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Submitted on 1 Jan 1971
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MATÉRIAU FERROMAGNÉTIQUE FEUILLETÉ POUR HYPERFRÉQUENCES
L. Courtois, H. Pascard
To cite this version:
L. Courtois, H. Pascard. MATÉRIAU FERROMAGNÉTIQUE FEUILLETÉ POUR HY- PERFRÉQUENCES. Journal de Physique Colloques, 1971, 32 (C1), pp.C1-161-C1-162.
�10.1051/jphyscol:1971153�. �jpa-00214480�
JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque C I , supplkment au no 2-3, Tome 32, Fkvrier-Mars 1971, page C 1
-
161MATERIAU FERROMAG~TIQUE
FEUILLETE
POUR HYPERFREQUENCES (*IL. COURTOIS et H. PASCARD
Laboratoire de Magnktisme, C. N. R. S., 92, Bellevue, France
R6sum6. - Dks 1949 Sakurai [I] envisageait l'emploi de matkriaux BlectromagnBtiques (( artificiels D. Clogston et d'autres [2, 3,4] chercherent a rkduire les pertes joule des c2bles coaxiaux ; ils proposerent un fin feuilletage en lame alter- nativement conductrice et isolante pour supprimer l'effet de peau. Le dkveloppement de la micro6lectronique et celui des films minces reposent aujourd'hui le probleme.
Nous calculons la constante de propagation d'un milieu finement stratifie. En plus des pertes 6lectromagnBtiques des deux composants on distingue trois nouvelles sources de pertes, celles dues a la rksistivite du metal, celles dues a l'epais- seur du film mktallique, et celles dues a une propagation non parall6le aux couches. Les expMences confirment la thkorie.
A titre d'exemple nous prksentons une ligne a sens unique en microstrip, ou le ferrite est remplack par un permalloy feuillet6, la non-r6ciprocit6 atteint 10 dB.
Abstract. - The use of (( artificial )) electromagnetic material was first envisaged in 1949 [I]. Clogston and others [2, 3,4] seek to reduce joule loss in coaxial cables ; they proposed the alternate stacking of thin conducting and insulating lamina to minimize the skin effect. Due to the development of microelectronics and thin films to-date, this problem is again of interest.
In this paper the propagation constant in a stratified medium is calculated. In addition to the two ordinary compo- nents of dielectric and magnetic losses in insulating media, we found an additional conductivity-dependent loss which can be further subdivided into three components : that due to the finite resistivity of the metal, that due to the finite thickness of the metallic film, and that due to wave propagation which is not parallel to the film plane. The results of our experiments are in accord with our theory. As an example, we present here the attenuation data on a micros- trip unidirectional transmission line, where the ferrite is replaced by a laminated permalloy-dielectric medium ; the isola- tion to insertion loss ratio for this case is 10 dB.
I. Introduction. - Les performances des films gyro- magnktiques sont excellentes. I1 est connu qu'un mktal feuilletk ne subit pas l'effet de peau. Cette g6omCtrie semble bien convenir aux lignes micro- strip. C'est pourquoi nous envisageons le remplace- cement des ferrites par un empilement de films minces.
Nous prksentons YBtude thkorique sous un aspect origi- nalparticuli6rement adapt6 au but que nous proposons.
Soit un empilement rkgulier de deux couches infi- nies diffkrentes indickes 1 et 2. Le syst&me est B deux dimensions x et y. La couche 1 est mktallique de conductibilit6 o, de permittivite E, = - jolw, d'kpais- seur de peau 6. La couche 2 est diklectrique, on a :
1% 1 4 1 6 2 I.
11. ThBorie. - Cherchons une onde TM de direc- tion de propagation a dont les composantes du vec- teur d'onde sont kx et K sur x et y (tg a = K/kx).
L'aspect inhomoghe suivant y crke des ondes sta- tionnaires ; mais suivant le thkor&me de Bloch l'onde peut toujours prendre la forme ~ , ( ~ ) . e j ~ ~ oh u,(y) est une fonction ayant la p6riode de l'empilement.
Cette onde est constituke d'une combinaison linkaire de deux ondes propres de chacun des milieux, ayant toutes le m&me k, mais des k,, opposks deux B deux.
Les equations de Maxwell imposent aux limites des conditions de continuit6 qui donnent l'kquation
caractkristique : cos K(1,
+
I,) =1 ElkY2 Ezk,,
= cos kyl lI cos kY2 lZ - - 2 ( ~ + = )
x sin kyl 1, sin ky, 2, avec :
(*) Ce travail a BtC rBalis6 dans le cadre du contrat DGRST na 67-00-81 1.
Dans I'utilisation que nous proposons le systeme (1) peut Ctre rksolu en supposant
petits devant 1. On obtient alors la composante rkelle k: de la propagation
et en nkgligeant les pertes klectromagnktiques des 2 milieux, la tg de perte :
o h les trois terrnes expriment respectivement l'effet de la rksistivitk, de 1'6paisseur des couches m6talli- ques, et de I'angle a, le rapport des Bpaisseurs 11/12 ktant fixe.
Si a n'approche pas 900 (tg A , petit) et que les couches sont fines, on voit que l'effet de peau a dis- paru. Le matkriau prksente pour cette onde les pro- priktks diklectriques des couches isolantes et celles magnktiques des couches mktalliques compte tenu d'un facteur volumique.
La relation 2 montre clairement I'impossibilit6 de faire varier la composante kx du vecteur d'onde sans en augmenter consid6rablement les pertes. Dans la pratique cette particularit6 exige une relation d'im- pkdance tr6s prkcise entre 176chantillon feuilletk et le
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1971153
C 1 - 162 L. COURTOIS ET H. PASCARD milieu exterieur. Elle fut B I'origine de l'tchec des
ciibles feuilletts. En rnicroklectronique, il semble bien plus aise d'y satisfaire ; en quasi stationnaires cette difficult6 n'existe plus.
111. Exp6riences. - Nos essais de couches de per- malloy isolkes par du SiO kvapork sous vide ont montrt que le SiO Btait poreux ; nos tchantillons sont donc rtalisCs par un empilement de films de per- malloy sur de fins supports de mica (10 p). Par une mCthode de perturbation en cavitk rksonnante B 17 GHz nous avons compark les courbes de resonance ferromagnktique pour des couches massives et stra- tifikes. Pour les couches stratifikes tout le volume interagit alors que I'interaction est superficielle dans le cas du materiau massif oh la resonance est pertur- bte (Fig. 1).
est excitke en polarisation circulaire B l'aide de 2 cou- rants dkphads de 4 2 dans l'espace et dans le temps.
Nous y avons remplace le ferrite par un empilement d'une centaine de couches de permalloy deposkes sur mica. Chacune d'elles, kpaisse de 4 000 k btait stratifike en 4 couches de 1 000 A s6parCes par 200 A
de SiO.
Pour ce premier essai, nous avons obtenu au centre de la bande des pertes d'insertion d'environ 2 dB, et pour un rkglage legkrement different, nous avons enregistre la figure 2. La directivitk y atteint 10 dB.
La trks grande largeur de raie du materiau (plus de 1 000 Oe) est explicable par l'empilement irrkgulier auquel est trhs sensible la rCsonance perpendicu- laire quand le champ est peu superieur au champ de desaimantation.
IV. Conclusion. - On a vu l'efficacit6 (Fig. 2) d'une Cpaisseur de permalloy de 50 y seulement.
FIG. 2. - Enregistrement de la puissance transmise par une
epaisseur totale de metal e n A uniline Li permalloy.
100 1000 10000 *
FIG. 1. - Largeur de raie de la resonance parallCle d'un film Cette finesse laisse prkvoir de grandes possibilit&
de permalloy. en microClectroniaue. les couches feuilletbes Btant Ces experiences ont aussi mis en kvidence le r61e
jouC par les ondes de spin stationnaires, qui lorsqu'elles sont dkgCn6rkes avec la resonance principale en 6lar- gissent la raie. Dans les couches inferieures B 1 000 A
cette dkg6nerescence est levee. On peut &tre amen6 B rkaliser une double stratification : une premihre assez fine bloque les ondes de spin et une seconde plus large assure l'isolement Clectrique.
Pour notre seconde skrie d7exp6riences, nous avons utilise une ligne unidirectionnelle ferrite, r6alisCe en microstrip B 6,7 GHz (*). La resonance du ferrite
depos6es directemint sur la plaquette dielectrique en m&me temps que les dkp6ts des circuits conduc- teurs. De plus les propribtes magnetiques des mktaux sont beaucoup plus Ctendues que celles des ferrites : M, plus grand, A H au moins equivalent, anisotropie soit tres forte soit trks faible, temperature de Curie klevte, excellente tenue aux basses temperatures etc.
Enfin et c'est peut-Stre un point fondamental, les mesures faites sur le permalloy indiquent un AH, d'environ 100 Oe qui permettrait d'augmenter de f a ~ o n considerable les tolkrances de puissance des dispositifs hvverfr6auences en micro6lectroniaue, con- - & - .
N~~~ remercions la firme LTT qui nous a prste son con- ditibns auxquelles he satisfont pas les semiconduc- cours pour cette expkrience. teurs et imparfaitement les ferrites.
[I] SAKURAI (T.), J. Phys. Soc. Japan, 1950, 5, 394. [3] MORGAN (S. P.), The Bell Sys. Techn. J., 1952, 9, 883.
[2] CLOGSTON (A. M.), The Bell Sys. Techn. J., 1951, MORGAN (S. P.), The Bell Sys. Techn. J., 1952,11,1121.
XXX, 491. [4] PRACHE (P. M.), Cbbles & Transmission, 1962, 2, 73.
PRACHE (P. M.), Cdbles & Transmission, 1969, 4, 402.
