Contribution à l'étude des dispositifs planaires micro- ondes ...

MINISTER DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE ABOU-BAKR BELKAÏD-TLEMCEN FACULTE DES SCIENCES DE L’INGENIEUR DEPARTEMENT D’ELECTRONIQUE LABORATOIRE DE SYSTEMES ET TECHNOLOGIES DE L’INFORMATION ET DE COMMUNICATION (STIC) Thèse de Magister en Télécommunications Option : Systèmes et Réseaux de Télécommunications (SRT) THEME ____________________________________________ Contribution à l’étude des dispositifs planaires micro- ondes à ferrites pour des applications en télécommunications ____________________________________________ Présenté par BIHANE Mohamed Soutenue en 2006 devant le jury composé de : Président de jury : Mr N. BENAHMED M.C à l’Université de Tlemcen. Examinateurs : Mme Z. MEKKIOUI M.C à l’Université de Tlemcen. Mr A. ABDELMALEK C.C à l’Université de Tlemcen. Directeur de thèse : Mr M. FEHAM Prof à l’Université de Tlemcen. Co-directeur de thèse : M m e M. FEHAM M.C à l’Université de Tlemcen  Dédicace à mes très chers parents ; à mes très chers frères et sœurs ; à tout mes amis ;  REMERCIMENTS Cette étude a été réalisée à la Faculté des Sciences de l’ingénieur de l’Université Abou- Bekre Belkaid de Tlemcen au sein de laboratoire de systèmes et technologies de l’information et de communications (STIC), sous la direction de Monsieur FEHAM MOHAMED, Professeur a l’université de Tlemcen et Madame MELIANI FEHAM, Maitre de conférences a l’université de Tlemcen comme Co-directeur de thèse. Je tiens à leur exprimer mes plus vifs remerciements pour leur disponibilité malgré un emploi du temps parfois surchargé, mais aussi pour leur expérience et les conseils scientifiques qu’ils m’ont prodigués tout au long de ce travail. J’exprime également mes profonds remerciements à Monsieur N.BENAHMED Maitre de conférences a l’université de Tlemcen, qui, fort de leurs connaissances et de leur expérience, ont eu à juger ce travail. Toute ma gratitude revient à Madame Z. MIKKIOUI, Maitre de conférences a l’université de Tlemcen qui a accepté de faire partie du jury. Outre sa présence dans ce jury, Monsieur A. ABDELMALEK, Chargé de cours à l’Université de Tlemcen, m’a fait profiter de son savoir dans le domaine des réseaux de Télécommunications sans fil. Je ne saurais oublier mes amis qui ont contribué à l’excellente ambiance présente dans l’équipe. Je remercie chaleureusement mes parents qui m’ont soutenu tout au long de mes études, parfois au prix de quelques sacrifices, et sans qui je n’aurais pas pu atteindre ce niveau.   Introduction générale. Introduction générale Le développement des systèmes électroniques (informatiques, multimédias, ….) a engendré ces dernières années, pour des raisons d’encombrement et de cout, une course à la miniaturisation qui s’est traduite notamment par des très grands progrès dans la taille des transistors. Les systèmes des télécommunications n’échappent pas à ce phénomène. Cela a donné naissance à ce que l’on appelle la technologie MMIC (Circuit Intégré Monolithique Micro-ondes). En particulier, en raison de l’essor de la téléphonée mobile, les composants passifs micro-ondes non réciproques, telque les circulateurs ou les isolateurs, font aussi l’objet de recherches visant leur intégration. Ces composants permettent notamment de différencier et de sélectionner les ondes reçues et émises par les systèmes de télécommunications. Ces composants fonctionnent actuellement à l’état massif grâce à un ferrite soumis à un champ magnétique statique. Ce sont en effet les propriétés intrinsèques des ferrites polarisés magnétiquement qui permettent la séparation des voies d’émission et de réception des systèmes de télécommunications. Actuellement, il est tout à fait envisageable de reproduire, sous forme intégrée le comportement hyperfréquence de tels composants micro-ondes, en exploitant les matériaux hexaferrites usinables en couches minces. L’objectif visé à travers cette thèse de Magister, consiste à étudier le comportement électromagnétique des dispositifs micro-ondes planaires à ferrite en couches minces. Ces dispositifs sont basés sur le phénomène de non réciprocité qui peut apparaître dans un ferrite aimanté. Deux types de polarisation d’un ferrite sont possibles. La polarisation longitudinale où le champ magnétique statique appliqué est parallèle à la direction de propagation et la polarisation transversale où le champ magnétique statique appliqué est transversal à la direction de propagation. Dans les deux cas de polarisation de ferrite, il peut y apparaître des effets de non réciprocité et ceci en fonction du choix de ferrite, de la fréquence de travail et du champ de polarisation. Ce mémoire se devise en quartes grandes parties. Dans le premier chapitre, nous rappelons les principales lois du magnétisme. Nous exposons ensuite les différentes classes des matériaux magnétiques et leurs principales caractéristiques. Nous présentons également la famille des ferrites susceptibles d’être utilisés dans les dispositifs micro-ondes, où nous décrivons leurs propriétés physiques et leurs applications possibles dans le domaine micro- ondes. 1  Introduction générale. Dans la deuxième partie, Nous exposons les différents phénomènes pouvant exister dans le ferrite lors de l’interaction onde-matière, à savoir le phénomène de la résonance gyromagnétique, l’effet Faraday et l’effet de déplacement du champ. Ces phénomènes peuvent être exploités pour la réalisation des fonctions hyperfréquences non réciproques. La troisième partie regroupe une présentation des différentes technologies planaires de lignes de transmission et les formulations caractérisant la propagation des ondes dans ces lignes. Nous étudions ensuite la propagation des ondes électromagnétiques dans les ferrites pour déférentes directions de propagation, en déterminant les équations traduisant la propagation. La dernière partie est consacrée aux résultats d’analyse de plusieurs configurations de lignes de transmission microrubans et coplanaires à base de ferrite en utilisant le logiciel d’éléments finis FEMLAB. L’approximation Quasi-TEM est exploitée pour étudier les structures de propagations dont le champ de polarisation est longitudinal. Pour les structures à polarisation de ferrite transversale, nous utilisons les équations développées dans le troisième chapitre. Enfin nous concluons cette étude en présentons les avantages des ferrites dans la réalisation des dispositifs micro-ondes non réciproques. 2   Rappel sur les mecanismes physiques des ferrites. I.1. Introduction : L’aimantation spontanée dans les oxydes magnétiques a été principalement observée au ème cours du 19 siècle. Ce n’est qu’à partir de 1930 environ que des recherches systématiques sur les ferrites ont été menées. Ces milieux présentent des compositions chimiques diverses, conduisant à des propriétés magnétiques variées, allant de celles des matériaux magnétiques «doux» à celles des aimants permanents. L’objectif de ce chapitre est de présenter les notions de base du ferrimagnétisme ainsi que les propriétés générales des ferrites. Nous verrons dans ce chapitre : • des rappels générales sur le magnétisme et plus particulièrement le ferrimagnétisme, • les ferrites et leurs caractéristiques principales. I.2. Etude du magnétisme [10], [8]: Un matériau magnétique est composé d’un ensemble de cristaux. Chaque cristal est une structure spatiale périodique d’ions d’éléments simples. Chacun de ces ions étant formé d’un noyau et d’un nuage d’électrons, la théorie du magnétisme doit étudier : • le magnétisme des particules élémentaires. • le magnétisme d’un ensemble organisé de particules : atome ou ion. • le magnétisme d’un ensemble régulier d’ions (cristal). • et enfin, le magnétisme d’un ensemble ordonné ou désordonné de cristaux. Cette étude est basée sur la mécanique ondulatoire et constitue une partie importante de la physique du solide. Dans cette partie, un exposé très simplifié sera fait sur le magnétisme électronique et sur le magnétisme ionique. Puis nous présenterons les différentes classes de matériaux magnétiques : dia-, para-, ferro- et ferrimagnétiques. L’importance de ces deux derniers types nous a conduit à développer davantage leurs propriétés macroscopiques. I.2.1. Les origines électroniques du magnétisme [10]: On considère, à l’intérieur d’un atome, un électron qui tourne autour du noyau (Figure I-1). 3 m · m m p fi - m p Rappel sur les mecanismes physiques des ferrites. Électron Noyau Figure-I-1 « Mouvements de l’électron » A partir de là on peut définir deux notions élémentaires qui sont : le moment orbital et le moment de spin. I.2.1.1. Le moment orbital [8]: L’électron (charge e) décrit une orbite circulaire à raison de f rotations par seconde. Il est donc équivalent à un courant qui peut s’écrire sous la forme : i = - e . f ………………………………………………………..…………….(I-1) D’après la loi d’Ampère, ce courant, circulant dans une spire confondue avec l’orbite, crée un moment magnétique : 2= r .i.n ……………………………………………………..…….(I-2) L Où : n , normale orientée à la surface de la spire et r est rayon de l’orbite. Le moment est appelé le moment orbital. Ce moment est quantifié. Il doit être un L multiple du magnéton de Bohr défini par : e h 24 2 = . = 9.274 10 A.m ……………………………………...…..….(I-3) B 2m 2 -19 -31 Où e est la charge de l’électron (-1.607 *10 C) ; m est la masse de l’électron (9.107*10 -34kg) et h : constante de Planck (6.62 *10 J.s). I.2.1.2. Le moment de spin [8]: De plus, nous savons que l’électron tourne aussi sur lui-même (spin) et présente donc un moment magnétique dit moment de spin ( ). Ce dernier est une propriété purement s quantique des électrons et n’est autre que le magnéton de Bohr défini précédemment. 4 c fi fi fi fi fi m fi fi fi fi fi fi fi m fi fi fi m m Rappel sur les mecanismes physiques des ferrites. I.1.1.3. Le moment magnétique total [10] : Enfin, le moment magnétique total de l’atome est la somme des moments orbitaux et des moments de spin de ses électrons périphériques. La norme de ce moment peut donc s’écrire de la façon suivante : = j .g. ………………………………………………………..…………………….(I-4) q B Où J est un nombre quantique et g un facteur dit facteur de landé. Pour les ferrites ce facteur q g est très légèrement supérieur à deux. En réalité, la théorie est beaucoup plus complexe que cela puisqu’elle fait intervenir les quatre nombres quantiques que sont les indices de la fonction d’onde attachée à l’électron (n, l, m et s). Mais dans ce travail, il n’est pas nécessaire d’entrer dans le détail de la mécanique quantique, les relations précédentes sont suffisantes. I.2.2. Les différentes classes de matériaux [10]: Tout d’abord, il est nécessaire de présenter les différentes relations décrivant un matériau magnétique soumis à un champ magnétique externe H . L’induction magnétique B à l’intérieur du matériau est liée au champ magnétique H , à l’aimantation M et à la densité de d’aimantation J de la façon suivante : B = (H + M ) = H + J …………………………………………..…….(I-5) 0 0 -7 -1 -1 Où μ représente la perméabilité magnétique du vide (4π10 V.s.A .m ). 0 Les grandeurs J et M représentent, en fait, la densité volumique de moments magnétiques dans la matière. De plus, par définition, un milieu magnétique placé dans un champ magnétique acquiert un vecteur aimantation M tel que : M = H ………………………………………..……………………….….(I-6) Où χ est la susceptibilité magnétique du milieu. Nous pouvons aussi exprimer la perméabilité magnétique relative du matériau à partir de cette susceptibilité : μ =1+χ …………………………………..……………………………..….(I-7) r A partir des valeurs de ce paramètre χ, il est possible de définir les grands groupes de matériaux magnétiques : -6 • diamagnétiques : χ <0, de l’ordre de -10 . -3• paramagnétiques : χ >0, très dispersé et inférieur à 10 . • ferromagnétiques : existence d’une aimantation spontanée très grande, χ est très grand et varie avec H . 5