Caractérisation et application de matériaux composites nanostructurés à la réalisation de dispositifs hyperfréquences non réciproques

Characterization and application of nanostructured compsite materials to the achievement of nonreciprocal microwave devices

• Auteur / Autrice : Stéphane Mallégol
• Direction : Marcel Le Floc'h
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Brest

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanoparticules

Anisotropie

Résumé

Aux fréquences micro-ondes, les ferrites sont caractérisés par une perméabilité tensorielle, représentative de leur anisotropie induite sous champ magnétique. Cette propriété spécifique est à l'origine du comportement non réciproque de dispositifs comme les circulateurs et les isolateurs. Les limitations des milieux ferrites (aimantation à saturation réduite, fortes températures de frittage lors de leur élaboration) conduisent cependant les laboratoires à étudier des matériaux s'y substituant. Pour pouvoir réaliser des fonctions hyperfréquences non réciproques optimisées à partir de tels matériaux, la mesure préalable de leur tenseur de perméabilité est requise sur une large bande de fréquences. L'originalité du travail présenté dans ce mémoire est double : - dans un premier temps, une technique de mesure non itérative des éléments (æ, k) du tenseur de perméabilité des milieux magnétiques, dans un état quelconque d'aimantation, a été développée. Elle est utilisable du continu jusqu'à environ 6 à 7 GHz, selon le type de matériau testé. Outre la détermination analytique de (æ, k) en fonction des paramètres S de la cellule de mesure en ligne de transmission élaborée, son principal intérêt est de permettre dé́tudier le matériau dans des conditions voisines de celles fixées par l’application en technologie planaire ultérieure (mesure ± in-situ α), - à partir de cette technique de caractérisation expérimentale, les propriétés d'anisotropie induite de matériaux composites nanostructurés aimantés ont ensuite été démontrées puis ajustées pour mettre en œuvre un isolateur hyperfréquence à résonance. Les performances de ce dernier sont au moins comparables à celles des isolateurs à ferrites, pour une quantité de matière magnétique moindre.

Anisotropic properties of magnetized ferrites are commonly at the basis of nonreciprocity in microwave devices, e. G. , circulators and isolators. However, ferrites are not the best suited materials for such applications, due to their moderate saturation magnetization and high-sintering temperature needed during their manufacturing process. Consequently, research laboratories tend to propose substitute materials. To achieve an optimized performances-nonreciprocal device based on such a magnetized material, the exact knowledge of its tensorial permeability is required over a broad-frequency range. The originality of this work is twofold. At first, a measurement technique enabling the noniterative and broad-band (up to 6-7 GHz) determination of the permeability tensor components (æ, k) of magnetized or demagnetized magnetic materials has been developed. The measurement cell used is composed of a nonreciprocal strip transmission line. The major advantage of this new technique is to permit to study the material behavior in the same environment as microwave devices (± in-situ α characterization method). Then, the measurement capability has been employed to demonstrate the field-induced anisotropy of nanocomposite samples. Based on a comparison with a standard ferrite, this original magnetic anisotropy of magnetized nanophases has been exploited to investigate the design of an optimum an low-cost resonance microwave isolator.