Les circulateurs à ferrite sont des dispositifs essentiels et indispensables dans les chaînes de communication radiofréquences. Ils assurent l’aiguillage des signaux selon leur provenance, en favorisant la propagation de l’onde EM dans une direction plutôt que dans une autre. De ce fait, ils permettent de dissocier les signaux d’émission et de réception. Ils utilisent les propriétés d’anisotropie et de non-réciprocité des matériaux ferrites lorsque ces derniers sont aimantés par un champ magnétique statique. Leur mise au point s’avère assez délicate. D’un point de vue industriel, pour répondre à un cahier des charges, sont souvent obligés aujourd’hui de partir de designs existants qu’ils font évoluer « au coup par coup » grâce au savoir-faire de quelques spécialistes. Des réglages longs, fastidieux, et coûteux sont donc nécessaires et ils ne garantissent pas toujours une solution optimum. Il est en outre souvent difficile d’imaginer de nouveaux designs. Le principal but de ces travaux de thèse est de mettre au point une méthode de conception fiable permettant de prendre en compte les phénomènes physiques mis en jeu (perméabilité tensorielle, effets magnétostatiques, modélisation numérique robuste) afin d’obtenir des dispositifs opérationnels, sans réglage et aux performances optimisées. / Biased ferrite circulators have known a great technological progress, searching for fulfill the exponential growth of many new applications. Their operation is directly linked to the anisotropic characteristic of ferrite material to create non-reciprocity phenomenon. Their design remains quite complicated in view of several limitations of their high-frequency modelization. The main goal of this thesis is to establish a complete methodology which aims to take into account all the physical features related to such a device, to offer a reliable results with optimized performances and to minimize the post-tuning step which remains problematic for the industry of circulators.

This dissertation presents techniques for high-order simulation of electromagnetic fields, particularly for problems involving ships with ferromagnetic hulls and active corrosion-protection systems. A set of numerically constrained hexahedral basis functions for volume integral equation discretization is presented in a method-of-moments context. Test simulations demonstrate the accuracy achievable with these functions as well as the improvement brought about in system conditioning when compared to other basis sets. A general method for converting between a locally-corrected Nyström discretization of an integral equation and a method-of-moments discretization is presented next. Several problems involving conducting and magnetic-conducting materials are solved to verify the accuracy of the method and to illustrate both the reduction in number of unknowns and the effect of the numerically constrained bases on the conditioning of the converted matrix. Finally, a surface integral equation derived from Laplace’s equation is discretized using the locally-corrected Nyström method in order to calculate the electric fields created by impressed-current corrosion protection systems. An iterative technique is presented for handling nonlinear boundary conditions. In addition we examine different approaches for calculating the magnetic field radiated by the corrosion protection system. Numerical tests show the accuracy achievable by higher-order discretizations, validate the iterative technique presented. Various methods for magnetic field calculation are also applied to basic test cases.

This thesis discusses two different magnetic materials: epitaxial yttrium iron garnet (YIG) and heteromorphous CoFeB-SiO2 films. YIG films were grown by pulse laser deposition (PLD) techniques onto gadolinium gallium garnet (GGG) substrates of (111) and (001) crystal orientations. Using stoichiometric and overstoichiometric ablative targets, we developed two types of YIG submicron films. The films grown from overstoichiometric targets have magnetic properties slightly different from standard liquid phase epitaxy (LPE) YIGs. They also demonstrate good substrate matching and approximately 6% nonstoichiometry. In contrary, films grown from stoichiometric targets posses surprisingly high values of uniaxial anisotropy, meanwhile cubic anisotropy is reduced several times. These films also reveal strong lattice distortions and nonstoichiometry around 17%. Employing Weiss molecular field theory and single-ion anisotropy model we determined the preferential occupancy of the octahedral [a] positions in the YIG cubic lattices by Fe3+ vacancies. The vacancies were found to be preferentially oriented along the growth direction perpendicular to the film surface. We called this effect “deformation blockade”. Different magnetostatic surface wave (MSSW) filters were also demonstrated. The filters employ high uniaxial anisotropy in YIG submicron films with magnetic losses ΔH ~ 1 Oe.  Heteromorphous CoFeB-SiO2 films were deposited onto glass substrates employing carrousel magnetron sputtering. This novel technique allows amorphous films fabrication with record high in-plane anisotropy. The induced anisotropy fields here are approximately dozen times greater the values achieved using conventional growth technique when external bias field is applied during deposition process. Interesting observations were made studying CoFeB-SiO2 magnetization dynamics in the wide frequency range from 500 kHz up to 15 GHz.  Two different anomalies of the magnetic susceptibility were found at the field of in-plane anisotropy Hp and critical field Hcr (0 < Hcr < Hp). We explained the anomalies appearance by sequence of the domain walls transformations so that Néel-Bloch-Néel domain wall transition stands for the instability at H = ±Hcr and transition from the uniformly magnetized state to the domain state with Néel domain wall and vice versa is responsible for the instability at H = ±Hp. / QC 20111122

Made available in DSpace on 2014-12-17T15:14:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MarioAAM.pdf: 4836888 bytes, checksum: 433efaa92f7e444a6422049d8ebf9384 (MD5) Previous issue date: 2008-12-05 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient?fico e Tecnol?gico / We have developed a theoretical study of magnetic bilayers composed by a ferromagnetic film grown in direct contact on an antiferromagnetic one. We have investigated the interface effects in this systems due to the interfilms coupling. We describe the interface effects by a Heisenberg like coupling with an additional unidirectional anisotropy. In the first approach we assume that the magnetic layers are thick enough to be described by the bulk parameters and they are coupled through the interaction between the magnetic moments located at the interface. We use this approach to calculate the modified dynamical response of each material. We use the magnetic permeability of the layers (with corrections introduced by interface interactions) to obtain a correlation between the interface characteristics and the physical behavior of the magnetic excitations propagating in the system. In the second model, we calculated an effective susceptibility of the system considering a nearly microscopical approach. The dynamic response obtained by this approach was used to study the modifications in the spectrum of the polaritons and its consequences on the attenuated total reflection (ATR). In addition, we have calculated the oblique reflectivity. We compare our result with those obtained for the dispersion relation of the magnetostatic modes in these systems / Realizamos um estudo te?rico de bicamadas acopladas, constitu?das de um filme ferromagn?tico (F) crescido em contato direto sobre um antiferromagn?tico (AF). Investigamos os efeitos de interface nestes sistemas decorrentes do acoplamento inter-filmes. Modelamos o acoplamento atrav?s de uma intera??o tipo Heisenberg acrescida de uma anisotropia unidirecional. Em nosso estudo consideramos duas abordagens distintas: Na primeira, desenvolvemos um modelo fenomenol?gico, o qual considera que os filmes s?o espessos o bastante para serem descritos pelos seus par?metros de volume, e que est?o acoplados atrav?s da intera??o entre os momentos magn?ticos vizinhos da interface. Este modelo permitiu o c?lculo das permeabilidades magn?ticas dos filmes, modificadas pela intera??o entre estes objetos. Usamos estes resultados para estudar os modos magnetost?ticos que se propagam no sistema. O comportamento da frequ?ncia destes modos com a dire??o de propaga??o da componente do vetor de onda paralela na superf?cie, foi utilizado para investigar as modifica??es geradas pelos efeitos de interface; Na segunda abordagem, desenvolvemos o c?lculo anal?tico da suscetibilidade m?dia do sistema, utilizando um modelo quase microsc?pico. Analisamos o resultado da resposta din?mica atrav?s do c?lculo dos pol?ritons e da reflex?o total atenuada (ATR). Adicionalmente, calculamos a refletividade direta do sistema para o caso de uma radia??o incidente com dire??o arbitr?ria, a qual est? relacionada com os modos magnetost?ticos do sistema

Le principe du contrôle par flux de fuite magnétique (Magnetic Flux Leakage MFL) consiste à aimanter la pièce à contrôler par un champ magnétique et à détecter à l'aide d'un capteur magnétique les fuites des lignes du champ qui résultent de la présence d'un défaut dans la pièce. Dans le but d'améliorer les performances d'un dispositif de détection, le CEA et la société Vallourec collaborent pour développer un modèle numérique dédié au contrôle virtuel des défauts longitudinaux dans les tubes ferromagnétiques. Le dispositif expérimental comprend un circuit magnétique tournant à une vitesse constante autour du tube qui défile. Dans le cadre de cette thèse, on débute le problème de la modélisation sans tenir compte des effets de la vitesse de rotation, il s'agit donc de résoudre un problème d'électromagnétisme en régime magnétostatique.Pour résoudre ce problème, on propose de comparer une approche semi-analytique basée sur le formalisme des équations intégrales (EI) et une approche purement numérique utilisant les éléments finis (EF).Dans la première partie de cette thèse, après avoir établi le formalisme théorique par EI, un premier modèle considérant des matériaux ferromagnétiques à perméabilité magnétique constante (régime linéaire) a été mis en œuvre en 2D. Ce modèle a été appliqué pour un exemple de système extrait de la littérature et validé numériquement par une comparaison des résultats EI/EF. Pour une meilleure détection, il est opportun de saturer magnétiquement la pièce. Le matériau ferromagnétique est alors caractérisé par une courbe B(H) non-linéaire. Par conséquent, la deuxième partie de la thèse a été consacrée à la mise en œuvre du modèle en régime non linéaire qui tient compte de cette caractéristique.Différentes méthodes de discrétisation ont été étudiées afin de réduire le nombre d'inconnues et le temps de calcul. L'originalité de la thèse réside dans l'utilisation des fonctions d'interpolation d'ordre élevé (polynôme de Legendre) pour une discrétisation des équations intégrales par une approche de type Galerkin. Les premiers essais de validation numérique de ce modèle ont été effectués sur un système MFL simplifié. Des premiers essais de validation expérimentale pour des données obtenues par EF ont été effectués en deux phases : La première a consisté à vérifier le distribution du champ magnétique pour un tube sain et en régime magnétostatique. La deuxième phase a consisté à calculer la réponse d'un défaut dans le tube ferromagnétique en tenant en compte les effets éventuels de la rotation du circuit magnétique par rapport au tube. / The principle of the non destructive testing by magnetic flux leakage (MFL) is to magnetize the part to be inspected by a magnetic field and to detect a flaw thanks to magnetic leakage field lines due to the strong decreasing of the magnetic permeability in the flawed region. In order to improve the performance of detection, the CEA and the Vallourec society collaborate to develop a numerical model dedicated to the virtual NDT of longitudinal defects in ferromagnetic tubes. The experimental system includes a magnetic circuit rotating at a constant speed around the tube to be inspected. The modeling task is started without considering the effects of the rotational speed, so the magnetostatic regime is considered to solve the modeling problem. In the framework of this thesis, we propose to compare a semi-analytical approach based on the formalism of integral equations method (IEM) and a purely numerical approach using finite element method (FEM).In the first part of this thesis, the theoretical formalism was established. A first simple discretization scheme is been implemented in the linear regime considering a constant magnetic permeability. This first numerical model has been validated for a simplified MFL configuration extracted and modified from the literature.For better detection, it is wishable to magnetically saturate the piece under-test. The ferromagnetic material is then characterized by a B(H) curve. Therefore, the second part of the thesis was devoted to the implementation of the model in the non-linear regime that takes into account this non-linear characteristic. Different discretization schemes have been studied in order to reduce the number of unknowns and the computational time. The originality of the thesis lies in the use of basis function of high order (Legendre polynomials) associated to a Galerkin approach for the discretization of integral equations. The first numerical result has been validated on a simplified MFL system. The first results of the experimental validation based on simulated data obtain by FEM have been performed in two steps. The first one consists to verify the distribution of the magnetic field for a ferromagnetic tube without any defect and in the magnetostatic regime. The objective of the second one was to compute the response of the flaw and to evaluate the effects of the rotational speed of the magnetic circuit around the tube.

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Ces dernières années, la Méthode Intégrale de Volume (MIV) a reçu une attention particulière pour lamodélisation des problèmes électromagnétiques en basse fréquence. Son intérêt principal est l’absencedu maillage de la région air, ce qui rend la méthode légère et rapide. Associée aux méthodes decompression matricielle la MIV devient aujourd'hui une alternative compétitive à la méthode deséléments finis pour la modélisation de dispositifs électromagnétiques ayant un volume d'airprépondérant.Ce rapport porte sur le développement de deux formulations intégrales de volume pour la résolution deproblèmes magnétostatiques avec prise en compte des matériaux non linéaires, des aimants, desbobines, des circuits magnétiques avec ou sans entrefer et des régions minces magnétiques. Lapremière est une formulation en flux de mailles indépendantes basée sur l'interpolation par éléments defacette. La deuxième est une formulation en potentiel vecteur magnétique basée sur l'interpolation paréléments d'arête. L'application de ces formulations permet d’une part d'obtenir des résultats précismême en présence d’un faible maillage et d’autre part de résoudre aisément des problèmes nonlinéaires. Des méthodes de calcul de la force magnétique globale ainsi que du flux magnétique dansles bobines ont été également mises en oeuvre. Les développements informatiques ont été réalisés dansla plateforme MIPSE et ont été validés sur des problèmes académiques ainsi que sur quelquesdispositifs industriels. / In recent years, the Volume Integral Method (VIM) has been received particular attention formodeling of low frequency electromagnetic problems. The main advantage of this method is thatinactive regions do not to be discretized, which makes it light and rapid. Associated with matrixcompression methods, the VIM is a competitive alternative to the finite element method for modelingelectromagnetic devices containing a predominant air volume.This PhD thesis focuses on the development of two volume integral formulations for solvingmagnetostatic problems, in the presence of nonlinear materials, magnets, coils, multiply connectedmagnetic regions, and the presence of magnetic shielding. The first one is a mesh magnetic fluxformulation based on the interpolation of facet elements and the second one is a magnetic vectorpotential formulation based on the interpolation of edge elements. The application of theseformulations provides accurate results even with coarse meshes and allows solving straightforwardnonlinear magnetostatic problems. Methods for computing global magnetic force and magnetic fluxthrough a coil were also implemented as part of this work. Developments performed in the MIPSEplatform were validated on academic case-tests as well as some industrial devices.

Le véhicule électrique rassemble beaucoup d'équipements électrotechniques. Tous sont potentiellement source de champ magnétique dans l'habitacle : zone confinée où se trouvent les passagers. Il est illusoire de réaliser un modèle numérique complet tant le nombre de paramètres est important. Il est également impossible de placer des capteurs de champ partout à l'intérieur de l'habitacle. Après une étude approfondie des caractéristiques du champ magnétique mesuré dans l'habitacle, nous proposons d'allier modèle a priori et mesure de champ dans une approche Bayésienne du problème inverse. Basée sur le développement en harmonique sphérique du champ, l'apport d'information a priori oriente la solution et permet l'identification de nombreux paramètres avec très peu de mesure. / Electric vehicles have a lot of electrical devices onboard. All of them may generate electromagnetic field inside the car: a quite small space containing the passengers. A complete modeling of the vehicle can hardly be done because of the parameters number. The magnetic field measurement everywhere inside the car is also impossible. We first measure the magnetic field inside the car to study its characteristics. Then we propose to merge together a priori modeling with measurements into a Bayesian approach of the inverse problem. Based on spherical harmonic decomposition of the magnetic field, a priori information helps the resolution and gives the identified parameters with a very few measurements.

Les récentes découvertes sur les phénomènes hyperfréquences et nonlinéaires dans les structures minces ferromagnétiques actives planaires ont fait émerger un grand nombre de nouvelles études et applications pratiques prometteuses. La conversion de l'énergie magnétoélastique peut être beaucoup plus efficace à proximité de la transition de réorientation de spin (TRS). Les structures minces ferromagnétiques actives planaires fournissent un grand nombre de caractéristiques haute fréquence uniques : par exemple, les conditions pour l’effet Doppler anomal peuvent être satisfaites. Les cristaux magnoniques représentent également un domaine prometteur pour les futures investigations.Dans le présent travail nous avons établi la description théorique de la propagation des ondes hyperfréquences et non-linéaires dans les structures minces ferromagnétiques actives planaires de compositions différentes. Il a été démontré expérimentalement et théoriquement que les vibrations basse fréquence d’un cantilever peuvent être amplifiées quand la résonance ferromagnétique est excitée par un champ électromagnétique HF à proximité de la TRS. En outre, l'effet de la démodulation magnétoélastique peut être complété par un effet magnétoélectrique nonlinéaire. La possibilité de l'apparition de l'effet Doppler anomal lors de la propagation d'une onde de surface magnétostatique dans une structure ferrite-diélectrique-métal, dans une certaine plage de paramètres du système, est démontrée. La dispersion d'une onde magnétostatique de surface se propageant dans un film dont l'épaisseur varie linéairement, et possédant une structure périodique sous la forme de bandes parallèles gravées, a été calculée / Recently discovered investigations on the high frequency and nonlinear phenomena in thin active ferromagnetic planar structures showed a great number of new studies and promising practical applications. The magnetoelastic energy conversion can be much more efficient in the vicinity of spin reorientation transition (SRT). The thin active ferromagnetic planar structures provide a lot of unique high frequency features: for instance, the anomalous Doppler effect conditions can be satisfied. The magnon crystals are also an actual area for the further investigation of the domain.In the present work we derived the theoretical description for the high frequency and non-linear waves propagation in thin planar ferromagnetic structures with different compositions. It was demonstrated experimentally and theoretically that LF vibrations of the cantilever can be amplified when FMR is excited by HF electromagnetic field near SRT. Moreover the magnetoelastic demodulation effect can be supplemented with nonlinear magnetoelectric effect. The possibility of the occurrence of the anomalous Doppler effect during propagation of an MSSW in an FDM structure in a certain range of system parameters is substantiated. The dispersion of a surface magnetostatic wave propagating in a film, whose thickness varies linearly, with a periodic structure in the form of parallel etched strips was calculated. As it was clearly demonstrated these works are of great interest for the new studies and practical applications

The master thesis is focused on the simulation of the toroid coils in Ansoft Maxwell 3D software, which uses finite element method for electromagnetic field simulation. Firstly the process creation of the geometric model toroid coil with seventy-five threaded is presented. It is necessary to debug this model and prepare it for the mesh generation. Physical properties are assign to this model and it gives rise to the physical model. We will set boundaries, excitation current, core material, winding material and the parameters for the mesh generations. New material Kashke K4000 will be created in the materials library and subsequently we will define its BH curve on the basis of datasheet. Analysis is made in two modes. Direct currents (7,5A; 10A; 15A; 20A; 25A) and (non)linear materials are used in magnetostatic solution. Toroid coil is excited by current pulse in transient solution. In Ansoft Maxwell Circuit editor a source which generates current pulse will be created. This excitation will be assigned to the toroid coil as an extern source through a terminal. Core material is linear in the case of transient analysis, because Ansoft Maxwell 3D doesn´t allow to use nonlinear material in this solution. Settings are different in transient and in magnetostatic analysis. End time and time step are entered to solve this task in transient analysis. Time points are entered too. Flux density and electromagnetic field strength are calculated in these time points and later it will be possible to view the results. Calculated fields are shown as the pictures in this thesis. The procedure how to use a field calculator in the postprocessing is given as well. The achievements are summarized in the conclusion.