EP1421641A2 - Circuit resonant hyperfrequence et filtre hyperfrequence accordable utilisant le circuit resonant - Google Patents

Circuit resonant hyperfrequence et filtre hyperfrequence accordable utilisant le circuit resonant

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Publication number
EP1421641A2
EP1421641A2 EP02772473A EP02772473A EP1421641A2 EP 1421641 A2 EP1421641 A2 EP 1421641A2 EP 02772473 A EP02772473 A EP 02772473A EP 02772473 A EP02772473 A EP 02772473A EP 1421641 A2 EP1421641 A2 EP 1421641A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
resonant circuit
resonant
microwave
ferromagnetic
line element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02772473A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Gérard TANNE
Erwan Salahun
Patrick Queffelec
Olivier Acher
Anne Lise Adenot
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.)
Univerdite de Bretagne Occidentale
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Univerdite de Bretagne Occidentale
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Univerdite de Bretagne Occidentale filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP1421641A2 publication Critical patent/EP1421641A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/20—Frequency-selective devices, e.g. filters
    • H01P1/215—Frequency-selective devices, e.g. filters using ferromagnetic material
    • H01P1/217—Frequency-selective devices, e.g. filters using ferromagnetic material the ferromagnetic material acting as a tuning element in resonators

Definitions

  • the invention relates to a microwave resonant circuit as well as a frequency tunable microwave filter using the resonant circuit.
  • the invention applies to any transmission / reception device implementing frequency tuning from a magnetic or mechanical control in the microwave domain such as, for example, multi-band mobile telephones.
  • Frequency tunable filters are a particularly important family of microwave functions. There are different ways of making frequency tunable filters according to the known art.
  • the frequency tuning can, for example, be obtained using electronic components of the diode type (varactor diode or PIN diode). Filters with electronic components then exhibit significant insertion losses and high noise levels due to the use of electronic components.
  • Frequency tunable filters can also be made with ferroelectric materials. These filters have the advantage of having relatively low noise levels but require control voltages which can be high and are characterized by significant insertion losses.
  • Tunable filters using magnetic material are also known.
  • Filters using ferrimagnetic materials are the most common. They have the disadvantage of requiring a large static magnetic control field, which implies the use of coils traversed by a current of high intensity. Their operation, based on the evolution of the gyromagnetic permeability under the effect of an external field, requires to overcome a field called "demagnetizing field" to create a given magnetic field inside the magnetic component.
  • the control field must be equal to the internal field, increased by the demagnetizing field.
  • the demagnetizing field can be calculated according to the shape of the sample. Consider for example a flattened parallelepiped of ferrite whose height to side ratio is 1/10. The demagnetizing field can then reach values of the order of 7% of the saturation magnetization. For a ferrite, this represents a control field of the order of 24 A / m to be added to the useful field. Such values are penalizing.
  • Ferromagnetic materials are also used to make microwave filters. Unlike ferrites, the conductive nature of ferromagnetic materials imposes additional constraints to prevent losses by conductivity preventing the propagation of waves.
  • In-line microstrip filters have been produced which include one or more ferromagnetic layers (cf. "Tuneajle microstrîp device controlled by a weak magnetic field using ferromagnetic laminât ions" ALAdenot, O. Acher, T Taffary, P. Quéffélec, G. Tanné, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, 1 May 2000).
  • the layer or layers of ferromagnetic material are inserted between the input port and the output port of a microstrip line.
  • the filters thus produced are band stop filters, the band width of which is solely a function of the width of the gyromagnetic absorption line of the ferromagnetic material.
  • the filtering is then due to the selective losses presented by the ferromagnetic material.
  • the width of the absorption line is of the order of a few hundred MHz and can hardly be changed.
  • the invention does not have the drawbacks and limitations of the various known filters mentioned above.
  • the invention relates to a microwave resonant circuit comprising at least one resonant microstrip line element, the resonant microstrip line element comprising a conductive strip and a mass.
  • the microwave resonant circuit comprises at least one composite element consisting of alternating ferromagnetic layers and insulating layers placed between the conductive tape and the ground plane.
  • the invention also relates to a frequency tunable microwave filter comprising at least one microwave resonant circuit.
  • the microwave resonant circuit is a resonant circuit according to the invention and the microwave filter comprises means for applying a magnetic field to the composite element.
  • a composite element consisting of alternating ferromagnetic layers and insulating layers will also be referenced by the acronym LIFT for "Lamellar Ferromagnetic Insulator on the Trench".
  • LIFT Lamellar Ferromagnetic Insulator on the Trench.
  • the resonant microstrip line element can be, for example, an open circuit or short circuit stub - circuit of respective length ⁇ g / 4 or ⁇ g / 2 or a line element of length substantially equal to ⁇ g / 2, ⁇ g being the length of the wave which propagates in the line element.
  • the term “stub” should be understood to mean an open circuit or short circuit line element placed in derivation of a main propagation line.
  • the ferromagnetic and insulating layers are stacked parallel to the conductive tape and the ground plane.
  • the layers ferromagnets have a thickness between 0.05 ⁇ m and 2 ⁇ m and the insulating layers have a thickness between 2 ⁇ m and 50 ⁇ m.
  • the volume fraction in ferromagnetics is preferably between 0.2% and 20%.
  • by the ferromagnetic volume fraction f is between 0.5 and 300.
  • the saturation magnetization of the ferromagnetic layers is preferably greater than 400kA / m.
  • a LIFT structure comprises, for example, a stack of ferromagnetic layers deposited on a flexible substrate of ylar or kapton.
  • the stacked layers are glued together to achieve, for example, a stacking thickness of between
  • the use of a LIFT composite advantageously makes it possible to control the tuning in frequency with relatively weak magnetic fields.
  • the magnetic field is between 80A / m and 25kA / m. This also makes it possible to produce in large series easier and much less expensive than the use of ferrimagnetic material.
  • the device for controlling the resonant frequency and the gyromagnetic permeability of LIFT composites can consist of a source of static magnetic field acting on the LIFT in a direction parallel to the ferromagnetic layers.
  • the magnetic field source can be, for example, a system of coils traversed by a current or a permanent magnet.
  • Frequency control can also be achieved by a stress applied to the LIFT, parallel to the plane of the ferromagnetic layers.
  • the ferromagnetic layers which constitute the LIFT must have a non-negligible magnetostriction coefficient, for example of the order of 3 to 35 ⁇ 10 ⁇ 6 in absolute value.
  • the applied stress then makes it possible to modify the intensity and the direction of the internal field of the ferromagnetic layers.
  • the stress exerted can be, for example, between 10 and 800Mpa.
  • FIG. 2 shows, as an example, the transmission coefficient of a structure consisting of a microstrip line and a LIFT composite as a function of frequency, for different line widths;
  • FIG. 3A and 3B show a first embodiment of the microwave resonant circuit according to the invention
  • - Figure 4 shows the transmission coefficient of a frequency tunable microwave filter comprising a resonant circuit as shown in Figures 3A and 3B
  • FIG. 5 represents a microwave resonant circuit of the impedance jump resonator type according to the invention
  • Figure 6 shows the responses in reflection and transmission of a frequency-tunable microwave filter comprising a resonant circuit as shown in Figure 5, there
  • FIG. 7 shows a resonant microwave circuit with capacitive coupling according to the invention.
  • FIG. 1 represents the measured relative permeability of a layer of ferromagnetic film.
  • the layer of ferromagnetic film has a thickness of 0.43 ⁇ m.
  • FIG. 1 represents the real part ⁇ ′ and the imaginary part ⁇ ′′ of the relative permeability ⁇ as a function of the frequency.
  • the natural resonance frequency of the ferromagnetic material is characterized by the change to 1 of the real part ⁇ 'and by a maximum value for the imaginary part ⁇ ".
  • the resonance frequency is around 1.6 GHz.
  • the width of the peak of the imaginary permeability ⁇ " is typically a few hundred MHz (for example 700 MHz in the case studied).
  • the relative permeability is essentially real. There is therefore little or no loss.
  • the ferromagnetic material is used according to the invention.
  • FIG. 2 represents, by way of example, the transmission coefficient of a structure made up of a microstrip line and of a LIFT composite as a function of the frequency, for different line widths.
  • a microstrip line consists of a conductive tape and a ground plane, the conductive tape and the ground plane being separated by a dielectric medium.
  • the ferromagnetic composite is placed between the conductive tape and the ground plane of the microstrip line.
  • the width of the ribbon is 4.2mm.
  • ferromagnetic laminate composites in microwave causes losses due to the appearance of induced currents in the ferromagnetic layers. These induced currents result from the presence of components of the microwave electric field in the plane of the ferromagnetic layers. To limit these losses, it clearly appears in FIG. 2 that the strip must have a width greater than or equal to that of the LIFT ferromagnetic composite.
  • FIGS. 3A and 3B represent a first exemplary embodiment of a microwave resonant circuit according to the invention.
  • Figure 3A is a top view of the resonant circuit and
  • Figure 3B is a view along section AA 'in Figure 3A.
  • This first example of a resonant circuit shows the feasibility of a first order filter of the type variable frequency notch according to the invention. Frequency agility is then ensured by variations in the magnetic properties of the LIFT composite under the action of an external static field Ho or an external stress.
  • a ribbon 1 of width R is mounted in derivation of a ribbon 2 of width typically corresponding to the input and output impedances of the device.
  • a LIFT composite 3 is placed between the ribbon 1 and the ground plane 4.
  • the ribbon 1 of width W mounted in parallel with the ribbon 2 constitutes a line element resonant.
  • the resonant frequency of the tape cutter function is controlled by the length L and the width R of the tape 1 and by the intrinsic parameters (permittivity and permeability) of the medium that separates the tape 1 from the ground plane 4.
  • FIG. 4 thus illustrates the transmission coefficient in decibels (S 2 ⁇ dB) of a microwave filter using a resonant circuit such as shown in Figures 3A and 3B for different values of the applied magnetic field Ho (Ho varies from 0 A / m to 20 kA / m).
  • the advantage of the filtering device according to the invention is to be able to control, within a certain limit, the bandwidth of the filter.
  • the bandwidth of the filter advantageously depends on the electrical characteristics of the "stub", for example its length and its width. Filtering devices of the known art which use a ferromagnetic material do not have this advantage since they only use the gyromagnetic losses to fix the bandwidth. According to the invention, it is thus possible, for example, to reduce the bandwidth by doubling the length of the stub and by replacing the open circuit with a short circuit (the bandwidth at -3 dB is then divided by a factor of at least 2).
  • the LIFT 3 composite consists of a set of layers which constitutes, for example, a rectangular parallelepiped.
  • the deposition is carried out, for example, by magnetron sputtering, under vacuum, of the ferromagnetic material on a kapton film unwound continuously in front of the magnetron.
  • the residual magnetic field of the magnetron present at the level of the substrate orients the magnetization of the material in a privileged direction of its plane. This direction is called "easy magnetization axis".
  • the permeability relative to a microwave field applied in the direction of easy magnetization is close to unity, while it has high levels in the direction of the plane of the orthogonal curve to the direction of easy magnetization.
  • the control magnetic field Ho can be applied using conventional means for applying a field, such as one or more coils, with or without magnetic poles or a permanent magnet.
  • the Ho field is applied to a low volume (of the order of magnitude of the volume of the LIFT), which advantageously results in low consumption of the control circuit.
  • the intensity of the static magnetic field can then be, for example, less than or equal to 20 kA / m.
  • a variant filter according to the invention consists in tuning the filter no longer using a magnetic control but using a mechanical constraint.
  • the LIFT component is produced not from a layer of CoNbZr, whose coefficient of magnetostriction is low, but with a more strongly magnetostrictive material, such as an FeCoSiB alloy, with the exception of the compositions of which the ratio between the rate of iron and the rate of Cobalt is between 2 and 10%, for which it is known that the coefficient of magnetostriction is quite low.
  • An alloy of type F 66 ⁇ 8 Si ⁇ B ⁇ 4 has for example a magnetostriction coefficient of the order of 30.10 "6
  • the CoNbZr of the previous example has a magnetostriction coefficient of the order of 10 " 6 .
  • This material also has the advantage of having a magnetization at high saturation, of 1430 kA / m. It is known that a mechanical stress is equivalent to an external magnetic field which is added to or subtracted from the anisotropy field of the layer (depending on the sign and the direction of application of the stress). In the previous example, a stress of 1 MPa in compression in the plane of the layer is equivalent to an external field of the order of 56 A / m applied in the plane of the layer, perpendicular to the stress. The equivalent external field is proportional to the constraint. The equivalent of an external control magnetic field of 8 kA / m is therefore obtained, by exerting a stress of the order of 140 MPa in ferromagnetics.
  • the average stress to be exerted on the LIFT is lower than these values, of the order of 8 MPa for a LIFT composed of a ferromagnetic layer of thickness 0.4 ⁇ m over 12 ⁇ m mylar substrate.
  • the forces at play, taking into account the small size of the LIFTs, are therefore advantageously very low and make the piezoelectric control effective.
  • a ferromagnetic thickness of 0.43 ⁇ was preferably chosen because, for the material considered, significantly increasing the thickness would lead to the appearance of additional losses in below the resonance frequency (losses linked to the skin effect) and significantly reducing this thickness would significantly reduce the ferromagnetic charge rate of the LIFT and therefore the permeability levels. It should however be noted that it is possible to maintain or increase the level of permeability of the LIFT even with smaller thicknesses of ferromagnetic, provided that the thickness of insulation of the LIFT is reduced (the thickness of the insulation is given by the sum of the adhesive thickness and the thickness of the dielectric substrate on which the ferromagnetic layer is deposited). It is thus possible to use dielectric layers of mylar with a thickness of 3.5 ⁇ m, or even 1.6 ⁇ m, for depositing the ferromagnetic material.
  • the ferromagnetic deposition on flexible film is structured in the form of a stack using an epoxy adhesive, the thickness of the adhesive not exceeding 5 ⁇ m.
  • the thickness of the multilayer composite is chosen to be slightly less than the thickness of the substrate of the microstrip line, namely 0.625 mm in the example presented. Then, parallelepipedic pieces of LIFT materials are machined to the desired dimensions, so as to place the ferromagnetic lamellae parallel to the ground plane of the microstrip line.
  • FIG. 5 represents a resonator circuit with jump of impedance according to the invention.
  • a microwave filter which uses a jump impedance resonator will also be called SIR filter (SIR for "Stepped Impedance Resonator").
  • SIR filters have the disadvantage of having parasitic feedback at harmonic frequencies. It is shown (cf. "Improvement of global performances of band-pass filters using non-conventional stepped impedance resonators", S.Denis; C.Person; S.Toutain;
  • the SIR filters according to the invention advantageously make it possible to eliminate the existence of part of the parasitic lifts.
  • the suppression of parasitic lifts is then obtained by making them coincide with the gyromagnetic resonance of the LIFT material. It is then possible to make a variable frequency filter while controlling the first parasitic ascent.
  • FIG. 5 The topology of an SIR filter according to the invention is shown in FIG. 5.
  • a ribbon 5 of length L is between a first set of coupled lines 6 and a second set of coupled lines 7.
  • the LIFT element 8 is placed under the ribbon 5.
  • the assembly formed by the coupled lines 6 and 7 and the ribbon 5 forms the resonator of total length substantially equal to ⁇ g / 2. In practice, depending on the impedance ratio, the length of the resonator will be slightly greater or less than ⁇ g / 2.
  • the LIFT element is centered between the two sets of coupled lines so as not to modify the bandwidth of the filter which is essentially fixed by the coupling level of the coupled lines.
  • a static magnetic field only the central frequency of the filter is modified by variation of the electrical length of the line ⁇ g / 2.
  • the input and output couplings are not disturbed by the magnetic field and the bandwidth of the filter remains almost insensitive to the static field applied.
  • the responses measured for different values of the static magnetic field are presented in Figure 6.
  • FIG. 6 represents, as a function of the frequency, the reflection coefficients Sn (dB) and transmission S 2 ⁇ (dB), in decibels, of a microwave filter which uses a resonant circuit as shown in FIG. 5 for different values of the applied magnetic field Ho (Ho varies from 0 A / m to 20 kA / m). A variation of ⁇ 24% is obtained around fo ⁇ l.O ⁇ GHz.
  • the width of the filtered band is significantly smaller than the width of the gyromagnetic loss peak, which illustrates well the advantage and the versatility of the filters according to the invention, compared to existing tunable magnetic filters.
  • FIG. 7 represents a third example of a resonant circuit according to the invention.
  • the circuit shown in FIG. 7 is a circuit with capacitive coupling and with a ⁇ g / 2 resonator.
  • a line element 10 of length ⁇ g / 2 is between two lines 9 and 11.
  • the capacitive coupling is carried out by a first space el which separates the line 9 and the line element 10 and a second space e2 which separates the line 9 and the line element 11.
  • a LIFT composite 12 is placed, centrally, under the line element 10.

Landscapes

  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Abstract

L'invention concerne un circuit résonant hyperfréquence et un filtre hyperfréquence accordable utilisant le circuit résonant. Le circuit résonant comprend au moins un élément de ligne microbande résonant, l'élément de ligne microbande résonant comprenant un ruban conducteur (1) et un plan de masse (4). Le circuit résonant comprend au moins un élément composite (3) constitué d'une alternance de couches ferromagnétiques et de couches isolantes placé entre le ruban conducteur et le plan de masse. L'invention s'applique, de façon générale, à tout dispositif d'émission/réception qui met en oeuvre un accord de fréquence dans le domaine des hyperfréquences tel que, par exemple, les téléphones mobiles multi-bandes.

Description

CIRCUIT RESONANT HYPERFREQUENCE ET FILTRE HYPERFREQUENCE ACCORDABLE UTILISANT LE CIRCUIT RESONANT
Domaine technique et art antérieur L' invention concerne un circuit résonant hyperfréquence ainsi qu'un filtre hyperfréquence accordable en fréquence utilisant le circuit résonant.
L'invention s'applique à tout dispositif d'émission/réception mettant en œuvre un accord de fréquence à partir d'une commande magnétique ou mécanique dans le domaine des hyperfrequences tel que, par exemple, les téléphones mobiles multi-bandes.
Le développement des applications hyperfrequences requiert l'utilisation de fonctions hyperfrequences de plus en plus performantes
(performances radioélectriques accrues, consommation plus faible, miniaturisation importante, agilité en fréquence, coûts de fabrication et de câblage faibles) .
Les filtres accordables en fréquence constituent une famille de fonctions hyperfrequences particulièrement importante. Il existe différentes façons de réaliser des filtres accordables en fréquence selon l'art connu.
L'accord en fréquence peut, par exemple, être obtenu à l'aide de composants électroniques du type diode (diode varactor ou diode PIN) . Les filtres à composants électroniques présentent alors des pertes d' insertion significatives et des niveaux de bruit élevés dus à l'utilisation des composants électroniques.
Des filtres accordables en fréquence peuvent également être réalisés avec des matériaux ferroélectriques. Ces filtres ont l'avantage de présenter des niveaux de bruit relativement faibles mais nécessitent des tensions de commande qui peuvent être élevées et sont caractérisés par des pertes d'insertion importantes.
Des filtres accordables utilisant un matériau magnétique sont également connus.
Les filtres utilisant des matériaux ferrimagnétiques, comme des ferrites ou des grenats d'yttrium (YIG) , sont les plus répandus. Ils présentent l'inconvénient de nécessiter un champ magnétique statique de commande important, ce qui implique l'utilisation de bobines parcourues par un courant d'intensité élevée. Leur fonctionnement, basé sur l'évolution de la perméabilité gyromagnétique sous l'effet d'un champ externe, nécessite de vaincre un champ appelé "champ démagnétisant" pour créer un champ magnétique donné à l'intérieur du composant magnétique. Le champ de commande doit être égal au champ interne, augmenté du champ démagnétisant. Pour des matériaux massifs, le champ démagnétisant peut être calculé en fonction de la forme de l'échantillon. Considérons par exemple un parallélépipède aplati de ferrite dont le rapport hauteur sur côté vaut 1/10. Le champ démagnétisant peut alors atteindre des valeurs de l'ordre de 7% de l'aimantation à saturation. Pour un ferrite, cela représente un champ de commande de l'ordre de 24 A/m à rajouter au champ utile. De telles valeurs sont pénalisantes.
Les matériaux ferromagnétiques sont aussi utilisés pour réaliser des filtres hyperfréquence. Contrairement aux ferrites, le caractère conducteur des matériaux ferromagnétiques impose des contraintes supplémentaires pour éviter que des pertes par conductivité ne s'opposent à la propagation des ondes. Des filtres en ligne microbande ont été réalisés qui comprennent une ou plusieurs couches ferromagnétiques (cf. "Tuneajle microstrîp device controlled by a weak magnetic field using ferromagnetic laminât ions " A.L.Adenot, O.Acher, T Taffary, P. Quéffélec, G.Tanné, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, 1 May 2000) .
La ou les couches de matériau ferromagnétique sont insérées entre le port d'entrée et le port de sortie d'une ligne microbande. Les filtres ainsi réalisés sont des filtres stop-bande dont la largeur de bande est uniquement fonction de la largeur de la raie d'absorption gyromagnétique du matériau ferromagnétique. Le filtrage est alors dû aux pertes sélectives que présente le matériau ferromagnétique. La largeur de la raie d'absorption est de l'ordre de quelques centaines de MHz et ne peut quasiment pas être modifiée.
L'invention ne présente pas les inconvénients et limitations des différents filtres connus mentionnés ci-dessus.
Exposé de l'invention
L' invention concerne un circuit résonant hyperfréquence comprenant au moins un élément de ligne microbande résonant, l'élément de ligne microbande résonant comprenant un ruban conducteur et un plan de masse. Le circuit résonant hyperfréquence comprend au moins un élément composite constitué d'une alternance de couches ferromagnétiques et de couches isolantes placé entre le ruban conducteur et le plan de masse. L' invention concerne également un filtre hyperfréquence accordable en fréquence comprenant au moins un circuit résonant hyperfréquence. Le circuit résonant hyperfréquence est un circuit résonant selon l'invention et le filtre hyperfréquence comprend des moyens pour appliquer un champ magnétique à l'élément composite.
Dans la suite de la description, un élément composite constitué d'une alternance de couches ferromagnétiques et de couches isolantes sera également référencé par l'acronyme LIFT pour "Lamellaire Isolant Ferromagnétique sur la Tranche". Un tel élément composite est décrit, par exemple, dans le brevet français intitulé « Composite hyperfréquence anisotrope » publié sous le N°2 698 479. L'élément de ligne microbande résonant peut être, par exemple, un stub en circuit ouvert ou en court-circuit de longueur respective λg/4 ou λg/2 ou un élément de ligne de longueur sensiblement égale à λg/2, λg étant la longueur de l'onde qui se propage dans l'élément de ligne. Comme cela est connu de l'homme de l'art, il faut entendre par "stub" un élément de ligne en circuit ouvert ou en court-circuit placé en dérivation d'une ligne de propagation principale.
Les couches ferromagnétiques et isolantes sont empilées parallèlement au ruban conducteur et au plan de masse. De façon préférentielle, les couches ferromagnétiques ont une épaisseur comprise entre 0,05μm et 2μm et les couches isolantes ont une épaisseur comprise entre 2μm et 50μm. La fraction volumique en ferromagnétique est préférentiellement comprise entre 0,2% et 20%. De façon préférentielle également, le produit de la susceptibilité du matériau ferromagnétique | -l| par la fraction volumique en ferromagnétique f est compris entre 0,5 et 300. L'aimantation à saturation des couches ferromagnétiques est préférentiellement supérieure à 400kA/m.
Une structure LIFT comprend, par exemple, un empilement de couches ferromagnétiques déposées sur un substrat souple de ylar ou de kapton. Les couches empilées sont collées l'une à l'autre pour atteindre, par exemple, une épaisseur d'empilement comprise entre
50% et 100% de l'épaisseur totale du substrat de la ligne microbande.
L'utilisation d'un composite LIFT permet avantageusement de commander 1 ' accord en fréquence avec des champs magnétiques relativement faibles. De façon préférentielle, le champ magnétique est compris entre 80A/m et 25kA/m. Cela permet également une réalisation en grande série plus aisée et beaucoup moins onéreuse que l'utilisation de matériau ferrimagnétique. Le dispositif pour commander la fréquence de résonance et la perméabilité gyromagnétique des composites LIFT peut être constitué d'une source de champ magnétique statique agissant sur le LIFT dans une direction parallèle aux couches ferromagnétiques. La source de champ magnétique peut être, par exemple, un système de bobines parcourues par un courant ou un aimant permanent .
La commande en fréquence peut également être réalisée par une contrainte appliquée sur le LIFT, parallèlement au plan des couches ferromagnétiques . Dans ce cas, les couches ferromagnétiques qui constituent le LIFT doivent avoir un coefficient de magnétostriction non négligeable, par exemple de l'ordre de 3 à 35 10"6 en valeur absolue. La contrainte appliquée permet alors de modifier l'intensité et la direction du champ interne aux couches ferromagnétiques. La contrainte exercée peut être, par exemple, comprise entre 10 et 800Mpa.
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention fait en référence aux figures jointes, parmi lesquelles : - la figure 1 représente, à titre d'exemple, la perméabilité relative mesurée d'une couche de film ferromagnétique ;
- la figure 2 représente, à titre d'exemple, le coefficient de transmission d'une structure constituée d'une ligne microbande et d'un composite LIFT en fonction de la fréquence, pour différentes largeurs de ligne ;
- les figures 3A et 3B représentent un premier exemple de réalisation de circuit résonant hyperfréquence selon l'invention ; - la figure 4 représente le coefficient de transmission d'un filtre hyperfréquence accordable en fréquence comprenant un circuit résonant tel que représenté aux figures 3A et 3B ; - la figure 5 représente un circuit résonant hyperfréquence de type résonateur à saut d'impédance selon l'invention ; la figure 6 représente les réponses en réflexion et en transmission d'un filtre hyperfréquence accordable en fréquence comprenant un circuit résonant tel que représenté en figure 5,y
- la figure 7 représente un circuit résonant hyperfréquence à couplage capacitif selon l'invention.
Sur toutes les figures, les mêmes repères désignent les mêmes éléments.
Description détaillée de modes de mise en oeuyre de 1 ' invention
La figure 1 représente la perméabilité relative mesurée d'une couche de film ferromagnétique. A titre d'exemple non limitatif, la couche de film ferromagnétique a une épaisseur de 0,43μm.
Comme cela est connu de l'homme de l'art, la perméabilité relative μ d'un milieu est représentée par un nombre complexe : μ = μ' - j μ".
La figure 1 représente la partie réelle μ' et la partie imaginaire μ" de la perméabilité relative μ en fonction de la fréquence. La fréquence de résonance propre du matériau ferromagnétique est caractérisée par le passage à 1 de la partie réelle μ' et par une valeur maximale pour la partie imaginaire μ" . Dans l'exemple de la figure 1, la fréquence de résonance se situe autour de 1,6 GHz. La largeur du pic de la perméabilité imaginaire μ" est typiquement de quelques centaines de MHz (par exemple 700 MHz dans le cas étudié) .
A quelques centaines de MHz en dessous de la fréquence de résonance gyromagnétique, la perméabilité relative est essentiellement réelle. Il y a donc peu ou pas de pertes. Avantageusement, c'est dans cette zone de fréquences que le matériau ferromagnétique est utilisé selon l'invention.
La figure 2 représente, à titre d'exemple, le coefficient de transmission d'une structure constituée d'une ligne microbande et d'un composite LIFT en fonction de la fréquence, pour différentes largeurs de ligne. Le coefficient de transmission est exprimé en décibels (S2ι(dB)) pour trois largeurs de ligne différentes (Wι=3,3mm ; 2=4,2mm ; 3=6mm) . De façon connue, une ligne microbande est constituée d'un ruban conducteur et d'un plan de masse, le ruban conducteur et le plan de masse étant séparés par un milieu diélectrique. Dans la structure dont les mesures sont illustrées en figure 2, le composite ferromagnétique est placé entre le ruban conducteur et le plan de masse de la ligne microbande. Dans l'exemple choisi, la largeur du ruban est égale à 4,2mm.
L'utilisation de composites ferromagnétiques lamellaires en hyperfréquence entraîne des pertes dues à l'apparition de courants induits dans les couches ferromagnétiques. Ces courants induits résultent de la présence de composantes du champ électrique hyperfréquence dans le plan des couches ferromagnétiques. Pour limiter ces pertes, il apparaît clairement sur la figure 2, que le ruban doit avoir une largeur supérieure ou égale à celle du composite ferromagnétique LIFT. La réponse du dispositif mesuré montre en effet que pour une largeur de ruban inférieure à la largeur du composite LIFT (Wι=3,3mm), le niveau de pertes d'insertion est plus important en haute fréquence (c'est-à-dire au-delà du pic d'absorption) que pour une largeur de ruban égale ou supérieure à la largeur du composite ferromagnétique ( 2=4,2mm ; W3=6mm) .
Par ailleurs, la fréquence de résonance est sensible à l'effet des champs démagnétisants dynamiques. Ces champs ont pour effet de décaler la fréquence d'absorption magnétique vers les hautes fréquences. Ce décalage de la fréquence de résonance est engendré par la création de pôles magnétiques à la surface du composite ferromagnétique lorsque le champ magnétique hyperfréquence pénètre et sort du substrat magnétique. L'étude numérique des caractéristiques géométriques de la ligne permet de contrôler cette fréquence de résonance. Les figures 3A et 3B représentent un premier exemple de réalisation de circuit résonant hyperfréquence selon l'invention. La figure 3A est une vue de dessus du circuit résonant et la figure 3B est une vue selon la coupe AA' de la figure 3A. Ce premier exemple de circuit résonant montre la faisabilité d'un filtre du premier ordre de type coupe-bande à fréquence variable selon l'invention. L'agilité en fréquence est alors assurée par les variations des propriétés magnétiques du composite LIFT sous l'action d'un champ statique extérieur Ho ou d'une contrainte extérieure.
Un ruban 1 de largeur R est monté en dérivation d'un ruban 2 de largeur correspondant typiquement aux impédances d'entrée et de sortie du dispositif. Un composite LIFT 3 est placé entre le ruban 1 et le plan de masse 4. Le ruban 1 de largeur W monté en parallèle du ruban 2 constitue un élément de 1igne rêsonant .
La fréquence de résonance de la fonction coupe- bande est commandée par la longueur L et la largeur R du ruban 1 et par les paramètres intrinsèques (permittivité et perméabilité) du milieu qui sépare le ruban 1 du plan de masse 4.
Lorsque l'un de ces paramètres est modifié par l'application d'une perturbation extérieure, l'impédance ramenée dans le plan de dérivation est différente et la fréquence de résonance est alors modifiée. A l'état désaimanté, l'impédance du matériau est forte, en raison de la valeur élevée de la perméabilité. Lorsque le matériau est saturé, la perméabilité relative tend vers 1 et la fréquence de résonance tend vers celle calculée pour un substrat diélectrique. Une fonction coupe-bande agile en fréquence à commande magnétique peut ainsi être réalisée. La figure 4 illustre ainsi le coefficient de transmission en décibels (S2ι dB) d'un filtre hyperfréquence utilisant un circuit résonant tel que représenté aux figures 3A et 3B pour différentes valeurs du champ magnétique appliqué Ho (Ho varie de 0 A/m à 20 kA/m) .
L'intérêt du dispositif de filtrage selon l'invention est de pouvoir maîtriser, dans une certaine limite, la largeur de bande du filtre. En effet, la largeur de bande du filtre dépend avantageusement des caractéristiques électriques du "stub", par exemple sa longueur et sa largeur. Les dispositifs de filtrage de l'art connu qui utilisent un matériau ferromagnétique ne présentent pas cet avantage puisqu'ils n'utilisent que les pertes gyromagnétiques pour fixer la largeur de bande. Selon l'invention, il est ainsi possible, par exemple, de réduire la largeur de bande en doublant la longueur du stub et en remplaçant le circuit ouvert par un court-circuit (la largeur de bande à —3 dB est alors divisée par un facteur d'au moins 2) .
Le composite LIFT 3 est constitué d'un ensemble de couches qui constitue, par exemple, un parallélépipède rectangle. Chaque couche est constituée, par exemple, d'un dépôt de ferromagnétique amorphe de d'épaisseur 0,43 μm et d'aimantation à saturation 875 kA/m sur un substrat kapton d'épaisseur e = 12μm. Le dépôt est réalisé, par exemple, par pulvérisation cathodique magnétron, sous vide, du matériau ferromagnétique sur un film de kapton déroulé en continu devant le magnétron. Le champ magnétique résiduel du magnétron présent au niveau du substrat oriente l'aimantation du matériau dans une direction privilégiée de son plan. Cette direction est appelée "axe de facile aimantation" . A des fréquences de l'ordre de 100 MHz et au-delà, la perméabilité relative à un champ hyperfréquence appliqué selon la direction de facile aimantation est proche de l'unité, alors qu'elle présente des niveaux élevés dans la direction du plan de la courbe orthogonale à la direction de facile aimantation.
Le champ magnétique de commande Ho peut être appliqué à l'aide de moyens classiques d'application d'un champ, tels qu'une ou plusieurs bobines, avec ou sans pôles magnétiques ou un aimant permanent. Le champ Ho est appliqué sur un volume faible (de l'ordre de grandeur du volume du LIFT) , ce qui entraîne avantageusement une faible consommation du circuit de commande. L'intensité du champ magnétique statique peut alors être, par exemple, inférieure ou égale à 20 kA/m. Une variante de filtre selon l'invention consiste à accorder le filtre non plus à l'aide d'une commande magnétique mais à l'aide d'une contrainte mécanique . Dans ce cas, le composant LIFT est réalisé non pas à partir d'une couche de CoNbZr, dont le coefficient de magnétostriction est faible, mais avec un matériau plus fortement magnétostrictif, tel qu'un alliage FeCoSiB, à l'exception des compositions dont le rapport entre le taux de fer et le taux de Cobalt est compris entre 2 et 10%, pour lequel il est connu que le coefficient de magnétostriction est assez faible. Un alliage de type F 66 θ8SiιBι4 présente par exemple un coefficient de magnétostriction de l'ordre de 30.10"6, alors que le CoNbZr de l'exemple précédent présente un coefficient de magnétostriction de l'ordre de 10"6. Ce matériau présente en outre l'avantage d'avoir une aimantation à saturation élevée, de 1430 kA/m. Il est connu qu'une contrainte mécanique est équivalente à un champ magnétique extérieur qui vient se rajouter ou se retrancher au champ d'anisotropie de la couche (selon le signe et la direction d'application de la contrainte). Dans l'exemple précédent, une contrainte de 1 MPa en compression dans le plan de la couche est équivalente à un champ externe de l'ordre de 56 A/m appliqué dans le plan de la couche, perpendiculairement à la contrainte. Le champ externe équivalent est proportionnel à la contrainte. On obtient donc l'équivalent d'un champ magnétique extérieur de commande de 8kA/m, en exerçant une contrainte de l'ordre de 140 MPa dans le ferromagnétique. Comme le substrat souple a un module beaucoup plus faible que le ferromagnétique, la contrainte moyenne à exercer sur le LIFT est plus faible que ces valeurs, de l'ordre de 8MPa pour un LIFT composé d'une couche ferromagnétique d'épaisseur 0.4μm sur substrat mylar de 12μm. Les forces en jeux, compte tenu de la faible dimension des LIFT, sont donc avantageusement très faibles et rendent la commande piézo-électrique efficace.
Pour appliquer la contrainte, on peut utiliser un dispositif piézo-électrique, à commande électrique, qui vient contraindre le composite LIFT et ainsi changer les caractéristiques de l'accord.
Une épaisseur de ferromagnétique de 0,43 μ a préférentiellement été choisie car, pour le matériau considéré, augmenter notablement l'épaisseur conduirait à faire apparaître des pertes supplémentaires en dessous de la fréquence de résonance (pertes liées à l'effet de peau) et diminuer notablement cette épaisseur réduirait significativement le taux de charge en ferromagnétique du LIFT et donc les niveaux de perméabilité. Il faut toutefois noter qu'il est possible de maintenir ou d'augmenter le niveau de perméabilité du LIFT même avec des épaisseurs de ferromagnétique plus faibles, à condition de diminuer l'épaisseur d'isolant du LIFT (l'épaisseur de l'isolant est donnée par la somme de l'épaisseur de colle et de l'épaisseur du substrat diélectrique sur lequel est déposée la couche ferromagnétique) . Il est ainsi possible d'utiliser des couches diélectriques de mylar d'épaisseur 3,5 μm, voire 1,6 μm, pour déposer le matériau ferromagnétique.
Le dépôt ferromagnétique sur film souple est structuré sous la forme d'un empilement à l'aide d'une colle époxyde, l'épaisseur de colle ne dépassant pas 5 μm. L'épaisseur du composite multicouche est choisie pour être légèrement inférieure à l'épaisseur du substrat de la ligne microruban, à savoir 0,625 mm dans l'exemple présenté. Ensuite, des pièces parallelepipediques de matériaux LIFT sont usinées aux dimensions voulues, de manière à placer les lamelles ferromagnétiques parallèles au plan de masse de la ligne microruban.
La figure 5 représente un circuit résonateur à saut d'impédance selon l'invention. Un filtre hyperfréquence qui utilise un résonateur à saut d'impédance sera par la suite également appelé filtre SIR (SIR pour "Stepped Impédance Resonator") . Le principal intérêt des filtres SIR réside dans leur flexibilité de mise en oeuvre et, particulièrement, la possibilité de s'affranchir en partie de contraintes technologiques en déterminant un rapport d' impédances caractéristiques entre sections adjacentes facilement synthétisables. Les filtres SIR ont le désavantage de présenter des remontées parasites aux fréquences harmoniques. Il est montré (cf. "Improvement of global performances of band-pass filters using non-conventionnal stepped impédance resonators " , S.Denis ; C.Person ; S.Toutain ;
S.Vigneron ; B.Théron ; EUMC, 5-7 october 1998, Amsterdam, p.323, vol.2) que l'utilisation de résonateurs à saut d'impédance non conventionnels, c'est-à-dire avec une décomposition aléatoire des résonateurs, ouvre des perspectives nouvelles, tant pour le contrôle des remontées parasites que pour la maîtrise des pertes et des effets parasites.
Les filtres SIR selon l'invention permettent avantageusement de supprimer l'existence d'une partie des remontées parasites. La suppression des remontées parasites est alors obtenue en faisant coïncider ces dernières avec la résonance gyromagnétique du matériau LIFT. Il est alors possible de réaliser un filtre à fréquence variable tout en maîtrisant les premières remontées parasites.
La topologie d'un filtre SIR selon l'invention est représentée en figure 5. Un ruban 5 de longueur L est compris entre un premier ensemble de lignes couplées 6 et un deuxième ensemble de lignes couplées 7. L'élément LIFT 8 est placé sous le ruban 5. L'ensemble formé par les lignes couplées 6 et 7 et le ruban 5 forme le résonateur de longueur totale sensiblement égale à λg/2. En pratique, en fonction du rapport d'impédance, la longueur du résonateur sera légèrement supérieure ou inférieure à λg/2.
Préférentiellement, l'élément LIFT est centré entre les deux ensembles de lignes couplées pour ne pas modifier la bande passante du filtre qui est essentiellement fixée par le niveau de couplage des lignes couplées. Ainsi, par application d'un champ magnétique statique, seule la fréquence centrale du filtre est modifiée par variation de la longueur électrique de la ligne λg/2. Les couplages d'entrée et de sortie ne sont pas perturbés par le champ magnétique et la bande passante du filtre reste quasiment insensible au champ statique appliqué. Le filtre est réalisé, par exemple, sur un substrat Arlon (εr=3.5) afin d'avoir une permittivité du substrat proche de celle du composite LIFT et ainsi diminuer les discontinuités électromagnétiques. Les réponses mesurées pour différentes valeurs du champ magnétique statique sont présentées à la figure 6.
La figure 6 représente, en fonction de la fréquence, les coefficients de réflexion Sn(dB) et de transmission S2ι (dB) , en décibels, d'un filtre hyperfréquence qui utilise un circuit résonant tel que représenté en figure 5 pour différentes valeurs du champ magnétique appliqué Ho (Ho varie de 0 A/m à 20 kA/m) . Une variation de ± 24% est obtenue autour de fo≈l.OΘ GHz. Il apparaît clairement, sur la figure 6, que la largeur de la bande filtrée est nettement plus faible que la largeur du pic de pertes gyromagnétiques, ce qui illustre bien l'intérêt et la versatilité des filtres selon l'invention, par rapport aux filtres magnétiques accordables existants.
Pour améliorer la réponse du filtre en ce qui concerne le niveau de pertes d'insertion, les caractéristiques géométriques de la ligne microruban et du matériau sont prises en compte comme précédemment décrit.
La figure 7 représente un troisième exemple de circuit résonant selon l'invention. Le circuit représenté en figure 7 est un circuit à couplage capacitif et à résonateur λg/2. Un élément de ligne 10 de longueur λg/2 est compris entre deux lignes 9 et 11. Le couplage capacitif est réalisé par un premier espace el qui sépare la ligne 9 et l'élément de ligne 10 et un deuxième espace e2 qui sépare la ligne 9 et l'élément de ligne 11. Un composite LIFT 12 est placé, de façon centrale, sous l'élément de ligne 10.

Claims

REVENDICATIONS
1. Circuit résonant hyperfréquence comprenant au moins un élément de ligne microbande résonant (1, 6, 5, 7, 10), l'élément de ligne microbande résonant comprenant un ruban conducteur et un plan de masse, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un élément composite (3, 8, 12) constitué d'une alternance de couches ferromagnétiques et de couches isolantes placé entre le ruban conducteur et le plan de masse.
2. Circuit résonant selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de ligne microbande résonant est un stub en circuit ouvert (1) ou en court- circuit monté en parallèle d'une ligne principale (2) .
3. Circuit résonant selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de ligne microbande résonant est un élément de ligne de longueur sensiblement égale à λg/2 (10) , λg étant la longueur de l'onde qui se propage dans l'élément de ligne, couplé à une ligne principale par couplage capacitif.
4. Circuit résonant selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de ligne microbande résonant est constitué d'un élément de ligne de longueur L (5) , placé entre un premier ensemble de lignes couplées (6) et un deuxième ensemble de lignes couplées (7), la longueur totale de l'ensemble formé par l'élément de ligne microbande et par les premier et deuxième ensembles de lignes couplées étant sensiblement égale à λg/2, λg étant la longueur de l'onde qui se propage dans l'élément de ligne.
5. Circuit résonant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément composite (3, 8, 12) a une forme de parallélépipède rectangle dont la largeur est sensiblement inférieure à la largeur du ruban, le parallélépipède rectangle étant positionné de façon centrée sous le ruban.
6. Circuit résonant selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'élément composite (3, 8, 12) a une épaisseur comprise entre 50% et 100% de la distance qui sépare le ruban du plan de masse.
7. Circuit résonant selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les couches isolantes de l'élément composite sont faites en kapton ou en mylar.
8. Filtre hyperfréquence accordable en fréquence comprenant au moins un circuit résonant, caractérisé en ce que le circuit résonant est un circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 et en ce qu'il comprend des moyens pour appliquer un champ magnétique à l'élément composite.
9. Filtre hyperfréquence selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens pour appliquer un champ magnétique . comprennent au moins une bobine parcourue par un courant et/ou un aimant permanent.
10. Filtre hyperfréquence selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que le matériau ferromagnétique est du Co87 bιι,5Zrι(5.
11. Filtre hyperfréquence selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens pour appliquer un champ magnétique sont des moyens d'application d'une contrainte mécanique sur l'élément composite et en ce que les couches ferromagnétiques sont faites en un matériau magnétostrictif.
12. Filtre hyperfréquence selon la i revendication 11, caractérisé en ce que le matériau magnétostrictif est un alliage de FeCoSiB, à l'exception des compositions dont le rapport entre le taux de cobalt (Co) et le taux de fer (Fe) est compris entre 2 et 10%.
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