EP0616490B1 - Dispositif électronique miniaturisé, notamment dispositif à effet gyromagnétique - Google Patents

Dispositif électronique miniaturisé, notamment dispositif à effet gyromagnétique Download PDF

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EP0616490B1
EP0616490B1 EP94400422A EP94400422A EP0616490B1 EP 0616490 B1 EP0616490 B1 EP 0616490B1 EP 94400422 A EP94400422 A EP 94400422A EP 94400422 A EP94400422 A EP 94400422A EP 0616490 B1 EP0616490 B1 EP 0616490B1
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EP
European Patent Office
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electronic device
dielectric
circulator
access
dielectric layer
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Expired - Lifetime
Application number
EP94400422A
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German (de)
English (en)
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EP0616490A1 (fr
Inventor
Gérard Ernest Emile Forterre
Patrick Desmarest
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tekelec Airtronic
Original Assignee
Tekelec Airtronic
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Filing date
Publication date
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Publication of EP0616490A1 publication Critical patent/EP0616490A1/fr
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Publication of EP0616490B1 publication Critical patent/EP0616490B1/fr
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/32—Non-reciprocal transmission devices
    • H01P1/38—Circulators
    • H01P1/383—Junction circulators, e.g. Y-circulators
    • H01P1/387—Strip line circulators

Definitions

  • the invention relates generally to a device electronic with gyromagnetic effect of the type described in the preamble of claim 1.
  • the present invention therefore aims to provide a electronic device of the type described above, which constitutes a very satisfactory solution to this problem.
  • an electronic device comprises the characteristics indicated in the characterizing part of claim 1.
  • EP-A-0 222 618 is already known use in a multi electronic device layers of a screen-printed dielectric deposited under form of a thick layer and in which are arranged patterns of electrical circuits connected by holes interconnection made in this layer. But document neither teaches nor suggests the application of such dielectric to an electronic effect device gyromagnetic having the structure described in the claim 1, and above all the possibility of obtaining, thanks to a screen-printing dielectric, devices ultra-miniaturized.
  • Figure 1 is a side, schematic and sectional view an ultra-miniature circulator according to the present invention.
  • Figure 2 is an exploded view, in perspective and more large scale of the part of the circulator of the figure 1, which is indicated in II in this figure.
  • Figure 3 is a partial sectional view and shows the parts of Figure 2, in the assembled state.
  • Figure 4 is a schematic view and to a larger scale of patterns of electrical circuit elements which constitute the inductors of the circulator indicated in IV A and B in Figure 2.
  • Figure 5 shows schematically the structure of a four-door circulator.
  • Figures 6a, b, c and 7a, b, c show two modes of connection of a circulator according to the invention on a support substrate, figure a being each time a view from above, figure b a side view with partial breakout in the direction of arrow B of figure a, figure c an enlarged view of detail C in figure b.
  • Figure 8 shows the equivalent electrical diagram of a circulator with localized parameters.
  • Figure 9 is a sectional view at the plane indicated by line IX-IX of Figure 10 comprising the upper circuit pattern, with pullout partial, but shows in hatched form parts of the lower circuit pattern, the dielectric not being particularly represented so as not to complicate the understanding of the figure.
  • Figure 10 is a sectional view along the line X-X of figure 8, with cutaway, through the multilayer structure of the circulator.
  • Figure 11 is a sectional view along the line XI-XI, with cutaway of Figure 9, through the multilayer structure of the circulator.
  • such a device comprises essentially, in a preferred embodiment of the invention, substrates lower 1 and upper 2 made of ferrite, which are produced in the form of plates substantially rectangular in shape and whose exterior surfaces are metallized by depositing metallic layers 3 and 4, a layer 6 of a material dielectric which is sandwiched between the two substrates 1 and 2, a permanent magnet 7 which is placed on the metallized upper surface of the substrate upper 4, as well as a metal cylinder head 8 which encloses the assembly formed by the stacking of the two substrates, the dielectric layer and the magnet, to the way of a case and whose bottom edge is connected to the metal layer 3 of the lower substrate which is made so as to constitute the sole of the device.
  • the inner surface 10 of the lower substrate 1 carries a first pattern 11 of electrical circuit elements formed by metal tracks indicated in 12. The height of these tracks is exaggerated in the figure, for facilitate understanding of the invention.
  • the dielectric layer 6 is shown as being composed of two elementary layers 6a and 6b.
  • the layer 6a which is placed on the surface 10 of the lower substrate 1 and on the circuit pattern electric 11 carries on its upper surface 14 a second pattern of electrical circuit elements 15 also formed by metal tracks indicated in 17, the height of which is exaggerated in the figure.
  • the second elementary dielectric layer 6b is intended to cover this pattern with electrical circuits 15 while adhering to the bottom surface of the substrate higher 2.
  • the second pattern of electrical circuits 15 is embedded in the dielectric layer 6.
  • the two patterns of electrical circuits 11 and 15 each constitute one half of the entire device of the three inductors or chokes, known in itself, of the circulator which are angularly offset the relative to each other, at an angle of 120 °.
  • the two halves 11 and 15 of the inductance device are electrically connected by connections shown in 19 in Figure 3 which extend through the dielectric layer, perpendicular to the plane of installation of the patterns of circuits.
  • Figure 4 shows on a larger scale the configuration of the three inductors which carry the references 20 to 22. In this figure, the elements of inductors that are part of the circuit pattern lower 11 are hatched. The elements that are part of the top motif 15 were left blank. We notes that, in the central part, the two motifs 15 and 11 are electrically interconnected by six connections 19.
  • the layers 3 and 4 are electrically connected to each other the other by three electrical connections 24 which perpendicularly pass through the two substrates 1 and 2 and the dielectric layer 6. These connections 24 are arranged in a triangular configuration. Each inductor is electrically connected at one end, at 25 at connections 24 the other end 26 being connected to external connection access lines 27 of the circulator.
  • the structure which has just been described could be produced in an ultra-miniaturized form with dimensions for example of the order of mm, thanks to the use of a particular dielectric material 6, namely a new ink dielectric serigravable, that is to say serigraphable, then etchable by chemical process after exposure, for example such as that marketed by the company JOHNSON-MATTHEY under the name JM TC 110.
  • the dielectric constituted by this ink has a relative permittivity of 3.9 to 4.2 (based on silica grains) and a loss tangent of 5.10 -5 to 1 GHZ and 1.10 -3 to 10 GHz.
  • This dielectric paste enables layers of thickness equal to or greater than 7 ⁇ m to be produced.
  • the dielectric layer 6 is thus possible to produce the dielectric layer 6 as a thick layer, which makes it possible to reduce the parasitic capacitance caused by the patterns of electrical circuits of the inductors and thus to increase the natural frequency of the gyrator device formed by all of the substrates and the dielectric. .
  • This serigraphable dielectric ink allows the realization of metallized holes of small diameters and high precision through the dielectric layer 6.
  • the metallization of the holes is carried out by serigravure.
  • the holes 24 with a diameter of the order of 300 to 600 ⁇ m are advantageously made by laser.
  • This dielectric layer made of a serigraveable material, good quality, both mechanical, i.e. ensuring good flatness of surfaces, that microwave frequencies loss angle perspective, allowed no only to minimize the dimensions of the circulator, but also to obtain a direct seal of the two ferrite plates, which leads to a circulator without air gap. Since the dielectric is laid in the form of a layer, the frequency tuning capabilities normally produced in the form of discrete capacitors, can be done inside the circulator, using the dielectric of the layer 6 as the dielectric of these capacitors. The removal of external capacitors contributes thus considerably to the reduction of the dimensions of the circulator.
  • the miniaturized structure of the circulator presents the symmetry that emerges from the figures.
  • the absence of air in the structure of the circulator still has the advantage considerable that the magnetic circuit does not understand a minimum of residual non-magnetic air gap, so that the pump can understand only one single polarization magnet, more easily shieldable, as shown in figure 1.
  • Figure 5 illustrates the technology of a circulator-isolator four-door which consists of two circulators according to figures 2 to 4 which have a hole metallized common ground return and so can be arranged in the housing 8 sufficiently close to each other to be able to operate with the same polarization magnetic field produced by a single magnet 8.
  • this four-way circulator three outputs are connected to access routes 27, two outputs indicated at 30 and 31 are connected by an internal connection 32.
  • a four-way circulator as shown in Figure 5 is simply constituted by the association judicious two three-way circulators, the whole being enclosed in the same case of weak dimensions.
  • the invention also makes it possible to transform a circulator three-way or four-way into an isolator in terminating one of the doors with impedance characteristic of the access line.
  • the circulator By ending the remaining output 33 with a charge adapted to the characteristic impedance of the line, the circulator becomes an isolator.
  • the charge is disposed between the access door 33 and the mass formed through ground holes 24.
  • the load can be consisting of two double impedance loads, set in series with each of the 24 metallized holes framing the access door considered as at 34 in the figure 5. In thick film technology, the load can be directly produced by an absorbent ink layer appropriately sized.
  • Figures 6 and 7 illustrate two connection modes from a circulator to external access lines 37.
  • the connection is made by thermocompressed tape or glue, while the connection according to figure 7 is made by connection by carry over to the surface.
  • the circulator indicated in 35 is placed in an orifice practiced in a substrate 36 and the access tracks 27 of the circulator are connected to the access lines exterior 37 by a ribbon 38 connected to runway 27 and to the access line 37 by thermocompression or bonding.
  • the circulator is placed on the support substrate indicated at 40 so that the metallized holes 24 whose end is surrounded and closed by a metal disc, that is to say a gold disc 41, by gluing or soldering indicated in 42 to an access line shown at 43.
  • Figure 8 shows the equivalent electrical diagram of a such a circulator with localized elements.
  • the part encircled constitutes the gyromagnetic system G comprising the three aforementioned inductors indicated by Lc.
  • capacity C1 which constitutes the capacity above-mentioned agreement as being integrated into the dielectric layer 6 and an impedance Z0 connected to the mass.
  • Z2 series bandwidth network and network Z3 parallel band widening For each access route there is also a Z2 series bandwidth network and network Z3 parallel band widening.
  • the mounted network in series in the access road includes a C2 capacity and an inductor L2 while the parallel network is formed by the capacities C3 and an inductance L3.
  • Figures 9 to 11 show the concrete implementation of C1 tuning capacitors and networks Z2 and Z3 widening as integrated elements to the multilayer structure of the circulator.
  • the circuit elements of figure 8 carry the same references to facilitate their identification. So we see that the access line 27 to the gyromagnetic device G comprises a first portion of access road 45 made in the plane of top motif 15 and ending with an enlargement 46 and a second portion of access line 47 which is found in the plane of the lower motif 11, has a width narrower than portion 45 and is connected to the corresponding door of the lower motif 11.
  • the Z3 bandwidth network includes, according to Figures 8 and 9 a portion of conductive track 49 deposited in the upper pattern plane 15. This portion of track is connected at one end to the portion of access road 45 and ends at the end free by widening 50.
  • a pattern element 51 is provided which is connected to the metal layer 52 covering the walls with a hole metallized 53 which electrically interconnects the upper and lower metallic layers 3 and 4 of the multilayer structure of the circulator of the same so that the metallized holes 24.
  • the elements 50, 51 constitute the capacity C3, while the portion of line 49 of smaller width forms the inductance L3.
  • impedance Z0 it can be made on one of the outer faces of the sandwich, according to a structure similar to that of impedance Z2 described above.
  • Figures 9 to 11 clearly illustrate the advantage of the multilayer structure proposed by the invention and using a dielectric which can be produced in the form of a thick layer 6 allowing to drown in this layer patterns of electrical circuits arranged at different levels and train inside this dielectric layer of circuit elements which in state of the art, are formed by components separated.
  • the lower circuit pattern 11 is directly deposited on the lower substrate in metallized ferrite 1.
  • a layer of dielectric as a varnish we could first make a layer of dielectric as a varnish and then deposit the electric pattern on this dielectric layer produced advantageously also in the form of a thick layer screen printable.
  • This layer indicated in lines interrupted at 55 in FIG. 2 improves the yield manufacturing and power handling of the circulator.
  • a circulator has been described particularly suitable for operating in the band 10 GHz, thanks to the use of a dielectric paste serigravable.
  • a dielectric paste serigravable Such a dielectric is necessary when the circulator must operate at very high frequencies up to 10 GHz.
  • the dielectric in one area somewhat lower frequency, for example in the 4 or 5 GHz band, just use a screen-printing dielectric, without providing constructive changes, with the exception of one adaptation of dimensions.
  • the dielectric is a dielectric capable of being applied as a thick layer.
  • a screen printing dielectric perfectly satisfies this requirement.
  • the dielectric be a low loss material, requirement than a screen-printed dielectric available in the trade can also fill. It is only when wish to obtain a device capable of operating at higher frequencies it should use a screen printable dielectric which is also etchable as in the example which has just been described in referring to the figures.
  • the invention as just described in referring to figures has many advantages major compared to the state of the art. She provides an ultra-miniaturized device and likely to operate at very high frequencies high. Circulators can thus be produced in the 10 GHz band, in particular thanks to the use of the serigravable dielectric paste applicable in the form a thick layer, making it possible to serigravure the electrical interconnections in the form metallized holes. Since the layer dielectric also serves as a means of sealing two substrates, in particular ferrite, we obtain a symmetrical multilayer structure without air gap and very reliable once the cooking operations completed and requiring only one magnet polarization. The "all ceramic, monobloc" structure is sintered at high temperature.
  • the invention makes it possible to obtain devices electric power transmission, effect gyromagnetic, such as circulators, isolators or filters that are ultra-miniaturized, can work at frequencies up to 10 GHz, while being likely to be manufactured at low cost and in collective technology.

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  • Non-Reversible Transmitting Devices (AREA)

Description

L'invention concerne de façon générale, un dispositif électronique à effet gyromagnétique du type décrit dans la préambule de la revendication 1.
Un dispositif de ce type est connu par le document US-A-4 918 409.
Mais dans ce domaine de dispositifs électroniques aussi, on cherche à réduire les dimensions des dispositifs du type qui vient d'être énoncé dans le but d'obtenir des structures ultra-miniatures pouvant travailler à des fréquences supérieures à 3 GHz. On s'efforce notamment à réaliser des dispositifs à effet gyromagnétique tels que des circulateurs ou isolateurs qui comportent trois inductances décalées angulairement de 120° sur le substrat, ces inductances constituant les motifs de circuits électriques précités. Il est avantageux que dans des tels dispositifs les inductances se trouvent entre un substrat inférieur et un substrat supérieur dont les surfaces extérieures sont métallisées.
Notamment deux problèmes majeurs s'opposent à l'ultra-miniaturisation, le problème de la connexion électrique de masse des deux couches métalliques et la configuration des inductances et celui posé par les capacités parasites résultant de celles-ci.
Concernant le problème de ces inductances deux solutions ont été proposées qui cependant ce sont révélées insuffisantes. Ainsi on a réalisé les inductances ou, de façon plus générale, les motifs de circuits électriques en un même plan en prévoyant des ponts conducteurs aux endroits de croisement des conducteurs électriques. Cette structure n'aboutissait pas à l'ultra-miniaturisation recherchée du dispositif. Une autre solution consiste à prévoir les motifs de circuits électriques dans deux plans différents, électriquement isolés par du diélectrique interposé, et de prévoir dans le diélectrique des trous permettant de relier des éléments de circuits appropriés. Cette voie se heurtait jusqu'à présent à l'impossibilité de réaliser des trous de faible diamètre et de la précision nécessaire pour réaliser la miniaturisation. Ce problème technologique est d'autant plus gênant que l'épaisseur du diélectrique augmente, ce qui serait pourtant avantageux dans certains cas d'application par exemple pour réduire les capacités parasites et augmenter la fréquence de fonctionnement.
Le dispositif électronique selon le document US-A-4 918 409 nommé plus haut ne donne aucun enseignement pour résoudre les problèmes énoncés.
La présente invention a donc pour but de proposer un dispositif électronique du type décrit plus haut, qui constitue une solution très satisfaisante à ce problème.
Pour atteindre ce but, un dispositif électronique selon l'invention comprend les caractéristiques indiquées dans la partie caractérisante de la revendication 1.
Par le document EP-A-0 222 618 est déjà connu l'utilisation dans un dispositif électronique multi couches d'un diélectrique sérigraphiable déposé sous forme d'une couche épaisse et dans laquelle sont disposés des motifs circuits électriques reliés par des trous d'interconnexion réalisés dans cette couche. Mais, ce document n'enseigne ni ne suggère l'application d'un tel diélectrique à un dispositif électronique à effet gyromagnétique ayant la structure décrite dans la revendication 1, et surtout la possibilité d'obtenir, grâce à un diélectrique sérigraphiable, des dispositifs ultra-miniaturisés.
D'autres caractéristiques avantageuses de l'invention sont exposées dans des revendications dépendantes.
L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaítront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels.
La figure 1 est une vue latérale, schématique et en coupe d'un circulateur ultra-miniature selon la présente invention.
La figure 2 est une vue éclatée, en perspective et à plus grande échelle de la partie du circulateur de la figure 1, qui est indiquée en II sur cette figure.
La figure 3 est une vue en coupe partielle et montre les pièces de la figure 2, à l'état assemblé.
La figure 4 est une vue schématique et à plus grande échelle des motifs d'éléments de circuits électriques qui constituent les inductances du circulateur indiqué en IV A et B sur la figure 2.
La figure 5 montre schématiquement la structure d'un circulateur à quatre portes.
Les figures 6a, b, c et 7a, b, c montrent deux modes de connexion d'un circulateur selon l'invention sur un substrat support, la figure a étant chaque fois une vue de dessus, la figure b une vue latérale avec arrachement partiel dans la direction de la flèche B de la figure a, la figure c une vue à plus grande échelle du détail C de la figure b.
La figure 8 montre le schéma électrique équivalent d'un circulateur à paramètres localisés.
La figure 9 est une vue en coupe au niveau du plan indiqué par la ligne IX-IX de la figure 10 comportant le motif de circuit supérieur, avec arrachement partiel, mais montre sous forme hachurée des parties du motif de circuit inférieur, le diélectrique n'étant pas particulièrement représenté pour ne pas compliquer la compréhension de la figure.
La figure 10 est une vue en coupe le long de la ligne X-X de la figure 8, avec arrachement, à travers la structure multicouche du circulateur.
La figure 11 est une vue en coupe le long de la ligne XI-XI, avec arrachement de la figure 9, à travers la structure multicouche du circulateur.
L'invention sera décrite ci-après, à titre d'exemple, dans son application à un dispositif à effet gyromagnétique, tel qu'un circulateur. Comme le montre la figure 1, un tel dispositif comprend essentiellement, dans un mode de réalisation préféré de l'invention, des substrats inférieur 1 et supérieur 2 en ferrite, qui sont réalisés sous forme de plaquettes de forme sensiblement rectangulaire et dont les surfaces extérieures sont métallisées par dépôt de couches métalliques 3 et 4, une couche 6 en un matériau diélectrique qui est montée en sandwich entre les deux substrats 1 et 2, un aimant permanent 7 qui est posé sur la surface supérieure métallisée du substrat supérieur 4, ainsi qu'une culasse métallique 8 qui enferme l'ensemble formé par l'empilage des deux substrats, de la couche diélectrique et de l'aimant, à la manière d'un boítier et dont le bord inférieur est relié à la couche métallique 3 du substrat inférieur qui est réalisé de façon à constituer la semelle du dispositif.
En se reportant aux figures 2 et 3, on constate que la surface intérieure 10 du substrat inférieur 1 porte un premier motif 11 d'éléments de circuit électrique formés par des pistes métalliques indiqués en 12. La hauteur de ces pistes est exagérée sur la figure, pour faciliter la compréhension de l'invention. Sur la figure 2, la couche diélectrique 6 est représentée comme étant composée de deux couches élémentaires 6a et 6b. La couche 6a qui est posée sur la surface 10 du substrat inférieur 1 et sur le motif de circuits électriques 11 porte sur sa surface supérieure 14 un deuxième motif d'éléments de circuits électriques 15 également formé par des pistes métalliques indiqués en 17 dont la hauteur est exagérée sur la figure. La deuxième couche diélectrique élémentaire 6b est destinée à recouvrir ce motif de circuits électriques 15 tout en adhérant à la surface inférieure du substrat supérieur 2. Dans la représentation de la configuration réelle selon la figure 3, on constate que le deuxième motif de circuits électriques 15 est noyé dans la couche diélectrique 6.
Les deux motifs de circuits électriques 11 et 15 constituent chacun une moitié de l'ensemble du dispositif des trois inductances ou selfs, connues en soi, du circulateur qui sont décalées angulairement les unes par rapport aux autres, d'un angle de 120°. Les deux moitiés 11 et 15 du dispositif des inductances sont reliées électriquement par des connexions électriques indiquées en 19 sur la figure 3 qui s'étendent à travers la couche diélectrique, perpendiculairement au plan de pose des motifs de circuits. La figure 4 montre à plus grande échelle la configuration des trois inductances qui portent les références 20 à 22. Sur cette figure, les éléments des inductances qui font partie du motif de circuit inférieur 11 sont hachurés. Les éléments faisant partie du motif supérieur 15 ont été laissés blancs. On constate que, dans la partie centrale, les deux motifs 15 et 11 sont électriquement interconnectés par six connexions 19.
On reconnaít encore sur les figures, que les couches métalliques 3 et 4 sont électriquement reliées l'une à l'autre par trois connexions électriques 24 qui traversent perpendiculairement les deux substrats 1 et 2 et la couche diélectrique 6. Ces connexions 24 sont disposées selon une configuration triangulaire. Chaque inductance est électriquement reliée à une extrémité, en 25 aux connexions 24 l'autre extrémité 26 étant reliée à des lignes d'accès de connexions extérieures 27 du circulateur.
La structure qui vient d'être décrite a pu être réalisée sous une forme ultra-miniaturisée avec des cotes par exemple de l'ordre du mm, grâce à l'utilisation d'une matière diélectrique 6 particulière, à savoir d'une nouvelle encre diélectrique sérigravable, c'est-à-dire sérigraphiable, puis gravable par procédé chimique après insolation, par exemple telle que celle commercialisée par la société JOHNSON-MATTHEY sous la dénomination JM TC 110. Le diélectrique constitué par cette encre présente une permittivité relative de 3,9 à 4,2 (à base de grains de silice) et une tangente de perte de 5.10-5 à 1 GHZ et 1.10-3 à 10 GHz. Cette pâte diélectrique permet de réaliser des couches d'épaisseur égales ou supérieures à 7 µm. On peut ainsi réaliser la couche diélectrique 6 comme couche épaisse, ce qui permet de réduire la capacité parasite occasionnée par les motifs de circuits électriques des inductances et d'augmenter ainsi la fréquence naturelle du dispositif gyrateur formé par l'ensemble des substrats et du diélectrique.
Cette encre diélectrique sérigravable permet la réalisation de trous métallisés de faibles diamètres et d'une haute précision à travers la couche diélectrique 6. La métallisation des trous est effectuée par sérigravure. On peut réaliser des trous métallisés précis, par exemple d'un diamètre de 50 µm. On utilise avantageusement comme matériau électriquement conducteur, une encre d'or, ce qui assure un bon mouillage des parois des trous de ces faibles dimensions. Les trous 24 d'un diamètre de l'ordre de 300 à 600 µm sont faits avantageusement par laser.
Cette couche diélectrique en un matériau sérigravable, de bonne qualité, tant mécanique, c'est-à-dire assurant une bonne planéité des surfaces, que hyperfréquences du point de vue de l'angle de perte, a permis non seulement de réduire au maximum les dimensions du circulateur, mais aussi d'obtenir un scellement direct des deux plaques de ferrite, ce qui conduit à un circulateur sans lame d'air. Etant donné que le diélectrique est posé sous forme d'une couche, les capacités de réglage de la fréquence normalement réalisées sous forme de condensateurs discrets, extérieurs, peuvent être réalisées à l'intérieur du circulateur, en se servant du diélectrique de la couche 6 comme diélectrique de ces condensateurs. La suppression des condensateurs extérieurs contribue ainsi considérablement à la réduction des dimensions du circulateur.
Encore grâce au diélectrique sérigravable 6 servant de moyen de scellement direct et de plaque de ferrite, la structure miniaturisée du circulateur présente la symétrie qui ressort des figures. L'absence d'air dans la structure du circulateur présente encore l'avantage considérable que le circuit magnétique ne comprend qu'un minimum d'entrefer non magnétique résiduel, de façon que le circulateur puisse ne comprendre qu'un seul aimant de polarisation, plus aisément blindable, comme le montre la figure 1.
La figure 5 illustre la technologie d'un circulateur-isolateur à quatre portes qui se compose de deux circulateurs selon les figures 2 à 4 qui ont un trou métallisé de retour de masse commun et peuvent ainsi être disposés dans le boítier 8 de façon suffisamment proche l'un de l'autre pour pouvoir fonctionmer avec le même champ magnétique de polarisation produit par un seul aimant 8. Dans ce circulateur à quatre voies, trois sorties sont reliées à des voies d'accès extérieures 27, deux sorties indiquées en 30 et 31 sont reliées par une connexion interne 32. On constate ainsi qu'un circulateur quatre voies tel que représenté à la figure 5, est constitué simplement par l'association judicieuse de deux circulateurs trois voies, l'ensemble étant enfermé dans un même boítier de faibles dimensions.
L'invention permet aussi de transformer un circulateur trois voies ou quatre voies en un isolateur en terminant une des portes par l'impédance caractéristique de la ligne d'accès.
En terminant la sortie restante 33 par une charge adaptée à l'impédance caractéristique de la ligne, le circulateur devient un isolateur. La charge est disposée entre la porte d'accès 33 et la masse formée par les trous de masse 24. La charge peut être constituée par deux charges d'impédance double, mises en série avec chacun des trous métallisés 24 encadrant la porte d'accès considérée comme en 34 sur la figure 5. En technologie couche épaisse, la charge peut être directement réalisée par une couche d'encre absorbante dimensionnée de façon appropriée.
Les figures 6 et 7 illustrent deux modes de connexion d'un circulateur à des lignes d'accès extérieures 37. Dans le cas de la figure 6, la connexion se fait par ruban thermocompressé ou colle, tandis que le mode de connexion selon la figure 7 se fait par connexion par report en surface.
Plus précisément, dans le cas de la figure 6, le circulateur indiqué en 35 est placé dans un orifice pratiqué dans un substrat 36 et les pistes d'accès 27 du circulateur sont reliées aux lignes d'accès extérieures 37 par un ruban 38 relié à la piste 27 et à la ligne d'accès 37 par thermocompression ou collage. Dans le cas de la figure 7, le circulateur est posé sur le substrat de support indiqué en 40 de façon que les trous métallisés 24 dont l'extrémité est entourée et fermée par un disque métallique, c'est-à-dire d'un disque en or 41, par collage ou brasure indiqué en 42 à une ligne d'accès représentée en 43.
En se reportant aux figures 8 à 11, on décrira ci-après plus en détail un mode de réalisation d'un circulateur qui illustre certains avantages du principe de réalisation de l'invention, qui vient d'être décrit ci-avant.
La figure 8 montre le schéma électrique équivalent d'un tel circulateur à éléments localisés. La partie encerclée constitue le système gyromagnétique G comportant les trois inductances susmentionnées indiquées par Lc. A ce dispositif gyromagnétique est associé la capacité C1 qui constitue la capacité d'accord susmentionnée comme étant intégrable à la couche diélectrique 6 et une impédance Z0 reliée à la masse. Pour chaque voie d'accès est en outre prévu un réseau d'élargissement de bande série Z2 et un réseau d'élargissement de bande parallèle Z3. Le réseau monté en série dans la voie d'accès comprend une capacité C2 et une inductance L2 tandis que le réseau parallèle est formé par les capacités C3 et une inductance L3.
Les figures 9 à 11 montrent la réalisation concrète des condensateurs d'accord C1 et des réseaux d'élargissement Z2 et Z3 sous forme d'éléments intégrés à la structure multicouche du circulateur. Sur ces figures, les éléments de circuit de la figure 8 portent les mêmes références pour faciliter leur identification. Ainsi on constate que la ligne d'accès 27 au dispositif gyromagnétique G comprend une première portion de voie d'accès 45 réalisée dans le plan de motif supérieur 15 et se terminant par un élargissement 46 et une deuxième portion de ligne d'accès 47 qui se trouve dans le plan du motif inférieur 11, présente une largeur plus faible que la portion 45 et est connectée à la porte correspondante du motif inférieur 11. Cette portion constitue l'inductance L2 tandis que l'élargissement 46 de la portion de voie d'accès 45 et la portion d'extrémité de la portion 47 située en dessous de l'élargissement 46 et séparée de ce dernier par du diélectrique de la couche 10 constitue le condensateur C2. La vue en coupe de la figure 10 illustre bien ce qui vient d'être dit. A gauche de cette vue en coupe on constate en outre la connexion par un trou métallisé 19 d'un élément 12 du motif inférieur 11 à un élément 17 du motif de circuit supérieur 15.
Le réseau d'élargissement de bande Z3 comprend, selon les figures 8 et 9 une portion de piste conductrice 49 déposée dans le plan de motif supérieur 15. Cette portion de piste est connectée à une extrémité à la portion de voie d'accès 45 et se termine à l'extrémité libre par un élargissement 50. En dessous de l'élargissement 50, dans le plan du motif inférieur 11, est prévu un élément de motif 51 qui est relié à la couche métallique 52 recouvrant les parois d'un trou métallisé 53 qui interconnecte électriquement les couches métalliques supérieure et inférieure 3 et 4 de la structure multicouche du circulateur de la même manière que les trous métallisés 24. Les éléments 50, 51 constituent la capacité C3, tandis que la portion de ligne 49 de plus faible largeur forme l'inductance L3.
En ce qui concerne l'impédance Z0 elle peut être réalisée sur une des faces extérieures du sandwich, selon une structure analogue à celle de l'impédance Z2 décrite plus haut.
Les figures 9 à 11 illustrent clairement l'avantage de la structure multicouches proposée par l'invention et utilisant un diélectrique réalisable sous forme d'une couche épaisse 6 permettant de noyer dans cette couche des motifs de circuits électriques disposés à des niveaux différents et de former à l'intérieur de cette couche diélectrique des éléments de circuit qui, dans l'état de la technique, sont formés par des composants séparés.
Dans la structure qui vient d'être décrite en se référant aux figures, le motif de circuit inférieur 11 est directement déposé sur le substrat inférieur en ferrite métallisé 1. Pour améliorer la planéïte de la couche de support de ce motif électrique, on pourrait réaliser sur le substrat tout d'abord une couche de diélectrique à titre de vernis et ensuite déposer le motif électrique sur cette couche diélectrique réalisée avantageusement aussi sous forme d'une couche épaisse sérigraphiable. Cette couche indiquée en traits interrompus en 55 sur la figure 2 améliore le rendement de fabrication et la tenue en puissance du circulateur.
Dans ce qui précède, on a décrit un circulateur particulièrement adapté pour fonctionner dans la bande de 10 GHz, grâce à l'emploi d'une pâte diélectrique sérigravable. Un tel diélectrique est nécessaire lorsque le circulateur doit fonctionner à des très hautes fréquences jusqu'à 10 GHz. Mais, dans un domaine de fréquence quelque peu inférieur, par exemple dans la bande de 4 ou 5 GHz, il suffit d'utiliser un diélectrique sérigraphiable, sans apporter des modifications constructives, à l'exception d'une adaptation des dimensions. En effet, pour la réalisation de l'invention, il est essentiel que le diélectrique soit un diélectrique susceptible d'être appliqué sous forme d'une couche épaisse. Or, un diélectrique sérigraphiable satisfait parfaitement à cette exigence. Il est également souhaitable que le diélectrique soit un matériau de faible perte, exigence qu'un diélectrique sérigraphiable disponible dans le commerce peut également remplir. Ce n'est que lorsqu'on souhaite obtenir un dispositif pouvant fonctionner à des fréquences plus élevées qu'il faut utiliser un diélectrique sérigraphiable qui est aussi gravable comme dans l'exemple qui vient d'être décrit en se référant aux figures.
Bien entendu de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif qui vient d'être décrit. Ainsi ou pourrait envisager une structure de gyrateur qui pourrait comprendre un substrat inférieur en alumine métallisé et un substrat supérieur en ferrite métallisé ou encore un substrat inférieur en ferrite métallisé et un support d'aimant en alumine ou d'un autre diélectrique, les trous métallisés pourraient alors être faits dans le seul ferrite.
L'invention, telle qu'elle vient d'être décrite en se référant aux figures présente de nombreux avantages majeurs par rapport à l'état de la technique. Elle permet d'obtenir un dispositif ultra-miniaturisé et susceptible de fonctionner à des hyperfréquences très élevées. On peut ainsi réaliser des circulateurs dans la bande des 10 GHz, notamment grâce à l'emploi de la pâte diélectrique sérigravable applicable sous forme d'une couche épaisse, permettant de réaliser par sérigravure les interconnexions électriques sous forme de trous métallisés. Etant donné que la couche diélectrique sert également de moyen de scellement des deux substrats notamment en ferrite, on obtient une structure multicouche symétrique sans interstice d'air et très fiable une fois les opérations de cuisson terminées et nécessitant qu'un seul aimant de polarisation. La structure "tout céramique, monobloc" est frittée à haute température. Elle est donc directement soudable à côté de puces de circuit intégré du type AsGa ou silicium. L'utilisation d'un diélectrique applicable sous forme d'une couche épaisse permet encore d'intégrer dans la structure multicouche les capacités d'accord qui dans le cas des dispositifs réalisés selon la technologie de l'état de la technique sont des composants discrets.
En résumé, l'invention permet d'obtenir des dispositifs de transmission d'énergie électrique, à effet gyromagnétique, tel que des circulateurs, isolateurs ou filtres qui sont ultra-miniaturisés, peuvent travailler à des fréquences allant jusqu'à 10 GHz, tout en étant susceptibles d'être fabriqués à faible coût et en technologie collective.

Claims (14)

  1. Dispositif électronique à effet gyromagnétique, tel qu'un circulateur, isolateur ou filtre, du type comprenant un substrat inférieur (1) et un substrat supérieur (2) dont au moins un est en ferrite, un ensemble d'éléments métalliques de circuits électriques disposé entre les deux substrats et un aimant permanent (8) destiné à créer un champ magnétique traversant perpendiculairement les deux substrats, caractérisé en ce que l'ensemble d'éléments métalliques de circuits électriques (11, 15) présente une structure multicouche dans laquelle les couches comportent chacune un motif d'éléments métalliques de circuits électriques et les motifs se croisent en étant séparés par un matériau diélectrique (6), que cette matière diélectrique (6) est un diélectrique sérigraphiable et déposée sous forme d'une couche épaisse dans laquelle les motifs (11, 15) de circuits électriques (12, 17) sont disposés dans des plans différents et interconnectés par des trous métallisés d'interconnexion électrique (19) de très faible dimension qui s'étendent perpendiculairement aux plans dans la couche diélectrique (6).
  2. Dispositif selon la revendication (1), caractérisé en ce que le diélectrique sérigraphiable est un diélectrique sérigravable pour un fonctionnement à des fréquences plus élevées.
  3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les substrats inférieur (1) et supérieur (2) sont métallisés sur leurs faces extérieures interconnectées par des trous d'interconnexion (24) s'étendant à travers les substrats (1,2) et la couche diélectrique (6).
  4. Dispositif électronique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche diélectrique (6) forme le moyen de scellement des substrats inférieur (1) et supérieur (2).
  5. Dispositif électronique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les capacités d'accord (C1) de la fréquence du dispositif sont intégrés à la couche diélectrique (6).
  6. Dispositif électronique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des impédances (Z0, Z2, Z3) d'élargissement de bande qui sont intégrées à la structure multicouche, une inductance étant formée par une portion de piste conductrice (47, 49) d'une largeur prédéterminée, et une capacité étant formée par deux éléments conducteurs (46; 50) disposés l'une au dessus de l'autre, dans les deux plans différents des motifs (11, 15) de circuit électrique, avec interposition du diélectrique de la couche diélectrique (6).
  7. Dispositif électronique selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'une impédance d'élargissement (Z2) montée en série dans une voie d'accès (27) comprend deux portions de voie, disposées dans des plans de motif (11, 15) différents et de largeur différente dont l'une constitue l'inductance et dont les extrémités adjacentes (46, 48) disposées l'une au dessus de l'autre dans la couche diélectrique forment la capacité (C2) précitée.
  8. Dispositif électronique selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce qu'une impédance d'élargissement de bande (Z3) montée en parallèle dans une voie d'accès (27) comprend une portion de piste conductrice (49) d'une largeur appropriée pour former l'inductance (L3), qui est disposée dans un des deux plans de motif électrique, et reliée à une extrémité à la portion de voie d'accès et dont l'autre extrémité (50) se trouve au-dessus d'un élément conducteur (51) disposé dans l'autre plan de motif électrique et relié à un trou métallisé (53) d'interconnexion des couches de métallisation (3, 4) des deux substrats (1, 2), l'extrémité (50) et l'élément (51) constituant la capacité (C3) de l'impédance.
  9. Dispositif électronique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, lorsqu'il constitue un dispositif à effet gyromagnétique, il ne comporte qu'un seul aimant de polarisation (7) disposé au-dessus de la structure multicouche précitée, dans un boítier métallique (8) formant la culasse du circuit magnétique.
  10. Dispositif électronique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour former un circulateur à quatre portes, deux circulateurs à trois portes sont juxtaposés utilisant un même trou métallisé (24) comme connexion électrique des plans de masse.
  11. Dispositif électronique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est susceptible d'être monté sur un support et relié à des lignes d'accès extérieures (37) par l'intermédiaire de rubans thermocompressés ou par colle par report en surface.
  12. Dispositif électronique selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que les deux substrats (1, 2) sont des ferrites.
  13. Dispositif électronique selon l'une des revendications 3 à 12, caractérisé en ce qu'un circulateur à trois ou quatre portes d'accès est transformable en isolateur et que le moyen de transformation est une charge (34) adaptée à l'impédance des lignes d'accès, qui est disposée entre la porte d'accès (33) devant être fermée et au moins l'un des trous d'interconnexion de masse (24), cette charge pouvant être réalisée en sérigraphie.
  14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que la charge est formée par deux charges (34) d'impédance double, mise en série avec chacun des trous de masse (24) encadrant la porte d'accès (33) précitée.
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