Pertes en hyperfréquences

Lors de la réalisation de dispositifs hyperfréquences à base de ferrite, il est indispensable de maîtriser les pertes d’insertion. Ces pertes sont directement liées aux propriétés du matériau et ont deux origines : magnétiques et diélectriques [NIC74].

Pertes magnétiques

Dans un premier temps, les différentes pertes d’origine magnétique seront présentées. Il en existe trois sortes, deux pour caractériser le comportement du matériau à bas niveau de fréquence, proche ou loin de la résonance et la troisième pour ses caractéristiques à forte puissance.

A basse fréquence, comme nous l’avons vu précédemment, les pertes sont dues à la partie imaginaire de la perméabilité complexe 𝜇′′

.

Pertes hyperfréquences à bas niveau de puissance près de la résonance

La largeur de raie de la résonance gyromagnétique Δ𝐻 est un facteur fondamental à dé- terminer pour une utilisation près de la résonance. Elle va permettre de mettre en évidence des défauts dans le matériau. Δ𝐻 est en effet directement lié aux imperfections du matériau comme la porosité ou les impuretés ainsi qu’à l’anisotropie magnétocristalline.

Cette largeur est reliée à la porosité, à l’anisotropie magnétocristalline, à l’aimantation à saturation et aux pertes magnétiques effectives (voir paragraphe suivant) par la formule :

Δ𝐻 = Δ𝐻𝑒𝑓 𝑓 + 1, 5𝑝𝑀𝑆+ 2, 7𝐾1 𝜇2 0𝑀𝑆3 (1.27) Avec : – MS l’aimantation à saturation

CHAPITRE 1. LES FERRITES ET LEURS APPLICATIONS HYPERFRÉQUENCES – p la porosité

– K1 la constante d’anisotropie magnétocristalline

– 𝜇0 la perméabilité du vide

Pertes hyperfréquences à bas niveau de puissance loin de la gyrorésonance Pour des fonctionnements assez éloignés de la résonance, la valeur de Δ𝐻 donne des résultats pouvant être faussés. C’est pourquoi une nouvelle grandeur a été introduite, la largeur de raie effective ou intrinsèque Δ𝐻𝑒𝑓 𝑓. C’est cette valeur qui va définir les pertes magnétiques,

plus elle sera petite, moins on aura de pertes.

Cette grandeur est fortement liée à la présence d’ions relaxants, comme le Fe2+_{, dans la struc-}

ture. Les ions fer trivalents relaxent très peu, la couche électronique 3d à moitié remplie n’est pas propice à du couplage spin-orbite. Les ferrites grenats présentent donc, contrairement aux spinelles, de très faibles Δ𝐻𝑒𝑓 𝑓 dus à l’absence de Fe2+ dans leur structure. Néanmoins,

de nombreuses substitutions d’ions relaxants peuvent augmenter fortement les valeurs de Δ𝐻𝑒𝑓 𝑓.

Pertes hyperfréquences à haut niveau de puissance

Δ𝐻 et Δ𝐻𝑒𝑓 𝑓 représentent les pertes magnétiques en régime linéaire lorsque la puissance du

champ hyperfréquence est faible. En revanche, quand la puissance de ce champ augmente, on observe l’ apparition de phénomènes non linéaires. La limite d’apparition de ces effets est appelée champ critique hc. Lorsque ce champ critique est atteint, des pertes magnétiques sup- plémentaires apparaissent. Il existe des phénomènes non linéaires du premier et du deuxième ordre. Dans le cas de nos dispositifs, les plus impactantes sont celles du premier ordre, c’est celles-ci qui sont décrites dans la suite.

Les effets non linéaires sont dus à l’apparition d’ondes de spin : les moments magnétiques ne restent pas parallèles les uns aux autres et en changeant d’orientation de proche en proche, les spins des électrons forment une onde ([SUH57]). Le champ critique hc représente le champ

hyperfréquence à partir duquel les effets non linéaires apparaissent. En fonction du champ statique appliqué, hc présente un minimum appelé Hsub. Il augmente à nouveau et tend

vers une valeur Hlim : cette augmentation correspond à l’amortissement des ondes de spin

caractérisé par la largeur de raie Δ𝐻𝑘 (Figure 1-34).

Pour des disques de ferrite, on a :

ℎ𝑐 ≈ 0, 5 · Δ𝐻𝑘

2𝜋𝑓

𝛾𝑀𝑆 (1.28)

CHAPITRE 1. LES FERRITES ET LEURS APPLICATIONS HYPERFRÉQUENCES

Figure 1-34 – Champ critique en fonction du champ statique en hyperfréquence ferrites de nickel, la relation entre les tailles de grains et le Δ𝐻𝑘 suivis de Borghese en 1969

(([PAL66], [BOR69]). Patton publie en 1970 l’effet de la microstructure sur les propriétés magnétiques de grenat d’yttrium-fer, en particulier en cas de fortes puissances [PAT70]. Les différentes largeurs de raies sont ordonnées de la façon suivante :

Δ𝐻𝑘 < Δ𝐻𝑒𝑓 𝑓 < Δ𝐻

Il faudra donc trouver un compromis entre tenue en puissance et pertes à bas niveau. En effet un matériau présentant un faible Δ𝐻 aura forcément un faible Δ𝐻𝑘 et donc une mauvaise

tenue en puissance, et inversement.

Comme pour la plupart des grandeurs caractéristiques des ferrites, il va être possible de jouer sur ces valeurs grâce à des substitutions. L’utilisation de gadolinium permettra une meilleure tenue en puissance mais entraînera une dégradation des pertes magnétiques. Au contraire les substitutions aluminium mènent à une décroissance des pertes à bas niveau de puissance et donc à une moins bonne tenue en puissance.

Pertes diélectriques

Aux pertes magnétiques viennent s’ajouter les pertes d’origine diélectrique. L’origine de ces pertes est principalement la présence de deux mêmes ions de valence différente. Dans le cas du ferrite de type grenat, les ions Fe2+ _{et Fe}3+ _{peuvent cohabiter. Ceci mène à une importante}

augmentation de la conductivité électrique et des pertes diélectriques. Les électrons, en excès, peuvent sauter d’un ion à l’autre. Afin de limiter l’apparition de ces pertes, il faut donc préparer le matériau avec soin : peser le mieux possible les matières premières, s’assurer de la reproductibilité du cycle thermique etc. [NIC74]. Pour le YIG, la tangente des pertes diélectriques est de l’ordre de 10-4 _{à 10 GHz. En théorie, en hyperfréquences, ces pertes sont}

Chapitre 2

Synthèse et caractérisations

Sommaire

2.1 Synthèse . . . 53