EP0605046B1 - Dispositif hyperfréquences comprenant au moins une transition entre une ligne de transmission intégrée sur un substrat et un guide d'onde - Google Patents
Dispositif hyperfréquences comprenant au moins une transition entre une ligne de transmission intégrée sur un substrat et un guide d'onde Download PDFInfo
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- H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
- H01P5/08—Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices
- H01P5/10—Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices for coupling balanced with unbalanced lines or devices
- H01P5/107—Hollow-waveguide/strip-line transitions
Definitions
- the invention relates to a microwave device comprising at least one transition between a line of transmission integrated on a substrate, arranged in a said first microwave cavity, and a waveguide formed of this second microwave cavity, this transition comprising an open end of the integrated line forming probe inserted into the guide cavity, at a distance of one short circuit closing the end of the guide, this transition further comprising an impedance adapter system.
- the invention finds its application in microwave devices which include on the one hand integrated circuits and secondly waveguides, which must be connected to each other.
- the invention finds therefore its application in the field of antennas television, and in the field of radars for automobiles, among others.
- This publication describes a transition between a microwave line of the microstrip type, disposed in a first microwave cavity, and a waveguide formed of a second microwave cavity.
- This transition includes an open end of the integrated line which is introduced into the waveguide, perpendicular to its axis of propagation, through an opening made in a wall of the waveguide. In this way, the electric field propagation plans E of the probe and the guide coincide.
- This transition further comprises an impedance adapter system applied to the integrated line which consists of a narrowing over a certain length of the microstrip at the surface of the substrate. This length is intended to form a quarter-wave adapter so as to tune the input impedance of the probe to 50 ⁇ .
- the end of the short-circuit waveguide is located at a distance L from the microstrip conductor and the probe-forming end of the latter enters the guide to a depth D.
- the known device can be broadband in the K frequency band (18-26 GHz).
- planar integrated operating at very high frequencies between 40 GHz and 100 GHz.
- These integrated circuits include general of planar transmission lines, for example from type called microstrip, and are connected to each other, or connected to antenna elements, by means of waveguides.
- planar integrated circuits operating at these frequencies so high, require appropriate boxes able to preserve their performance. They require plus devices capable of transitioning between their input / output pads and the waveguides of connection.
- the boxes they must have very high microwave qualities, which are specific to the working frequency of the circuits. Focus must be put particularly on the perfection of the contacts of mass, and on that of the microwave links between the I / O pads for integrated circuits and components external, connections which must be carried out by means of wires conductors, for example in gold, very short and very thin, subject to the various studs by means of micro-welds, performed for example by thermocompression. The focus should be also put on the mechanical resistance and the tightness of boxes which must preserve the integrated circuits of dust and corrosion liable to deteriorate their electrical qualities; indeed, many circuits microwave frequencies used in telecommunications are positioned on antenna mounts or on vehicles and undergo therefore bad weather.
- the devices carrying out a waveguide / transmission line transition they must be both compatible with standard waveguides, and with the integrated circuit microwave inputs / outputs. In in addition, these devices must have all the qualities mechanical and electrical defined above for enclosures. In particular, these devices must be waterproof and not not cause leaks between the guides wave and integrated circuits. Electrical connections between this kind of transition device and a circuit integrated given must meet more defined conditions high relative to perfection of microwave contacts and ground contacts.
- transitional arrangements must show good adaptation, in a wide band of frequencies, and at frequencies as high as 40 GHz at 100 GHz.
- the known device of waveguide / transmission line transition does not allow to obtain the non-rupture of the seal which is required for the microstrip line.
- the latter is carried out on a substrate by an integrated circuit technique.
- the cavity which receives must therefore, for the reasons explained above, be waterproof against the waveguide.
- the planar substrate which supports the probe end inserted in the guide wave does not close the guide cavity, since the dimension transverse of the substrate is less than the magnitude "a" of the straight section of the guide.
- the substrate used to achieve the known device is made of a flexible material (Duroid) which has several special features.
- this flexible substrate is used for two reasons: the first reason is that the transverse dimensions of the substrate are necessarily, for reasons of adaptation, very small, and that only a flexible substrate can support such small dimensions: the second reason is that flexible substrates have a low permeability of the order of 2, while the hard substrates, such as alumina, have good permeability higher, of the order of 8 to 10, much further from the air permeability (1). It turns out that this flexible substrate is a disadvantage for making electrical connections microwave using very fine gold wires because of its flexibility, the technology of fixing the wires by thermocompression cannot be used.
- the large dimension "a" of the guide is 3.8 mm.
- the substrate that is introduced into the guide is much less wide: its width is approximately half of "a” or 1.9 mm.
- the distance between the two waveguides in the double assembly transition, also described in the cited publication, is 18 mm.
- the dimensions of the substrate are so finally 1.9 mm x 18 mm. These dimensions make the very fragile substrate. This is why, in the known assembly, the substrate cannot be made of a material other than flexible.
- An object of the invention is therefore to avoid these disadvantages, and in particular to provide a device for transition between a guide and a transmission line, capable to house an integrated circuit with the required performance for a box: able to allow a connection between the line of transmission and the microwave pad of the case which is easy to carry out industrially, and reliable; and who ensures tightness of both the transmission line and the circuit integrated and the connection between these two elements.
- the defined device in the preamble and further characterized in that, first, the substrate is made of a permeability material of the order of 8 to 10, and in this that, next, the impedance adapter system includes apart from a restriction of the dimension of said first cavity microwave perpendicular to the direction of propagation, over a length parallel to the direction of propagation in the integrated line, and also includes a restriction on dimensions of the cross section of the waveguide in the region between the plane of the probe and the short-circuit plane.
- this device is characterized in that in the region of the probe, this substrate covers the entire cross section of the waveguide, to produce the sealing of the line cavity.
- FIG.1C shows in section a waveguide / transmission line transition device.
- the waveguide itself is constituted by the hollow metallic piece 100 which has a rectangular cross section: the short side of dimension b1 is in the plane of FIG.1C, and the long side of dimension a1 is perpendicular in the plan of FIG.1C.
- the electric field E symbolized by an arrow, is parallel to the short side b1 and propagates in the rectangular cavity 102a.
- the transition includes a blade-shaped part said base, or lower blade 1, metallic, attached by fixing means, not shown, for example screws, of a part to guide 100, and secondly to support 2 of substrate 23 of the transmission line.
- the lower blade 1 has a opening 12a in the extension of opening 102a of the guide wave; and the metal support 2 has an opening 22a in the extension of the opening 12a in the lower part.
- the transition includes a shaped part metal blade 3 called upper intermediate which is positioned and fixed above the support 2, the substrate 23 being itself disposed in its support with the conductor 24 of the transmission line on its upper face.
- This blade upper intermediate 3 includes an opening 32a in the extension of the openings 102a, 12a, 22a of the underlying parts.
- the transition adapter system includes a narrowing of the waveguide dimensions in the section located between the transmission line and the short circuit plane.
- the opening 22a of the support blade 2, and the opening 32a of the upper intermediate blade 3 are rectangular, with the short side of the dimension rectangle b2 ⁇ b1 and parallel to b1 and the short side of the opening 102a of the guide: and with the long side of the dimension rectangle a2 ⁇ a1, and parallel to a1 the long side of the opening 102a of the guide.
- the transition between the guide itself 102a, from dimensions a1 x b1, and the narrowed upper part formed by openings 22a, 32a, of dimensions a2 x b2 is made by the opening 12a of the lower blade 1, this opening 12a having a funnel shape, with a smaller dimension of opening equal to a1 x b1 of the guide, and a dimension upper opening equal to a2 x b2 of the upper part shrinking.
- the narrowed parts 22a, 32a undersized guide parts we will call hereafter the narrowed parts 22a, 32a undersized guide parts.
- FIG. 1A and 1B represent the substrate 23 seen from face.
- the transmission line is made using so-called technology microstrip which comprises a substrate 23, a line conductor formed of the microstrip 24 deposited on the upper face of the substrate 23 and a ground plane formed on the opposite face.
- the waveguide / transmission line transition is done by introducing the end 25a of the conductor 24, of a length l in the cavity of the guide formed by the openings 102a, 12a, 22a, 32a. In this cavity, the maximum power is transmitted between the guide and the line, because the short circuit 42a is arranged at a distance D from the end 25a of the probe line. This distance D is created by the thickness of the upper intermediate piece 3.
- the dotted line shows the projection of the cavity 32a, 33a and 41 made in the blade intermediate 3 for the microwave line formed from the substrate 23 and conductor 24.
- the narrowed cavity 32a is rectangular or nearly rectangular so that produce the desired adaptation
- the cavity 31 of the line has a narrowing 33a over a certain length L parallel to the line conductor 24.
- the dimension L on which is practiced the narrowing, and the dimension of the narrowing itself in part 33a is not critical.
- the substrate 23 is arranged in a groove 26 practiced in the support 2, to its dimensions. As shown on FIG. 1A and 1B, this substrate is rectangular, and its width is roughly equal to the large dimension a1 of the waveguide himself.
- the dotted line shows the projection of the cavities 22a and 32a of dimensions a2 x b2 and the projection of cavity 102a from the guide dimension a1 x b1.
- the substrate 23 for making the line of microstrip transmission is chosen from a hard material, by example of quartz or alumina or a ceramic.
- a hard material by example of quartz or alumina or a ceramic.
- the permissiveness of hard materials for microwave substrates is in the range of 8 to 10, i.e. much larger than that of flexible materials which is around 2: the air permissiveness being 1.
- the substrate hard 23 is chosen of appropriate dimensions to close the cavity 102a, 12a, 22a of the waveguide in the upper part of opening 22a. This is possible because the dimensions of this substrate are greater than those of this opening.
- this problem is solved by practicing the narrowing of the upper part of the guide materialized by parts 22a, 32a. At the same time, this solution allows obtain a frequency band widened towards the frequencies high.
- this new means of adaptation makes it possible to obtain a better adaptation of the order of 22 dB at 70 GHz instead of the known 15 dB, the possibility of working up to frequencies of the order of 100 GHz, and further better sealing the transition.
- the person skilled in the art will choose to carry out with the parts 22a, 32a, an undersized guide which allows to reject the appearance of modes higher than frequencies very high, much higher than the frequencies at which currently wish to work in the field of telecommunications: for example higher than 110 GHz.
- an undersized guide structure 22a, 32a having a fair cutoff frequency higher than the frequency at which he wishes to work, then it will adjust the distance D from the short circuit plane to optimize the coupling between probe 25a at the end of the microstrip line, and the waveguide.
- FIG. 2 represent in plan view the different parts of the transition as shown in section in FIG. 1C.
- the elements represented in FIGS. 2A to 2A also allow for a double transition, that is to say a transition per transmission line of the type microstrip between two waveguides having cavities respectively 102a, 102b of dimensions a1 x a2.
- the different parts 1, 2, 3, 4 are metal blades or metallic.
- FIG.2D represents the lower blade 1 of the device, or base, which shows the trace of two openings in shape of truncated pyramids 12a, 12b respectively corresponding to the funnel-shaped transition between the waveguide cavities having the dimensions a1 x b1, and those of undersized guides in the region included between probe ends 25a, 25b and short circuits 42a, 42b.
- FIG. 2C represents the support plate 2 of the substrate 23.
- This support blade has a groove 26 of just dimensions higher than those of the substrate, rectangular, with enlargements 21 on the long sides of the substrate, the small ones sides of the substrate being substantially equal to the large dimension a1 of the guides, and the large dimension of the substrate being suitable for receiving a connection line between two waveguides, that is to say at least 18 mm; the substrate is intended to be glued in the bottom 27 of the groove 26, which must therefore have a depth at least equal or substantially equal to the thickness of the substrate.
- the back side of the substrate is applied by gluing in the bottom 27 of the groove 26 and the excess glue comes out through the enlargements 21.
- the substrate 23 may have a ground plane on its rear face, in the part in contact with the bottom of the groove, or we use the bottom of this groove as ground plane, the glue being chosen to be conductive.
- a ground plane on its rear face, in the part in contact with the bottom of the groove, or we use the bottom of this groove as ground plane, the glue being chosen to be conductive.
- transmission line called coplanar, where the ground plane is made on the same face of the substrate as the Line driver.
- FIG. 2B represents the intermediate blade upper 3 with cutouts 32a, 32b to form the guides narrowed (or undersized) narrowing 33a, 33b forming the microwave cavities of the line of transmission, and the cavity 31 to receive an integrated circuit to connect with the transmission line.
- the trace of the substrate 23 is shown in dotted lines in this FIG. 2B. Thickness of this blade 3 is D.
- FIG. 2A represents the upper blade 4 called cover that closes the microwave cavity of the line and constitutes the short-circuit plans 42a, 42b.
- This blade upper 4 is also thick enough to present a recess 41 suitable for containing the integrated circuit at connect to the transmission line.
- the different blades 1, 2, 3, 4 and the waveguides 100 are subject to each other for example by screws, after mounting of the substrate 23 and connections with the integrated circuit (which is also not shown), which is positioned in cavity 41.
Description
- qui permette de raccorder un guide d'onde à un circuit intégré d'une manière étanche,
- qui permette de réaliser industriellement des connexions hyperfréquences avec un circuit intégré avec la perfection requise,
- qui présente une adaptation facile à réaliser industriellement, aux hyperfréquences envisagées.
- les moyens d'adaptation qui sont appliqués à la fois à la cavité du guide et à la cavité de la ligne permettent d'utiliser un substrat de dimension transversale environ double de celui de l'état de la technique, d'où il résulte que ce substrat peut être dur ;
- le substrat de permitivité élevée pourra être un matériau dur qui permet d'effectuer des soudures par thermocompression sur le conducteur de la ligne et donc d'obtenir de bons contacts hyperfréquences ;
- le substrat étant à la fois dur et plus large que le substrat connu est apte à s'étendre transversalement sur toute la section droite du guide pour la fermer et ainsi rendre étanche la cavité de la ligne, cette fermeture étant d'autant plus facile que la cavité du guide à des dimensions restreintes dans cette région.
- la cavité de la ligne étant étanche peut recevoir un circuit intégré ;
- ce circuit intégré aura une liaison hyperfréquences de très bonne qualité avec la ligne, du fait du substrat dur ;
- le système d'adaptation de ce dispositif de transition est meilleur que l'adaptateur connu ;
- la bande de fréquence de fonctionnement de ce dispositif de transition peut aussi être notablement étendue.
- la FIG.1A représente le substrat avec le conducteur de la ligne de transmission, et en pointillé la projection de la partie de cavité hyperfréquences, côté conducteur de la ligne, vu du dessus ;
- la FIG.1B représente le substrat avec le conducteur de la ligne de transmission, et en pointillé la projection de la cavité du guide d'onde, côté face du substrat opposée à celle qui reçoit le conducteur vu du dessus ;
- la FIG.1C représente en coupe le dispositif de transition entre un guide d'onde et une ligne de transmission du type microruban selon les FIG.1A et 1B ;
- la FIG.2A représente en vue plane, la lame métallique supérieure avec le court-circuit du guide et le logement pour un circuit intégré ;
- la FIG.2B représente en vue plane, une lame métallique intermédiaire entre le substrat côté conducteur de la ligne, et la lame métallique supérieure, cette lame intermédiaire ayant les découpes pour les systèmes adaptateurs et la découpe pour le logement d'un circuit intégré ;
- la FIG.2C représente en vue plane, une lame métallique qui support directement le substrat côté plan de masse ;
- la FIG.2D représente en vue plane une lame métallique dite inférieure avec un entonnoir entre la partie adaptateur du guide d'onde et le guide d'onde lui-même ;
- l'adaptation peut être obtenue avec un substrat dur de grande dimension a1, à peu près double de ce qui était connu de l'état de la technique, donc suffisamment grande pour que ce substrat soit réalisable industriellement ;
- ce substrat dur a alors les dimensions nécessaires à la fermeture du guide, c'est-à-dire à la création d'une étanchéité pour la ligne ;
- l'adaptation est obtenue par la réalisation d'un étrécissement de la partie supérieure du guide, facile à réaliser, et favorable à l'étanchéité ; l'autre rétrécissement 33a n'étant pas critique du fait qu'il ne sert qu'à permettre à la cavité 32a d'être rectangulaire ;
- l'utilisation du substrat dur permet non seulement l'étanchéité de la cavité de ligne, mais encore de pouvoir réaliser de bons contacts par thermo-compression, sur le conducteur de ligne ;
- enfin la partie 41 de la partie supérieure 1, qui se trouve dans la zone étanche de la cavité 31 de ligne, peut recevoir sans encombre un circuit intégré bien protégé. La partie 41 est un agrandissement vers le haut de la cavité hyperfréquences 31 de la ligne.
50 à 90 GHz.
Ces dimensions sont données pour une transition double, du type représenté sur les FIG.2 :
a1 = 3,8 mm b1 = 1,9 mm
a2 = 3,1 mm b2 = 1,5 mm
L = 4 mm
ℓ = (b2/2) + (b2/10)
D = 1,8 à 2,4 mm pour une fréquence 55 GHZ.
Matériau du substrat = Alumine (Al2O3)
Permitivité du matériau alumine ε = 9,6
Epaisseur du substrat alumine = 0,127 mm
Largeur du conducteur microruban = 0,127 mm
Longueur totale du substrat = 18 mm
Largeur totale du substrat = 4 mm
Dimension transversale de la restriction de la cavité de ligne (33a,33b) = 1 mm
Pertes par désaptation pour les 2 transitions et les 18 mm de ligne : 20 à 25 dB (meilleures que l'état de la technique qui obtient 15 dB)
Pertes d'insertion ≃ 2,3 dB équivalent à l'état de la technique.
Claims (11)
- Dispositif hyperfréquences comprenant au moins une transition entre une ligne de transmission (24) intégrée sur un substrat (23), disposée dans unedite première cavité hyperfréquences (31), et un guide d'onde (100) formé d'unedite deuxième cavité hyperfréquences (102a, 102b), cette transition comprenant une extrémité ouverte (25a, 25b) de la ligne intégrée formant sonde introduite dans la cavité du guide, a une distance d'un court-circuit (42a, 42b) fermant l'extrémité du guide, cette transition comprenant en outre un système adaptateur d'impédance, caractérisé en ce que d'abord le substrat (23) est en un matériau de permitivité de l'ordre de 8 à 10, et en ce que, ensuite, le système adaptateur d'impédance comprend d'une part une restriction (33a, 33b) de la dimension de ladite première cavité hyperfréquences (31) perpendiculaire à la direction de propagation, sur une longueur parallèle à la direction de propagation dans la ligne intégrée (24), et comprend d'autre part une restriction des dimensions de la section droite du guide d'onde dans la région (22a, 32a : 22b, 32b) entre la sonde (25a, 25b) et le plan du court-circuit (32a, 42b), formant dans cette région une partie de guide dite sous-dimensionnée.
- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans la région de la sonde, le substrat (23) recouvre toute la section droite du guide d'onde, pour produire l'étanchéité de la ligne.
- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la ligne intégrée (24) est du type microruban formée par un conducteur hyperfréquences en forme de ruban réalisé sur une face du substrat dur (23), dont l'autre face porte un plan de masse disposé en contact avec une paroi (27) de ladite première cavité (31) hyperfréquence, ou formé par ladite paroi (27).
- Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la cavité (31) de la ligne de transmission (23, 24) comprend un logement (41) étanche pour un circuit intégré à raccorder avec cette ligne.
- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est composé de plusieurs partie 1,2,3,4 métalliques ou métallisées en forme de lames, ayant des évidements pour former des cavités pour le(s) guide(s) et une cavité pour la ligne hyperfréquences, ces lames (1, 2, 3, 4) étant superposées avec leurs parties creuses en regard, et leurs parois raccordées pour former la continuité des cavités hyperfréquences.
- Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que, lesdites lames métalliques ou métallisées, réalisent une première partie dite inférieure (1, 2) qui reçoit le substrat (23) de la ligne intégrée dans une rainure (26) dont le fond (27) est en contact avec ou forme le plan de masse de la ligne, qui a une cavité (22a, 22b) de guide sous-dimensionné disposée dans le prolongement d'un guide d'onde (102a, 102b), et qui a une transition (12a, 12b) de guide pour passer des dimensions du guide d'onde aux dimensions du guide sous-dimensionné (22a,22b), les dimensions du substrat (28) dans la région de la sonde étant prévues pour couvrir la totalité de la section droite du guide sous-dimensionné (22a,22b) de manière à obturer la cavité (31) de la ligne vis-à-vis du guide d'onde, et en ce que, lesdites lames métalliques ou métallisées réalisent une seconde partie dite supérieure (3, 4) pur fermer hermétiquement la cavité de ligne (31), qui comporte une cavité (32a, 32b) de guide sous-dimensionné disposée dans le prolongement du guide sous-dimensionné de la partie inférieure (1, 2), fermée par un plan (42a, 42b) formant le court-circuit du guide d'onde, qui comporte une cavité (31) pour la ligne de transmission, et qui comporte une restriction (33a, 33b) de cette cavité, pour former, avec le guide sous-dimensionné (22a,32a ; 22b, 32b) l'adaptateur d'impédance.
- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que, la seconde partie dite supérieure est elle-même formée de deux lames (3 et 4), une dite lame intermédiaire supérieure (3) métallique ou métallisée, incluant une partie creuse (31) pour former la cavité de la ligne, débouchant de part et d'autre de la lame (3), cette cavité (31) étant munie de la restriction (33a, 33b) et cette lame (3) incluant la cavité de guide sous-dimensionnée (32a, 32b) prévue entre la sonde et le court-circuit du guide, pour réaliser l'adaptateur d'impédance, et une lame dite couvercle (4) pour fermer ladite première cavité hyperfréquence (31), et pour constituer un (des) plan(s) de courts-circuit (42a, 42b) pour le(s) guide(s) d'onde.
- Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la lame dite couvercle (4) a une cavité (41) dans la région qui ne coïncide pas avec la restriction (33a, 33b) pour recevoir des dispositif hyperfréquences annexes.
- Dispositif selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que la lame intermédiaire supérieure (3) définit par son épaisseur (D) la distance entre la sonde (25a, 25b) et les plans de courts-circuits respectifs (42a, 42b) des guides d'onde.
- Dispositif selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que la première partie dite inférieure est formée elle-même de deux lames (1 et 2), une lame dite base (1) ayant une ouverture (12a, 12b) en forme d'entonnoir pour former la transition entre guide d'onde (102a, 102b) et guide sous-dimensionné (22a, 22b), et une lame dite support (2) pour être disposée entre la base (1) et la lame intermédiaire supérieure (3), munie d'une partie de guide sous-dimensionnée (22a, 22b), et ayant une rainure (26) pour recevoir le substrat (23) s'étendant à travers l'ouverture (22a, 22b) sous-dimensionnée, le substrat (23) étant muni du conducteur microruban (24) sur sa face opposée à la face en contact avec le fond (27) plan de la rainure (26).
- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend deux transitions disposées chacune à une des extrémités de la ligne de transmission intégrée, avec un adaptateur d'impédance associé à chacune de ces transitions, en ce qu'un circuit intégré est monté dans une cavité (41) et connecté à la ligne de transmission, et en ce que les guides d'onde (102a, 102b), les parties de guides sous-dimensionnées (22a, 32a ; 22b, 32b) et les transitions entre guides et guides sous-dimensionnés (12a, 12b) ont des sections droites rectangulaires.
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