EP0092137A1 - Résistances en constantes reparties pour charges à forte dissipation en hyperfréquence - Google Patents

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EP0092137A1
EP0092137A1 EP83103511A EP83103511A EP0092137A1 EP 0092137 A1 EP0092137 A1 EP 0092137A1 EP 83103511 A EP83103511 A EP 83103511A EP 83103511 A EP83103511 A EP 83103511A EP 0092137 A1 EP0092137 A1 EP 0092137A1
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circle
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Cables de Lyon SA
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/24—Terminating devices
    • H01P1/26—Dissipative terminations
    • H01P1/268—Strip line terminations
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/22—Attenuating devices
    • H01P1/227—Strip line attenuators

Definitions

  • the present invention relates to distributed constant resistors for loads with high microwave dissipation that can be used in the manufacture of attenuators or adapted loads operating in a frequency band extending up to 10 Gigahertz.
  • the surface resistance is proportional to the surface of the resistive layer.
  • the resistive layer used can be of the 1610 series from the Dupont de Nemours Company, the characteristics of which vary from 10 ohm to one megohm for a sample of 5 mm in length, 2.5 mm in width and 25 micrometers in thickness (before passage in the oven).
  • the characteristic impedance of the attenuation circuit is proportional to the logarithm of the ratio of the thickness h of the dielectric to the width W of the strip and inversely proportional to the square root of the dielectric constant f.
  • the resistance R 1 has been in the form of a rectangle and its resistivity low.
  • the 2R 2 resistors in the form of rectangles also have a very high resistivity in the case of reduced attenuations.
  • On the upper side are arranged two connections mass (two metal strips) which join the edges of the substrate the conductive metal layer disposed on the underside.
  • the characteristic impedance is constant as well as the linear attenuation coefficient since the surface resistance R1 is constant as well as the surface resistance R 2 .
  • the linear attenuation coefficient is thus constant from the input to the output of the attenuator. It follows that the power dissipated in each of the equal sections obtained by equidistant divisions of the length between the input E and the output S of the attenuator decreases from the input to the output.
  • the resistors according to the present invention overcome this drawback. These in fact dissipate the power in the form of heat uniformly on the outer surfaces of the layers, which allows greater dissipation of calorific power with dimensions equivalent to that of the prior art.
  • the subject of the invention is resistors in distributed constants for high microwave dissipation charges which comprise on one face of an insulating substrate a resistive layer forming a series resistance of low surface resistance and at least one layer resistive forming a parallel resistance of high surface resistance, (in the case of reduced attenuation), the parallel resistance being in contact with a conductive metallized zone in contact by the edge of the substrate with a plate of conductive mass covering the other face of said substrate, characterized in that the series resistive layer is in the form of a sector of a circle whose external arc serves to receive the input power and of which at least one radius is juxtaposed with at least one parallel resistance also shaped like a circle sector.
  • said series resistive layer has an increasing elementary linear resistance and said parallel resistive layer has a decreasing elementary linear resistance, the linear attenuation coefficient being progressively variable and increasing from the input so that the power dissipated is distributed uniformly over all of the resistive layers.
  • said resistors constitute an attenuator whose output produced in metallized contact is in contact with an internal arc of said series resistance near the center of the sector of the circle and opposite to the metallized input contact. in contact with said outer arc.
  • said resistors constitute a suitable charge
  • the center of the sectors of a series resistance circle and parallel resistors is physically arranged on said substrate, the input of said charge being a metallized contact in contact with the external arc.
  • FIG. 4 represents a pellet 1 formed from an insulating substrate made of aluminum oxide (A1 2 0 3 ) or beryllium oxide (BeO), for example coated on the upper face in plan view, with a resistive layer 3 in the form of circle sector.
  • the resistive layer according to a known technique, consists of a ruthenium oxide, an organic binder and glass particles in greater or lesser number depending on the resistivity which it is desired to obtain.
  • the resistivity of layer 3 must be low, for example 10 ohm for a sample of 5 mm in length, 2.5 mm in width and 25 micrometers in thickness.
  • the layer 3 forms the equivalent of the series resistance R 1 with the difference, however, that it is formed of distributed elements and that it believes from the input E to the output S of the attenuator (FIG. 5).
  • R "R ' 1 , R" 1 , R "' 1 being the elementary series resistances of the four successive sections (for example) obtained by equal division of the radius of the circle. Indeed an elementary resistance is proportional to the constant length of the resistive conductor (according to the radial arrow) and inversely proportional to the width of the resistive layer 3 which is gradually decreasing as we get closer to the outlet S.
  • the internal angle ⁇ of the sector of circle 3 can be approximately 0.5 radians.
  • the resistive layers 4 and / or 5 deposited for example by screen printing are in the form of sectors of a circle juxtaposed by the radii of a circle with the layer 3 and constitute an equivalent parallel resistance R 2 of high resistivity for example, 1 kiloohm for a sample of 5 mm long 2.5 mm wide and 25 micrometers thick (before going to the oven).
  • R 2 equivalent parallel resistance
  • FIG. 5 we see that the elementary resistances R 2 , R ' 2 , R " 2 , R"" 2 of successive equidistant slices between the input E and the output S of the attenuator are progressively decreasing values such as
  • the elementary resistance is proportional to its length (direction of the tangential arrow) which is progressively decreasing (from E to S) and inversely proportional to its width which is constant by assumption.
  • the internal angle / 3 of all three circle sectors 3, 4 and 5 can be approximately 2.5 radians.
  • the attenuator of FIG. 4 also comprises input contacts E and output S electrically connected to the resistive layer 3.
  • the ground returns 6 and 7, the contacts E and S and the metal plate of the opposite face of the substrate are made of a metal such as gold or an alloy of silver and palladium.
  • the attenuation coefficient k proportional to the ratio of R 1 to R 2 is gradually increasing from the input E to the output S because of the inequalities (2) and (3).
  • the iterative impedance generally remains constant as a result of the constancy of the product R 1 R 2 .
  • the output power obtained can be the result of an attenuation of around thirty decibels compared to the input power.
  • the characteristic impedance can be adapted to 50 ohms.
  • the applications are in the field of attenuators and adapted loads in the frequency bands between 1 and 10 GHz

Landscapes

  • Non-Reversible Transmitting Devices (AREA)
  • Non-Adjustable Resistors (AREA)
  • Attenuators (AREA)

Abstract

Les résistances en couches résistives série R1 et parallèle R2 en forme de secteurs de cercle (3, 4, 5) sont telles que le coefficient d'atténuation R1/R2 est progressivement croissant à partir de l'entrée (E) de façon à créer une dissipation uniforme. Applications: Atténuateurs et charges en hyperfréquence.

Description

  • La présente invention concerne des résistances à constantes réparties pour charges à forte dissipation en hyperfréquence pouvant être utilisées dans la confection d'atténuateurs ou de charges adaptées fonctionnant dans une bande de fréquences s'étendant jusqu'à 10 Gigahertz.
  • Le schéma électrique équivalent de charges résistives réalisées selon l'art antérieur en éléments localisés à résistances R1 en série et résistances R2 en parallèle peut être représenté selon la configuration dissymétrique de la figure 1 ou la configuration symétrique de la figure 2. Dans les deux cas l'impédance itérative de chacune des cellules est égale à √R1R2 et l'atténuation est proportionnelle à R1 et inversement proportionnelle à R2. Aux hyperfréquences, on sait utiliser la technique des microbandes pour réaliser des résistances à constantes réparties. Pour réaliser cette technique, il est connu (figure 3) de disposer une bande d'une certaine largeur W formant une couche résistive sur une face d'un substrat diélectrique, l'autre face étant recouverte en totalité d'une couche métallique conductrice, les deux faces étant séparées d'une épaisseur h de diélectrique de constante diélectrique ε. Dans cette réalisation la résistance de surface est proportionnelle à la surface de la couche résistive. La couche résistive utilisée peut être de la série 1610 de la Compagnie Dupont de Nemours dont les caractéristiques varient de 10 ohm à un mégohm pour un échantillon de 5 mm de longueur, 2,5 mm de largeur et 25 micromètres d'épaisseur (avant passage au four). L'impédance caractéristique du circuit d'atténuation est proportionnelle au logarithme du rapport de l'épaisseur h du diélectrique à la largeur W de la bande et inversement proportionnelle à la racine carrée de la constante diélectrique f . Ainsi entre l'entrée E de l'atténuateur et la sortie S de cet atténuateur on dispose une résistance en constantes réparties R1 en série et deux résistances en constantes réparties 2R 2 en parallèle disposées de part et d'autre de la résistance Ri. Jusqu'à présent, la résistance R1 était en forme de rectangle et sa résistivité faible. Les résistances 2R2 en forme de rectangles également ont une résistivité très importante dans le cas d'atténuations réduites. Sur la face supérieure sont disposées deux connexions de masse (deux bandes métalliques) lesquelles rejoignent par les bords du substrat la couche métallique conductrice disposée sur la face inférieure.
  • Il découle de la configuration de l'art antérieur représenté en figure 3 que l'impédance caractéristique est constante ainsi que le coefficient d'atténuation linéique puisque la résistance de surface R1 est constante de même que la résistance de surface R2. Le coefficient d'atténuation linéique est ainsi constant de l'entrée à la sortie de l'atténuateur. Il en résulte que la puissance dissipée dans chacune des tranches égales obtenues par des divisions équidistantes de la longueur entre l'entrée E et la sortie S de l'atténuateur décroît de l'entrée vers la sortie. La puissance dissipée par unité de surface le long d'un atténuateur classique, maximum à l'entrée et minimum en sortie, décroît d'une façon continue par suite de la constance du coefficient d'atténuation k des tranches successives 1 à n selon la formule donnant la puissance dissipée Pd dans la nieme tranche
    Figure imgb0001
    en fonction de la puissance Po d'entrée.
  • L'inconvénient des techniques antérieures réside dans le fait qu'il y a création de points chauds surtout à l'entrée de l'atténuateur et comme la limite en puissance d'une résistance est la limite en puissance de la tranche la plus défavorable il en résulte que les atténuateurs classiques ne permettent pas d'utiliser au mieux la surface du substrat pour augmenter ses capacités de dissipation.
  • Les résistances selon la présente invention remédient à cet inconvénient. Celles-ci en effet dissipent la puissance sous forme de chaleur uniformément sur les surfaces extérieures des couches ce qui autorise une plus grande dissipation de puissance calorifique à encombrement équivalent de celui de l'art antérieur.
  • L'invention a pour objet des résistances en constantes réparties pour charges à forte dissipation en hyperfréquence qui comportent sur une face d'un substrat isolant une couche résistive formant une résistance série de faible résistance de surface et au moins une couche résistive formant une résistance parallèle de résistance de surface élevée, (dans le cas d'une atténuation réduite), la résistance parallèle étant en contact avec une zone métallisée conductrice en contact par le bord du substrat avec une plaque de masse conductrice recouvrant l'autre face dudit substrat, caractérisées par le fait que la couche résistive série est en forme d'un secteur de cercle dont l'arc extérieur sert à recevoir la puissance d'entrée et dont au moins un rayon est juxtaposé à au moins une résistance parallèle également en forme de secteur de cercle.
  • Selon une particularité d'une mise en oeuvre préférée de l'invention ladite couche résistive série présente une résistance linéique élémentaire croissante et ladite couche résistive parallèle présente une résistance linéique élémentaire décroissante, le coefficient d'atténuation linéique étant progressivement variable et croissant à partir de l'entrée de telle sorte que la puissance dissipée soit répartie d'une façon uniforme sur l'ensemble des couches résistives.
  • Dans une application avantageuse de l'invention lesdites résistances constituent un atténuateur dont la sortie réalisée en contact métallisé est en contact avec un arc intérieur de ladite résistance série à proximité du centre du secteur de cercle et à l'opposé du contact métallisé d'entrée en contact avec ledit arc extérieur.
  • Dans une variante lesdites résistances constituent une charge adaptée dont le centre des secteurs de cercle de résistance série et résistances parallèle est disposé matériellement sur ledit substrat, l'entrée de ladite charge étant un contact métallisé en contact avec l'arc extérieur.
  • En se référant aux figures schématiques 1 à 6 ci-jointes il sera décrit ci-après un exemple de mise en oeuvre de la présente invention, exemple donné à titre purement illustratif et nullement limitatif.
    • La figure 1 représente un schéma électrique selon l'art antérieur de résistances itératives disposées en cellules dissymétriques.
    • La figure 2 représente un schéma électrique selon l'art antérieur de résistances itératives disposées en cellules symétriques.
    • La figure 3 représente une vue schématique en perspective d'un atténuateur selon l'art antérieur réalisé avec des couches résistives en constantes réparties à coefficient d'atténuation constant.
    • La figure 4 représente une vue en plan schématique d'un atténuateur réalisé selon l'invention avec des couches résistives à constantes réparties à coefficient d'atténuation croissant.
    • La figure 5 représente un schéma électrique de l'atténuateur de la figure 4.
    • La figure 6 représente une vue en plan schématique d'une charge adaptée réalisée selon l'invention avec des couches résistives à constantes réparties à coefficient d'atténuation croissant.
  • La figure 4 représente une pastille 1 formée d'un substrat isolant en oxyde d'aluminium (A1203) ou oxyde de béryllium (BeO) par exemple revêtue sur la face supérieure vue en plan, d'une couche résistive 3 en forme de secteur de cercle. La couche résistive, selon une technique connue, est constituée d'un oxyde de ruthénium, d'un liant organique et de particules de verre en plus ou moins grand nombre selon la résistivité que l'on veut obtenir. La résistivité de la couche 3 doit être faible, par exemple de 10 ohm pour un échantillon de 5 mm de longueur, 2,5 mm de largeur et 25 micromètres d'épaisseur. La couche 3 forme l'équivalent de la résistance série R1 avec la différence toutefois qu'elle est formée d'éléments répartis et qu'elle croit de l'entrée E vers la sortie S de l'atténuateur (figure 5). Nous avons
    Figure imgb0002
    R" R'1, R"1, R"'1 étant les résistances série élémentaires des quatre tranches (par exemple) successives obtenues par division égale du rayon de cercle. En effet une résistance élémentaire est proportionnelle à la longueur constante du conducteur résistant (selon la flèche radiale) et inversement proportionnelle à la largeur de la couche résistive 3 qui est progressivement décroissante au fur et à mesure que l'on se rapproche de la sortie S.
  • L'angle interne α du secteur de cercle 3 peut être de 0,5 radian environ.
  • De part et d'autre du secteur de cercle 3 sont disposées une couche résistive 4 unique et/ou une couche résistive 5 (schémas équivalents figure 1 ou figure 2). Les couches résistives 4 et/ou 5 déposées par exemple par sérigraphie sont en forme de secteurs de cercle juxtaposés par les rayons de cercle à la couche 3 et constituent une résistance parallèle équivalente R2 de forte résistivité par exemple, 1 kiloohm pour un échantillon de 5 mm de longueur 2,5 mm de largeur et 25 micromètres d'épaisseur (avant passage au four). En considération de la géométrie de ces couches, visible schématiquement sur la figure 5, on voit que les résistances élémentaires R2, R'2, R"2, R'"2 des tranches successives équidistantes entre l'entrée E et la sortie S de l'atténuateur sont de valeurs progressivement décroissantes telles que
    Figure imgb0003
  • En effet la résistance élémentaire est proportionnelle à sa longueur (sens de la flèche tangentielle) laquelle est progressivement décroissante (de E vers S) et inversement proportionnelle à sa largeur qui est constante par hypothèse. L'angle interne /3 de l'ensemble des trois secteurs de cercle 3, 4 et 5 peut être de 2,5 radians environ.
  • Sur le restant du substrat 1 en regard des couches 4 et 5 sont déposées des couches métallisées conductrices 6 et 7 servant de retour de masse et réunies par les rebords (non représentés) du substrat 1 à la plaque métallique disposée sur la face opposée du substrat 1. L'atténuateur de la figure 4 comporte également des contacts d'entrée E et de sortie S reliés électriquement à la couche résistive 3. Les retours de masse 6 et 7, les contacts E et S et la plaque métallique de la face opposée du substrat sont réalisés en un métal tel que l'or ou un alliage d'argent et de palladium.
  • Le coefficient d'atténuation k proportionnel au rapport de R1 à R2 est progressivement croissant de l'entrée E vers la sortie S à cause des inégalités (2) et (3). De plus, l'impédance itérative reste en général constante par suite de la constance du produit R1R2.
  • Comme la puissance dissipée Pd n de la nieme tranche élémentaire est égale à
    Figure imgb0004
    et que les coefficients k1..kn-1 sont inférieurs au coefficient kn-1 de la figure 3 (relation (1» il s'ensuit que la puissance dissipée de la nième cellule de l'atténuateur selon l'invention est supérieure à la puissance dissipée dans la nième cellule de l'atténuateur selon l'art antérieur.
  • Il est possible ainsi de déterminer des puissances calorifiques dissipées d'une façon uniforme sur toute la surface des couches résistives.
  • La puissance de sortie obtenue peut être le résultat d'une atténuation d'une trentaine de décibels par rapport à la puissance d'entrée. L'impédance caractéristique peut être adaptée à 50 ohms.
  • Sur la figure 6 on voit une charge adaptée 11 du même principe et de la même réalisation que l'atténuateur 1 avec des couches résistives série 31 et parallèle 41 et/ou 51, des masses métallisées 61 et 71 et une entrée E servant à recevoir la puissance en micro ondes en vue de l'adaptation sur une charge de 50 ohms par exemple. Comme la sortie S n'est pas nécessaire, le centre matériel des secteurs de cercle 31, 41, 51 se trouve dans les limites de la pastille 21. La charge 11 permet de dissiper jusqu'à 600 watts pour une surface de 2,5 x 2,5 cm.
  • Les applications sont du domaine des atténuateurs et des charges adaptées dans les bandes de fréquences comprises entre 1 et 10 GHz

Claims (7)

1/ Résistances en constantes réparties pour charges à forte dissipation en hyperfréquence qui comportent sur une face d'un substrat isolant (2) une couche résistive (3) formant une résistance série R1 de faible résistance de surface et au moins une couche résistive (4, 5) formant une résistance parallèle R 2 de résistance de surface élevée (dans le cas d'une atténuation réduite), la résistance parallèle R2 étant en contact avec une zone métallisée (5, 6) conductrice en contact par le bord du substrat (2) avec une plaque de masse conductrice recouvrant l'autre face dudit substrat (2), caractérisées par le fait que la couche résistive (3) série est en forme d'un secteur de cercle dont l'arc extérieur sert à recevoir la puissance d'entrée (E) et dont au moins un rayon est juxtaposé à au moins une résistance parallèle (4, 5) également en forme de secteur de cercle.
2/ Résistances selon la revendication 1, caractérisées par le fait qu'à partir de l'entrée (E) de la puissance en hyperfréquences ladite couche résistive série (3) présente une résistance linéique élémentaire croissante et ladite couche résistive parallèle (4, 5) présente une résistance linéique élémentaire décroissante, le coefficient d'atténuation élémentaire étant progressivement variable et croissant à partir de l'entrée de telle sorte que la puissance dissipée soit répartie d'une façon uniforme sur l'ensemble des couches résistives (3, 4, 5).
3/ Résistances selon la revendication 1, caractérisées par le fait qu'elles constituent un atténuateur (figure 4) dont la sortie (S) réalisée en contact métallisé est en contact avec un arc intérieur de ladite couche résistive série (3) à proximité du centre géométrique du secteur de cercle et à l'opposé du contact métallisé d'entrée (E) en contact avec ledit arc extérieur.
4/ Résistances selon la revendication 1, caractérisées en ce qu'elles constituent une charge adaptée (figure 6) dont le centre desdits secteurs de cercle de couches résistives série (31) et parallèle (41, 51) est disposé matériellement sur ledit substrat (21), l'entrée (E) de ladite charge étant un contact métallisé en contact avec ledit arc extérieur.
5/ Résistances selon la revendication 1, caractérisées par le fait que lesdits contacts métallisés (6, 7, 61, 71, E, S) sont réalisés en or ou en un alliage d'argent et de palladium.
6/ Résistances selon la revendication 1, caractérisées par le fait que ledit substrat est réalisé en oxyde d'aluminium ou en oxyde de béryllium. 7/ Résistances selon la revendication 1, caractérisées par le fait que ledit secteur de cercle de couche résistive série (3, 31) constitue un angle interne de 0,5 radian environ.
8/ Résistances selon la revendication 1, caractérisées par le fait que l'ensemble desdits secteurs de cercle des couches résistives série et parallèle (3, 4, 5 - 31, 41, 51) constitue un angle interne de 2,5 radians environ.
EP83103511A 1982-04-16 1983-04-12 Résistances en constantes reparties pour charges à forte dissipation en hyperfréquence Expired EP0092137B1 (fr)

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