EP1536509A1 - Dispositif permettant la variation des paramètres d'une onde électromagnétique - Google Patents

Dispositif permettant la variation des paramètres d'une onde électromagnétique Download PDF

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EP1536509A1 EP04106045A EP04106045A EP1536509A1 EP 1536509 A1 EP1536509 A1 EP 1536509A1 EP 04106045 A EP04106045 A EP 04106045A EP 04106045 A EP04106045 A EP 04106045A EP 1536509 A1 EP1536509 A1 EP 1536509A1
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/18—Phase-shifters
    • H01P1/19—Phase-shifters using a ferromagnetic device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/22—Attenuating devices
    • H01P1/23—Attenuating devices using ferromagnetic material

Definitions

  • the invention relates to a device for varying the least one component or parameter of an electromagnetic wave.
  • ferrite phase shifter or a microwave attenuator.
  • US Patent 5,774,025 discloses a method of manufacturing a planar phase shifter composed of several layers of ferrite. Layers are metallized by applying a quantity of conductive metal according to a diagram selected. Metallic orifices ensure the connection of layers between them. The whole is then brought to a temperature between 800 ° C and 1000 ° C to obtain an integrated structure.
  • the present invention implements in particular a line triplate that unfolds inside the volume of the material in order to obtain a sufficient length by which it is possible to vary a component of the electromagnetic wave a specific phase shift can be feasible.
  • triplet line or mean a line that consists of a central ribbon placed between two planes of mass.
  • the subject of the invention relates to a device making it possible to vary one or more parameters of a microwave wave, the device comprising at least two layers of ferrite characterized in that has at least one magnetization circuit and a propagation line microwave waves, said line being deployed in the whole or the almost the entire volume of the device.
  • the invention notably offers the possibility of producing a phase-shifter extremely integrated. It also makes it possible to obtain a device that fulfills the attenuator function and / or phase shifter function in a volume restricted.
  • FIG. 1 schematizes the principle used in the device according to the invention where the propagation line 2 of the microwave waves is a triplate line whose substrate 1 is a ferrite material.
  • the width of the line and the thickness of the circuit thus formed are adjusted for example so as to obtain an impedance of 50 ohms.
  • Reference 3 denotes metallization.
  • a reciprocal phase shift effect in the line In a longitudinal magnetization of the ferrite substrate, one obtains example a reciprocal phase shift effect in the line. This phase shift is related to the intensity of the magnetization.
  • one or several parameters of the wave for example to obtain an effect attenuation of the wave.
  • triplate line allows the realization of a multilayer by stacking the triplate lines one on the other. It is sufficient to make an interconnection between the lines by means of metallized holes that connect the central conductors to each other. Employing this process, it is possible to stack several lines triplaques one on the others and thus get a significant electrical length arranged in a volume circuit. Similarly, on the same circuit layer, the line plate can be rolled up to maximize its length for a ferrite surface given.
  • the winding structure of the strip line can be a spiral winding, or any other winding geometry allowing vary, for example, phase, amplitude, or any other parameter of the microwave wave.
  • FIG. 2 represents an external view of a phase-shifting circuit according to the invention. It comprises several layers of substrate 1 (1 1 , 1 2 , ..1 i , ..) stacked on each other. These layers consist for example of ferrite.
  • substrate 1 (1 1 , 1 2 , ..1 i , ..)
  • These layers consist for example of ferrite.
  • an orifice 4 for winding a solenoid 5 having in particular the magnetization function of the phase shifter circuit.
  • the lines of the solenoids are wound around one of the sides of the device, and comprise two ports 6, 7 respectively for the incoming magnetization current and for the outgoing magnetization current.
  • the character volume of the circuit which can be exploited to serve as a circuit of low frequency magnetization.
  • the ferrite which serves as a substrate dielectric at the triplate line, can also be used as low ferrite frequency for the magnetization circuit.
  • the turns of the solenoid which constitutes the circuit of magnetization.
  • the metallization is carried out using a technique known to those skilled in the art.
  • FIG. 3A is a view from above of the upper layer of circuit. This layer is formed of a ferrite substrate 1. On one side of the substrate 1, the coils of the solenoid 5 are wound.
  • FIG. 3B schematizes the second layer comprising a central conductor of the triplate line.
  • This line is for example distributed spirally around the orifice 4.
  • An entry 9 of this line is the input of the microwave signal.
  • the second layer includes a hole metallized 8 allowing the propagation of the microwave between the different levels.
  • the distance between the parts constituting the stripline line is chosen so as to minimize the coupling phenomena.
  • the length total of the line is for example fixed according to the value of phase shift that we want to get.
  • FIG. 3C represents the second-last layer of substrate which has the central conductor of the triplate line. It includes a output 10 for the microwave signal and a metallized hole 8 allowing the passing the signal to the other levels.
  • Figure 3D represents the lower layer of the circuit according to the invention.
  • Magnetic solenoid turns winding around a side of the circuit thus formed.
  • the microwave signal is thus propagates in the volume of the circuit through the triplate line.
  • Figure 4 is a sectional view of a phase shifter according to the invention. This view shows the stack of the different ferrite layers (1 1 , 1 2 , ..1 i , ..), the metallized holes 8 allowing the connection between the different levels or layers, the central conductor 2 and the metallization 3.
  • the thickness of a ferrite layer is, for example, 0.15 mm in standard (process of coffritage).
  • a triplate line requires, for example 2 layers of ferrite making a thickness of 0.33 mm with the metallization.
  • On a 10mm by 10mm substrate you can wrap the line in several turns over a total length of 45mm. In S band, this length is at least an electrical length of 2 lengths wave.
  • a line of 2 ⁇ per layer of triplate We considers that it takes between 5 and 10 ⁇ , of total length to create a phase shift of 360 ° (1 ⁇ ), by variation of the magnetization.
  • We then obtain a multilayer ferrite circuit structure which contains 6 to 10 layers of ferrite, for a total thickness of 3.3 mm and a surface of 10mm by 10 mm.
  • the magnetization current to be passed through the solenoid is estimated at some 100 mA, for a time of the order of one ms (5 ⁇ s, ie 5.10 -6 s), by a phase switching.
  • Microwave losses are dependent in particular on the implemented technology, the thickness of the ferrite layers and the width of the central conductors and the quality of the magnetization.
  • the ferrite has been used to constitute the low frequency magnetization torus of the phase shifter.
  • FIG. 5 represents a variant embodiment where the device is an attenuator.
  • ferrite is used to perform another type of magnetization that could displace the resonance gyromagnetic near the frequency band and produce a controllable attenuation. It becomes possible to vary the losses of the circuit and perform the attenuator function.
  • the interest of such a structure consists in the fact that the same structure of lines microwaves arranged in the volume of the ferrite multilayer can be, according to the arrangement of the metal magnetization circuit, used as a phase shifter or as an attenuator.
  • the device of FIG. 5 comprises a line allowing the propagation of microwave waves inside the device, the line being distributed over the different layers of ferrite constituting the circuit attenuator / phase shifter as has been described in Figures 3A to 3D. he also includes a solenoid 5 wound around one side of the circuit allowing the control of phase shifter magnetization and a metallization 11 for example a magnetization command line for the function attenuator.
  • Such a structure has the following advantages in particular. In relatively small dimensions, it is possible to obtain the phase shifter and attenuator functions of an active module, with losses much lower than those of phase shifters or attenuators of technology MMIC. Another advantage of this solution lies in the relatively strong holding power of this structure, which is estimated at 10 W ridges.

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  • Waveguide Switches, Polarizers, And Phase Shifters (AREA)

Abstract

Dispositif permettant de faire varier un ou plusieurs paramètres d'une onde hyperfréquence, le dispositif comprenant au moins deux couches de ferrite, au moins un circuit de magnétisation et une ligne de propagation des ondes hyperfréquences, ladite ligne étant déployée dans la totalité ou la quasi-totalité du volume du dispositif.

Description

L'invention concerne un dispositif permettant de faire varier au moins une composante ou paramètre d'une onde électromagnétique.
Elle concerne, par exemple, un déphaseur à ferrite, ou encore un atténuateur d'ondes hyperfréquences.
Le frittage des grenats ou spinelles à des températures relativement basses, vers 1000°C, rend possible la réalisation de circuits multicouches en ferrite. Dans de telles structures, il est possible de métalliser des plans de masse et des lignes de façon à constituer des lignes hyperfréquence triplaque adaptées, faibles pertes et dont certains caractéristiques peuvent être liées à l'état magnétique du matériau ferrite.
Le brevet US 5 774 025 divulgue une méthode de fabrication d'un déphaseur planaire composé de plusieurs couches de ferrite. Les couches sont métallisées en appliquant une quantité de métal conducteur selon un diagramme sélectionné. Des orifices métallisés assurent la connexion des couches entre elles. L'ensemble est ensuite porté à une température comprise entre 800°C et 1000°C afin d'obtenir une structure intégrée.
La présente invention met notamment en oeuvre une ligne triplaque qui se déploie à l'intérieur du volume du matériau afin d'obtenir une longueur suffisante grâce à laquelle il est possible de faire varier une composante de l'onde électromagnétique un déphasage spécifique peut être réalisable. Sous la désignation « ligne triplaque », ou entend une ligne qui se compose d'un ruban central placé entre deux plans de masse.
L'objet de l'invention concerne un dispositif permettant de faire varier un ou plusieurs paramètres d'une onde hyperfréquence, le dispositif comprenant au moins deux couches de ferrite caractérisé en ce qu'il comporte au moins un circuit de magnétisation et une ligne de propagation des ondes hyperfréquences, ladite ligne étant déployée dans la totalité ou la quasi-totalité du volume du dispositif.
L'invention offre notamment la possibilité de réaliser un déphaseur extrêmement intégré. Elle permet aussi d'obtenir un dispositif remplissant la fonction d'atténuateur et/ou la fonction de déphaseur dans un volume restrei nt.
D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention apparaítront mieux à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation donné à titre illustratif et nullement limitatif annexé des figures qui représentent :
  • La figure 1 le principe mis en oeuvre dans le dispositif selon l'invention,
  • La figure 2 une vue externe d'un exemple de déphaseur,
  • Les figures 3A à 3D, la structure détaillée du déphaseur de la figure 2,
  • La figure 4 une vue en coupe du déphaseur de la figure 2,
  • La figure 5 un exemple de dispositif selon l'invention ayant en plus une fonction d'atténuateur.
La figure 1 schématise le principe utilisé dans le dispositif selon l'invention où la ligne de propagation 2 des ondes hyperfréquences est une ligne triplaque dont le substrat 1 est un matériau ferrite. La largeur de la ligne et l'épaisseur du circuit ainsi formé sont ajustés par exemple de manière à obtenir une impédance de 50 ohms. La référence 3 désigne la métallisation. Dans une magnétisation longitudinale du substrat ferrite, on obtient par exemple un effet de déphasage réciproque dans la ligne. Ce déphasage est lié à l'intensité de la magnétisation.
Selon d'autres variantes de réalisation, on fera varier un ou plusieurs paramètres de l'onde, par exemple pour obtenir un effet d'atténuation de l'onde.
L'utilisation d'une ligne triplaque permet notamment la réalisation d'une multicouche par empilement des lignes triplaques les unes sur les autres. Il suffit de réaliser une interconnexion entre les lignes au moyen de trous métallisés qui relient les conducteurs centraux entre eux. En employant ce procédé, il est possible d'empiler plusieurs lignes triplaques les unes sur les autres et obtenir ainsi une longueur électrique significative disposée dans un circuit volumique. De même, sur une même couche de circuit, la ligne triplaque peut être enroulée de façon à maximiser sa longueur pour une surface de ferrite donnée.
La structure d'enroulement de la ligne triplaque peut être un enroulement en spirale, ou tout autre géométrie d'enroulement permettant de faire varier, par exemple, la phase, l'amplitude, ou tout autre paramètre de l'onde hyperfréquence.
La figure 2 représente une vue externe d'un circuit déphaseur selon l'invention. Il comporte plusieurs couches de substrat 1 (11, 12, ..1i,..) empilées les unes sur les autres. Ces couches sont par exemple constituées de ferrite. Au centre du circuit ainsi formé, se trouve un orifice 4 permettant l'enroulement d'un solénoïde 5 ayant notamment pour fonction de magnétisation du circuit déphaseur. Les lignes du solénoïdes sont enroulées autour d'un des côtés du dispositif, et comprennent deux accès 6, 7 respectivement pour le courant de magnétisation entrant et pour le courant de magnétisation sortant.
Un des éléments attractifs de cette structure est le caractère volumique du circuit qui peut être exploité pour servir de circuit de magnétisation basse fréquence. En effet, le ferrite qui sert de substrat diélectrique à la ligne triplaque, peut également servir de ferrite basse fréquence pour le circuit de magnétisation. On peut également construire le circuit multicouche afin que le circuit basse fréquence ait la forme d'un tore magnétique fermé et ainsi le déphaseur, pourra fonctionner par une magnétisation du ferrite à la rémanence (déphaseur latché).
En métallisant la surface externe du circuit multicouche on réalise, par exemple, les spires du solénoïde qui constitue le circuit de magnétisation. La métallisation est réalisée en utilisant une technique connue de l'Homme du métier.
La figure 3A est une vue de dessus de la couche supérieure du circuit. Cette couche est formée d'un substrat de ferrite 1. Sur un des côtés du substrat 1, viennent s'enrouler les spires du solénoïde 5.
La figure 3B schématise la deuxième couche comprenant un conducteur central de la ligne triplaque. Cette ligne est par exemple distribuée en spirale autour de l'orifice 4. Une entrée 9 de cette ligne est l'entrée du signal hyperfréquence. La deuxième couche comprend un trou métallisé 8 permettant la propagation de l'onde hyperfréquence entre les différents niveaux. L'écartement entre les parties constituant la ligne triplaque est choisi de façon à minimiser les phénomènes de couplage. La longueur totale de la ligne est par exemple fixée en fonction de la valeur de déphasage que l'on souhaite obtenir.
La figure 3C représente l'avant dernière couche de substrat qui comporte le conducteur central de la ligne triplaque. Elle comprend une sortie 10 pour le signal hyperfréquence et un trou métallisé 8 permettant le passage du signal vers les autres niveaux.
La figure 3D représente la couche inférieure du circuit selon l'invention.
Les spires de solénoïde de magnétisation s'enroulant autour d'un côté du circuit ainsi formé.
Selon ce mode de réalisation, le signal hyperfréquence se propage ainsi dans le volume du circuit au travers de la ligne triplaque.
La figure 4 est une vue en coupe d'un déphaseur selon l'invention. Cette vue montre l'empilement des différentes couches de ferrites (11, 12, ..1i,..), les trous métallisés 8 permettant la liaison entre les différents niveaux ou couches, le conducteur central 2 et la métallisation 3.
L'épaisseur d'une couche de ferrite est par exemple de 0.15 mm en standard (procédé de coffritage). Une ligne triplaque requiert par exemple 2 couches de ferrite ce qui fait une épaisseur de 0.33 mm avec la métallisation. Sur un substrat de 10mm par 10mm, on peut enrouler la ligne en plusieurs spires sur une longueur totale de 45mm. En bande S, cette longueur correspond au minimum à une longueur électrique de 2 longueurs d'onde. Ainsi on dispose d'une ligne de 2 λ, par couche de triplaque. On considère qu'il faut entre 5 et 10 λ, de longueur totale pour créer un déphasage de 360° (1 λ), par variation de la magnétisation. On obtient alors une structure de circuit multicouche ferrite qui contient 6 à 10 couches de ferrite, pour une épaisseur totale de 3.3 mm et une surface de 10mm par 10 mm.
Le courant de magnétisation à faire passer dans le solénoïde est estimé à quelques 100 mA, pendant un temps de l'ordre de la ms (5µs, soit 5.10-6 s), par une commutation de phase.
Les pertes hyperfréquences sont dépendantes notamment de la technologie mise en oeuvre, de l'épaisseur des couches de ferrite et de la largeur des conducteurs centraux et de la qualité de la magnétisation .
Dans cet exemple de réalisation de déphaseur, le ferrite a été utilisé pour constituer le tore de magnétisation basse fréquence du déphaseur.
La figure 5 représente une variante de réalisation où le dispositif est un atténuateur.
Dans cet exemple de mise en oeuvre, le ferrite est utilisé pour réaliser un autre type de magnétisation qui pourrait déplacer la résonnance gyromagnétique à proximité de la bande de fréquence et produire une atténuation commandable. Il devient possible de faire varier les pertes du circuit et de réaliser la fonction atténuateur. L'intérêt d'une telle structure consiste notamment dans le fait qu'une même structure de lignes hyperfréquences disposées dans le volume du multicouche ferrite peut être, selon la disposition du circuit métallique de magnétisation, utilisé comme un déphaseur ou comme un atténuateur.
Sur un même dispositif en intégrant 2 types de conducteurs différents pour le courant de magnétisation, il est possible d'actionner ces deux fonctions, déphasage et atténuation.
Le dispositif de la figure 5 comporte une ligne permettant la propagation des ondes hyperfréquences à l'intérieur du dispositif, la ligne étant répartie sur les différentes couches de ferrite constituant le circuit atténuateur/déphaseur comme il a été décrit aux figures 3A à 3D. Il comprend aussi un solénoïde 5 enroulé autour d'un côté du circuit permettant la commande de magnétisation déphaseur et une métallisation 11 par exemple une ligne de commande de magnétisation pour la fonction atténuateur.
Une telle structure présente notamment les avantages suivants. Dans des dimensions relativement modestes, il est possible d'obtenir les fonctions de déphaseur et d'atténuateur d'un module actif, avec des pertes bien inférieures à celles des déphaseurs ou atténuateurs de technologie MMIC. Un autre avantage de cette solution réside dans la relativement forte tenue en puissance de cette structure, que l'on estime à 10 W crêtes.

Claims (4)

  1. Dispositif permettant de faire varier un ou plusieurs paramètres d'une onde hyperfréquence, le dispositif comprenant au moins deux couches de ferrite caractérisé en ce qu'il comporte au moins un circuit de magnétisation (5) et une ligne de propagation (2) des ondes hyperfréquences, ladite ligne étant déployée dans la totalité ou la quasi-totalité du volume du dispositif.
  2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux couches de substrat, chaque couche comprenant au moins un conducteur central (2) formant avec les couches de substrat la ligne de propagation des ondes, la ligne ayant une forme de spirale, les couches communiquant entre elles au moyen de trous métallisés (8), et en ce que le circuit de mangnétisation (5) est constitué d'un solénoïde enroulé sur au moins un des côtés du dispositif.
  3. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que la longueur de la ligne triplaque est choisie en fonction de la valeur de déphasage de l'onde hyperfréquence.
  4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comporte un deuxième circuit de magnétisation adapté à atténuer l'amplitude de l'onde hyperfréquence.
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