Brevet FR2278651A1 — publié le 19760213

L'invention a pour objet un matériau ferrimagnétique particulièrement bien adapté à des utilisations dans la gamme inférieure des hyperfréquences, de quelques centaines à quelques milliers de mégahertz. Plus précisément, ce matériau peut trouver des utilisations très appropriées dans les dispositifs pour lesquels de hauts niveaux sont imposés tant pour la puissance moyenne que pour la puissance de crête. Dans ces utilisations, les caractéristiques requises sont les suivantes - un moment magnétique à saturation 4TrMS de valeur comprise entre 300 et 900 gauss, dépendant surtout de la fréquence d'utilisation ; - une très grande stabilité des caractéristiques, et plus spécialement du moment magnétique en fonction de la température, ce qui doit permettre une bonne tenue du dispositif en puissance moyenne ; - une faible largeur de raie de résonance gyromagnétique A H dans la gamme considérée, ce qui permet d'obtenir une largeur de bande de fréquences utilisables assez étendue ; - de très faibles pertes diélectriques à la fréquence d'utilisation ce qui permet d'obtenir de très faibles pertes d'insertion d'origine diéleetrque ;; - une bonne tenue à la puissance de crête, ce qui correspond à un champ critique d'apparition d'effets non linéaires relativement élevé et conduit normalement à une largeur de raie d'ondes de spin Q HK relativement grande. On connaît des matériaux grenats pour hyperfréquences qui ont des moments magnétiques stables en température, par exemple les grenats mixtes d'yttrium et de gadolinium. Cette stabilité est liée à l'existence à'un point de compensation ferrimagnétique du à l'ion Go3 dans les sites dodécaédriques. Mais, du même coup, la largeur de raie de résonance gyromagnétique Q H est augmentée , ce qui constitue un effet indésirable. On connaît également des grenats d'yttrium 'substitués à l'aluminium" (substitution à une partie du fer) et des grenats substitués au gallium qui ont à la fois des moments magnétiques relativement bas et de faibles largeurs de raie H. Toutefois leur stabilité est assez fortement détériorée par ces substitutions d'aluminium ou de gallium. On connaît enfin des grenats d'yttrium comportant des substitutions d'indium ou d'étain qui présentent des largeurs de raie aH très étroites, Malheureusement leur moment magnétique est trop élevé et leur stabilité en température est médiocre. Aucun de ces matériaux ne présente l'ensemble des caractéristiques requises. L'invention permet, au contraire, de réaliser un excellent compromis entre les valeurs désirables de H, HK et du coefficient a de température du moment magnétique à saturation, pour des valeurs d'aimantation comprises entre 300 et 900 gauss environ. Les matériaux obtenus présentent à la fois des largeurs de raies de résonance gyromagnétiques relativement faibles, des largeurs de raie d'ondes de spin élevées et des coefficients de température très faibles dans un large intervalle de température. En outre, les pertes d'origine diélectrique sont pratiquement négligeables. Le matériau conforme à l'invention est du type ferrimagnétique polycristallin à structure grenat ; sa composition chimique globale répond à la formule générale 3-3x Gd3X Fe 5-5y-z Au 5y Inz 012 avec 0,45 4 x 4 0,65 O 0,2 4 z (o,6 Le matériau peut être obtenu de la manière suivante On choisit des matières premières de très haute pureté constituées par des oxydes de fer, d'aluminium, d'indium, d'yttrium et de gadolinium.Pour ces deux derniers, la teneur en produits purs est supérieure à 99,95 %. Ces matières premières sont pesées et mélangées dans les proportions correspondant à la formule 3-3x 3x Fe5~5y~z~5 Al5y Inz 12 dans laquelle on choisit c en tenant compte de l'apport de fer provenant de la méthode de fabrication. Dans le cas de la méthode exposée ci-après, où des broyages successifs sont exécutés dans des jarres en acier contenant des billes en acier, le coefficient C est pris égal à 0,035. En poutre, on modifie le dosage des matières premières pour tenir compte des pertes au feu des différents oxydes comme il est bien connu dans la technologie des ferrites. Les matières premières ainsi dosées sont intimement mélangées grâce à un premier broyage effectué pendant 24 heures en milieu aqueux. Les oxydes ainsi mélangés constituent une barbotine qui est séchée, tamisée puis traitée thermiquement sous atmosphère oxydante, à une température comprise entre 10000 et 12000 C pendant une durée d'une demi-heure à deux heures : c'est le "chamot- targe". La "chamotte" ainsi obtenue subit un nouveau broyage en milieu aqueux pendant environ 48 heures. La poudre obtenue après séchage est tamisée puis mélangée avec un liant organique tel qu'une solution aqueuse à 10 % d'alcool polyvinylique. La pâte ainsi obtenue est tamisée afin d'obtenir un granulé apte à subir un pressage dans des moules pour obtenir la forme désirée. Cette mise en forme est effectuée à une pression d'environ 1 tonne/cm Les pièces obtenues sont séchées, puis, après évaporation du liant, traitées dans un four à une température de frittage comprise entre 14000 C et 15000 C sous atmosphère oxydante pendant au moins deux heures. L'invention sera mieux comprise au moyen des exemples qui sont décrits ci-après et des dessins annexés, parmi lesquels - la figure 1 représente des courbes de variation du moment magnétique du matériau selon l'invention, en fonction du paramètre y pour diverses valeurs des paramètres x et z, à température ambiante. - la figure 2 représente des courbes de variation du moment magnétique du matériau selon l'invention en fonction de la température pour différentes valeurs des paramètres - les figures 3 et 4 représentent des courbes donnant le coefficient de température du moment magnétique en fonction des différents paramètres et en corrélation avec les courbes de la figure 2 ; - les figures 5 et 6 représentent des courbes de variation des largeurs de raie A H et A HK en fonction des différents paramètres pour des matériaux conformes à l'invention. La figure 1 illustre le rôle respectif des différents paramètres dans le choix du moment magnétique 4 TtMs, exprimé en gauss, lorsqu'on considère une température fixe, de 200 C par exemple. Les paramètres x et z étant fixés, les points représentatifs du moment magnétique sont sensiblement alignés lorsque y varie dans les limites indiquées plus haut (0 à 0,18), les valeurs extrêmes de l'aimantation à saturation allant d'une valeur relativement grande, de ltordre de 800 à 900 gauss, à une valeur plus petite de l'ordre de 200 à 300 gauss. Lorsque l'on fait varier x et z, on obtient une série de droites sensiblement parallèles. Les parties dessinées en trait plein, figure 1 joignent des points correspondant à des mesures effectives, les parties en trait discontinu prolongeant les premières par extrapolation. On constate que, pour une valeur de y donnée, des valeurs croissantes de l'aimantation s'observent pour l'échelonnement suivant des valeurs des paramètres z et x Repère de la droite Valeurs des paramètres représentative zx 11 0,3 0,6 12 0,2 0,5 13 0,4 0,6 14 0,5 0,6 15 0,3 0,5 16 0,6 0?6 06 17 0,4 0,5 On remarque dans le tableau ci-dessus que les droites correspondant à x = 0,5 se plaçent après les droites correspondant à x = 0,6 (valeurs de z et de x soulignées) dans l'ordre des aimantations croissantes. La figure 2 est un exemple d'une famille de courbes donnant la variation du moment magnétique 4 sMs, exprimé en gauss, en fonction de la température dans l'intervalle - 2000 C à + 2000 C. On s'est limité, dans l'exemple choisi, à deux valeurs particulières de x et de z x = 0,6 z = 0,4 et on a choisi quatre valeurs de y courbe 21 : y = 0,06 courbe 22 : y = 0,08 courbe 23 : y = 0,10 courbe 24 : y = 0,12. Toutes les courbes de la famille ont un aspect analogue à celui des courbes représentées figure 2, à savoir - une branche descendante presque rectiligne entre une température de - 2000 C où le moment est de 11 ordre de 800 à 1000 gauss et des températures de tordre de - 1500 à--1200 C où le moment tend vers zéro ; - une branche pseudo parabolique présentant une certaine symétrie par rapport à la droite d'abscisse 0 C, avec un sommet très aplati à une ordonnée de l'ordre de 500 à 800 gauss pour 0 C. On voit donc que l'on peut disposer, dans une gamme plus ou moins étendue de température, d'échantillons de matériau selon l'invention présentant une certaine stabilité de température. Pour évaluer cette stabilité, on a défini un coefficient de variation moyen de l'aimantation entre deux températures "a" et b", selon la formule ci-après où Imax et 1min sont respectivement les valeurs maximales et minimales de 41TMS dans l'intervalle "a", "b" et IA est la valeur de 4 vMS à 200 C. + 85 Figure 3, on a représenté &alpha; + 85 40 correspondant au choix des températures extrêmes suivantes a = -400 C b = + 850C La valeur du paramètre y est porté en abscisse et différentes courbes sont tracées - pour x = 0,5 les courbes 31, 33 et 35 correspondant à des valeurs croissantes de z (0,2 ; 0,3 ; 0,4) ; - pour x = 0,6 les courbes 32, 34, 36 et 37 pour des valeurs croissantes de z (0,3 ; 0,4 ; 0,5 ; 0,6) ; On constate que lton peut réaliser un matériau dont le coefficient dit de température" est inférieur au millième entre - 400 C et + 850 C avec un moment magnétique supérieur à 500 gauss. Si l'on se contente d'un coefficient de 3 millièmes on peut avoir un moment magnétique inférieur à 500 gauss. + 100 Figure 4, on a représenté &alpha; 0 correspondant au choix des températures extrêmes suivantes a = 0 C b = + 100 C La valeur du paramètre y est portée en abscisses et différentes courbes sont tracées - pour x = 0,5, les courbes 41, 43 et 45 correspondant à des valeurs croissantes de z (0,2 ; 0,3 ; 0,4) ; - pour x = 0,6, les courbes 42, 44 et 46 correspondant également à des valeurs croissantes de z (0,3, 0,4 ;0.5) On constate que l' on peut obtenir un coefficient de température inférieur à deux millièmes pour des matériaux de moment magnétique supérieur à 500 gauss et inférieur à cinq millièmes pour un matériau de moment magnétique inférieur à 500 gauss. Outre la stabilité en température, les différents échantillons correspondant à des valeurs même très différentes des paramètres dans les domaines indiqués plus haut, présentent de très faibles pertes magnétiques et diélectriques. En particulier, la tangente de l'angle de pertes diélectrique est inférieure au dix millième. Les figures 5 et 6 complètent les données relatives au matériau selon l'invention : 1) Pour la largeur de raie de résonance gyromagnétique A H en oersteds, en fonction du paramètre y, on a les courbes 51, 53, 54 et 55 correspondant à x = 0,6 (pour des valeurs de z croissantes) et les courbes 52, 56 et 57 correspondant à x = 0,5 (également pour des valeurs de z croissantes). 2) Pour la largeur de raie de résonance d'onde de spin AHK en oersteds, en fonction du paramètre y on a trois courbes 61, 62 et 63 correspondant à x = 0,5 pour des valeurs de z croissantes. Les mesures ont été effectuées en bande X, pour permettre la comparaison avec d'autres matériaux. Dans la bande de fréquences recommandée (quelques centaines à quelques milliers de mégahertz) les résultats seraient du même ordre de grandeur, à savoir la largeur de raie de résonance A H la plus faible compatible avec une largeur de raie AHK relativement élevee. L'invention est applicable à la fabrication de tous les dispositifs connus en hyperfréquence, tels que les déphaseurs, isolateurs, coupleurs et circulateurs. Pour les fréquences d'utilisation recommandées, le faible moment magnétique, les faibles pertes et l'excellente stabilité du matériau autorisent le fonctionnement à de hautes puissance moyennes et de crête. REVENDICATIONS 1. Matériau ferrimagnétique polycristallin à structure grenat, caractérisé en ce qu'il répond à la formule générale Y3-3x Cd3x Fe5-5y-z Al5y Inz 012 5-5y-z 5y avec 0,45 # x # 0,65 0 # y # 0,18 0,2 # 0,6 2. Matériau suivant la revendication 1, caractérisé en ce que 0,10 ( y z 0,18 3. Matériau suivant la revendication 1, caractérisé en ce que 0,45 # x # 0,5 4. Matériau suivant la revendication 3, caractérisé en ce que 0,5 # 0,6 5. Matériau suivant la revendication 3, caractérisé en ce que x est de l'ordre de 0,5 avec 0,14 # y # 0,18