁性イオンで
置換するいわゆる置換型YIG、すなわちFe3+イオンの一
部を3価の非磁性イオンの例えばGa3+,Al3+等によって
置換したもの、或いは2価のイオン例えばCa2+と4価の
イオン例えばGe4+とを組合せて置換し3価のイオンと置
換したと等価の置換型YIGとして共鳴周波数の温度特性
を補償する。
And, particularly in the present invention, the microwave element (1)
The YIG composition, so-called substituted YIG for substituting part of the Fe 3+ ions in the non-magnetic ions, i.e. for example Ga 3+ some trivalent nonmagnetic ions Fe 3+ ions, Al 3+, etc. Or a divalent ion such as Ca 2+ and a tetravalent ion such as Ge 4+ are substituted and substituted with a trivalent ion to obtain a substitution type YIG equivalent to the temperature characteristic of the resonance frequency. To do.

〔作用〕[Action]

第1図に示す磁気回路において、磁束はすべて磁気ギャ
ップg内を通り、このギャップg内の磁界は一様であ
り、またヨークの透磁率が無限大であるとすると、前述
したように、マックスウェルの方程式により次式が成り
立つ。但し、ここではc.g.s単位を用いた。
In the magnetic circuit shown in FIG. 1, all the magnetic flux passes through the magnetic gap g, the magnetic field in this gap g is uniform, and the permeability of the yoke is infinite. The following equation is established by Well's equation. However, the cgs unit was used here.

Bm=Bg ‥‥(2) lmHm=lgHg ‥‥(3) 但し、Bm,Bgは、夫々永久磁石(4)、磁気ギャップ内
の磁束密度、Hm,Hgは、夫々同様に永久磁石(4)、磁
気ギャップg内の磁界で、Hmはその向きがHg,Bm,Bgの向
きと逆となる。
Bm = Bg (2) lmHm = lgHg (3) However, Bm and Bg are permanent magnets (4), magnetic flux density in the magnetic gap, and Hm and Hg are permanent magnets (4), respectively. In the magnetic field in the magnetic gap g, the direction of Hm is opposite to that of Hg, Bm, Bg.

更に、第6図で定義したように、永久磁石(4)がクニ
ック点を持たないものであって、リコイル透磁率μrが
一定の減磁特性が直線性を示すものと定義すると、次式
(4)が成立する。
Further, as defined in FIG. 6, if the permanent magnet (4) does not have a knick point and the demagnetization characteristic with a constant recoil permeability μr shows linearity, the following equation ( 4) is established.

(3)及び(4)式より、この磁気回路(2)の磁気ギ
ャップg内の磁界Hgは温度Tの関数として次式のように
求まる。
From the expressions (3) and (4), the magnetic field Hg in the magnetic gap g of the magnetic circuit (2) is obtained as a function of the temperature T as follows.

(1)及び(5)式から、共鳴周波数が温度Tによらず
一定値foになるためには、次式(6)が成立する必要が
ある。
From the equations (1) and (5), in order for the resonance frequency to become the constant value fo regardless of the temperature T, the following equation (6) must be established.

一方、永久磁石(4)のレマネンスBr及びYIG薄膜マイ
クロ波素子(1)の飽和磁化4πMS Yは、室温Toを中心
として±数10℃の温度範囲では2次までの温度係数α1 B
及びα2 Bを考慮すれば充分に精度良く表わすことが可能
である。すなわち、 Br(T) =Br o{1+α1 B(T−To)+α2 B(T−To)} ‥‥
(7) 4πMS Y(T) =▲4πM Y SO▼{1+α1 Y(T−To)+α2 Y(T−T
o)} ‥‥(8) (6)式に、(7)式及び(8)式を代入し、両辺の温
度Tについての0次,1次及び2次の各項を等しいとする
ことにより次の式が求まる。
On the other hand, the remanence Br of the permanent magnet (4) and the saturation magnetization 4πM S Y of the YIG thin film microwave element (1) are the temperature coefficient α 1 B up to the second order in a temperature range of ± several tens of degrees around room temperature To.
, And α 2 B can be taken into account and can be expressed with sufficient accuracy. That, Br (T) = B r o {1 + α 1 B (T-To) + α 2 B (T-To) 2} ‥‥
(7) 4πM S Y (T) = ▲ 4πM Y SO ▼ {1 + α 1 Y (T-To) + α 2 Y (T-T
o) 2 } ... (8) Substituting equations (7) and (8) into equation (6), and making the 0th, 1st, and 2nd terms of temperature T on both sides equal. The following equation is obtained by

(9)式より、永久磁石(4)の強度条件として、 Br o>(fo/f)+NZ Y・▲4πM Y SO▼の条件が必要であ
ることが分る。そして、(10)及び(11)式をみると、
Brの1次及び2次の温度係数の最適値は、共鳴周波数、
YIG薄膜の磁気共鳴反磁界係数,YIGの飽和磁化及びその
温度係数だけから求まることがわかる。具体例として、
アスペクト比(膜厚/直径)が、0.01のYIG円板の垂直
共鳴では、NZ Y=0.9774であり、To=20℃でのYIGの飽和
磁気及びその温度係数は、▲4πM Y SO▼=1771.8G、
α1 Y=−2.07×10-32 Y=−0.996×10-6となり、これ
らの値からBrの1次及び2次の温度係数を計算した結果
を第2図の表に示す。しかしながら、実際上、(10)式
と(11)式とを同時に満足するような永久磁石を用意す
ることは、至難なことであるから、ここでは少くともYI
G薄膜装置の温度特性の傾むきを零にする(10)式の条
件についてだけを考えてみる。α1 Bの値は、使用する永
久磁石で決ってしまうため、(10)式を満足する共鳴周
波数は一意的に決ってしまう。具体例を挙げると、温度
特性の傾きが零になる共鳴周波数は、α1 B=1.12×10-3
のNd2Fe14Bによる永久磁石で4.11GHz、α1 B=−0.9×10
-3のCeCo5による永久磁石で、6.30GHz、α1 B=−0.5×1
0-3のSmCo5による永久磁石で15.2GHzとなる。このよう
に既存の永久磁石を用いた場合は、良好な温度特性を実
現できるYIG薄膜の使用周波数には制約があることにな
る。
From the equation (9), it can be seen that the condition of strength of the permanent magnet (4) is that B r o > (fo / f) + N Z Y · ▲ 4πM Y SO ▼. And looking at equations (10) and (11),
The optimum values of the first and second temperature coefficients of Br are the resonance frequency,
It is found that it can be obtained only from the magnetic resonance diamagnetic field coefficient of the YIG thin film, the saturation magnetization of YIG and its temperature coefficient. As a specific example,
The vertical resonance of a YIG disk with an aspect ratio (film thickness / diameter) of 0.01 is N Z Y = 0.9774, and the saturation magnetism of YIG at To = 20 ° C and its temperature coefficient are ▲ 4πM Y SO ▼ = 1771.8G,
α 1 Y = −2.07 × 10 −3 , α 2 Y = −0.996 × 10 −6 , and the results of calculating the primary and secondary temperature coefficients of Br from these values are shown in the table of FIG. However, in practice, it is extremely difficult to prepare a permanent magnet that satisfies both equations (10) and (11) at the same time.
G Consider only the condition of Eq. (10) that makes the temperature characteristics of the thin film device zero. Since the value of α 1 B is determined by the permanent magnet used, the resonance frequency that satisfies equation (10) is uniquely determined. As a specific example, the resonance frequency at which the slope of the temperature characteristic becomes zero is α 1 B = 1.12 × 10 -3
4.11GHz with a permanent magnet of Nd 2 Fe 14 B, α 1 B = −0.9 × 10
-3 CeCo 5 permanent magnet, 6.30GHz, α 1 B = −0.5 × 1
A permanent magnet with 0 -3 SmCo 5 gives a frequency of 15.2 GHz. As described above, when the existing permanent magnet is used, there are restrictions on the operating frequency of the YIG thin film that can realize good temperature characteristics.

これに対し、本発明においては、YIG薄膜のFe3+イオン
への非磁性イオンの置換量δを制御するものであり、こ
れにより、既存の永久磁石を用いても広範な使用周波数
のYIG薄膜マイクロ波装置において良好な温度特性を実
現することができるのである。次にこのことについて説
明する。
On the other hand, in the present invention, the substitution amount δ of non-magnetic ions for Fe 3+ ions in the YIG thin film is controlled, and thus the YIG thin film in a wide range of operating frequencies can be used even with the existing permanent magnet. Good temperature characteristics can be realized in the microwave device. Next, this will be described.

先ず、YIGのFe3+イオンへの非磁性イオンの置換によるY
IG飽和磁化の変化について説明する。今、純粋なYIG単
結晶についてみると、Y3Fe5O12の中の5個のFe3+磁性イ
オンのうち、3個のFe3+イオンは四面体位置に入り、2
個のFe3+イオンは八面体位置に入り、四面体位置のFe3+
イオンと八面体位置のFe3+イオンとは強い超交換相互作
用によって反平行に配列している。この結果、差し引き
1個のFe3+イオンのもつ5ボーアマグネトン(5μB)
分の磁気モーメントが、YIG飽和磁化に寄与している。
今、YIGのFe3+イオンの一部を非磁性イオンである。Ga
3+で置換した場合を考えると、置換量δが余り大きくな
いときには、Ga3+は100%四面体位置のFe3+と置き換わ
るから1分子式当りの磁気モーメントは、 5μB×{(3−δ)−2}=5(1−δ)μB となり、飽和磁化は減少する。Ga置換YIGの飽和磁化に
ついては、文献:ジャーナル・オブ・アプライドフィジ
ックスVol.45,No.6 PP2728〜2732,6月,1974で詳細に報
告されているところであり、同文献の(1)〜(4)式
を用いてY3Fe5−δ Ga12におけるGa置換量を変えて温度
変化に対する飽和磁化を計算した結果を第3図に示す。
そして、第4図にそのGa置換量δに対する中心温度20℃
での飽和磁化4πMS Yと、−20℃〜+60℃での1次及び
2次の温度係数α1 Y2 Yの値を示す。第4図から明ら
かなように、室温でのYIGの飽和磁化の値は、置換量δ
が増すにしたがって単調に減少するが、飽和磁化の1次
の温度係数α1 Yの値は、置換量δによらずほぼ一定して
いる。
First, Y 3 is obtained by substituting Fe 3+ ions of YIG with nonmagnetic ions.
The change in IG saturation magnetization will be described. Now, looking at a pure YIG single crystal, three Fe 3+ ions out of 5 Fe 3+ magnetic ions in Y 3 Fe 5 O 12 enter the tetrahedral position, and 2
Number of Fe 3+ ions enters the octahedral position, of the tetrahedral position Fe 3+
The ions and the Fe 3+ ions at the octahedral position are antiparallel to each other due to the strong superexchange interaction. As a result, 5 Bohr magnetone (5 μB) possessed by one Fe 3+ ion
Min magnetic moment contributes to the YIG saturation magnetization.
Now, some of YIG's Fe 3+ ions are non-magnetic ions. Ga
Considering the case of substitution with 3+ , when the substitution amount δ is not so large, 100% of Ga 3+ is replaced with Fe 3+ at the tetrahedral position, so the magnetic moment per molecular formula is 5 μB × {(3-δ ) −2} = 5 (1−δ) μB, and the saturation magnetization decreases. The saturation magnetization of Ga-substituted YIG has been reported in detail in the literature: Journal of Applied Physics Vol.45, No.6 PP2728-2732, June, 1974, and (1)-( FIG. 3 shows the result of calculating the saturation magnetization with respect to temperature change by changing the Ga substitution amount in Y 3 Fe 5 −δ Ga 12 using the equation 4).
Then, in FIG. 4, the central temperature is 20 ° C. with respect to the Ga substitution amount δ.
The values of the saturation magnetization of 4πM S Y and the primary and secondary temperature coefficients α 1 Y and α 2 Y at −20 ° C. to + 60 ° C. are shown. As is clear from FIG. 4, the value of the saturation magnetization of YIG at room temperature is
However, the value of the first-order temperature coefficient α 1 Y of the saturation magnetization is almost constant regardless of the substitution amount δ.

一方、永久磁石に対する条件式(9)及び(10)は、室
温におけるYIGの飽和磁化及び飽和磁化の1次の温度係
数を置換量δの関数として、それぞれ▲4πM Y SO
(δ),α1 Y(δ)としたとき以下のように書き直され
る。
On the other hand, in the conditional expressions (9) and (10) for the permanent magnet, the saturation magnetization of YIG at room temperature and the first-order temperature coefficient of the saturation magnetization as a function of the substitution amount δ are calculated by ▲ 4πM Y SO ▼, respectively.
When (δ) and α 1 Y (δ), it is rewritten as follows.

ここに▲4πM Y SO▼(δ)の値は、前述したように置
換量δを大きくするに従って単調減少するから、 の条件が成立すれば、δの値によらず(9′)式を満す
永久磁石の厚さlmの解が存在することになる。また、
(10′)式においてα1 B1 Y(δ)は、共に負の値を
とり、前述したようにα1 Y(δ)はδの値に依ることな
く殆んど一定しており、▲4πM Y SO▼(δ)は、δの
値に伴って単調減少するからα1 Y(δ)の係数NZ Y・▲
4πM Y SO▼(δ)/{(fo/γ)+HZ Y・▲4πM Y SO
▼(δ)}の値は正で、且つδの増加に伴って単調減少
することがわかる。
Here, the value of (4πM Y SO ) (δ) decreases monotonically as the substitution amount δ increases, as described above, If the condition of is satisfied, there exists a solution of the thickness lm of the permanent magnet that satisfies the expression (9 ′) regardless of the value of δ. Also,
In equation (10 '), α 1 B and α 1 Y (δ) are both negative values, and as mentioned above, α 1 Y (δ) is almost constant regardless of the value of δ. , ▲ 4π M Y SO ▼ (δ) decreases monotonically with the value of δ, so the coefficient of α 1 Y (δ) N Z Y・ ▲
4πM Y SO ▼ (δ) / {(fo / γ) + H Z Y・ ▲ 4πM Y SO
It can be seen that the value of ▼ (δ)} is positive and decreases monotonically as δ increases.

したがって、 の条件が成立すれば、置換量δを選ぶことによって(1
0′)式の条件を満足することが可能になる。つまり、
既存の永久磁石材料によっても、YIG薄膜のFe3+の非磁
性イオンの置換量δを調整することにより所要の温度特
性を実現できることになる。
Therefore, If the condition of is satisfied, by selecting the replacement amount δ (1
It becomes possible to satisfy the condition of the expression 0 '). That is,
Even with the existing permanent magnet material, the required temperature characteristics can be realized by adjusting the substitution amount δ of nonmagnetic ions of Fe 3+ in the YIG thin film.

尚、α1 B,fo,HZ Yの値が与えられたとき、(10′)式を
満すδの値は、解析的には求められないので、コンピュ
ータシミュレーションで計算することになる。但しα1 Y
(δ)のδ依存性は小さいと仮定し、▲4πM Y SO
(δ)の変化を2次式 ▲4πM Y SO▼(δ) =▲4πM Y SO▼(o)(1+βδ+βδ)‥‥
(14) で近似すると、最適置換量δの概略の値は、次式から求
めることが可能となる。
Incidentally, when the values of α 1 B , fo, H Z Y are given, the value of δ satisfying the expression (10 ′) cannot be analytically obtained, and therefore it is calculated by computer simulation. However α 1 Y
Assuming that δ dependence of (δ) is small, ▲ 4πM Y SO
The change of (δ) is expressed by a quadratic equation: ▲ 4πM Y SO ▼ (δ) = ▲ 4πM Y SO ▼ (o) (1 + β 1 δ + β 2 δ 2 ) ...
If approximated by (14), the approximate value of the optimum replacement amount δ can be obtained from the following equation.

〔実施例〕 第1図の構成において、磁気ギャップgの間隔lgを3mm
とし、永久磁石(4)としてNd2Fe14B磁石、CeCo5
石、SmCo5磁石のいずれかを使用した。このときのYIG薄
膜マイクロ波装置の各使用周波数fに対する(15)式に
よるシミュレーション結果を第5図A〜Cにそれぞれ示
す。ここでδはYIG薄膜マイクロ波装置の温度特性の傾
きを零にする最適の置換量、lmは必要な永久磁石(4)
の全体の厚さ、Δfは−20℃〜+60℃の温度範囲におけ
る2次の温度係数まで考慮した周波数変動である。この
第5図によれば、YIGのFe3+イオンの非磁性イオンの置
換量δを制御することにより、既存の永久磁石を用いて
広範囲な使用周波数のYIG薄膜装置に対して良好な温度
特性を実現することができることがわかる。
[Embodiment] In the configuration of FIG. 1, the gap lg of the magnetic gap g is 3 mm.
As the permanent magnet (4), any one of Nd 2 Fe 14 B magnet, CeCo 5 magnet and SmCo 5 magnet was used. FIGS. 5A to 5C show the simulation results by the equation (15) for each operating frequency f of the YIG thin film microwave device at this time. Here, δ is the optimum replacement amount that makes the slope of the temperature characteristics of the YIG thin film microwave device zero, and lm is the required permanent magnet (4).
The total thickness, Δf, is the frequency variation considering the second-order temperature coefficient in the temperature range of −20 ° C. to + 60 ° C. According to FIG. 5, by controlling the substitution amount δ of nonmagnetic ions for Fe 3+ ions of YIG, good temperature characteristics can be obtained for YIG thin film devices with a wide range of operating frequencies by using existing permanent magnets. It turns out that can be realized.

尚、上述した例では、使用周波数が固定したマイクロ波
装置に本発明を適用した場合であるが、磁気回路(2)
のヨーク(3)に図示しないが、コイルが巻装された可
変型のYIG薄膜マイクロ波装置に適用することもでき
る。
In the example described above, the present invention is applied to a microwave device whose operating frequency is fixed. The magnetic circuit (2)
Although not shown in the yoke (3), it can be applied to a variable YIG thin film microwave device in which a coil is wound.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

上述したように本発明によれば、良好な温度特性を有す
るマイクロ波装置が実現できるので、冒頭に述べたよう
に量産性にすぐれたYIG薄膜によるマイクロ波装置の特
徴を活かして、よりその利用度が高められ、その工業的
利益は大である。
As described above, according to the present invention, a microwave device having a good temperature characteristic can be realized, and as described at the beginning, the characteristics of the microwave device using the YIG thin film, which is excellent in mass productivity, can be utilized to further utilize the microwave device. The industrial profit is great.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明によるYIG薄膜マイクロ波装置の一例の
構成図、第2図は各周波数についての永久磁石のとるべ
き温度係数を示す表図、第3図は置換量δをパラメータ
とする飽和磁化の温度特性曲線図、第4図はYIGのGa置
換量に対する各値の関係を示す表図、第5図は周波数に
対するGa置換量,磁石の厚さ,周波数変動Δf,温度特性
曲線の湾曲形状を示す表図、第6図は磁化曲線図、第7
図は磁気回路図である。 (1)はマイクロ波素子、(2)は磁気回路、gはその
磁気ギャップ、(3)はヨーク、(4)は永久磁石であ
る。
FIG. 1 is a block diagram of an example of a YIG thin film microwave device according to the present invention, FIG. 2 is a table showing temperature coefficients to be taken by a permanent magnet for each frequency, and FIG. 3 is saturation with a substitution amount δ as a parameter. Magnetization temperature characteristic curve diagram, Fig. 4 is a table showing the relation of each value to Ga substitution amount of YIG, and Fig. 5 is Ga substitution amount with respect to frequency, magnet thickness, frequency variation Δf, curvature of temperature characteristic curve 6 is a table showing the shape, FIG. 6 is a magnetization curve diagram, and FIG.
The figure is a magnetic circuit diagram. (1) is a microwave element, (2) is a magnetic circuit, g is its magnetic gap, (3) is a yoke, and (4) is a permanent magnet.

フロントページの続き (56)参考文献 1979 IEEE MTT−S INTE RNATIONAL MICROWAVE SYMPOSIUM DIGEST P P.160−161. Materials Research Bulletin,Pergamon Press Vol.12,Number 7,July,1977PP.735−740Continuation of front page (56) References 1979 IEEE MTT-S INTERNATIONAL MICROWAVE SYMPOSIUM DIGEST P.P. 160-161. Materials Research Bulletin, Pergamon Press Vol. 12, Number 7, July, 1977 PP. 735-740

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】(a) YIG薄膜のフェリ磁性共鳴を利用
したマイクロ波素子と、 (b) 該マイクロ波素子に直流磁界を印加する永久磁
石から成る磁気回路とを有し、 (c) 上記マイクロ波素子を構成するYIG薄膜の組成
を、そのFe3+イオンの一部を非磁性イオンで置換し、 (d) 上記永久磁石は、foを使用周波数(固定周波数
装置ではその周波数、可変周波数装置ではその周波数制
御用の電磁石コイルに電流を通じない状態での周波
数)、γを磁気回転比、NzYを上記YIG薄膜の磁気共鳴反
磁界係数、4πMsoY(0)を上記非磁性イオンの置換量
が零のときのYIG薄膜の室温における飽和磁化、α
1 Y(0)を上記置換量が零のときのYIG薄膜の室温付近
における飽和磁化の1次の温度係数としたとき、室温で
の上記永久磁石のレマネンスBrが(fo/γ)+NzY・4π
MsoY(0)以上で、Brの室温付近での1次の温度係数が 〔NzY・4πMsoY(0)/{(fo/γ)+NzY・4πMsoY
(0)〕×α1 Y(0)以上としたことを特徴とするYIG
薄膜マイクロ波装置。
1. A microwave device utilizing ferrimagnetic resonance of a YIG thin film, (b) a magnetic circuit comprising a permanent magnet for applying a DC magnetic field to the microwave device, and (c) the above. The composition of the YIG thin film that constitutes the microwave element is obtained by substituting a part of Fe 3+ ions with non-magnetic ions, and (d) the above-mentioned permanent magnet uses fo (frequency in a fixed frequency device, its frequency, variable frequency). In the device, the frequency in a state where no current is passed through the electromagnet coil for frequency control), γ is the gyromagnetic ratio, Nz Y is the magnetic resonance diamagnetic field coefficient of the YIG thin film, and 4πMso Y (0) is the replacement of the nonmagnetic ion. Saturation magnetization of YIG thin film at room temperature when the amount is zero, α
When 1 Y (0) is the first-order temperature coefficient of saturation magnetization near room temperature of the YIG thin film when the amount of substitution is zero, the remanence Br of the permanent magnet at room temperature is (fo / γ) + Nz Y
Above Mso Y (0), the first-order temperature coefficient of Br near room temperature is [Nz Y · 4πMso Y (0) / {(fo / γ) + Nz Y · 4πMso Y
(0)] × α 1 Y (0) or above YIG
Thin film microwave device.
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