EP1086507B1 - Composant passif hyperfrequence a charge resistive - Google Patents

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EP1086507B1
EP1086507B1 EP99925061A EP99925061A EP1086507B1 EP 1086507 B1 EP1086507 B1 EP 1086507B1 EP 99925061 A EP99925061 A EP 99925061A EP 99925061 A EP99925061 A EP 99925061A EP 1086507 B1 EP1086507 B1 EP 1086507B1
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Philippe Lemerle
Gilles Picard
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/24—Terminating devices
    • H01P1/26—Dissipative terminations

Definitions

  • the present invention relates to the field of passive components microwave and more particularly passive microwave components to resistive load intended for power dissipation comprising an element resistive suitable from 25 to 75 ohms and, most often to the standard of 50 ohms.
  • microwave-ribbons These components are used in different microwave systems (to from 0.5 GHz) and are intended to protect installations by dissipating through a suitable support the non-active energy of the system in the event of dysfunction. They are most often connected on line structures so-called “micro-ribbons”.
  • Passive microwave components generally have a power dissipation support, on which a range of wiring, a ground range and a resistive layer having resistance standard between wiring range and ground range and also include microwave adaptation elements.
  • JP-07 221 509 which relates to the adaptation of a component with elements external to it, but this component does not have a simple internal adaptation and a fortiori internal adaptation of multiple order.
  • the prior art also knows passive microwave components comprising a beryllium oxide dissipation support, so as to promote the heat exchange between the power absorbed by the resistive load and this support of reception and diffusion of heat on which the resistive load is etched.
  • Beryllium oxide is one of the materials with the best compromise between high thermal conductivity and low constant dielectric.
  • the present invention further proposes to use a support material which is not harmful, in this case aluminum oxide AL 2 O 3 or alumina.
  • the depositor has developed a component image such that it allows obtaining characteristics at least equal, sometimes even superior to the characteristics beryllium oxide supports, while keeping the same dimensioning.
  • Alumina also has the advantage of being much less expensive to manufacture and much easier to implement.
  • the present invention also proposes to use a support material made of aluminum nitride.
  • An important advantage of the invention is to allow a passive microwave component with an alumina support, unique, added, which is frequency adapted for a power greater than 30 Watts and up to 60 to 80 Watts and even more.
  • the component according to the invention makes it possible for example to obtain a very low TOS close to 1 for a given frequency or for a frequency range which can to be very tall.
  • the component allows for example to obtain a TOS less than 1.05 between 0.5 GHz and 3.5 GHz.
  • the geometric dimension of the adaptation elements is adapted to the dimension and power of the component.
  • the present invention relates to a passive microwave component with resistive load (1) intended for power dissipation, illustrated in FIGS. 1 and 2, comprising a support (2), a wiring range (3), a mass range (4) and a resistive layer (5) having a standard resistance between the wiring range (3) and the mass range (4).
  • the component according to the invention is characterized in that it comprises completely inductive and capacitive microwave adapters integrated, outside the resistive layer (5) in order to carry out an order adaptation multiple, by multiplying the inductive elements in series and the capacitive elements in parallel.
  • the component according to the invention is also characterized in that said microwave adaptation elements have geometric dimensions adapted to the size and power of the component.
  • Metallization is carried out on the underside (7) of the component (1). It constitutes the mass connection and is therefore called the mass ".
  • the resistive layer (5) is deposited on the upper surface (8) of the component (1), in contact with the two metal wiring areas (3) and mass (4).
  • the wiring range (3) constitutes the load input connection resistive and the mass range (4) allows the connection with the ground plane (7) by through one or more holes (6) whose walls are metallized, opening on either side of the upper and lower surfaces.
  • Figure 5 shows a simplified equivalent diagram of the resistive load complete of Figures 1 and 2.
  • the resistive layer (5) is modeled by the resistance R5 which is the element load main, supplemented by capacitance C5 and inductance L5 arranged between the resistive layer (5) and the ground plane (7).
  • compensation for so-called first order faults is performed by adding an inductor additional L6 produced for example by the metallized hole or holes.
  • This assembly constitutes, according to the state of the art, an adaptation circuit of order 2.
  • FIGS. 3 and 4 we find the same elements as in the simple version illustrated in FIGS. 1 and 2, but the ranges metallized (3) and (4) are produced in a more complex pattern.
  • Said pre-resistance inductive element (9) can be, for example, constituted a narrow line (12).
  • Said pre-resistance capacitive element (10) can for example be constituted a wide line (13), and / or an insulating gap (15).
  • Said post-resistance inductive elements (11) can, for example, be consisting of one or more holes (6) whose walls are metallized and / or a narrow line (14).
  • the component (1) illustrated by way of example in FIGS. 3 and 4 comprises a pre-resistance inductive element (9), one pre-resistance capacitive element (10) and two post-resistance inductive elements (11) consisting of holes (6) and a line narrow (14).
  • the narrow line (12) forms an inductor in series L9
  • the wide line (13) forms a capacitance in parallel C10
  • the narrow line (14) constitutes an inductance complementary L11.
  • Figure 6 shows the role of elements C10, L9, L11 and L6 as compensators for elements C5 and L5 contained in the resistive layer (5) in addition of the main element R5.
  • the above set constitutes, according to the state of the art, a fourth order adaptation circuit capable of compensate for faults in the impedance measured at range (3) up to the third order.
  • the support (2) is made of aluminum oxide.
  • the component according to the invention makes it possible to dissipate energies from 5 to 100 Watts, while keeping the same size as the beryllium oxide components.
  • the operating frequencies can reach 1 to 5 GHz or more depending on the power to dissipate.
  • FIGS 8 and 9 which illustrate the respective Smith diagrams of curves A and B clearly show that, in the case of a conventional component, the impedance is only capacitive whereas in the case of a component according to the invention, the impedance is alternately inductive then capacitive, then inductive.
  • the support (2) is made of aluminum nitride.
  • the component according to the invention thus produced achieves performance of higher dissipated power (at specified frequency) or frequencies of higher operating performance (at a given power loss) than that of the components made of Beryllium oxide.
  • the mass return is preferably done by tranche Metallic.

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  • Non-Reversible Transmitting Devices (AREA)

Description

La présente invention se rapporte au domaine des composants passifs hyperfréquence et plus particulièrement aux composants passifs hyperfréquence à charge résistive destinés à la dissipation de puissance comportant un élément résistif adapté de 25 à 75 ohms et, le plus souvent au standard de 50 ohms.
Ces composants sont utilisés dans différents systèmes hyperfréquences (à partir de 0,5 GHz) et sont destinés à protéger les installations en dissipant au travers d'un support adapté l'énergie non active du système en cas de dysfonctionnement. Ils sont le plus souvent connectés sur des structures de lignes hyperfréquences dites « micro-rubans ».
Les composants passifs hyperfréquence comportent généralement un support de dissipation de puissance, sur lequel sont positionnés une plage de câblage, une plage de masse et une couche résistive présentant une résistance standard entre la plage de câblage et la plage de masse et comportent également des éléments d'adaptation hyperfréquence.
L'art antérieur connaít déjà des dispositifs dans lesquels des éléments d'adaptation hyperfréquences sont associés à une charge résistive.
L'art antérieur connaít par exemple la demande de brevet français FR-A-2 096 858 qui porte sur une charge résistive, mais cette charge ne constitue pas un composant destiné à la dissipation de puissance et l'adaptation est réalisée en disposant un film résistif sur la flanc du support. Or cette technique de mise en oeuvre de la charge résistive est très complexe à maítriser
L'art antérieur connaít également la demande de brevet japonaise JP-07 221 509 qui porte sur l'adaptation d'un composant avec des éléments extérieur à celui-ci, mais ce composant ne comporte pas d'adaptation interne simple et a fortiori d'adaptation interne d'ordre multiple.
L'art antérieur connaít également les réseaux d'adaptation multiple combinant des éléments inductifs et capacitifs notamment par le document de G.L. Matthaei et al. : « Microwave Filters, impedance-matching networks, and coupling structures », Artech House, Dedham, 1980, pages 120-130.
L'art antérieur connaít aussi des composants passifs hyperfréquences comportant un support de dissipation en oxyde de béryllium, de façon à favoriser l'échange thermique entre la puissance absorbée par la charge résistive et ce support d'accueil et de diffusion de la chaleur sur lequel la charge résistive est gravée.
L'oxyde de béryllium est un des matériaux qui présentent le meilleur compromis entre une forte conductivité thermique et une faible constante diélectrique.
L'inconvénient majeur de l'oxyde de béryllium est sa nocivité et c'est la raison pour laquelle son utilisation est soumise à de nombreuses contraintes. Il existe, suivant les législations nationales, des obligations :
  • de notification claire de la présence d'oxyde de béryllium sur le produit fini,
  • de description du produit suivant les règlements d'hygiène et de sécurité,
  • de contrôle du retrait des appareils usagés et de leur recyclage,...
La présente invention entend remédier aux inconvénients de l'art antérieur en proposant un composant passif hyperfréquence à charge résistive destiné à la dissipation de puissance, comportant un support, une plage de câblage, une plage de masse et une couche résistive présentant une résistance standard entre la plage de câblage et la plage de masse, caractérisé en ce qu'il comporte des éléments d'adaptation hyperfréquences capacitifs et inductifs complètement intégrés. extérieurs à la couche résistive, afin de réaliser une adaptation d'ordre multiple, en multipliant les éléments inductifs en série et les éléments capacitifs en parallèle, qui sont constitués :
  • d'un ou de plusieurs éléments inductifs pré-résistance situés en série entre la plage de câblage et la couche résistive et,
  • d'un ou de plusieurs éléments capacitifs pré-résistance situés en parallèle entre la plage de câblage et la couche résistive et,
  • d'un ou de plusieurs éléments inductifs post-résistance situés en série entre la couche résistive et la plage de masse.
La présente invention propose, en outre, d'utiliser un matériau de support qui n'est pas nocif, en l'occurrence l'oxyde d'aluminium AL2O3 ou alumine.
Pour compenser les moins bonnes qualités de l'alumine, le déposant a développé une image de composant telle qu'elle permette d'obtenir des caractéristiques au moins égales, parfois même supérieures aux caractéristiques des supports en oxyde de béryllium, tout en gardant le même dimensionnement.
L'alumine présente en plus l'avantage d'être beaucoup moins coûteuse à fabriquer et beaucoup plus facile à mettre en oeuvre.
La présente invention propose également d'utiliser un matériau de support en nitrure d'aluminium.
Un avantage important de l'invention est de permettre de réaliser un composant passif hyperfréquence à support en alumine, unique, rapporté, qui soit adapté en fréquence pour une puissance supérieure à 30 Watts et pouvant atteindre 60 à 80 Watts et même plus.
Le composant selon l'invention permet par exemple d'obtenir un TOS très proche de 1 pour une fréquence donnée ou pour une plage de fréquence qui peut être très grande.
Le composant permet par exemple d'obtenir un TOS inférieur à 1, 05 entre 0, 5 GHz et 3,5 GHz.
Pour obtenir ces résultats, il est nécessaire de réaliser un adaptation multiple à la fois en inductance et en capacité.
La dimension géométrique des éléments d'adaptation est adaptée à la dimension et à la puissance du composant.
Selon l'invention, l'adaptation multiple peut être réalisée par :
  • un ou plusieurs éléments inductifs pré-résistance situés en série entre la plage de câblage et la couche résistive ; et / ou
  • un ou plusieurs éléments capacitifs pré-résistance situés en parallèle entre la plage de câblage et la couche résistive ; et / ou
  • un ou plusieurs éléments inductifs post-résistance situés en série entre la couche résistive et la plage de masse.
D'autres avantages ressortiront de la description faite ci-après de l'invention à titre purement explicatif en référence aux figures annexées :
  • les figures 1 et 2 illustrent une version simple du composant selon l'invention, vu respectivement en perspective et en coupe selon AA,
  • les figures 3 et 4 illustrent une version plus complexe du composant selon l'invention, vu respectivement en perspective et en coupe selon BB,
  • la figure 5 illustre le schéma équivalent simplifié du composant simple des figures 1 et 2,
  • la figure 6 illustre le schéma équivalent simplifié du composant complexe des figures 3 et 4.
  • La figure 7 illustre un diagramme du TOS obtenu en fonction de la fréquence, grâce à un composant selon l'invention (courbe B) par rapport à un composant classique (courbe A),
  • La figure 8 illustre le diagramme de Smith du composant de la courbe A, et
  • La figure 9 illustre le diagramme de Smith du composant selon l'invention de la courbe B.
La présente invention se rapporte à un composant passif hyperfréquence à charge résistive (1) destiné à la dissipation de puissance, illustré figures 1 et 2, comportant un support (2), une plage de câblage (3), une plage de masse (4) et une couche résistive (5) présentant une résistance standard entre la plage de câblage (3) et la plage de masse (4).
Le composant selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte des éléments d'adaptation hyperfréquences inductifs et capacitifs complètement intégrés, extérieurs à la couche résistive (5) afin de réaliser une adaptation d'ordre multiple, en multipliant les éléments inductifs en série et les éléments capacitifs en parallèle.
Le composant selon l'invention est également caractérisé en ce que lesdits éléments d'adaptation hyperfréquence présentent des dimensions géométriques adaptées à la dimension et à la puissance du composant.
Une métallisation est réalisée sur la face inférieure (7) du composant (1). Elle constitue la connexion de masse et est dénommée pour cette raison « plan de masse ».
La couche résistive (5) est déposée sur la surface supérieure (8) du composant (1), en contact avec les deux plages métalliques de câblage (3) et de masse (4).
La plage de câblage (3) constitue la connexion d'entrée de la charge résistive et la plage de masse (4) permet la liaison avec le plan de masse (7) par l'intermédiaire de un ou de plusieurs trous (6) dont les parois sont métallisées, débouchant de part et d'autre des surfaces inférieure et supérieure.
Les mêmes résultats peuvent être obtenus avec un flan de retour de masse métallisé, mais la méthode est économiquement moins intéressante.
La figure 5 montre un schéma équivalent simplifié de la charge résistive complète des figures 1 et 2.
La couche résistive (5) est modélisée par la résistance R5 qui est l'élément principal de la charge, complétée par la capacité C5 ainsi que l'inductance L5 disposées entre la couche résistive (5) et le plan de masse (7).
Aux fréquences élevées (domaine des hyperfréquences), ces deux derniers éléments font dévier l'impédance mesurée à la plage (3) de la valeur représentée par R5.
Dans une certaine limite de fréquence supérieure, une compensation des défauts dits du premier ordre est effectuée en ajoutant une inductance supplémentaire L6 réalisée par exemple par le ou les trous métallisés.
Cet ensemble constitue, selon l'état de l'art, un circuit d'adaptation d'ordre 2.
Dans une autre version de l'invention, illustrée figures 3 et 4, on retrouve les mêmes éléments que dans la version simple illustrée figures 1 et 2, mais les plages métallisées (3) et (4) sont réalisées selon un motif plus complexe.
Lesdits éléments d'adaptation hyperfréquences sont constitués :
  • d'un ou de plusieurs éléments inductifs pré-résistance (9) situés en série entre la plage de câblage (3) et la couche résistive (5),
  • d'un ou de plusieurs éléments capacitifs pré-résistance (10) situés en parallèle entre la plage de câblage (3) et la couche résistive (5), le phénomène capacitif étant créé entre la plage de câblage (3) et le plan de masse (7), et
  • d'un ou de plusieurs éléments inductifs post-résistance (11) situés en série entre la couche résistive (5) et la plage de masse (4).
Ledit élément inductif pré-résistance (9) peut être, par exemple, constitué d'une ligne étroite (12).
Ledit élément capacitif pré-résistance (10) peut être, par exemple, constitué d'une ligne large (13), et / ou d'un intervalle isolant (15).
Lesdits éléments inductifs post-résistance (11) peuvent, par exemple, être constitués d'un ou de plusieurs trous (6) dont les parois sont métallisées et / ou d'une ligne étroite (14).
Le composant (1) illustré à titre d'exemple figures 3 et 4 comporte un élément inductif pré-résistance (9), un élément capacitif pré-résistance (10) et deux éléments inductifs post-résistance (11) constitués par des trous (6) et une ligne étroite (14).
Sur la figure 6 montrant le schéma équivalent simplifié de cette dernière version, la ligne étroite (12) forme une inductance en série L9, la ligne large (13) forme une capacité en parallèle C10 et la ligne étroite (14) constitue une inductance complémentaire L11.
La figure 6 montre le rôle des éléments C10, L9, L11 et L6 comme compensateurs des éléments C5 et L5 contenus dans la couche résistive (5) en sus de l'élément principal R5.
Dans une certaine limite de fréquence supérieure, l'ensemble ci-dessus constitue selon l'état de l'art, un circuit d'adaptation du quatrième ordre capable de compenser les défauts de l'impédance mesurée à la plage (3) jusqu'au troisième ordre.
On peut réaliser, grâce à l'invention, un niveau d'adaptation d'ordre multiple, ou d'ordre n, en multipliant les éléments inductifs (9) en série et les éléments capacitifs (10) en parallèle.
Dans une version de l'invention, le support (2) est en oxyde d'aluminium.
Le composant selon l'invention permet de dissiper des énergies de 5 à 100 Watts, tout en gardant la même taille que les composants en oxyde de béryllium.
Les fréquences d'utilisation peuvent atteindre 1 à 5 GHz ou plus selon la puissance à dissiper.
De plus, de par sa configuration, il est très facile à câbler.
On constate sur la figure 7 que, pour une puissance de 30 Watts, le TOS obtenu grâce à un composant selon l'invention (courbe B), est bien meilleur que le TOS obtenu avec un composant classique (courbe A), pour des valeurs de fréquence de :
  • référence 1 : 1 GHz,
  • référence 2 : 1,5 GHz,
  • référence 3 : 2 GHz,
  • référence 4 : 2,5 GHz,
  • référence 5 : 3 GHz,
  • référence 6 : 3,5 GHz.
Les figures 8 et 9 qui illustrent les diagrammes de Smith respectifs des courbes A et B montrent bien que, dans le cas d'un composant classique, l'impédance est uniquement capacitive alors que dans le cas d'un composant selon l'invention, l'impédance est alternativement inductive puis capacitive, puis inductive.
Dans une autre version, le support (2) est en nitrure d'aluminium. Le composant selon l'invention ainsi réalisé permet d'atteindre des performances de puissance dissipée supérieure (à fréquence spécifiée) ou des fréquences de fonctionnement supérieure (à puissance dissipée donnée) à celles des composants en oxyde de Béryllium.
Dans cette version, le retour de masse se fait préférentiellement par tranche métallisée.

Claims (6)

  1. Composant passif hyperfréquence à charge résistive (1) destiné à la dissipation de puissance, comportant un support (2), une plage de câblage (3), une plage de masse (4) et une couche résistive (5) présentant une résistance standard entre la plage de câblage (3) et la plage de masse (4), caractérisé en ce qu'il comporte des éléments d'adaptation hyperfréquences capacitifs et inductifs complètement intégrés, extérieurs à la couche résistive (5), afin de réaliser une adaptation d'ordre multiple, en multipliant les éléments inductifs en série et les éléments capacitifs en parallèle, qui sont constitués :
    d'un ou de plusieurs éléments inductifs pré-résistance (9) situés en série entre la plage de câblage (3) et la couche résistive (5) et,
    d'un ou de plusieurs éléments capacitifs pré-résistance (10) situés en parallèle entre la plage de câblage (3) et la couche résistive (5) et,
    d'un ou de plusieurs éléments inductifs post-résistance (11) situés en série entre la couche résistive (5) et la plage de masse (4).
  2. Composant passif hyperfréquence à charge résistive (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits éléments d'adaptation hyperfréquences présentent des dimensions géométriques adaptées à la dimension et à la puissance du composant.
  3. Composant passif hyperfréquence à charge résistive (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que edit élément inductif pré-résistance (9) est constitué d'une ligne étroite (12).
  4. Composant passif hyperfréquence à charge résistive (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit élément capacitif pré-résistance (10) est constitué d'une ligne large (13).
  5. Composant passif hyperfréquence à charge résistive (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits éléments inductifs post-résistance (11) sont constitués d'un ou de plusieurs trous (6) traversant le support (2) dont les parois sont métallisées.
  6. Composant passif hyperfréquence à charge résistive (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit élément inductif post-résistance (11) est constitué d'une ligne étroite (14).
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