Brevet FR3066041A1 — publié le 20181109

Circulateur hyperfrÃ©quence miniature autopolarisÃ© Le domaine de l'invention est celui des modules hyperfrÃ©quences et des convertisseurs de frÃ©quences comportant des circulateurs ou des isolateurs hyperfrÃ©quences. Ces composants passifs magnÃ©tiques Ã faibles pertes fonctionnent typiquement Ã des frÃ©quences de l'ordre de quelques gigahertz Ã quelques dizaines de gigahertz. De tels composants sont particuliÃ¨rement recherchÃ©s actuellement tant pour des applications civiles de tÃ©lÃ©communications que pour des applications radar. Ce sont des composants essentiels dans la mesure oÃ¹ ils protÃ¨gent les signaux utiles des rÃ©flexions parasites tout en transmettant des puissances importantes avec des pertes faibles de maniÃ¨re complÃ¨tement passive. Les figures la et lb illustrent le fonctionnement de ce type de composant. Sur ces figures, le composant comporte trois ports notÃ©s 1, 2 et 3. Sur la figure la, un signal hyperfrÃ©quence reprÃ©sentÃ© par des chevrons et issu du port 1 est transfÃ©rÃ© avec des pertes faibles vers le port 2. A l'inverse, sur la figure 1 b, un signal hyperfrÃ©quence issu du port 2 n'est que trÃ¨s faiblement transmis vers le port 1 et est dirigÃ© vers le port 3. Lorsque l'un des trois ports est connectÃ© Ã une charge de 50 0, 20 on parle alors d'isolateur. Le fonctionnement de ces circulateurs hyperfrÃ©quences est basÃ© sur l'effet non rÃ©ciproque d'un ferrite magnÃ©tiquement saturÃ© symbolisÃ© par le cercle blanc sur les figures la et lb. Un circulateur est classiquement constituÃ© d'une partie en ferrite, d'un aimant permanent placÃ© au plus prÃ¨s 25 de ce ferrite et de pistes mÃ©talliques permettant la propagation de l'onde Ã©lectromagnÃ©tique. Dans un circulateur Ã trois ports, les pistes mÃ©talliques forment un Y pour respecter la symÃ©trie Ã 120Â°. Les figures 2a et 2b reprÃ©sentent un circulateur Ã trois ports de type Â« microstrip Â» ou Ã Â« microruban Â» avant et aprÃ¨s assemblage de l'aimant A sur le ferrite F. Sur 30 ces figures, on a utilisÃ© les mÃªmes notations que sur les figures la et lb. La prÃ©sence de l'aimant A augmente considÃ©rablement la hauteur du composant. Il est possible de rÃ©duire cette hauteur de l'aimant en insÃ©rant 3066041 2 des piÃ¨ces magnÃ©tiques polaires pour concentrer l'Ã©nergie de l'aimant dans le ferrite mais on ne diminue pas sensiblement la hauteur totale du composant. Par ailleurs, ces circulateurs sont fabriquÃ©s de maniÃ¨re conventionnelle en utilisant des technologies d'assemblage coÃ»teuses car le 5 ferrite qui constitue le coeur du composant, un grenat ou un spinelle ferrimagnÃ©tique, est une cÃ©ramique frittÃ©e Ã des tempÃ©ratures supÃ©rieures Ã 1200Â°C. Ces composants volumineux sont difficiles Ã intÃ©grer avec des composants employÃ©s dans les circuits de microÃ©lectronique parce qu'ils ne 10 se prÃ©sentent gÃ©nÃ©ralement pas sous forme de puce Ã©lectronique mais sous forme de dispositifs Ã ferrite indÃ©pendants. Aussi, les sous-ensembles Ã©metteur/rÃ©cepteur hyperfrÃ©quences utilisÃ©s dans les radars et les applications de tÃ©lÃ©communications ont tendance Ã Ã©viter leur utilisation en les remplaÃ§ant par d'autres solutions techniques tels que des commutateurs 15 Ã diodes ou de type Â« MEMS Â», acronyme signifiant Â« MicroElectroMechanical Systems Â» qui prÃ©sentent l'inconvÃ©nient de ne pas Ãªtre des composants purement passifs. Le circulateur/isolateur selon l'invention ne prÃ©sente pas ces diffÃ©rents inconvÃ©nients. Il permet de rÃ©aliser simplement un circulateur fonctionnant Ã haute frÃ©quence et dans un encombrement rÃ©duit. Il met en oeuvre un ferrite ayant un champ coercitif et une aimantation rÃ©manente Ã©levÃ©s. De telles propriÃ©tÃ©s permettent d'Ã©viter l'utilisation d'un aimant permanent. Plus prÃ©cisÃ©ment, l'invention a pour objet un circulateur ou un isolateur hyperfrÃ©quence comportant au moins deux entrÃ©es/sorties et un substrat, caractÃ©risÃ© en ce qu'au moins la partie centrale du substrat est un hexaferrite de baryum et /ou de strontium dont une partie des ions baryum et/ou une partie des ions strontium a Ã©tÃ© substituÃ©e par des ions lanthane et une partie des ions fer a Ã©tÃ© substituÃ©e par des ions cobalt, la formule chimique gÃ©nÃ©rale dudit hexaferrite de baryum-strontium Ã©tant BaxSryLazFeu_wCow019, la somme des indices x, y et z Ã©tant Ã©gale Ã 1, l'indice x Ã©tant compris entre 0 et 1, l'indice y Ã©tant compris entre 0 et 1, l'indice z Ã©tant compris entre 0 et 0.5 et l'indice w Ã©tant compris entre 0.05 et 0.4. 3066041 3 Avantageusement, la totalitÃ© du substrat est un hexaferrite de baryum et /ou de strontium ou dont une partie des ions baryum et/ou une partie des ions strontium a Ã©tÃ© substituÃ©e par des ions lanthane et une partie des ions fer a Ã©tÃ© substituÃ©e par des ions cobalt, la formule chimique 5 gÃ©nÃ©rale dudit hexaferrite de baryum-strontium Ã©tant BaxSryLazFeu_wCow019, la somme des indices x, y et z Ã©tant Ã©gale Ã 1, l'indice x Ã©tant compris entre 0 et 1, l'indice y Ã©tant compris entre 0 et 1, l'indice z Ã©tant compris entre 0 et 0.5 et l'indice w Ã©tant compris entre 0.05 et 0.4. Avantageusement, l'hexaferrite est un ferrite de strontium, l'indice 10 x Ã©tant nul, l'indice y valant 0.7, l'indice z valant 0.3 et l'indice w valant 0.3, la formule chimique gÃ©nÃ©rale du ferrite de strontium Ã©tant Sr0.7La0.3Fe117C00.3019. Avantageusement, le circulateur ou l'isolateur hyperfrÃ©quence comporte des lignes d'entrÃ©e/sortie de type microruban ou triplaque. 15 Avantageusement, les lignes d'entrÃ©es/sorties sont au nombre de trois et qu'elles prÃ©sentent une symÃ©trie Ã 120Â°. Avantageusement, le substrat comporte une partie diÃ©lectrique en alumine. Avantageusement, le substrat comporte un noyau central en 20 forme de disque d'hexaferrite d'environ 1 millimÃ¨tre de diamÃ¨tre et d'environ 250 microns d'Ã©paisseur. Avantageusement, le circulateur ou l'isolateur fonctionne Ã des hyperfrÃ©quences comprises entre quelques gigahertz et quelques dizaines de gigahertz. Plus prÃ©cisÃ©ment, la bande de frÃ©quences est comprise entre 25 37 gigahertz et 40 gigahertz. Avantageusement, l'hexaferrite est orientÃ© cristallographiquement selon son axe de facile aimantation. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages 30 apparaÃ®tront Ã la lecture de la description qui va suivre donnÃ©e Ã titre non limitatif et grÃ¢ce aux figures annexÃ©es parmi lesquelles : Les figures la et lb reprÃ©sentent le fonctionnement d'un circulateur hyperfrÃ©quence ; Les figures 2a et 2b reprÃ©sentent l'assemblage d'un aimant sur un 35 circulateur de l'art antÃ©rieur ; 3066041 4 La figure 3 reprÃ©sente l'ellipsoÃ¯de des coefficients dÃ©magnÃ©tisants d'un noyau ferrite ; La figure 4 reprÃ©sente le cycle d'hystÃ©rÃ©sis d'un ferrite ; La figure 5 reprÃ©sente les variations d'amplitude A(.t) des parties 5 rÃ©elle Re(g) et imaginaire lm(p) de la permÃ©abilitÃ© Ft d'un matÃ©riau magnÃ©tique en fonction de la frÃ©quence ; La figure 6 reprÃ©sente un circulateur hyperfrÃ©quence selon l'invention ; La figure 7 reprÃ©sente l'orientation cristallographique du 10 ferrite selon l'invention par rapport au substrat du circulateur ; La figure 8 reprÃ©sente les variations des coefficients de transmission entre ports en fonction de la frÃ©quence d'un circulateur selon l'invention. 15 Un circulateur/isolateur Ã ferrite fonctionne selon le principe de la rÃ©sonance gyromagnÃ©tique. La prÃ©cession de l'aimantation du ferrite autour d'un champ magnÃ©tique statique appliquÃ© conduit Ã une permÃ©abilitÃ© tensorielle qui dÃ©pend de la polarisation de l'onde Ã©lectromagnÃ©tique. Un phÃ©nomÃ¨ne de rÃ©sonance se produit alors autorisant ainsi deux modes de 20 fonctionnement possibles, avant et aprÃ¨s la rÃ©sonance. Un noyau ferrite de forme quelconque prÃ©sente des coefficients dÃ©magnÃ©tisants Nx, Ny et N, tels que reprÃ©sentÃ©s sur la figure 3. En appliquant un champ magnÃ©tique Ha orientÃ© selon l'axe Oz, une rÃ©sonance gyromagnÃ©tique se produit Ã une frÃ©quence fr dite frÃ©quence de Kittel qui 25 vaut : fr = + x N )11/1 s).(H y -N )M)) 27z- y Ã©tant le rapport gyromagnÃ©tique et Ms l'aimantation Ã saturation. Dans le cas d'un disque, qui est la forme le plus souvent utilisÃ©e 30 pour les circulateurs, les coefficients Nx et Ny sont Ã©gaux et infÃ©rieurs au coefficient Nz, la frÃ©quence de Kittel se simplifie alors et devient : fr = 1-W + x -N ,).M) 27z 3066041 5 On constate que la frÃ©quence de rÃ©sonance dÃ©pend du champ magnÃ©tique Ha et qu'elle est diminuÃ©e de la quantitÃ© 2(Nz . 2er La forme du ferrite modifie Ã©galement l'Ã©tat rÃ©manent statique. Pour un disque de ferrite aimantÃ© selon la direction Oz, on observe un 5 champ dÃ©magnÃ©tisant qui a pour effet de pencher le cycle d'hystÃ©rÃ©sis M(H) du ferrite. Le cycle d'hystÃ©rÃ©sis correspond Ã la rÃ©ponse magnÃ©tique M en fonction d'un champ appliquÃ© H. Parmi les valeurs importantes du cycle d'hystÃ©rÃ©sis, on distingue l'aimantation Ã saturation Ms, l'aimantation rÃ©manente Mr correspondant au champ magnÃ©tique nul et le champ coercitif 10 Hc correspondant Ã une aimantation nulle. La figure 4 reprÃ©sente deux cycles d'hystÃ©rÃ©sis, le premier M(H) Ã coefficient dÃ©magnÃ©tisant nul et le second M'(H) Ã champ dÃ©magnÃ©tisant Ã©levÃ©. Comme on le voit sur cette figure 4, si le champ dÃ©magnÃ©tisant est Ã©levÃ©, l'aimantation rÃ©manente Mr diminue. Une partie des moments 15 magnÃ©tiques du disque n'est plus orientÃ©e selon l'axe Oz. Cela conduit Ã une dÃ©gradation du fonctionnement du circulateur puisque le cas idÃ©al est celui oÃ¹ tous les moments magnÃ©tiques sont orientÃ©s selon l'axe Oz. Il est donc nÃ©cessaire que le champ dÃ©magnÃ©tisant soit petit devant le champ coercitif Hc. 20 La figure 5 reprÃ©sente les variations d'amplitude AGO des parties rÃ©elle Re(L) et imaginaire lm(1) de la permÃ©abilitÃ© la du matÃ©riau magnÃ©tique en fonction de la frÃ©quence appliquÃ©e. On constate que la permÃ©abilitÃ© varie fortement au voisinage de la frÃ©quence de rÃ©sonance. Lorsque le dispositif fonctionne Ã une frÃ©quence infÃ©rieure Ã celle de la rÃ©sonance, on parle de 25 fonctionnement Ã Â« champ Â» fort et lorsque le dispositif fonctionne aprÃ¨s la rÃ©sonance, on parle de fonctionnement Ã Â« champ Â» faible. On entend par Â« champ Â» le champ magnÃ©tique interne au sein de la ferrite. A frÃ©quence Ã©levÃ©e, c'est-Ã -dire pour des hyperfrÃ©quences supÃ©rieures Ã 15 GHz, les fonctionnements Ã champ fort deviennent impossibles car les champs Ã 30 appliquer sont trop importants pour pouvoir Ãªtre produits par des aimants permanents dans des volumes acceptables. Pour obtenir des frÃ©quences de rÃ©sonance plus Ã©levÃ©es, on peut utiliser des ferrites prÃ©sentant des champs d'anisotropie magnÃ©tocristalline Ã©levÃ©s comme les hexaferrites. Les hexaferrites sont des oxydes de fer 35 magnÃ©tiques Ã structure hexagonale. Ils sont composÃ©s de fer, d'oxygÃ¨ne et 3066041 6 d'un ou de plusieurs autres Ã©lÃ©ments qui peuvent Ãªtre notamment du baryum, du strontium ou du cobalt. La prÃ©cession gyromagnÃ©tique se produit autour du champ interne, le champ d'anisotropie magnÃ©tocristalline. On parle de prÃ©cession Â« naturelle Â» et le circulateur est dit Â« autopolarisÃ© Â». 5 Parmi les hexaferrites, ceux qui prÃ©sentent les plus fortes anisotropies magnÃ©tocristallines sont les hexaferrites de baryum et de strontium, respectivement de formule BaFe12019 et SrFe12019. Leur champ d'anisotropie magnÃ©tocristalline vaut respectivement 17 et 19 k0e, ce qui conduit Ã des frÃ©quences de rÃ©sonance propres entre 40 et 50 GHz, compte- 10 tenu d'un effet dÃ©magnÃ©tisant moyen pour un disque d'environ 2 k0e. On voit donc qu'un fonctionnement dans cette bande de frÃ©quence n'est pas possible, sauf si on parvient Ã augmenter ce champ d'anisotropie magnÃ©tocristalline. Le plus souvent, on augmente l'anisotropie magnÃ©tocristalline en 15 substituant des ions Fe3+ par des ions Al3+. Cette substitution a pour consÃ©quence, une diminution de l'aimantation Ã saturation, de l'aimantation rÃ©manente et de la tempÃ©rature de Curie, tempÃ©rature Ã partir de laquelle le matÃ©riau perd son aimantation permanente, car les ions Al3+ ne sont pas magnÃ©tiques. 20 Le circulateur selon l'invention comporte Ã©galement un hexaferrite de baryum ou de strontium dont certains ions ont Ã©tÃ© substituÃ©s. Plus prÃ©cisÃ©ment, le circulateur comporte un ferrite de strontium ou de baryum substituÃ©s par des ions La3+ et Co2+. Les ions La3+ se substituent aux ions 25 Ba2+ ou Sr 2+ alors que les ions Co2+ se substituent aux ions Fe3+. Ainsi, on conserve des tempÃ©ratures de Curie et des aimantations Ã saturation Ã©levÃ©es. Plus prÃ©cisÃ©ment, la formule chimique gÃ©nÃ©rale de l'hexaferrite de baryum-strontium selon l'invention est BaxSryLazFev_wCow019, la somme des 30 indices x, y et z Ã©tant Ã©gale Ã 1, l'indice x Ã©tant compris entre 0 et 1, l'indice y Ã©tant compris entre 0 et 1, l'indice z Ã©tant compris entre 0 et 0.5 et l'indice w Ã©tant compris entre 0.05 et 0.4. 3066041 7 A titre d'exemple de rÃ©alisation non limitatif, la figure 6 reprÃ©sente un isolateur Â« microstrip Â» comportant un hexaferrite de strontium substituÃ© lanthane-cobalt selon l'invention. Cet isolateur Ã jonction Y comporte trois ports notÃ©s 11, 12 et 13 5 sur la figure 6 qui sont respectivement un port d'entrÃ©e 11, un port de sortie 12 et un port 13 d'isolation qui comporte une charge d'absorption adaptÃ©e 15. Il est reprÃ©sentÃ© en blanc sur la figure 6. Cet isolateur a Ã©tÃ© modÃ©lisÃ© Ã l'aide du logiciel Â« HFSS Â», acronyme signifiant Â« High Frequency Structural Simulator Â», logiciel 10 dÃ©veloppÃ© par la sociÃ©tÃ© ANSYSÂ® en considÃ©rant une structure ferrite-diÃ©lectrique. Un disque 14 de ferrite d'environ 1 mm de diamÃ¨tre a Ã©tÃ© usinÃ© et insÃ©rÃ© dans un substrat 10 en alumine de 16 mm de cÃ´tÃ© et de 250 Ftm d'Ã©paisseur. Le ferrite retenu a pour composition Sr07La03Feii.7C00.301g. 15 Dans ce cas, x est nul, y vaut 0.7, z vaut 0.3 et w vaut 0.3. Le diÃ©lectrique choisi est de l'alumine. AprÃ¨s insertion du ferrite, une pÃ¢te de verre a Ã©tÃ© dÃ©posÃ©e Ã l'interface ferrite-alumine. Un traitement thermique a Ã©tÃ© rÃ©alisÃ© pour assurer la cohÃ©sion mÃ©canique de l'ensemble. Enfin, une couche d'or a Ã©tÃ© dÃ©posÃ©e 20 par Ã©vaporation sous vide pour rÃ©aliser la jonction Y sur une face et le plan mÃ©tallique sur l'autre face. La figure 7 reprÃ©sente les axes a, b et c d'orientation cristallographique du disque de ferrite 14 par rapport au plan du substrat. Les axes a et b sont dans le plan du substrat et l'axe c lui est perpendiculaire. 25 Sur cette figure 7, les ports ne sont pas reprÃ©sentÃ©s. Les paramÃ¨tres S sont les indicateurs de performances en transmission et en rÃ©flexion de l'isolateur. Ils sont notÃ©s classiquement : S21 : Taux de transmission du port 11 vers le port 12; 30 512: Taux de transmission du port 12 vers le port 11; Sil : Taux de rÃ©flexion au niveau du port 11 ; S22: Taux de rÃ©flexion au niveau du port 12 Ces paramÃ¨tres sont mesurÃ©s Ã l'aide d'un analyseur de rÃ©seaux. Les quatre courbes obtenues en fonction de la frÃ©quence sont reprÃ©sentÃ©es 3066041 8 en figure 8. On constate qu'entre 37.4 GHz et 39.8 GHz, les pertes d'insertion sont infÃ©rieures Ã 1 dB et l'isolation est supÃ©rieure Ã 15 dB. Ces performances sont comparables Ã celles d'un isolateur selon l'art antÃ©rieur constituÃ© d'un ferrite spinelle de nickel-zinc et d'un aimant 5 permanent ayant une hauteur de plusieurs millimÃ¨tres alors que l'Ã©paisseur de l'isolateur selon invention n'est que de 250 microns, soit un gain d'un facteur 10. REVENDICATIONS1. Circulateur ou isolateur hyperfrÃ©quence comportant au moins deux entrÃ©es/sorties (11, 12) et un substrat (10), caractÃ©risÃ© en ce qu'au moins la partie centrale (14) du substrat est un hexaferrite de baryum et /ou de strontium dont une partie des ions baryum et/ou une partie des ions 5 strontium a Ã©tÃ© substituÃ©e par des ions lanthane et une partie des ions fer a Ã©tÃ© substituÃ©e par des ions cobalt, la formule chimique gÃ©nÃ©rale dudit hexaferrite de baryum-strontium Ã©tant BaxSryLazFei2_wCow019, la somme des indices x, y et z Ã©tant Ã©gale Ã 1, l'indice x Ã©tant compris entre 0 et 1, l'indice y Ã©tant compris entre 0 et 1, l'indice z Ã©tant compris entre 0 et 0.5 et l'indice w 10 Ã©tant compris entre 0.05 et 0.4. 2. Circulateur ou isolateur hyperfrÃ©quence selon la revendication 1 caractÃ©risÃ© en ce que la totalitÃ© du substrat est un hexaferrite de baryum et /ou de strontium ou dont une partie des ions baryum et/ou une partie des 15 ions strontium a Ã©tÃ© substituÃ©e par des ions lanthane et une partie des ions fer a Ã©tÃ© substituÃ©e par des ions cobalt, la formule chimique gÃ©nÃ©rale dudit hexaferrite de baryum-strontium Ã©tant BaxSryLazFe12_wCow019, la somme des indices x, y et z Ã©tant Ã©gale Ã 1, l'indice x Ã©tant compris entre 0 et 1, l'indice y Ã©tant compris entre 0 et 1, l'indice z Ã©tant compris entre 0 et 0.5 et l'indice w 20 Ã©tant compris entre 0.05 et 0.4. 3. Circulateur ou isolateur hyperfrÃ©quence selon l'une des revendications prÃ©cÃ©dentes, caractÃ©risÃ© en ce que l'hexaferrite est un ferrite de strontium, l'indice x Ã©tant nul, l'indice y valant 0.7, l'indice z valant 0.3 et 25 l'indice w valant 0.3, la formule chimique gÃ©nÃ©rale du ferrite de strontium Ã©tant Sr0.7La0.3Feit7C00.3019. 4. Circulateur ou isolateur hyperfrÃ©quence selon l'une des revendications prÃ©cÃ©dentes, caractÃ©risÃ© en ce que le circulateur ou l'isolateur 30 hyperfrÃ©quence comporte des lignes d'entrÃ©e/sortie de type microruban ou trip laque. 3066041 10 5. Circulateur ou isolateur hyperfrÃ©quence selon l'une des revendications prÃ©cÃ©dentes, caractÃ©risÃ© en ce que les lignes d'entrÃ©es/sorties sont au nombre de trois et qu'elles prÃ©sentent une symÃ©trie Ã 1200. 6. Circulateur ou isolateur hyperfrÃ©quence selon l'une des revendications prÃ©cÃ©dentes, caractÃ©risÃ© en ce que le substrat comporte une partie diÃ©lectrique en alumine. 7. Circulateur ou isolateur hyperfrÃ©quence selon le revendication 6, caractÃ©risÃ© en ce que le substrat comporte un noyau central en forme de disque d'hexaferrite d'environ 1 millimÃ¨tre de diamÃ¨tre et d'environ 250 microns d'Ã©paisseur. 8. Circulateur ou isolateur hyperfrÃ©quence selon l'une des revendications prÃ©cÃ©dentes, caractÃ©risÃ© en ce que le circulateur ou l'isolateur fonctionne Ã des hyperfrÃ©quences comprises entre quelques gigahertz et quelques dizaines de gigahertz. 9. Circulateur ou isolateur hyperfrÃ©quence selon la revendication 8, caractÃ©risÃ© en ce que la bande de frÃ©quences est comprise entre 37 gigahertz et 40 gigahertz. 10. Circulateur ou isolateur hyperfrÃ©quence selon l'une des 25 revendications prÃ©cÃ©dentes, caractÃ©risÃ© en ce que l'hexaferrite est orientÃ© cristallographiquement selon son axe de facile aimantation.