Brevet FR2088227A1 — publié le 19720107

La présente invention concerne les lignes à retard hyperfréquence utilisant la propagation blondes magnétoélastiques dans un matériau monocristallin ferrimagnetique. Dans la plupart des lignes connues de ce type, on utilise un barreau monocristallin de grenat d'yttrium et de fer placé dans un champ magnétique axial aussi uniforme que possible. Nais les pertes d'insertion mesurées sont toujours élevées, de l'ordre de 30 dB ou plus. D'autre part, dans le but de limiter autant que possible ces pertes, le couplage entre la ligne de transmission d'entrée ou de sortie et l'antenne couplée directement au barreau s'effectue en général à l'aide d'un transformateur quart d'onde d'adaptation, ce qui limite beaucoup la bande passante du dispositif. Enfin, tout le barreau utilisé est constitué d'un monocristal qui doit être aussi parfait que possible, donc coûteux. La présente invention a pour but de remédier à ces divers inconvénients. Elle a pour objet une ligne à retard hyperfréquence à ond-es nagnétoélastique comprenant un barreau d'un matériau ferrimagné- tique, des moyens magnétiques pour placer ce barreau dans un champ magnétique continu sensiblement uniforme, et un dispositif de couplage de l'énergie électromagnétique hyperfréquence avec lesdites ondes caractérisée en ce qu'il est préau un dispositif de fixation dudit barreau, couplé mécaniquement auxdits moyens magnétiques, pour maintenir une désorientation prédéterminée de ltaxe du barreau par rapport à la direction dudit champ magnétique. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des dessins joints où les figures 1(a), t(b) et 2 sont us figures explicatives du principe de fonctionnement des lignes a retard magnétoélastiques; la figure 3 représente une vue en perspective, et partiellement en coupe suivant un plan médian, de la ligne à retard selon l'inve tion; la figure 4 représente une seconde vue en perspective, et partiel liement en coupe suivant un plan médian, de la ligne à retard selon l'invention; la figure 4 représente une seconde vue en perspective, et partiellement en coupe suivant un plan médian perpendiculaire, de la ligne selon l'invention les figures 5 et 6 représentent, an plan et en coupe par-tielle, le dispositif de couplage hyperfréquence utilisé dans la ligne à retard selon l'invention et la figure 7 représente une vue en plan et partiellement en coupe du dispositif pour la fabrication de la ligne à retard selon l'invention. Il est possible de faire propager, dans un barreau monocris- tallin d'un matériau ferrimagnétique tel que le grenat d'yttrium et de fer, un signal hyperfréquence sous la forme, entre autres, d'ondes élastiques hyperfréquencétd'ondes magnétiques de longueur d'onde relativement plus longues qui sont des ondes de spin et d'ondes magnétoélastiques qui empruntent certaines de leurs propriétés aux andes de spin et aux ondes élastiques dont elles sont un mélange. Ces ondes magnétoélastiques ont la propriété très intéressante pour des lignes à retard d'avoir une vitesse de propagation variable avec l'amplitude d'un champ magnétique ex térieur appliqué au barreau. Considérons, en effet, le barreau 1 de grenat d'yttrium et de fer représenté sur la figure 1. Celui-ci est placé dans un champ magnétique extérieur uniforme H dirigé suivant l'axe e longitudinal du barreau. Une antenne 2 permet le couplage entre énergie électromagnétique et ondes magnétiques. La figure 1 (b) représente les variations du champ magnétique interne H. à l'intérieur du barreau 1 , le long de l'axe du barreau. Ce champ interne, dirigé toujours dans le même sens suivant l'axe du bar reau si le champ externe est suffisamment élevé, est non-uniforme en raison des effets démagnétisants à l'intérieur du barreau, ces effets étant maximum pres des faces terminales du barreau.Il a été montré que lton pouvait exciter à l'intérieur du barreau une onde de spin on un point dit "de retour" ("turning point" dans la littérature anglosaxonne) où le champ magnétique interne est tel que l'on puisse avoir un couplage direct entre 1e ch@@p élec- tromagnétique créé par l'antenne 2 et le système de spins dans le barreau, polarise magnétiquement à la résonance en ce point. Ce point est le point d'abscisse xo de l'axe du barreau où le champ interne est tel que Hi = @@o , où #o est la fréquence &alpha; angulaire de l'onde électromagnétique et &gamma; est le rapport gyromagnétique pour le matériau utilisé. En ce point, le vecteur d'onde t correspondant à l'onde se propageant dans le barreau 1 change de signe. Bes courbes A et B en pointillé de la figure 2 représen tent les courbes de dispersion # = f (k) respectivement pour les ondes de spin et les ondes élastiques en supposant qu'il n'y ait pas couplage entre ces ondes. fin réalité, dans la région du point de croisement C de ces courbes A et B, ces ondes élastiques et de spin ont des fréquences et longueurs sonde très voisines et il y a un couplage très important, donnant des ondes magnétoélas- tiques. Ceci étant, les courbes réelles de dispersion sont représentées en trait plein, les parties courbes raccordant les portions des courbes A et B correspoi-idant à des ondes magnétoélas- tiques.Ces courbes ont été tracées pour une valeur de champ magnétique interne égale à #o/# . Pour des valeurs plus faibles du champ interne les courbes se décalent bien entendu vers le bas. En considérant la branche supérieure des courbes en trait plein ainsi tracées, on constate que l'onde de spin excitée en au au point de retour va se propager dans la direction des champs internes décroissants, donc vers la face terminale du barreau la plus proche du point de retour considéré, en se transformant peu à peu en onde magnéto élastique puis en onde presque purement élastique à proximité de la face terminale considérée, Cette perturbation élastique va entre réfléchie par la face terminale du barreau (qui est polie avec soin et bien perpendiculaire à l'axe du barreau pour favoriser cette réflexion) et repartir vers le point de retour xO tout en se retransformant en onde de spin dont une partie de l'énergie pourra alors être détectée par l'antenne 2. pour le restant de l'énergie le processus se répé tera cycliquement. il est aisé de voir que, pour une fréquence d'onde électromagnétique donnée, le temps de propagation sur un trajet aller-retour dans le barreau 1 peut être réglé en ajustant le champ magnétique extérieur H , ce qui agit sur la e position du point de retour donc sur la longueur du trajet dans le barreau.Bien en-tendu, pour une ligne à retard de ce type, l'antenne 2 sera reliée , par exemple, à un circulateur pour @écoupler entrée et sortie. Ceci étant, on a représenté sur les figures 3 et 4 deux vues en perspective et coupe partielle suivant des plans médians de la ligne à retard suivant l'invention, la coupe de la figure 4 étant effectuée suivant U-IV de la figure 3 et la coupe de la figure 3 suivant III-III de la figure 4. tes mimes numéros de référence renvoient aux mêmes éléments dans toutes les figures. Un barreau cylindrique de grenat d'yttrium et de fer à faces terminales rigoureusement polies est placé dans le champ magné tique créé entre les pièces polaires 30 d'un électro-aimant comprenant une armature 3 en matériau magnétique doux et dont une seule des deux bobines 4 a été représentée. te barreau de grenat comprend deux parties adjacentes, une partie 5 monocristalline et une partie 6 polycristalline. Ce barreau est maintenu en place par un support en matériau amagnétique(par exemple en laiton) composé de deux parties 10 et 11 assemblées. te barreau est monté dans cet assemblage entre une plaque métal- lique 9 et ùne ligne micro-ondes à bandes du type microstrip 7 qui sera décrite en détail à l'aide des figures 5 et 6 L'assemblage 10-11 est rendu solidaire mécaniquement de l'ar- rature 3 à l'aide de deux tiges 12 rendues solidaires de celle-ci, après réglage de position, par une résine durcissable 13 telle que de l'araldite venant remplir les ouvertures 31 de l'armature 3 dans lesquelles les tiges 12 sont engagées. Une prise coaxiale 8 dont le conducteur intérieur est en contact électrique avec le conducteur central de la ligne microstrip 7 sert d'entrée et de sortie hyperfréquence pour la ligne à retard. Comme expliqué plus haut, les ondes magnéto élastiques se propagent seulement dans une partie du barreau située entre la face terminale contre laquelle se trouve la ligne microstrip 7 d'ex- citation et le point de retour correspondant. Seule cette partie 5 du barreau doit donc avoir une struc-ture monocristalline. Sa longueur est choisie suffisante pour que le point de retour soit à l'intérieur de la partie 5 dans toute la gamme de fréquences de fonctionnement et de champ magnétique appliqué de la ligne à retard. Cette partie est taillée de préférence suivant un axe cristallographique ne donnant pas de biréfringence acoustique ( t1003 ou r111) ).Quant à la partie 6 il suffit quelle soit polycristalline, ce qui est de fabrication beaucoup moins conteuse. En effet la partie 6 assure simplement la mise en forme du champ magnétique interne de façon à avoir le gradient de champ nécessaire dans la partie 5 . On peut meme utiliser pour la partie 6 un matériau de caractéristiques (aimantation) un peu différentes pour permettre l'emploi d'un champ externe plus faible. I1 faut cependant éviter toute discontinuité trop brutale du champ magnétique interne à la limite entre parties 5 et 6. Sur les figures 5 et 6 on a représenté plus en détail la ligne microstrip 7. ta figure 6 est une coupe partielle suivant VI-VI et les épaisseurs des couches ont été fortement exagérées pour rendre le dessin plus clair. Cette ligne comprend un plan à la masse 75 constitué par une r-,étallisation sur toute la surface d'une première couche diélectrique 76 . te conducteur central 70 est constitué par un ruban métallisé, déposé sur l'autre face de la couche 76 et terminé par une boucle de couplage 72, disposée face au barreau 5 et dont l'extrémité 73 est en court-circuit avec le plan de masse 75 à travers la couche 76. Le conducteur central 70 est interrompu et une capacité d'adaptation 71 est intercalée en série au niveau de cette interruption.Cette microcapacité est constituée ici par un sandwich d'une couche de mylar de quelques microns d'épaisseur entre deux couches de métallisation (par exemple d'aluminium). Un ruban par exemple d'aluminium 74 assure le contact électrique de l'armature libre de la capacité avec ltextrOmité du conducteur central 70 . Une seconde couche d'isolant 77 recouvre la couche 76 , le conducteur central 70 et la capacité 71 . Celle-ci peut d'ailleurs être réalisée par tout autre moyen tel que dépôt de matériau par pulvérisation. On obtient ainsi une largeur de bande passante et une possibilité de reproduction très améliorées. Par exemple, à une fréquence de 2,3 Hz on peut obtenir une bande passante d'environ de 270 Hz e-t de 400 Hz à 3GHz à 3 dB des pertes minimales. Comme indiqué lors de la description des figures 3 et 4, le barreau de grenat est monté dans un bloc en laiton 10 - 11 lui- mrie lié mécaniquement à l'armature magnétique 3 par des tiges 12 qui sont rendues solidaires de l'armature par une résine durcissable 13 après réglage de la position et de l'orientation du barreau en-tre les pièces polaires. En effet, selon l'invention, on diminue très nettement les pertes d'insertion en donnant à l'axe du barreau de grenat une certaine désorientation par rapport à la direction du champ magnétique externe appliqué. Ceci permet, en particulier, de compenser les défauts d'uniformité du champ magnétique externe dûs au fait qu'on utilise, pour avoir une ligne à retard compacte, des pièces polaires tronconiques et une armature magnétique de faibles dimensions. Pour obtenir un tel réglage facilement et en conservant un encombrement réduit de la ligne à retard, on utilise le dispositif représenté sur la figure 7 L'armature 3 est placée dans un logement creusé dans un collier 17 où elle est maintenue par une partie du collier vissée 170. Entre les pièces polaires est placé le bloc 10-11 , support du barreau de grenat, et sur lequel sont fixées les tiges 12 passant à travers les ouvertures 31 non encore remplies d'a- raldite. te collier 17 est monté dans une bague 18 dans laquelle il peut tourner (dans le plan de la figure) pour des mouvements d'amplitude angulaire limitée (une dizaine de degrés). tes tiges 12 passent dans des ouvertures dans le collier 17 permettant ces mouvements et à travers la bague 18 . Ces tiges portent une partie affaiblie 120.Pour commander le mouvement de rotation indl- qué ci-dessus, une tige 19 solidaire du collier 17 passe a travers une ouverture 20 de la bague 18 et son déplacement suivant la double flèche est réglé par deux vis 23 et 24 montées dans des blocs 21 et 22 solidaires de la bague 18 D'anltre part, un écrou de réglage 14 et un collier 15 sont fixés respectivement aux deux extrémités des tiges 12 . Un ressort entre la bague 18 et le collier 15 fixe la position des tiges 12 en ce qui concerne les mouvements de translation suivant leur axe tout en permettant le réglage par translation suivant cet axe du bloc 10-11 grâce à l'écrou 14 qui prend appui sur la bague 18 (la double flèche près de l'écrou 14 indique cette possibilité de réglage). Enfin, un dispositif de réglage(par exemple à deux vis comme le dispositif à vis 23 et 24) agit sur l'extrémité 150 du collier 15 pour assurer un troisième réglage par rotation des tiges 12 autour de leur axe. Ainsi, on peut régler la position du bloc 10-11 et donc du barreau de grenat par rapport à l'armature 3 suivant trois axes: un axe de translation et un premier axe de rotation qui sont l'axe des tiges 12 et un deuxième axe de rotation perpendiculaire à cet axe et au champ magnétique applique. On effectue ces réglages de façon à minimiser les pertes d'insertion. Lorsqu'on a obtenu le réglage optimum, on coule de llaraldite dans les ouvertures 31, on la laisse durcir pour fixer le bloc 10-11 à l'armature 3 , puis on scie les tiges 12 au niveau des affaiblissements 120 et on retire ainsi du collier 17 la ligne à retard terminée. Gracie aux compensations obtenues par la désorientation légère de l'axe du barreau de grenat par rapport à l'axe des pièces po- laires 30 , on obtient des valeurs de pertes d'insertion très améliorées. Ainsi, à 2, 3 4Hz on a obtenu des pertes minimales de 10 dB pour un retard de 0,9 s et à 3 GHz des pertes minimales de moins de 20 dB pour un retard de 1,1 /us , au lieu de pertes de l'ordre de 30 à 40 dB qui sont habituellement obtenues. Bien entendu, les exemples de réalisation décrits ne sont nullement limitatifs de l'invention. REVENDICATIONS 1. Ligne à: retard hyperfréquence à ondes magnétoélastiques comprenant un barreau d'un matériau ferrimagnétique, des moyens magnétiques pour placer ce barreau dans un champ magnétique continu, sensiblement uniforme et un dispositif de couplage de l'énergie électromagnétique hyperfréquence avec lesdites ondes, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif de fixation dudit barreau, couplé mécaniquement auxdits moyens magnétiques, pour maintenir une désorientation prédéterminée de l'axe du barreau par rapport à la direction dudit champ magnétique. 2. Ligne à retard suivant la revendication 15caractérisée en ce que lesdits moyens magnétiques comprennent un êlectroai mant comportant une armature magnétique et en ce que ledit dispositif de fixation comprend un bloc support dudit barreau en matériau amagnétique, lié mécaniquement à ladite armature. 3. Ligne à retard selon la revendication 2, carGctérisne en ce que ledit bloc-support est lié mécaniquement à ladite armature par des tiges coaxiales fixées andìt bloc et passant à travers des ouvertures dans ladite armature remplies d'une résine durcie. 4. Ligne à retard selon les revendications 1 ou 2 ou 3, caractérisée en ce que ledit barreau est en grenat d'yttrium et de fer et en ce qu'une première partie du barreau, adjacente audit dispositif de couplage d'énergie hyperfréquence et dans laquelle se propageht lesdites ondes magnétoélastiques utiles, est de struture monocristalline et la seconde partie du barreau est de structure polycristalline. 5. Ligne à retard selon les revendications 1 ou 2 ou 3 ou 4, caractérisée en ce que ledit dispositif de couplage comprend une ligne de transmission microonde -à bande terminée par une boucle de couplage avec ledit barreau et dont la bande centrale est interrompue et en ce que les deux bords de ladite interruption sont reliés électriquement par l'intermédiaire d'une capacité. 6. Ligne à retard selon la revendication 5, caractérisée en ce que ladite capacité est constituée par une couche de mylar métallisée. 7. Procédé de abrication d'une ligne à retard selon les revendications 1 ou 2 ou 3 ou 4 ou 5 ou 6, caractérisé en ce que ledit barreau est disposé dans le champ magnétique fourni par lesdits moyens magnétiques, en ce que les pertes dtinsertion de ladite ligne à retard sont mesurées et l'orientation dudit barrear par rapport audit champ magnétique modifiée de façon à rendre lesdites pertes minimales, et en ce que ledit dispositif de fixa tion est alors fix mécaniquement auxdits moyens magnétiques. 8. Dispositif pour la fabrication dtune ligne à retard selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il com-orend un collier comportant un logement pour recevc.r ladite armature et des ouver- tures pour permettre le passage desdites tiges, une bague enserrant ledit collier et à l'intérieur de laquelle ledit collier peut tourner autur d'un axe perpendi@ulaire à la direction dudit champ magnétique et à l'a@e desdites tiges, des premiers moyens de réglage pour ajuster la rotation dudit collier à l'intérieur de la bague, des seconds moyens de réglage pour fixer lesdites tiges à la bague et ajuster leur positIon en translation le long de leur axe, et des troisièmes moy@ns pour régler la position des dites tiges suivent une rotation autour de leur ~~e. 9. Dispesitif scion la revendication 8 caractérisé en ce quc losdits seconds et troisiènes moye@s comprennent un écrou de réglage vissé sur uno desdites tiges, un collier de serrage fixé sur la seconde tige et un ressort de rappel entre ledit collier de serrage et ladite bague et des moyens pcur faire t@urner ledit collier de serrage autour de l'axe desdites tiges.