HYPERFRÉQUENCES

Comportement en hyperfréquences

On fait agir, sur un morceau de ferrite plongé dans un champ magnétique continu H₀, un champ magnétique U.H.F. h perpendiculaire à H₀ ; on peut définir pour l'échantillon un moment magnétique M et un moment cinétique P par unité de volume. M = γP, où γ est le rapport gyromagnétique.

h étant tout d'abord nul, supposons que M soit légèrement déplacé de sa position d'équilibre parallèle à M₀.

Le champ H₀ crée un couple égal à M ∧ M₀, qui tend à aligner de nouveau M sur H₀.

L'équation du moment cinétique s'écrit :

La solution de cette équation est une rotation de l'extrémité du vecteur M autour de l'axe Oz qui porte H₀. Cette rotation se fait dans le sens direct avec une pulsation angulaire ω₀ = γH₀ à laquelle correspond la fréquence de résonance gyromagnétique :

En fait, le mouvement s'amortit rapidement et on a coutume de compléter l'équation du moment par un terme d'amortissement phénoménologique dit de Landau-Lifchitz. Lorsqu'on fait intervenir un champ magnétique total : H_t = H₀ + h, l'équation complète s'écrit :

La résolution de cette équation conduit à trouver la relation entre M et H_t, ou encore la variation de la susceptibilité ou perméabilité magnétique complexe du milieu ferri-magnétique en fonction du champ appliqué H₀ et de la fréquence de l'onde U.H.F.

Zones d'utilisation sur le diagramme des susceptibilités effectives

À une fréquence donnée, les courbes de susceptibilités ont en général une forme analogue à celle de la figure.

On y distingue essentiellement quatre régions correspondant à des utilisations différentes.

La zone 1 est dite « des pertes au champ faible » : le champ appliqué H₀ n'est pas suffisant pour saturer tout le matériau, les domaines magnétiques ne sont pas tous parallèles. En fait, les matériaux ferrites ont un seuil de fréquence au-dessus duquel les pertes disparaissent. Dans ce cas, la zone 1 est la zone de travail des dispositifs déphaseurs variables en fonction du champ magnétique.

La zone 2, caractérisée par des pertes faibles (χ″₊ et χ″_- très faibles) et par une très grande différence des susceptibilités propres (χ′₊≠ χ′_-), est la zone par excellence d'utilisation des circulateurs.

La zone 3 correspond à la résonance gyromagnétique. L'énergie U.H.F. absorbée χ₊ est maximale lorsque la polarisation du champ U.H.F. h est positive, alors que les pertes sont pratiquement nulles (χ″_- ∼ 0) lorsque la polarisation de h est négative. C'est la zone d'utilisation des isolateurs dits à la résonance.

La zone 4 est en général très peu utilisée, car elle correspond à des champs appliqués H₀ trop élevés. Toutefois, à basse fréquence (bande L par exemple), lorsque la zone de résonance 3 se recoupe avec la zone de pertes de champs faibles 1, on utilise la zone 4 pour réaliser des circulateurs dits « au-delà de la résonance ».

La théorie énoncée aux paragraphes précédents n'est valable que lorsque le champ h est de faible valeur. Au-dessus d'un certain seuil de puissance, des phénomènes très gênants apparaissent : écrasement de la courbe de résonance, pertes subsidiaires importantes dans la zone 2. La théorie complexe de ces phénomènes non linéaires de puissance fait intervenir la notion de création et de propagation des « ondes de spin » ; elle est l'œuvre de E. Schlomann (1959).

Principales applications des ferrites en hyperfréquences