Modeling and design of microwave devices based on ferromagnetic nanowires
Première édition
De nombreux systèmes utilisent des convertisseurs électroniques de puissance fonctionnant en modulation de largeur d’impulsions (MLI) comme organe de réglage ou de commande. On peut en particulier citer les entraînements à vitesse variable, les alimentations à découpage ou les filtres actifs. L’objectif du travail est de contribuer à l’étude en temps discret du fonctionnement de ces systèmes lorsqu’ils sont munis d’une commande numérique dont la période d’échantillonnage est synchronisée sur la période de modulation de largeur d’impulsions. Pour cela nous avons développé une méthode originale qui consiste à écrire les équations différentielles qui décrivent la dynamique du système en remplaçant sur chaque période de modulation les fonctions binaires qui représentent les états successifs (ON ou OFF) des semi-conducteurs de puissance par un développement limité en série de Fourier. En introduisant de manière judicieuse dans les équations différentielles du système, des termes harmoniques des fonctions binaires qui décrivent les états des interrupteurs, cette manière de procéder nous a permis de décomposer l’étude en deux étapes:
• dans une première étape en limitant le développement en série de Fourier des fonctions binaires décrivant les états des interrupteurs à leur premier terme (c’est-à-dire à leurs valeurs moyennes) nous avons construit un modèle discret d’ordre zéro qui rend compte de l’effet moyen de la découpe MLI,
• dans une deuxième étape nous avons construit un modèle dynamique approché de l’écart existant entre le modèle d’ordre zéro et le modèle détaillé du système. Ce modèle fournit une bonne estimation des ondulations induites par la découpe MLI dans les grandeurs du système. Pour le cas des entraînements par moteurs synchrones à aimants permanents alimentés par onduleurs de tension nous avons ainsi pu mettre en évidence que l’étude de la stabilité des boucles des courants du moteur à partir du modèle d’ordre zéro reste valable en présence des ondulations dues à la MLI pour autant qu’on utilise une MLI symétrique avec rafraîchissement des références une fois par période.
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Spécifications
- Éditeur
- Presses universitaires de Louvain
- Partie du titre
-
Numéro 47
- Auteur
- Aimad Saib,
- Collection
- Thèses de l'École polytechnique de Louvain | n° 47
- Langue
- anglais
- Catégorie (éditeur)
- Sciences appliquées > Informatique > Réseaux et télécommunication
- Catégorie (éditeur)
- Sciences appliquées > Electricité
- Catégorie (éditeur)
- Sciences appliquées
- BISAC Subject Heading
- TEC000000 TECHNOLOGY & ENGINEERING
- Code publique Onix
- 06 Professionnel et académique
- CLIL (Version 2013-2019 )
- 3069 TECHNIQUES ET SCIENCES APPLIQUEES
- Date de première publication du titre
- 2005
- Subject Scheme Identifier Code
- Classification thématique Thema: Technologie, ingénierie et agriculture, procédés industriels
- Type d'ouvrage
- Thèse
- Langue originale
- anglais
Livre broché
- Date de publication
- 01 janvier 2004
- ISBN-13
- 978-2-93034-477-5
- Ampleur
- Nombre de pages de contenu principal : 188
- Code interne
- 70956
- Format
- 16 x 24 x 1,1 cm
- Poids
- 312 grammes
- Prix
- 16,20 €
- ONIX XML
- Version 2.1, Version 3
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Sommaire
Scientific publications iv
Introduction ix
1 FMR Theory in Magnetic Nanowires 1
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Susceptibility tensor of infinite medium . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.1 Magnetization equation of motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.2 Resonance condition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.3 Susceptibility tensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.4 Damping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.5 Resonance linewidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3 Susceptibility tensor of finite medium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.1 Shape anisotropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.2 Crystalline anisotropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4 Permeability tensor of partially magnetized materials . . . . . . . . . . 16
1.5 Permeability tensor of MNWS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.5.1 Fabrication process of the MNWS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.5.1.1 Realization of PC track-etched templates . . . . . . . . 19
1.5.1.2 Electrodeposition of nanowires . . . . . . . . . . . . . . 19
1.5.1.3 Synthesis of microwave devices . . . . . . . . . . . . . . 22
1.5.2 Isolated wires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.5.3 Dipolar interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.5.4 Magneto-crystalline anisotropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2 RF modeling and Characterisation of MNWS 33
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2 Theoretical modeling of MNWS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.1 Effective electromagnetic properties of MNWS . . . . . . . . . . 35
2.2.1.1 Magnetic properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2.1.2 Dielectric properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2.2 Variational and transmission line model . . . . . . . . . . . . . . 47
2.2.2.1 Variational formulation for propagation constant . . . 47
2.2.2.2 Transmission line model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.3 Experimental validations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.3.1 Measurement procedure and calibration methods . . . . . . . . 54
2.3.1.1 LL method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.3.1.2 OL method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.3.2 Validation of permittivity model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.3.3 MNWS permeability and permittivity extraction . . . . . . . . . 61
2.3.4 Validation of transmission line model . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3 Microwave Filters Based on a New MPBG Material 69
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.2 Magnetic photonic band-gap materials: state-of-the-art . . . . . . . . . 70
3.3 Role of impedance in PBG creation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.3.1 Topology under scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.3.2 Experimental characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.4 Description of the MPBG topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.5 Modeling planar MPBG devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.5.1 Analytical model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.5.2 Variational-chain matrix model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.5.3 Comparison between the two analytical models . . . . . . . . . 83
3.6 Experimental validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.6.1 MPBG at the remanent state . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.6.2 MPBG under static magnetic field . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.7 Filter Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.7.1 Simple expressions of filter characteristics versus MPBG parameters . . 89
3.7.2 Table synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.8 Comparison of MPBG filter with Chebyshev stopband filters . . . . . . 97
3.9 Investigation of defect modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.9.1 Defect modes in MPBG material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.9.2 Effect of the defect position . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.9.3 Effect of the defect length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.9.4 Effect of the applied static magnetic field . . . . . . . . . . . . . 107
3.10 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4 Remanent State Microwave Circulators 111
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.2 Remanent state circulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.3 Theoretical model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.3.1 Maxwell's equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.3.2 Wave equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.3.3 Simplified boundary problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.4 Resolution of wave equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.4.1 Circulation mechanism and field distribution . . . . . . . . . . . 121
4.4.1.1 Circulator disc resonances . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.4.1.2 Electric and magnetic field distributions . . . . . . . . . 123
4.4.2 Scattering matrix and matching network . . . . . . . . . . . . . . 129
4.5 Numerical and experimental validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.5.1 Numerical validation for an unmagnetized circulator . . . . . . 131
4.5.2 Green's function order . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
4.5.3 Experimental validation for a magnetized circulator . . . . . . . 134
4.6 Role of the remanent magnetization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4.6.1 influence of the magnitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4.6.2 Influence of the orientation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.7 Prospective designs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
4.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5 Conclusion 145
A Conversion from MKS to CGS system of units I
B Evaporation of metallic layers on PC membranes III
B.1 Sample preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III
B.1.1 Cleaning of samples and magnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . III
B.1.2 Cleaning of masks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV
B.1.3 Mounting the samples on the masks . . . . . . . . . . . . . . . . V
B.2 Optimization of evaporation conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI
B.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XII
C Validity of MNWS Permittivity Expression XV
D Magnetic Field Modeling inside MNWS XVII
E Green’s function expression for circulators XXI