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RÉSUMÉ
L’article traite des propriétés des ondes radioélectriques propagées dans des milieux magnétiques anisotropes apparentés aux ferrites.
L’analyse met particulièrement en évidence le rôle important joué par les ondes configurées sous la polarisation circulaire. L’assimilation aux ondes planes permettra de dissocier des phénomènes de propagation non réciproque, liés à la résonance gyromagnétique du milieu ainsi qu’à l’existence d’une perméabilité négative, des phénomènes de déplacement de champ.
Pour conclure des exemples de quadripôles non réciproques mettant en œuvre une ligne de transmission, un guide d’ondes et une ligne micro ruban seront proposés.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Bernard DÉMOULIN : Professeur émérite – Université de Lille, Faculté des Sciences et Technologies, Groupe TELICE de l’IEMN, CNRS, UMR 8520 (France)
-
Patrick QUEFFÉLEC : Professeur des universités – Université de Brest, Lab STICC, CNRS, UMR 6285 (France)
INTRODUCTION
L’étude des ondes radioélectriques dans les milieux magnétiques anisotropes fait appel à plusieurs thématiques scientifiques parmi lesquelles figurent :
-
les propriétés microscopiques de la matière ;
-
les phénomènes de propagation ;
-
les technologies de composants électroniques micro-ondes.
L’article visant un objectif principalement didactique, le texte sera surtout axé sur la propagation. Néanmoins, les autres domaines seront évoqués sans toutefois fournir les explications détaillées que le lecteur retrouvera dans les références citées en fin de texte sous la rubrique « en savoir plus ».
L’article est subdivisé en deux sections aux contenus bien distincts.
La première section, principalement consacrée aux propriétés de l’onde plane animée d’oscillations entretenues, s’efforcera en tout premier lieu de rappeler quelques bases théoriques importantes.
C’est dans cet esprit que seront présentés les concepts de polarisation rectiligne des champs et de vecteur nombre d’onde associé à la représentation complexe des signaux sinusoïdaux.
Le descriptif aborde ensuite la question des champs à polarisation circulaire. Les développements pourront paraître longs, ils semblaient toutefois utiles pour éviter certaines confusions liées à l’usage simultané des représentations vectorielles et du traitement algébrique de quantités complexes.
Après une brève synthèse sur les processus d’aimantation des ferrites, le texte abordera les propriétés anisotropes de ce matériau exposé aux effets conjugués d’un champ magnétique statique de grande amplitude et d’un champ dynamique porté par une onde radioélectrique de faible amplitude.
Ces propriétés seront concrétisées dans le concept de tenseur perméabilité et par l’équation d’onde matricielle mise en place pour l’étude de l’onde plane.
La résolution de l’équation d’onde va montrer qu’il existe des liens très forts entre les champs animés d’une polarisation circulaire et la propagation non réciproque gouvernée par la pulsation gyromagnétique du milieu. Des simulations numériques et l’analogie avec les effets Faraday et Cotton Mouton observés en optique mettront en exergue ces phénomènes physiques très instructifs pour les applications ultérieures.
La deuxième section sera principalement orientée vers la réalisation de quadripôles non réciproques. On fera ici référence aux propriétés des lignes de transmissions ou des guides d’ondes.
Le concept de memductance permettra d’aménager la théorie des lignes pour y introduire des phénomènes de propagation non réciproque agissant indépendamment sur l’onde progressive et sur l’onde rétrograde.
L’analyse débouchera sur le descriptif de quelques procédés combinant les propriétés des ondes quasi TEM et TE couplées à une lame de ferrite immergée dans les structures guidées.
Pour conclure l’article, on procédera à la description d’un isolateur à déplacement de champ composé d’une ligne à micro-ruban.
Enfin, un glossaire offre au lecteur un résumé des principaux termes scientifiques employés dans cet article.
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MOTS-CLÉS
propagation Guides d'ondes Polarisation ondes radioélectriques milieux magnétiques anisotropes matrice chaîne déplacement de champ quadripôle
VERSIONS
- Version archivée 1 de août 2007 par Philippe GELIN
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3. Conclusion
L’article ayant surtout un but didactique destiné à expliquer les phénomènes de propagation d’ondes radioélectriques rencontrés dans les milieux magnétiques anisotropes, cet objectif prive la conclusion de perspectives ouvertes sur les applications industrielles.
Compte tenu de ce contexte, il est apparu plus rationnel de privilégier un effort de synthèse dans lequel ont été mises en valeur certaines propriétés physiques communes aux quadripôles non réciproques contenant un ferrite polarisé sous un champ magnétique statique. En effet, il a été montré dans le déroulement de l’article que l’anisotropie des ferrites est surtout tributaire du coefficient ±jκ occupant dans le tenseur de Polder les positions extradiagonales.
D’autre part, la réalisation de quadripôles non réciproques a également mis en évidence qu’aux propriétés naturelles du ferrite caractérisées par l’absorption gyromagnétique doivent s’ajouter des artifices créant certaines dissymétries des structures adoptées pour guider les ondes.
Ainsi, il a été montré que sur un quadripôle constitué d’un tronçon de ligne de type « strip line », la propagation non-réciproque ne peut être convenablement exploitée qu’en adoptant une lame de ferrite complétée par la contribution de parois diélectriques offrant un important contraste de permittivités.
Dans la même problématique, la propagation du mode fondamental TE01 excité dans un guide d’onde de section rectangulaire ne peut être rendue non-réciproque qu’à condition d’immerger symétriquement deux lames de ferrites localisées sur les zones procurant des champs sous polarisation circulaire.
Sous cette configuration, il est toutefois observé que la propagation non-réciproque ne se manifeste qu’à condition d’inverser la polarisation magnétique des lames disposées symétriquement de part et d’autre de l’axe du guide.
Quant à l’obtention de la propagation non-réciproque exploitée sur une ligne micro-ruban composée d’un substrat en ferrite, il a été montré que cette fonction ne peut apparaître qu’en présence d’un phénomène de déplacement de champ et par l’adjonction dissymétrique d’une paroi diélectrique et d’une paroi absorbante.
Nous pensons que cet article apportera au lecteur...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - DÉMOULIN (B.), BESNIER (P.) - Les chambres réverbérantes en électromagnétisme. - Éditions Hermès Lavoisier, Handbook available in English with ISTE, Willey publisher (2010) (2011).
-
(2) - POPESCU (G.) - Propagation in anisotropic media. - University of Illinois at Urbana Champaign, Beckman institute, http://ligth.ece.uiuc.edu.
-
(3) - SABRI (G.N.) - Nonreciprocal propagation in ferrite medium and their applications – microwave circulator. - International Journal of Computer Sciences and Electronic Engineering, Volume 1, Issue 2, pp 182-187 (2013).
-
(4) - GELIN (P.), BERTHOU-PICHAVANT (K.) - New consistent model for ferrite permeability tensor with arbitrary magnetization state. - IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 45, N° 8, pp 1185-1192 (1997).
-
(5) - FEURY (P.), MATHIEU (J.P.) - Physique Générale et Expérimentale, traité « Lumière ». - Éditions Eyrolles,...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Ondes radioélectriques dans les milieux absorbants – Effets induits dans un corps cylindrique.
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Matériaux composites en électromagnétisme – Notions fondamentales.
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Caractérisation électromagnétique des matériaux anisotropes ou hétérogènes.
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Ondes radioélectriques dans les milieux absorbants – Constante de propagation complexe.
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Propagation des ondes radioélectriques des réseaux terrestre.
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