Contribution à l’étude et à la réalisation d’un circulateur hyperfréquence à couche magnétique dans la bande 40-50 GHz

Contribution to the design and the manufacture of a microwave circulator based on magnetic films, operating in the 40-50 GHz frequency band

• Auteur / Autrice : Evangéline Benevent
• Direction : Didier Vincent
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Saint-Etienne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Baryum -- Composés

Circuits pour microondes

Ferrites (matériaux magnétiques)

Résumé

Les composants passifs non réciproques tels que les circulateurs exploitent les propriétés magnétiques des ferrites. Ils peuvent avoir des dimensions importantes qui résultent d’éléments ferrites massifs et d’aimants permanents de polarisation magnétique. L’obtention d’une orientation cristalline préférentielle de couches minces de matériaux magnétiques durs comme l’hexaferrite de baryum permettrait d’envisager le développement de circulateurs planaires auto-polarisés et miniaturisés. L’objectif de ce projet concerne la conception et la réalisation d’un circulateur miniaturisé à couche mince magnétique fonctionnant à des fréquences innovantes dans la bande 40-50 GHz. Le procédé de fabrication collective mis en œuvre doit autoriser le transfert technologique du laboratoire vers le milieu industriel. Un état de l’art a permis d’opter pour une topologie coplanaire car celle-ci présente les avantages de réduire le nombre d’étapes technologiques à mettre en œuvre lors de la fabrication du circulateur (donc de réduire les coûts de fabrication) et de faciliter l’interconnexion avec d’autres composants hyperfréquences. La pulvérisation cathodique radiofréquence a été retenue comme méthode d’élaboration des couches minces d’hexaferrite de baryum. Celles-ci ont une épaisseur de 10 µm et présentent des propriétés physico-chimiques satisfaisantes. Le dimensionnement et le calcul des paramètres S du circulateur sont basés sur les résultats théoriques obtenus à partir d’une structure triplaque. Ces résultats sont ensuite transposés à la structure coplanaire. L’étude analytique est complétée par des modélisations numériques effectuées en utilisant le logiciel Ansoft HFSS. Des études paramétriques permettent de définir les nombreux paramètres géométriques d’un circulateur coplanaire et d’optimiser les performances du composant. Plusieurs séries de prototypes sont fabriquées puis caractérisées à partir d’un banc de mesure hyperfréquence composé d’un testeur sous pointes et d’un analyseur vectoriel de réseau. Les premiers résultats expérimentaux révèlent des pertes d’insertion anormalement élevées. La validation expérimentale du fonctionnement des circulateurs coplanaires à couche mince magnétique ne sera possible que lorsqu’une charge adaptée sera ajoutée au niveau troisième port du circulateur, le dispositif expérimental n’autorisant pour l’instant que la mesure des paramètres S entre 2 ports. L’optimisation des performances du composant sera possible grâce à l’amélioration du modèle comportemental analytique de l’hexaferrite de baryum et l’obtention d’une orientation cristalline préférentielle, l’augmentation de l’épaisseur des conducteurs, la réalisation d’une charge adaptée et/ou l’utilisation d’un design triangulaire.

The passive components such as circulators use the ferrites’ magnetic properties. As they use bulk ferrites and permanent magnets, they can be of large sizes. If a preferential crystalline orientation of hard magnetic thin film (like barium hexagonal ferrite thin film) were obtained, the development of self-polarized and miniaturized planar circulators could be possible. The goal of this project is to design and to manufacture a miniaturized circulator with magnetic thin film operating at innovative frequencies in the 40-50 GHz frequency band. The mass-manufacturing process must enable the technological transfer from the DIOM laboratory to the industry. A state of art led to choose a coplanar configuration. Indeed, this configuration presents the advantage of reducing the number of technological steps for the circulator’s manufacture – and consequently the production costs – as well as to facilitate the interconnection with some other microwave components. This is the RF sputtering deposition that was adopted to manufacture the barium hexagonal ferrite thin films : these are 10 µm thick and have good physico-chemical properties. The design and S parameters calculation are based in the theoretical results obtained from a stripline structure. Then these results are transposed to the coplanar one. The analytical study is completed by numerical studies made with the software Ansoft HFSS. Parametric studies enable to define the many geometric parameters of a coplanar circulator and to optimize the component’s performances. Some series of prototypes are manufactured and, afterwards, characterized by the means of a probe tester and a vector network analyser. The first experimental results show that the insertion losses are too high. The experimental validation of the functioning of magnetic thin film coplanar circulator could not be possible without the addition of a matched termination on the third port of the circulator. For the moment, the S parameters measurement is only possible between 2 ports. The optimization of the component’s performances will be possible thanks to the improvement of the barium hexagonal ferrite analytical modelling and by getting the preferential crystalline orientation, the increase in conductor’s thickness, the manufacture of a matched termination and/or the use of a triangular configuration