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Descriptif
Méthode de mesure large bande des éléments du tenseur de perméabilité
et de la permittivité scalaire e des matériaux ferrimagnétiques ou ferromagnétiques sous forme massive ou composite, dans un état quelconque d'aimantation.
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Principe
Une méthode de mesure large bande et non itérative de µ, K et e a été mise en oeuvre au LEST [1], [2]. Celle-ci est basée sur une cellule de mesure non réciproque en ligne de transmission de type biplaque (Fig. 1). La cellule élaborée est reliée à un analyseur de réseaux vectoriel pour mesurer ses paramètres de répartition (paramètres S). Elle peut-être placée entre les pôles d'un électroaimant afin d'aimanter l'échantillon rectangulaire à tester. Pour une bonne sensibilité de la mesure, ce dernier est placé entre le ruban conducteur et le plan de masse, région de la cellule où l'énergie électromagnétique est principalement concentrée. Pour faire apparaître des effets non réciproques (S21 différent de S12), le phénomène de déplacement de champs électromagnétiques dans le dispositif de test est mis à profit. A cet effet, un échantillon diélectrique de faible permittivité relative e1 est placé d'un côté du milieu magnétique alors que, de l'autre côté, un échantillon diélectrique de permittivité relative e2 élevée est utilisé.
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Dépouillement des mesures
L'analyse théorique associée à la cellule de mesure est fondée sur une approche quasi-statique. Les coefficients diagonal et extra-diagonal µ, K du tenseur de perméabilité du matériau magnétique ainsi que sa permittivité relative e sont reliés, de manière purement analytique, aux paramètres S mesurés, aux dimensions de l'échantillon à caractériser, aux permittivités relatives e1 et e2 des échantillons diélectriques employés, à la demi-largeur du ruban conducteur ainsi qu'à la pulsation angulaire w du signal propagé. Les éléments µ, K et e sont obtenus simultanément et en une seule phase expérimentale.
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Fig. 2 Mesures en fonction de la fréquence de l'élément diagonal du tenseur de perméabilité pour différentes valeurs du champ magnétique statique. Propriétés du ferrite testé : 4PMs = 1.2 kG, DH = 40 Oe.
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Fig. 3 Mesures en fonction de la fréquence de l'élément extra -diagonal du tenseur de perméabilité pour différentes valeurs du champ magnétique statique. Propriétés du ferrite testé : 4PMs = 1.2 kG, DH = 40 Oe.
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Résultats
- Gamme de fréquences exploitée : 130 MHz - environ 6 GHz (utilisation de l'analyseur de réseaux vectoriel HP 8720A).
- Matériaux testés : matériaux ferrimagnétiques massifs et composites ferromagnétiques, à pertes moyennes à fortes (tan d>10-3).
- Matériel supplémentaire : électroaimant et alimentation associée pour aimanter l'échantillon.
- Procédure d'étalonnage de l'analyseur de réseaux : SOLT avec cellule de mesure insérée lors de la phase de correction en transmission (Thru).
- Dimensions des échantillons testés :
- Longueur = maximum 10 mm.
- Largeur = maximun 8 mm.
- Epaisseur = 1.8 mm (épaisseur fixe).
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Commentaires
La méthode de mesure développée permet la détermination simultanée des éléments diagonal µ et extra-diagonal K du tenseur de perméabilité des matériaux magnétiques aimantés, de forme rectangulaire, sur une large bande de fréquences et, ceci, quelque soit l'état d'aimantation du matériau à caractériser. La détermination de la permittivité relative de l'échantillon testé est également possible. Par rapport aux techniques de mesures existantes, notre méthode présente plusieurs avantages. Outre la largeur de la gamme de fréquences exploitée, sa principale originalité provient de l'analyticité des expressions de µ et K obtenues qui autorise une facilité d'implantation, de mise en oeuvre et d'exécution du programme informatique associé à la technique de mesure. Ce dernier a, en effet, une taille de 661 Ko et peut donc être enregistré sur une simple disquette. En outre, les temps de calculs de µ', µ", K' ,K" , e' et e" sont inférieurs à 14 s (valeur moyenne pour dix mesures) en utilisant un ordinateur personnel actuel. Un autre avantage réside en la simplicité du processus expérimental mis en oeuvre . Par ailleurs, cette méthode permet d'étudier le comportement du matériau magnétique dans des conditions proches de celles rencontrées dans les dispositifs micro-ondes (mesures « in situ »). L'influence des effets de forme (effets démagnétisants dynamiques et/ou statiques) sur la détermination des composantes du tenseur de perméabilité est, notamment, prise en compte [3].
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1 P. Quéffélec, S. Mallégol, and M. Le Floc'h, "Automatic measurement of complex tensorial permeability of magnetized materials in a wide microwave frequency range," IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 50, no. 9, pp. 2128-2134, 2002.
2 P. Quéffélec, S. Mallégol, "Dispositif de mesure large bandes des éléments du tenseur de perméabilité des matériaux ferrimagnétiques dans un état quelconque d'aimantation", Brevet d'invention n° 01 04204, mars 2001.
3 S. Mallégol, P. Quéffélec, M. Le Floc'h, and P. Gelin, "Theoretical and Experimental Determination of the Permeability Tensor Components of Magnetized Ferrites at Microwave Frequencies", IEEE Transactions on Magnetics, à paraître courant 2003.
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