Conception et réalisation d’un circulateur coplanaire à couche magnétique de YIG en bande X pour des applications en télécommunications

par Oussama Zahwe

Thèse de doctorat en Optique. Photonique. Hyperfréquence

Sous la direction de Bruno Sauviac.

Soutenue en 2009

à Saint-Etienne .

mots clés

• Couches minces -- Propriétés magnétiques
• Yttrium
• Microondes

Résumé

Dans le domaine des hyperfréquences, les composants passifs actuellement commercialisés, de type circulateurs ou isolateurs, sont fabriqués de façon unitaire à partir des substrats de ferrite et avec des structures microruban ou triplaque. La miniaturisation et l’intégration des ces circulateurs nécessitent de disposer d’une couche mince magnétique qui possède des propriétés magnétiques proche des matériaux massifs. Ce travail s’intéresse donc à deux points particuliers pour la réalisation du circulateur : miniaturisation et fabrication collective. Les travaux relatés dans ce manuscrit ont pour objectif la conception et la réalisation d’un circulateur coplanaire à couche magnétique de YIG en bande X pour des applications en télécommunications. L’étude présentée débute la mise en place d’un processus de dimensionnement. A partir des travaux de Bosma, les règles de design sont mises en place de façon analytique pour un circulateur triplaque. Après avoir affiné les dimensions de façon numérique, les résultats sont transposés à la structure coplanaire et optimisés à l’aide d’un simulateur électromagnétique. Plusieurs structures de circulateur en couche mince et couche massive sont utilisées. Les épaisseurs vont de 16 à 1000 μm. Plusieurs séries de prototypes sont fabriquées puis caractérisées à partir d’un banc de mesure hyperfréquence composé d’un testeur sous pointes à trois accès et d’un analyseur vectoriel de réseaux. Les résultats expérimentaux de différents prototypes de différentes épaisseurs sont présentés tout en dressant une comparaison avec les rétro-simulations en 3D. Une réflexion sur les résultats généraux est réalisée et nous proposons des pistes pour l’amélioration des performances de nos prototypes

Titre traduit

Design and manufacture of a coplanar circulator using YIG magnetic film for telecommunication applications in the X-band frequency

Résumé

In the field of microwaves, passive components currently on the market, basically circulators and isolators, are manufactured from unitary ferrite substrates and with microstrip or stripline structures. Miniaturization and integration of these circulators need to have a thin ferrite layer that has the characteristics of the bulk material. This work therefore focuses on two particular aspects of the fabrication of circulator: miniaturization and capability of mass production. The goal of this work is to design and to manufacture a miniaturized coplanar circulator with magnetic ferrite film operating in X-band frequency for telecommunications applications. The design and S parameters calculation are based on the theoretical results obtained from a stripline structure. Then the analytical results obtained from stripline are transposed to the coplanar design. The analytical study is completed by numerical studies made with electromagnetic simulator. Some structures of circulator with thin and thick layer are analyzed using this software varying their thickness from 16 to 1000 μm. Some series of prototypes are manufactured and characterized by the means of a probe tester with three accesses and a vector network analyzer. The experimental results of prototypes of various thicknesses are presented and compared to the retro-simulations in 3D. A discussion on the overall results is outlined and we suggest some ways for improving the performance of our prototypes