Brevet FR2105011A1 — publié le 19720428

L'invention est relative aux structures destinées a être parcourues par des ondes hyperfréquences ainsi qu'aux dispositifs, réciproques ou non réciproques, équipés de telles structures et destinés notamment a régler ou a modifier la circulation desdites ondes. Par ondes hyperfréquences on entend ici les ondes électromagnétiques dont la fréquence est comprise entre 100 MHZ et quelques centaines de GHz, de préférence de l'ordre de 1 à 50 GHz. On rappelle que les ferrites, du fait de leurs propriétés diélectriques et gyromagnétiques particulieres, sont utilisés avec succès en certains points singuliers des circuits hyperfréquences pour contrôler la circulation des ondes dans ces circuits et modifier éventuellement certaines de leurs caractéristiques, les organes équipés de ces ferrites et disposés en lesdits points singuliers étant par exemple des circulateurs, isolateurs, commutateurs, modulateurs, déphaseurs (notamment pour le balayage électronique des antennes radars), duplexeurs, limiteurs de puissance, clapets... Mais la nature céramique de ces ferrites se prête mal aux techniques délaboration sous vide ainsi qu'à la fabrication de très petits échantillons tels que ceux entrant dans la composition des ensembles intégrés qui font usage des lianes a rubans ("striplines", tri-plaques...). Ces matériaux sont en outre relativement coûteux et difficilement reproductibles. Les structures de l'invention remédient t ces inconvénients. Ces structures sont caractérisées en ce qu'elles sont composées d'une superposition de couches minces alternativement constituées en un matériau diélectrique et en un métal ou alliage gyromagnétique. Ces structures feuilletées,aui sont susceptibles d'être parcourues uniquement par des ondes électromagnétiques de mode TMo o (au sens défini ci-après), doivent être disposées en des zones,d'organes hyperfréquences, où les lignes de force des champs électroma~ gnétiquess sont adaptes à l'excitation d'un tel mode dans lesdites 8truoture8E' De plus celles-ci doivent titre le siège d'un champ magné- tique continu suf"9isant; pour exciter leurs propriétés gyromagnétiquess. Dans des modes de réalisation préférés on a recours en outre a l'une et/ou a l'autre des dispositions suivantes, bien que ce ne soit pas indispensable - l'épaisseur des couches métalliques est de'l'ordre de quelques centaines a quelques milliers d'angströms, dans laquelle p est la perméabilité du métal, po celle du vide, la permittivité ou constante diélectrique du diélectrique et celle du milieu ambiant, condition qui conduit à choisir une épaisseur des couches métalliques beaucoup plus forte que celle des couches diélectriques et une permittivité du diélectrique inférieure à celle du milieu ambiant. Les inventeurs ont établi - que la perméabilité magnétique globale de la structure feuilletée a couches multiples alternativement diélectriques et gyromagnétiques était égale a celle des couches gyromagnétiques pondérée en volume, c'est-a-dire a po + etë' si l'on adopte les conventions ci-dessus et si la perméabilité du diélectrique est égale a p0, - et que pourtant ladite structure, bien que conductrice en partie, était transparente aux ondes hyperfréquences et se comportait exactement vis*t-.vis de ces dernières comme si elle était entièrement constituée en le matériau constitutif de ses couches diélectriques. Du fait de ces propriétés surprenantes diélectriques et gyromagnétiques, ladite structure feuilletée peut jouer le rôle d'un ferrite massif tout en se prêtant a des techniques de fabrication infiniment plus souples et a des réalisations beaucoup plus petites telles que celles requises dans les techniques de fabrication sous vide des microcircuits ou des circuits intégrés. On peut ajouter que les rôles clairement répartis des couches isolantes et des couches métalliques permettent, en jouant sur le choix des constituants de ces couches, dont le nombre peut éventuellement être supérieur à 2, de réaliser une synthèse souple des propriétés diélectriques et gyromagnétiques de la structure. Toutefois la mise en oeuvre de structures gyromagnétiques en couches minces présente les difficultés suivantes : l'efficacité des interactions onde-structure feuilletée est conditionnée par l'utilisation de couches métalliques suffisamment minces devant la profondeur de pénétration p de ces ondes dans le métal considéré en outre des résonances d'ondes de spins stationnaires peuvent être excitées dans le métal et perturber les caractéristiques de la structure feuilletée. Pour éviter l'excitation de ces résonances parasites on peut réaliser les couches métalliques soit avec des épaisseurs très inférieures à E, soit en stratifiant les couches métalliques elles-mêmes (double feuilletage). Le mode de propagation des ondes dans les structures de l'invention est un mode TMo : cette annotation exprime qu'il s'agit o d'un mode TMo dans chacune des couches superposées de la structure feuilletée, aussi bien diélectrique que gyromagnétique. Dans l'annotation TMo, les lettres TM signifient que le vecteur champ magnétique h de l'onde est transversal, l'indice unique signifie que ce mode est condisérer entre deux plans parallèles, sans limites latérales, ce qui conduit a ne considérer pour sa définition qu'une seule direction, savoir celte perpendiculaire auxdits plans, et le fait que cet indice soit zéro siqnifie que le mode en question ne comprend aucune ondulation selon ladite direction uniques On a schématisé un tel mode TMo sur la figure 1, où les o ondes planes W se propagent par réflexions successives ar darun dioptres de séparation D des couches magnétiques 1 et diélectriques 2 de la structure feuilletée : sur cette figure, les ondes envisagées sont des ondes TEM pour lesquelles le vecteur champ électrique E est aussi transversal, c'est!-dire perpendiculaire a la direction de propagation P des ondes concernées. Bien entendu pour utiliser avec avantage la structure feuilletée selon l'invention, il faut avoir recours a un élément hyperfréquence susceptible d'exciter le mode TMo ci-dessus dans ladite structure lorsqu'on la place en une zone appropriée de cet élément : les lignes a ruban qui seront décrites ci-après sont de tels éléments. Dans les réalisations préférées le champ magnétique H continu nécessaire pour exciter les propriétés gyromagnétigues de la structure feuilletée est engendré dans cette structure par des moyens extérieurs. Mais cette polarisation magnétique extérieure peut être supprirnée si le matériau constitutif des couches minces gyromagnétiques possède une anisotropie magnétiaue suffisante pour pouvoir être aimant en permanence. Dans le mode de,réalisation expérimental faisant l'objet des figures 2 a 5 la structure feuilletée était constituée par un petit disque de 5 mm de diamètre composé de couches minces 1 de permalloy (alliage-de nickel comprenant 81 % de nickel et 19 % de fer en poids) évaporé sous un vide de 10 6 Torr sur des plaques 2 de mica, de constante diélectrique voisine de 4, épaisses de 50 micron. On a comparé l'-influence de l'accroissement de'l'épais- seur (donc du volume) sur la perméabilité magnétique, d'une part pour un échantillon purement métallique et d'autre part pour le susdit échantillon feuilleté, l'augmentation d'épaisseur étant alors réalisée par l'augmentation du nombre de couches. Les mesures ont été réalisées par une méthode de perturbation en cavité résonante dans l'approximation magnétostatique. La figure 3 représente les enregistrements de la courbe de résonance gyromagnétique pour des couches métalliques uniques d'épaisseur croissante. Sur cette figure 3 on a porté en ordonnées l'absorption d'énergie d'une onde électromagnétique de fréquence 17 GHz, expri mée en % et en abscisses le champ magnétique continu transversal d'aimantation H appliqué sur l'échantillon, champ exprimé en oersteds. Les différentes courbes 3, 4, 5, 6, 7, 8, et 9 visibles sur ladite figure correspondent respectivement a des épaisseurs de permalloy de 100, 200, 500, 1 000, 2 000, 5 000 et 20 000 angstroms. On voit que, pour les petites épaisseurs, la courbe d'absorption présente la forme habituelle, avec une largeur de raie faible. Pour des épaisseurs supérieures, et notamment a partir de 1 000 angströms, la courbe se déforme, la raie s'élargit, l'absorption d'énergie par unité de volume décroît considérablement et il en est donc de même de l'interaction gyromagnétique par unité de volume a laquelle est due cette absorption. Ce résultat est également illustré par la courbe 10 de la figure 4, sur laquelle on a porté en ordonnées la largeur AH de la raie de résonance, exprimée en oersteds, et en abscisses l'épaisseur totale E de métal, exprimée en angströms. La réduction considérable observée de l'effet gyroma magnétique par unité de volume a partir d'une certaine épaisseur de la couche unique étudiée semble due au deux phénomènes suivants - d'une part des courants de Foucault s'établissent dans l'épaisseur du métal, ce qui limite les champs électromagnétiques a une zonesuperficielle, - d'autre part des ondes de spins stationnaires dégénérées prennent naissance dans ce métal et perturbent la résonance principale. Par contre la courbe 11 de la figure 4 et la figure 5 (pour laquelle les coordonnées sont les mêmes que pour la figure 3) montrent les résultats obtenus pour la structure feuilletée ci-dessus. Les différentes courbes 12, 13, 14, 15, 16, 17 et 18 vit sibles sur ladite figure 5 correspondent respectivement a des nombres de couches de permalloy, épaisses de 600 angströms et de diamètre 3 mm, croissant de 1 a 7. On voit que, lorsque ce nombre de couches croit, la forme de la courbe d'absorption n'est pas altérée et la largeur de raie se conserve ainsi que l'interaction gyromagnétique par unité de volume. Cette constatation montre bien que l'on peut augmenter le volume de la structure feuilletée tout en conservant les propriétés intrinsèques du métal magnétique ; les interactions de l'onde électromagnétique avec la structure sont alors des interactions volumiques et non pas des interactions superficielles comme c'est le cas pour les métaux massifs. I1 est a noter que le point S a partir duquel les deux courbes 10 et 11 de la figure 4 se séparent maraude l'épaisseur de métal a partir de laquelle la structure feuilletée devient avantageuse. Dans l'exemple donné, ce point S correspond sensiblement a une épaisseur de 1 000 angström. On dispose donc là d'un moyen pour déterminer l'épaisseur optimum des couches magnétiques de la structure feuilletée. Un type de structure feuilletée encore améliore a été représenté sur la figure 6. Dans cette structure, chaque couche métallique et elle-même divisée en plusieurs sous-couches parallèles 19 isolées les unes des autres par de très minces sous-couches magnétiquement isolantes 20 telles que par exemple des couches d'oxyde ou d'or ayant quelques dizaines ou quelques centaines d'angströms d'épaisseur. Ces sous-couches isolantes 20 font -obstacle a la transmission des ondes de spins stationnaires dans la direction normal a l'épaisseur des couches. En gros, il semble qu'on peut attribuer au feuilletage principal la suppression des inconvénients dus aux courants de Foucault (comme dans les transformateurs classiques) et au feuilletage auxiliaire celle des inconvénients dus aux ondes de spins stationnaires. - l'une au moins des couches superposées est réalisée par dépôt sous vide, - certaines au moins des couches métalliques sont elles-mêmes stratifiées par incorporation de sous-couches magnétiquement isolantes très minces de façon a supprimer les inconvé- nients dus à la résonance parasite des ondes de spins stationnaires, - le matériau constitutif des couches métalliques est le permalloy, alliage comprenant 81 % de nickel et 19 e de fer en poids, - le matériau constitutif des couches diélectriaues est l'oxyde de silicium ou l'azyme de tantale, - l'épaisseur des couches diélectriques est nettement su périeure a celle des couches métalliques, étant notamment de l'ordre de 5 à 1 000 fois supérieure, - la structure feuilletée est enrobée dans un diélectrique dont la permittivité est supérieure a celle des couches diélectriques de cette structure, - la structure feuilletée est fabriquée sous la forme d'un ruban lui-même monté dans une ligne composée d'au moins deux bandes métalliques séparées par un diélectrique, - la bande composite selon l'alinéa précédent est une ligne a ruban (11strip-line") composée de deux bandes métalliques plates de largeurs différentes superposées avec interposition d'une couche diélectriue, le ruban feuilleté étant disposé entre ladite couche et la bande la plus large en regard de la bande la plus étroite, - la structure feuilletée est un élément constitutif d'un circuit intégré, élément fabriqué sous vide au cours de la fabrication même de ce circuit, - la structure feuilletée constitue la partie active d'un élément non réciproque de circuit hyperfréquence. L'invention comprend, mises a part ces dispositions principales, certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en même temps et dont il sera plus explicitement question ci-après. Dans ce qui suit on va décrire. quelques modes de réalisation de l'invention en se référant aux dessins ci-annexés d'une manière bien entendú non limitative. La figure 1, de ces dessins, est un schéma illustrant les caractéristiques du mode de propagation des ondes dans une struc ture feuilletée établie conformément a l'invention. La figure 2 est la coupe partielle d'une telle structure feuilletée. Les figures 3, 4 et 5 sont des graphiques illustrant les propriétés de cette structure par rapport à celles d'une structure métallique massive. La figure 6 montre en coupe partielle une structure feuilletée établie conformément a un mode de réalisation perfectionné de l'invention. La figure 7 montre en vue perspective une ligne à ruban équipée d'une structure feuilletée conforme a l'invention. On rappelle que, pour réduire les pertes par effet de peau dans un câble co-axial, il a déja été proposé de feuilleter le conducteur central de ce câble en le constituant par un empilement de couches diélectriques et de couches conductrices constituées en un métal amagnétique. Ces tentatives n'ont pas abouti a des résultats satisfaisants, en particulier en raison de la difficulté qu'il y a à réaliser avec les structures feuilletées envisagées des lignes de longueur suffisante, ctest-à-dire dépassant quelques longueurs d'ondes, alors que cette longueur de ligne constitue évidemment un facteur primordial pour les réalisations affectées uniquement a la transmission des ondes. Les stuctures feuilletées de l'invention diffèrent essentiellement de ces structures connues par les propriétés gyromagnétiques des couches conductrices utilisées, lesquelles propriétés n'exigent en général pour se manifester que de très petits volumes desdites structures et en particulier de très petites longueurs, les missions affectées à ces structures étant autres qu'une simple transmission des ondes en circulation : cet avantage est capital, car c'est lui qui permet de tirer véritablement parti du feuilletage dans le domaine envisagé des hyperfréquences. Les inventeurs ont établi en outre que, dans les cas où l'effet gyromagnétique recherché exigeait pour se manifester une longueur de structure feuilletée de l'ordre de plusieurs longueurs d'ondes, il suffisait, pour les structures a géométrie plane envi sagées selon l'invention, que les épaisseurs respectives e et e des couches planes superposées de métal et de diélectrique respectent la relation e p/e ' po =E/e1 - I Les structures feuilletées conformes a l'invention se prêtent particulièrement bien a la réalisation de lignes a ruban telles que celles connues sous les désignations de "striplines" ou "micro-bandes" (ou encore "microstrips") et de tri-plaques. Une telle ligne a été schématisée sur la figure 7 : cette ligne est composée de deux bandes métalliques parallèles, l'une large 21 et l'autre étroite 22 séparées l'une de l'autre par une couche isolante 23. La structure feuilletée, se présentant sous la forme d'un ruban 24,est interposée entre la couche isolante 23 et la bande large 21, en regard de la bande étroite 22, c'est-à-dire en un endroit où le champ magnétique des ondes en circulation, champ schématisé par ses lignes de force 25, est transversal. Ce ruban 24 peut être réalise par l'une des techniques modernes de dépôt sous vide, de pulvérisation cathodique, de bombardement ionique ou électronique... : une telle technique peut etre utilisée pour déposer alternativement les couches de métal et d'isolant les unes sur les autres ou uniquement pour déposer une couche de métal sur un support isolant, plusieurs épaisseurs du support ainsi revêtu étant ensuite empilées. La ligne à ruban ainsi fabriquée est particulièrement économique et simple d'emploi. Dans une variante de fabrication particulièrement avantageuse, la structure feuilletée de l'invention fait partie in gérante d'un circuit intégré fabriqué sous vide et est elle-même fabriquée sous vide au cours de la fabrication meme de ce circuit. En suite de quoi, et quel que soit le mode de réalisation adopté, on dispose finalement d'une structure feuilletée présentant de nombreux avantages dans le domaine des ondeshyperfréquen- ces, en particulier en ce qu'elle peut remplacer les ferrites dans un grand nombre d'éléments de circuits hyperfréquences en présentant sur ces matériaux des avantages appréciables concernant le prix de revient, la reproductibilité, la faculté de se prêter aux techniques d'élaboration sous vide et à la réalisation des échantillons très petits exigés par les circuits miniaturisés. On peut ajouter que les ferrites, dont les cristallites ont des dimensions importantes, se saturent plus rapidement en puissance que le permalloy, de sorte que les tolérances de puissance peuvent être plus larges: avec les circuits équipés des structures feuilletées de l'invention qu'avec les circuits a ferrites. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement a ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes, notamment celles ot les couches minces gvromaoné- tiques de la structure feuilletée seraient constituées par un ma tériau approprié autre aue le permalloy, tel que par exemple un autre alliage à base de fer, nickel et/ou cobalt. REVENflICATIONS 1. Structure de guidage d'ondes électromagnétiques hy perfréquences caractérisée en ce qu'elle est composée d'une superposition de couches minces alternativement constituées en un matériau diélectrique et en un métal ou alliage qyromagnétique. 2. Structure feuilletée selon la revendication 1, carac térisée en ce que l'épaisseur des couches métalliques est de l'ordre de quelques centaines à quelques milliers d'angströms. 3. Structure feuilletée selon l'une quelconque des pré cédentes revendications, caractérisée en ce que l'une au moins des couches sunerposées est réalisée par dépôt sous vide. 4. Structure feuilletée selon la revendication 3, carac térisé en ce qu'elle forme un élément constitutif d'un circuit intégré, élément fabriqué sous vide au cours de la fabrication même de ce circuit. 5. Structure feuilletée selon l'une quelconque des pré cédentes revendications, caractérisée en ce que certaines au moins des couches métalliques sont elles-mêmes stratifiées par incorpo ration de sous-couches magnétiquement isolantes très minces. 6. Structure feuilletée selon l'une quelconque des précédentes re- vendications,caractérisée en ce que le matériau constitutif des couches métalliques est le permalloy, alliage comprenant 81 % de nickel et 19 % de fer en poids. 7. Structure feuilletée selon l'une quelconque des pré cédentes revendications , caractérisée en ce que le matériau constitutif des couches diélectriques est l'oxyde de silicium ou l'oxyde de tantale. 8. Structure feuilletée selon l'une quelconque des pré cédentes revendications, caractérisée en ce que l'épaisseur des couches diélectriques est nettement supérieure à celle des couches métalliques, étant notamment de l'ordre de 5 a 1 000 fois supé rieure. 9. Structure feuilletée selon l'une quelconque des précé dentes revendications, caractérisée en ce qu'elle est enrobée dans un diélectrique dont la permettivité est supérieure à celle des couches diélectriques de cette structure. 10. Elément de circuit hyperfréquence propre à exciter le mode TMo dans une lame mince située en l'un de. ses points, carac térisé en ce qu'il est équipé en ce point d'une structure feuil letée selon l'une quelconque des précédentes revendications, des moyens étant prévus pour que ladite structure soit le siège d'un champ magnétique continu propre. a exciter ses propriétés gyromagnétiques. il. Elément de circuit hyperfréquence selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il est constitué par au moins deux feuilles métalliques séparées par un diélectrique. 12. Elément de circuit hyperfréquence selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il se présente sous la forme d'une ligne ruban composée de deux bandes métalliques plates de largeurs différentes superposées avec interposition d'une couche diélectrique, la structure feuilletée étant disposée entre ladite couche et la bande la plus large en regard de la bande la plus étroite.