Electromagnetic modeling and characterization of anisotropic ferrite materials for microwave Isolators/Circulators

par Vinod V K Thalakkatukalathil

Thèse de doctorat en Electronique

Sous la direction de Patrick Quéffélec.

Le président du jury était Didier Vincent.

Le jury était composé de Patrick Quéffélec, Didier Vincent, Geneviève Mazé-Merceur, Alexis Chevalier.

Les rapporteurs étaient Didier Vincent, Geneviève Mazé-Merceur.

  • Titre traduit

    Modélisation et Caractérisation de matériaux ferrites anisotropes pour les dispositifs micro-ondes isolateurs/circulateurs


  • Résumé

    Les circulateurs et les isolateurs à ferrite sont couramment utilisés dans l’électronique hyperfréquence en raison de leur forte résistivité électrique et de leur aimantation spontanée élevée. La conception et l’optimisation des dispositifs micro-ondes à ferrites nécessitent d’une part la connaissance de leurs propriétés dynamiques, permittivité complexe et tenseur de perméabilité, et d’autre part le contrôle de la propagation de l’onde électromagnétique (EM) qui conditionne leurs performances. Les logiciels commerciaux de simulation utilisent différents modèles théoriques pour décrire le tenseur de perméabilité en fonction de l’état d’aimantation. Cependant la plupart de ces simulateurs EM restent limités à des états particuliers d’aimantation en raison des hypothèses simplificatrices des modèles de perméabilité utilisés. Dans ce travail de thèse, nous présentons un outil prédictif pour l’étude des propriétés EM des ferrites quel que soit leur état d’aimantation et qui tient compte de l’inhomogénéité des champs internes de polarisation. Cette modélisation combine des techniques expérimentales de détermination des paramètres physiques des ferrites et un modèle théorique qui utilise ces paramètres pour décrire le comportement dynamique des ferrites quel que soit l’état d’aimantation. Dans la première partie de la thèse nous présentons une méthode large bande en ligne coaxiale pour la mesure du coefficient d’amortissement. Les paramètres S théoriques sont calculés à partir d’une analyse EM (problème direct) de la cellule de mesure. Pour le problème inverse, une optimisation numérique a été développée pour calculer le coefficient d’amortissement (α) par comparaison des paramètres S calculés avec ceux mesurés. Dans la seconde partie de la thèse, nous présentons un outil théorique de modélisation EM qui combine une analyse magnétostatique, un modèle du tenseur de perméabilité généralisé (GPT) et le simulateur Ansys HFSSTM. La majorité des paramètres d’entrée comme l’aimantation à saturation ou le champ d’anisotropie peuvent être mesurés à l’aide de techniques standards de caractérisation statique. Seul le paramètre dynamique, le coefficient d’amortissement, est déterminé à l’aide de la technique en ligne coaxiale proposée dans la première partie de la thèse. L’outil théorique développé est ensuite validé par la modélisation et la réalisation d’un circulateur micro-ruban à jonction Y. Grâce à la prise en compte de l’inhomogénéité des champs internes de polarisation, l’outil théorique proposé permet de mieux prédire le comportement dynamique des dispositifs à ferrites et cela pour tout état d’aimantation.


  • Résumé

    Ferrites are widely used in microwave electronics, particularly for circulators and insulators, because of their high electrical resistivity and high spontaneous magnetization. Design and optimization of microwave devices using ferrites requires realistic knowledge of its dynamic response, namely complex permittivity and permeability tensor and, on the other hand, control of wave propagation that condition their performance. Commercial simulation software use different theoretical models to describe the permeability tensor according to the state of magnetization. However, most of the electromagnetic (EM) simulators remain limited to certain states of magnetization, due to the simplified assumptions on which their permeability models are based upon.In this thesis work, we presented a predictive electromagnetic tool to study the EM properties of ferrites, whatever their magnetization state is, and takes into account the inhomogeneity of the internal polarization fields. This theoretical modeling approach combines experimental techniques to find the physical parameters of the ferrites, and a theoretical model which will use these parameters to describe the dynamic behavior of ferrites at any magnetization state.In the first part of the thesis, we presented a broadband coaxial line method for damping factor measurement. Theoretical S parameters are calculated using the EM analysis (direct problem) of the measurement cell. In the inverse problem, a numerical optimization procedure is developed to compute the damping factor (α) by matching theoretical S parameters with measured S parameters.During the second part of the thesis, we developed a theoretical EM modeling tool which combines a magneto-static solver, generalized permeability tensor model and commercial simulation software Ansys HFSSTM. Most of the input parameters like saturation magnetization, anisotropy field, etc. can be measured using standard characterization methods, except the damping factor used to represent the dynamic losses. Static input parameters of this theoretical tool are determined using standard material characterization methods.Dynamic input parameter, damping factor is calculated using the coaxial line technique proposed in the first part of this thesis. Theoretical EM tool is validated by modeling, and realizing a microstrip Y-junction circulator. By taking into account the inhomogeneity of the internal polarizing fields, proposed theoretical tool can predict the dynamic behavior of ferrite devices more accurately, at all magnetization states.


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