Brevet FR2546671A1 — publié le 19841130

WAN BOU DISPOSITIF DE FILTRAGE A ONDES MAGNETOSTATIQUES La présente invention se rapporte aux dispositifs à propagation d'ondes magnétostatiques le long d'une couche ferrimagnétique déposée sur un substrat Parmi ces dispositifs, il en existe qui fonctionnent au moyen de transducteurs en forme de microrubans pour émettre ou recevoir des ondes magnétostatiques de surface ou de volume L'invention vise plus particu- lièrement des dispositifs de filtrage permettant, dans une plage de fré- quence large, de transmettre sélectivement des ondes magnétostatiques ayant une longueur d'onde prédéterminée En effet, les dispositifs à ondes magnétostatiques sont accordables au moyen d'un champ magnétique et i peuvent fonctionner à une longueur d'onde donnée tout en conservant la possibilité de changer la fréquence Le problème se pose d'atténuer la transmission des ondes magnétostatiques à des longueurs d'ondes qui s'écartent d'une valeur présélectionnée, ce problème est rencontré dans certaines applications o un réseau réflecteur ou un résonateur à cavité détermine par dimensionnement géométrique une longueur d'onde de fonct- ionnement à laquelle peut correspondre une gamme de fréquences Cette particularité des ondes magnétostatiques résulte des propriétés dispersives et de l'accord par champ magnétique, caractéristiques qui n'ont pas d'équi- valent dans les dispositifs à ondes élastiques o la vitesse de propagation des ondes de Rayleigh est constante Dans le domaine des dispositifs à ondes magnétostatiques, il est connu d'atténuer à l'émission ou à la réception les ondes magnétostatiques dont la longueur d'onde s'écarte d'une valeur assi- gnée en adoptant une configuration repliée en U des microrubans Cette technique n'est applicable qu'à un domaine de fréquence limité, car elle suppose que les courants circulant dans les deux branches de l'U, distantes de >/12, soient en opposition de phase. Les solutions qui consistent à utiliser une configuration des trans- ducteurs d'émission ou de réception, telle que la transmission aux grandes longueurs d'ondes magnétostatiques soit amoindrie, ont l'inconvénient d'introduire un retard qui ne dépend pas du champ magnétique réalisant l'accord en fréquence Dans un montage à oscillateur accordable, cet inconvénient tend à limiter la plage d'accord et à donner naissance à des sauts de mode. Les dispositifs de filtrage selon l'invention permettent de pallier les inconvénients cités ci-dessus. L'invention propose d'introduire sur le trajet de propagation des ondes magnétostatiques un microruban conducteur dont la largeur à la longueur d'onde magnétostatique A assure un effet transducteur quasi nul, mais qui prend de l'importance dès que la longueur d'onde s'écarte de la valeur que l'on désire transmettre sans pertes Ainsi, les longueurs d'ondes pour lesquelles l'effet transducteur est notable sont atténués grâce à un moyen dissipatif approprié qui coopère avec le microruban Ce microruban cons- titue un dispositif de filtrage disposant d'une "fenêtre de transmission" étroite qui coïncide avec une longueur d'onde de coupure de l'effet trans- ducteur qu'il peut développer à d'autres longueurs d'ondes. L'invention a pour objet un dispositif de filtrage transmettant des ondes magnétostatiques de longueur d'onde prédéterminé, ces ondes magné- tostatiques se propageant dans une couche magnétique épitaxiée sur une couche non magnétique, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un microruban placé sur le trajet desdites ondes; la largeur dudit microruban étant égale à un multiple de la longueur d'onde à transmettre sélectivement ; des moyens dissipatifs associés audit microruban dissipant l'énergie prove- nant de l'interaction des ondes magnétostatiques avec ledit microruban. L'invention sera mieux comprise au moyen de la description ci-après et des figures annexées parmi lesquelles: la figure l représente une configuration typique de transducteurs à ondes magnétostatiques; la figure 2 est un diagramme explicatif; les figures 3 à 7 sont des diagrammes explicatifs; la figure 8 est une vue isométrique d'un dispositif de filtrage selon l'invention; la figure 9 est un diagramme explicatif; la figure 10 est un schéma explicatif. La fréquence des ondes magnétostatiques de volume directives est liée au champ magnétique appliqué H par la formule: f =YAH 41 TM) lH (-2) 4 o g est le rapport gyromagnétique, 4 TM est l'aimantation du matériau, et o c est tiré de l'expression:tg l'épaisseur de la couche magnétique. Pour les ondes magnétostatiques de volume contradirectives (backward) o" vérifierait la relation 2 cotg (X kd) = o 4 c représente la fonction de transfert d'une ligne à retard à ondes magnéto- statiques Cette courbe montre que la propagation s'établit avec une longueur d'onde infinie à la fréquence minimale: f =Y(H-4 Tf M) La fréquence maximale f M est donnée par la relation: f M= YH (H -411 h M) Les pertes d'insertion croissent entre f et f m M Sur la figure 1, on peut voir une ligne de transmission à ondes magnétostatiques comportant des transducteurs 7 et 8 Chaque transducteur comporte une connexion électrique 5 d'entrée ou de sortie qui se prolonge par un ruban 4 émetteur ou récepteur d'ondes magnétostatiques et qui se termine par une connexion électrique 6 constituant une charge terminale. Les rubans 4 ont une longueur L 1 et une largeur b La demi longueur du ruban 4 additionnée à la longueur de la connexion d'extrémité 6 a pour valeur L 2. Les connexions d'extrémité 6 et les parties 51 et 52 des connexions 5 proches des rubans 4 sont agencées obliquement de façon à minimiser le couplage électromagnétique Ce couplage électromagnétique est minimal quand les connexions 51-52 et les connexions 6 des transducteurs 7-et 8 sont disposés orthogonalement Les transducteurs 7 et 8 sont agencés à la surface d'une structure comportant un substrat 10 de grenat de gadolinium et gallium (GGG) d'épaisseur t Le dos du substrat 10 est recouvert d'une métallisation 9 Une couche Il de grenat d'yttrium et de fer (YIG) ayant une épaisseur d est épitaxiée sur le substrat 10 Sur la couche Il de YIG est déposée une couche diélectrique 12 d'épaisseur h, servant de support aux microrubans La couche 10 de GGG comporte sur sa face inférieure une métallisation 9 constituant une masse électrique. La figure 2 représente la fonction de transfert 1 d'une ligne à retard et la fonction de transfert 100 d'un résonateur Ces fonctions de transfert qui concernent des dispositifs à ondes magnétostatiques de volume directives (forward Y ont été obtenues à champ magnétique H constant Les diagrammes de la figure 2 donnent en fonction de la fréquence f exprimée en G Hz, les pertes d'insertion P exprimées en d B d'un dispositif à ondes magnéto- statiques de volume "forward". Un résonateur à ondes magnétostatiques de volume a été décrit dans la demande de brevet en France N O 81 24561 déposée le 31 décembre 19 _ 81 par la Demanderesse La fonction de transfert représentée par la courbe 100 correspond au fonctionnement à la longueur d'onde de 300,pm A la fréquence de 3 G Hz, on observe un pic de résonance 3 correspondant à des pertes d'insertion de 26 d B Aux fréquences correspondant aux grandes longueurs d'ondes magnétostatiques, on observe les pics 2 qui correspondent à des pertes d'insertion moindres. Les paramètres t, d, h, b, L 1 et L 2 illustrés sur la figure 1 servent de base pour le calcul des pertes d'insertion d'une ligne à retard construite en accord avec les schémas des figures I et 2 Pour cela, on calcule les pertes d'insertion Pl d'un transducteur tel qu'illustré par la figure 1 et ensuite les pertes P 2 d'une ligne à retard à deux transducteurs On a: Pl = 10 log (i 24 R Rg 1 Ilg 1 ( 2 _ 2 (Ri+ Rg) +Xi RI 1 + Rg)2 + Xi 2 > 64 T P 2 = 20 log 10 ( Ri 2 Ri Rg + Xi) + 76,4 AHT, P est exprimée en d B, A H est la largeur de raie exprimée en oersteds, T est le retard de la ligne exprimé en microseconde, Rg est la résistance interne du générateur, Ri est la partie réelle de l'impédance d'entrée du trans- ducteur, Xi est la partie imaginaire de l'impédance du transducteur On a: Rm L Ri= 2 et Xi = Zc cotg (ALL 2), o Rm est la résistance de radiation du transducteur considéré, Zc est l'impédance caractéristique de la ligne et/3 la constante de propagation des ondes électromagnétiques dans le microruban Zc et Asont données par les expressions suivantes: Zc=60 ln(t+ d+h+ b Zc O In ( 8 t+h + 0,25 bd-) avec çfEr+î +Er-I r 12 tid+h 'b 2 2 (+ 121 eff ú r+Fl r-l O ( 1 + 12 t' Y)- + 0,04 ( 1 - 2 2 t+d+h et 27 f /Ee 1 f c c est la célérité de la lumière dans le vide et úr la constante diélectrique Rm o CJ 2 du YIG déposé sur le GGG De plus, on a R = PO')k 2 K(h) o) = 2-Tf et jk 0 O la transformée de Fourier de la densité de courant, jup est la perméabilité magnétique et K(h) vérifie la formule K(h) = K exp ( 2 kh) avec t 2 -2 (th kt P 11) ( 1 pl 1) 2 kd lth 2 kt Pll t (l-th 2 kt) d Dans cette formule: L Ui /ql = 2 _-8 P= 2 2 f 41 TM H 01 et k, le nombre d'onde. En prenant pour base les formules qui précèdent, on procède à des calculs qui font apparaître comment évoluent les pertes d'insertion d'un transducteur à microruban du type illustré sur la figure 1 Il s'agit d'une ligne de transmission à ondes magnétostatiques de volume progressives utilisant deux transducteurs identiques; ainsi les pertes d'insertion de la ligne sont représentatives des pertes d'insertion propres au transducteur d'émission ou de réception Les calculs effectués permettent d'établir un jeu de diagrammes illustrant l'influence des paramètres de la ligne de transmis- sion sur des pertes d'insertion Ces diagrammes sont présentés aux figures 3 à 7 et expriment la variation des pertes d'insertion P en décibels en fonction de la fréquence f des ondes magnétostatiques en gigaherz Lorsque cela est nécessaire pour maintenir constant le paramètre étudié, la variation de fréquence est accompagnée d'une variation de l'intensité du champ magné- tique de polarisation de la couche magnétique Il en est ainsi, lors d'un fonctionnement à longueur d'onde magnétostatique constante, mais il va sans dire que cette coordination entre les valeurs de fréquence et de champ magnétique ne concerne pas la longueur d'onde, électromagnétique qui définit l'évolution du courant circulant le long des microrubans. Sur la figure 3 on peut voir les pertes d'insertion P exprimées end B, en 1.0 fonction de la fréquence f exprimée en G Hz d'un couple de transducteurs d'ondes magnétostatiques La variation de fréquence a été associée à une variation du champ magnétique H Les transducteurs sont réalisés avec les dimensions suivantes: b = 30 pjm, L 1 = 3 mm, L 2 = 4,5 mm En outre, le milieu de propagation pris en considération est dimensionné comme suit: d = 20}Im, t= 200 pm,h= 0. Les courbes 14, 15 et 16 de la figure 3 ont été respectivement obtenues pour des longueurs d'ondes ?' = 300 pm, A = l Omm et X = îm; on voit qu'elles sont quasiment confondues On peut donc tirer la conclusion que le transducteur microruban de largeur b = 3 pm n'est pas sélectif en fonction de la longueur d'onde magnétostatique X. On note sur la figure 3 que les courbes 14, 15 et 16 représentent au voisinage de la fréquence 12 G Hz une région à fortes pertes d'insertion, c'est-à-dire à couplage pratiquement nul Il s'agit là d'un effet de coupure lié à la distribution du courant le long du transducteur Il arrive que le régime d'ondes stationnaires conditionné par la longueur d'onde électromagnétique ) em donne lieu à des variations en sens contraire du courant qui annulent la capacité à rayonner du microruban. Sur la figure 4, on peut voir les pertes d'insertion P en fonction de la fréquence f pour une grande longueur d'onde égale à un mètre La courbe 17 correspond à des microrubans de largeur b = 30 um La courbe 18 correspond à une largeur b = Imm. Les autres paramètres sont les suivants: d = 201,um, t = 500 pm, h = 0, L= 3 mm, L 2 = 4,5 mm. Lorsque la longueur d'onde magnétostatique est grande, on voit qu'un microruban large occasionne moins de pertes d'insertion qu'un microruban étroit, de largeur b = 30 pm. L'interprétation du diagramme de la figure 4 montre que le couplage des grandes longueurs d'ondes est beaucoup plus efficace avec un microruban large qu'avec un microruban étroit On est donc amené à réaliser la fonction de filtrage avec un ruban large pour absorber efficacement les grandes longueurs d'ondes, mais à choisir cette largeur de telle façon que la longueur d'onde A r à transmettre corresponde à un très faible couplage Cette condition est réalisée conformément à l'invention en adoptant une largeur b de microruban égale à un multiple de r Cette disposition avantageuse est mise en évidence par le diagramme de la figure 5 qui représente l'évolution des pertes d'insertion pour la longueur d'onde > r = 300 pm Le diagramme de la figure 5 correspond aux paramètres suivants: d = 20 um, t = 500 m, h = 0, L= 3 mm et L 2 = 4,5 mm. Dû La courbe 19 correspond à une largeur b = 30 pm La courbe 20 correspond à une largeur b = Imm et montre que les pertes d'insertion sont très sensiblement accrues La figure 5 ne montre pas les pertes d'insertion relatives à un microruban de largeur b = 900 pm, car ces pertes dépassent d B dans toute la plage de fréquences Ainsi, les pertes d'insertion du couple de microrubansde largeur b = ni o N est un entier strictement positif sont très importantes et conformément à l'invention, cette absence très sélective de couplage va servir de fenêtre de transparence pour filtrer les ondes magnétostatiques. Il reste à vérifier que l'utilisation d'un microruban de largeur b = n conduit à un couplage efficace aux grandes longueurs d'ondes. Sur la figure 6, on peut voir les pertes d'insertion P d'un couple de microrubans de largeur b = 900 pm placés sur une couche isolante 12 dont l'épaisseur h prend trois valeurs La longueur d'onde est choisie égale à 1 mètre et les autres paramètres sont: d = 20 pm, t = 500 pm, L 1 = 3 mm et L 2 = 4,5 mm. La courbe 21 correspond à une épaisseur h = 900 ym La courbe 22 correspond à une épaisseur h = 30 pm La courbe 23 est basée sur l'hypothèse d'un montage de transducteurs à même la couche magnétique En comparant ces courbes, on voit que l'épaisseur h influe peu aux grandes longueurs d'ondes sur l'efficacité du couplage. Le dispositif selon l'invention fonctionne convenablement si l'on inter- pose entre les microrubans et la couche Il de YIG un diélectrique 12 d'épaisseur h = 200 pm par exemple. Pour terminer, la figure 7 montre les pertes d'insertion P d'un couple de microrubans pour une longueur d'onde magnétostatique de 1 mètre lorsqu'on fait varier les longueurs L 1 et L 2 des parties constitutives des microrubans Les autres paramètres sont: d = 20 pm, t = 500 pm, b = 900 rrm et h = 0. La courbe 24 correspond à une longueur L 1 = O,lmm et une longueur L 2 = 3,05 mm La courbe 25 correspond à une longueur L 1 6 mm et une longueur L 2 = 6 mm La courbe 26 correspond à une longueur L 1 = 3 mm et une longueur L 2 = 4,5 mm. On utilise de préférence des microrubans de longueur L 1 grande Le choix de L 1 doit tenir compte des augmentations locales des pertes d'insertion dues aux phénomènes d'ondes stationnaires le long des micro- rubans En effet, celles-ci doivent se trouver hors de la plage des longueurs d'ondes que le dispositif de filtrage selon l'invention est appelé à couvrir De même, la longueur L 2 des microrubans peut être choisie pour que les augmentations locales des pertes d'insertion ne tombent pas dans cette plage de fréquence. Le dispositif de filtrage -selon l'invention utilise un microruban pour capter les ondes magnétostatiques de grande longueur d'onde en offrant un couplage négligeable vis-à-vis des ondes magnétostatiques dont la longueur d'onde est un sous multiple de la largeur b On élimine Pénergie des ondes couplées efficacement en terminant le microruban par une charge résistive adaptée Une autre solution consiste à utiliser des microrubans réalisés eux- mêmes dans un matériau dissipatif, par exemple du chrome Avanta- geusement, le microruban est constitué d'un empilement de couches minces de chrome séparées par des couches diélectriques par exemple en verre Une variante de l'invention est obtenue par des pulvérisations alternées d'un métal de résistivité élevée et d'un diélectrique. Dans les dispositifs selon l'invention utilisant des transducteurs formés de couches multiples, l'épaisseur h du diélectrique 12 prise en compte dans 254667 1 les calculs est la distance séparant la surface du YIG Il de la première couche de métal de résistivité élevée. Sur la figure 8, on peut voir un résonateur à ondes magnétostatiques de volume M'forward" équipé des microrubans de filtrage selon l'invention. Comme indiqué ci-dessus, un dispositif de ce genre a été décrit dans la demande de brevet en France déposée par la Demanderesse le 31 décembre 1981 sous le numéro d'enregistrement national 81 24561 Dans l'exemple de la figure 8, les transducteurs d'entrée et de sortie sont des microrubans émetteurs et récepteurs 72 et 71 représentés en pointillé qui relient des bornes d'entrée et de sortie 7 et 8 à des terminaisons métalliques 6 pouvant former la masse électrique du dispositif Le dispositif est réalisé en partant d'un bloc 10 de GGG, à la surface duquel a été déposée une couche Il de YIG Les microrubans émetteurs et récepteurs sont situés à la surface de la couche de YIG dans des cavités résonantes 45 délimitées par des réseaux réflecteurs Les sillons composant ces réseaux sont usinés dans la couche de YIG 11 Un réseau de renvoi 46 lui aussi composé de sillons gravés dans la couche de YIG Il est disposé pour réfléchir les ondes magnétostatiques provenant d'une cavité 45 vers l'autre cavité Entre les bornes d'entrée et de sortie 7 et 8, le dispositif de la figure 8 peut être considéré comme un filtre permettant de sélectionner une longueur d'onde \ r Cette sélection résulte des cavités résonantes 45 dans lesquelles les réseaux de sillons 73, -74, 76 et 77 créent des modes longitudinaux dont l'un correspond à la longueur d'onde Är du fonctionnement désiré Pour parfaire cette sélection, les sillons 75 du réseau de renvoi 46 sont agencés pour renvoyer, à la longueur d'onde Br' les ondes qui émergent du réseau de sillons 74 vers le réseau de sillons 76 Ainsi les deux cavités résonantes 45 sont couplées par un moyen sélectif Pour arneliorer encore la sélection de la longueur d'onde h r, la structure de la figure 8 est revêtue de la couche diélectrique 12 sur laquelle sont agencés les moyens de filtrage selon l'invention Comme exposé ci-dessus, ces moyens sont constitués de microruban 78 et 79 dont la largeur b est multiple de la longueur d'onde \ r Dans le cas de la figure 8 les microrubans 78 et 79 sont réalisés en chrome, afin de dissiper lénergie électrique dont ils sont le siège lorsque la longueur d'onde des ondes magnétostatiques s'écarte de la longueur d'onde ? r désirée Le nombre et la position des microrubans 254667 1 peuvent être déterminés dans chaque cas suivant la géométrie du dispositif et le degré d'amortissement des ondes de grande longueur d'onde magnéto- statique désiré. Les divers microrubans de filtrage n'ont pas nécessairement la même largeur b On peut par exemple utiliser un microruban de largeur 3 ? et r deux microrubans de largeur 5 ? r Par adjonction d'un moyen amplificateur externe reliant les bornes 7 et 8, on transforme le résonateur de la figure 8 en un oscillateur accordable particulièrement performant L'accord, par exemple entre 2,5 et 7 G Hz, est effectué par variation du champ magné- tique H. Sur la figure 9, on peut voir la fonction de transfert 100 d'un résonateur équipé de filtres selon l'invention Cette fonction de transfert a été obtenue à champ magnétique H constant Le pic 3 correspondant à la longueur d'onde de résonance ?r n'est pratiquement pas affecté par la présence des microrubans de filtrage Par contre le pic 2 correspondant aux signaux parasites de grande largeur d'onde est diminué de 17 d B par rapport à ce qu'il serait sans le moyen de filtrage. La courbe de la figure 9 a été obtenue pour une structure telle que représentée sur la figure 8 des microrubans de filtrage placés au-dessus des réseaux formant les cavités résonantes 45. La figure 10 est une vue en coupe partielle d'un dispositif de filtrage selon l'invention. L'existence de la couche 12 de diélectrique entre la couche Il de YIG et les couches 60 qui forment le microruban de filtrage fait que la largeur b n'est pas exactement égale à un multiple de la longueur d'onde >\r Il faut tenir compte d'un effet de bord symbolisé sur la figure 10 par les zones délimitées par les lignes pointillées qui partent des bords de la couche métallique 60 Le dispositif de la figure 10 est constitué d'un empilage alterné de couches métalliques 60 et diélectriques 61. L'invention n'est pas limitée aux ondes magnétostatiques de volume et s 1 applique aussi aux dispositifs à ondes magnétostatiques de surface. Le dispositif selon l'invention s'applique notamment aux résonateurs, oscillateurs et lignes à retard à ondes magnétostatiques. il RE.VENDICATIONS 1 Dispositif de filtrage des ondes magnétostatiques de longueur d'onde (tr) prédéterminée, ces ondes magnétostatiques se propageant dans une couche magnétique ( 11) épitaxiée sur une couche non magnétique ( 10), caractérisé en ce qu'il comprend au moins un microruban de filtrage ( 78, 79, 60) placé sur le trajet desdites ondes; la largeur (b) dudit microruban étant égale à un multiple de la longueur d'onde ( X r) à transmettre sélectivement; des moyens dissipatifs associés audit microruban dissipant l'énergie provenant de l'interaction des ondes magnétostatiques avec ledit microruban de filtrage. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte une couche diélectrique ( 12) entre ledit microruban ( 78, 79, 60) et la couche magnétique ( 11). 3 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caracté- risé en ce que lesdites ondes magnétostatiques sont échangées par des moyens transducteurs ( 71, 72) situés sur ladite couche magnétique ( 11); chacun desdits moyens transducteurs étant constitué par un microruban ( 4) formant la partie médiane d'un élément conducteur déposé sur ladite couche magnétique ( 11); les parties extrêmes dudit élément conducteur constituant une connexion d'extrémité ( 6) et une connexion électrique ( 5) d'entrée ou de sortie. 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les parties extrêmes d'un moyen transducteur sont agencées à angle droit par rapport aux parties extrêmes de l'autre moyen transducteur. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caracté- risé en ce que l'un au moins des microrubans ( 4)est situé à l'intérieur d'une cavité résonante ( 45) délimitée par deux réseaux réflecteurs ( 73, 74, 76, 77). 6 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que deux microrubans ( 4) Sont respectivement situés dans deux cavités résonantes ( 45) délimitées par des réseaux réflecteurs ( 73, 74, 76, 77); un réseau de renvoi ( 46) éetant disposé pour renvoyer vers l'une desdites cavités résonantes ( 45) les ondes magnétostatiques émergeant de l'autre desdites cavités résonantes 254667 1 ( 45). 7 Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les microrubans de filtrage sont localisés entre les réseaux réflecteurs ( 73, 74 et 76, 77) constituant chacune desdites cavités résonantes ( 45). 8 Dispositif selon l'une quelconque des revendications I à 7, caracté- risé en ce que la dissipation de l'énergie provenant de l'interaction des ondes magnétostatiques avec ledit microruban de filtrage ( 78, 79, 60) est assurée par le matériau électriquement conducteur dont il est formé. 9 Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit matériau électriquement conducteur est le chrome ou un alliage de nickel et de chrome. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit matériau électriquement conducteur est subdivisé en couches superposées isolées par un diélectrique.