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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Électronique E 1 404 − 1 Circuits passifs hyperfréquences Éléments non réciproques à ferrite par Paul-François COMBES Docteur en sciences Professeur à l’université Paul-Sabatier, Toulouse et Raymond CRAMPAGNE Ingénieur de l’École supérieure d’électricité (Supélec) Docteur en sciences Professeur à l’Institut national polytechnique de Toulouse (ENSEEIHT) es systèmes principalement de télécommunications et les radars sont constitués d’un assemblage important de circuits, lesquels sont eux-mêmes fabriqués à l’aide de composants actifs ou passifs. Nous ne traiterons dans cet article que des circuits et composants passifs non réciproques. En fonction de ce que nous avons dit dans les articles [E 1 401] et [E 1 402], il est clair que la majorité des circuits fonctionnant jusqu’à une vingtaine de giga- hertz pourra être en technologie coaxiale, microruban ou coplanaire. Pour des fréquences supérieures, c’est-à-dire concernant les ondes millimétriques, ce sont les guides d’ondes qui sont majoritairement utilisés. Pour des fréquences supérieures à 200 GHz, des circuits conçus à l’aide des méthodes quasi optiques sont de plus en plus utilisés. Les éléments passifs réciproques font l’objet de l’article [E 1 403]. Les circuits non réciproques occupent une place importante dans le domaine des radars et des télécommunications. Avant de décrire leur fonctionnement, nous analyserons le matériau de base, les ferrites, tant du point de vue de leur constitution physique que du point de vue théorique, en caractérisant leur aniso- tropie. Les fonctions très particulières des isolateurs, circulateurs et commuta- teurs pourront alors être clairement expliquées. Nous terminerons l’article en décrivant le fonctionnement de quelques sous- systèmes. 1. Éléments passifs non réciproques à ferrite...................................... E 1404 – 2 1.1 Ferrites.......................................................................................................... — 2 1.2 Non-réciprocité dans les ferrites ................................................................ — 2 1.3 Réalisation de la non-réciprocité en hyperfréquences............................. — 3 1.4 Atténuation et déphasage non réciproques .............................................. — 4 1.5 Éléments utilisant l’atténuation non réciproque....................................... — 4 1.6 Éléments utilisant le déphasage non réciproque...................................... — 5 1.7 Rotation de polarisation non réciproque................................................... — 6 1.8 Éléments utilisant l’effet Faraday ............................................................... — 7 2. Dispositifs pour circuits passifs.......................................................... — 8 2.1 Duplexeur radar à deux tés magiques et à tubes TR ................................ — 8 2.2 Diplexeur à coupleurs 3 dB et à cavités résonantes................................. — 9 2.3 Multiplexeur de canaux à coupleurs 3 dB ................................................. — 9 2.4 Diplexeur à circulateurs et à cavité résonante .......................................... — 10 2.5 Multiplexeur-démultiplexeur de canaux à circulateurs et à ﬁltres .......... — 10 2.6 Circulateur à quatre voies........................................................................... — 10 2.7 Diviseur de puissance variable................................................................... — 11 Bibliographie ...................................................................................................... — 12 L CIRCUITS PASSIFS HYPERFRÉQUENCES ____________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. E 1 404 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Électronique 1. Éléments passifs non réciproques à ferrite 1.1 Ferrites C’est à L. Thourel [1] que nous empruntons les phrases de déﬁnition des matériaux à ferrite. « Les ferrites sont des oxydes métalliques complexes, dérivés de la magnétite par remplacement de l’atome de fer divalent par un atome d’un autre métal. La formule de la magnétite étant : Fe++O, la formule générale d’un ferrite sera donc : M++O, « Les métaux de remplacement utilisables sont évidemment des métaux divalents tels que le manganèse, le magnésium, le nickel, le cuivre, le cobalt, le zinc et le cadmium. Cependant, les propriétés du matériau obtenu dépendent de la nature du métal de remplacement et de ses proportions. « Ainsi, quand le fer divalent est entièrement remplacé par du zinc ou du cadmium, le ferrite réalisé n’est pas magnétique ; quand il est entièrement remplacé par l’un des autres matériaux mentionnés ci- dessus, le matériau est magnétique, avec une perméabilité assez élevée, mais de fortes pertes par hystérésis. « Il est également possible d’obtenir des ferrites complexes, où les atomes de fer sont remplacés à la fois par des atomes de deux métaux divalents ; on réalise ainsi des ferrites de manganèse- magnésium, de nickel-zinc, de nickel-cobalt, etc. La formule chimi- que devient alors, dans le cas d’un ferrite de nickel-zinc, par exemple : α NiO, β ZnO, Fe2O3 avec : α + β = 1. « Tous ces ferrites cristallisent dans le même système que la spi- nelle naturelle MgAl2O4. « En 1956, Bertaut et Forat découvrirent une nouvelle structure d’oxydes ferrimagnétiques correspondant à la formule : 3 M2O3, 5 Fe2O3 où M est un métal trivalent de la série des terres rares (yttrium, gadolinium, gallium, samarium, etc.) ; le plus utilisé est l’yttrium. Ces nouveaux ferrites cristallisent dans le même système que le grenat naturel, d’où le nom de grenats qui leur est donné. Ainsi, la formule du grenat d’yttrium est : 3 Y2O3, 5 Fe2O3 désigné dans les ouvrages par l’abréviation YIG (yttrium iron gar- net). « On peut aussi fabriquer des grenats mixtes tel le grenat d’yttrium-gadolinium : 3[Y(2−a)GdaO3], 5 Fe2O3 Les caractéristiques générales électriques et magnétiques des fer- rites sont les suivantes : — une résistivité très élevée (de 106 à 1010 Ω · cm) ; — une permittivité relative en hyperfréquences de l’ordre de 10 à 12 ; — des pertes diélectriques très faibles (tanδ = 10−2 à 10−3) ; — une perméabilité relative magnétique de quelques dizaines d’unités. Ce sont, en déﬁnitive, des diélectriques qui ont un comportement ferrimagnétique. » 1.2 Non-réciprocité dans les ferrites 1.2.1 Condition de la non-réciprocité La perméabilité magnétique d’un matériau de ferrite doué de per- tes peut s’écrire : Cette formule est à rapprocher de la formule : relative à la permittivité d’un isolant présentant des pertes. est la perméabilité magnétique au sens habituel du terme ; représente les pertes. Pour l’étude de la propagation d’une onde dans un tel milieu, affectera le paramètre de phase β, alors que affectera le paramè- tre de pertes α. Or, il se trouve que lorsqu’une onde, dont le champ magnétique est polarisé circulairement, se propage dans un matériau de ferrite soumis à un champ magnétique continu perpendiculaire au plan de polarisation, les valeurs de et dépendent du sens de propaga- tion de cette onde. Cela est dû à des phénomènes de résonance gyromagnétique affectant les électrons du matériau. L ’étude détaillée de ces phénomènes serait trop longue et d’ailleurs inutile pour la compréhension de ce qui suit. Nous renvoyons le lecteur désireux de plus de détails aux ouvrages spécialisés [1]. Pour une propagation vers les z > 0 ou vers les z < 0, nous aurons : ou Donc, d’après ce qui a été dit précédemment, le déphasage et les pertes dus à la propagation (liés respectivement à et ) seront différents selon le sens de propagation. En fait, il faut prendre en considération les sens respectifs de : — la direction de propagation ; — la rotation de polarisation par rapport à cette direction ; — la direction du champ magnétique continu. Nous restons dans un cas où µ = µ+ en changeant le sens de deux de ces paramètres. Au contraire, on passe dans le cas où µ = µ− en ne changeant le sens que de l’un de ces paramètres. Le raisonnement est le même à partir de µ = µ−. 1.2.2 Étude de la perméabilité magnétique La ﬁgure 1 donne les variations des quatre coefﬁcients , , et en fonction du champ magnétique continu appliqué au matériau de ferrite, pour une fréquence HF déterminée. L ’examen de cette ﬁgure appelle quelques remarques. I Alors que garde une valeur à peu près constante, a la forme d’une courbe de résonance. G La valeur maximale de (à laquelle correspondent des pertes maximales) est atteinte pour une valeur Hr du champ magnétique continu appliqué qui est liée à la fréquence f de l’onde à polarisation circulaire par la relation déﬁnissant la résonance gyromagnétique du ferrite : f = 35 186 Hr (Hr exprimé en A/m) Fe2 +++O3 Fe2 +++O3 µ µ′ jµ″ – = ε ε′ jε″ – = µ′ µ″ µ′ µ″ µ′ µ″ µ+ µ+ jµ+ ″ – = ′ µ– µ– jµ– ″ – = ′ µ′ µ″ µ+ ′ µ– ′ µ+ ″ µ– ″ µ– ″ µ+ ″ µ+ ″ ____________________________________________________________________________________________________ CIRCUITS PASSIFS HYPERFRÉQUENCES Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Électronique E 1 404 − 3 ou f = 2,8 × 106 Hr (Hr exprimé en œrsteds) G Par analogie avec la largeur de bande d’une courbe de réso- nance, il est possible de déﬁnir la largeur de ligne ∆H du ferrite comme la différence des champs correspondant aux valeurs de égales à la moitié de sa valeur maximale. I Alors que garde une valeur à peu près constante, a la forme d’une courbe de réponse d’un discriminateur : après avoir atteint un maximum dans les valeurs négatives, passe très rapi- dement par un maximum dans les valeurs positives et décroît ensuite. Cette brusque variation a lieu aux alentours de la valeur Hr correspondant à la résonance gyromagnétique. Pour cette réso- nance, les valeurs uploads/Ingenierie_Lourd/ circuits-passifs-hyperfrequences-4 1 .pdf