EP3261170A1 - Circulateur hyperfrequence double cellules a faible encombrement et procede de fabrication - Google Patents

Circulateur hyperfrequence double cellules a faible encombrement et procede de fabrication Download PDF

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EP3261170A1
EP3261170A1 EP17177380.7A EP17177380A EP3261170A1 EP 3261170 A1 EP3261170 A1 EP 3261170A1 EP 17177380 A EP17177380 A EP 17177380A EP 3261170 A1 EP3261170 A1 EP 3261170A1
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EP
European Patent Office
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cell
dielectric
core
microwave circulator
ferrite material
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EP17177380.7A
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German (de)
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EP3261170B1 (fr
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Richard Lebourgeois
Clément Tolant
Christophe Galindo
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Thales SA
Original Assignee
Thales SA
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/32—Non-reciprocal transmission devices
    • H01P1/38—Circulators
    • H01P1/383—Junction circulators, e.g. Y-circulators
    • H01P1/387—Strip line circulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/02—Coupling devices of the waveguide type with invariable factor of coupling
    • H01P5/022—Transitions between lines of the same kind and shape, but with different dimensions
    • H01P5/028—Transitions between lines of the same kind and shape, but with different dimensions between strip lines

Definitions

  • the field of the invention is that of microwave circulators. These low loss magnetic passive components typically operate at frequencies of the order of a few Gigahertz to a few tens of Gigahertz. Such components are particularly sought after for both civil telecommunications applications and RADAR applications. These are essential components because they make it possible to isolate parasitic reflections while presenting weak losses to transmit significant powers, and this in a completely passive way.
  • the figure 1 illustrates this type of component, comprising three ports, one of which is connected to a 50 ⁇ load to ensure the isolation of parasitic reflections.
  • microwave circulators The operation of these microwave circulators is based on the non-reciprocal effect of a magnetically saturated ferrite. They are manufactured conventionally using expensive assembly technologies because the ferrite which constitutes the core of the component, a ferrimagnetic garnet, is a sintered ceramic with high temperature (> 1400 ° C). They are bulky and difficult to integrate with other components used in microelectronic circuits because they do not generally appear as chip components but are manufactured as independent ferrite devices. Also the microwave transmitter / receiver subsystems used in radars and telecommunications applications tend to avoid their use by replacing them with other solutions: diodes, MEMS ...
  • a circulator conventionally consists of a ferrite part, usually a disc, a permanent magnet placed closer to the ferrite and metal tracks for the propagation of the electromagnetic wave.
  • the metal tracks form a Y to respect the 120 ° symmetry.
  • the figure 2 illustrates a 3-port circulator with a channel 1, a channel 2 and a channel 3 materialized by metal tracks Pi, the magnetic ferrite core 10, coupled to a magnet 12.
  • the figure 3a shows such a configuration of two cells comprising a magnetic ferrite core activated by magnets 12.
  • the first cell comprises two access channels 1 and 2, the second cell having two access paths 3 and 4, materialized by metal tracks Pi , one of these metal tracks ensuring the connection between the two cells.
  • each circulator is magnetized in the opposite direction, as illustrated in FIG. figure 3b .
  • the figure 4 illustrates the interconnection of a dual cell circulator in a transceiver module, the transmitter comprising an HPA for "High Power Amplifier” and the receiver comprising a LNA for "Low Noise Amplifier".
  • the transmitter comprising an HPA for "High Power Amplifier”
  • the receiver comprising a LNA for "Low Noise Amplifier”.
  • a load 50 ⁇ is connected on one of the ports. In this way, the isolation on the transmitter side is reinforced which allows a better control of the emission signal.
  • the present invention relates to a solution for reducing the size of the circulators and in particular the area occupied by the component on the microwave cards.
  • the cells comprise one or more co-sintered layers of ferrite material / dielectric or weakly magnetic material.
  • the cells comprise a stack of layers of ferrite material / dielectric material or weakly magnetic co-sintered.
  • each layer comprises a core of ferrite material, surrounded by dielectric or weakly magnetic material.
  • said cell connection comprises at least one main conductor via said first cell and said second cell.
  • the first cell may be covered by an assembly comprising a core of ferrite material surrounded by dielectric or weakly magnetic material, the second cell being covered by an assembly comprising a core of ferrite material surrounded by dielectric material.
  • the access tracks and connecting tracks are buried in said triplate structure.
  • said cells furthermore comprise secondary conductors emerging on the ground plane (s) and distributed around said main conducting via, making it possible to shield the RF connection of said cells.
  • the microwave circulator comprises at least one magnet attached to at least one cell or on one of the upper or lower ground planes.
  • the ferrite material is of garnet structure.
  • the dielectric or weakly magnetic material is a garnet structure material with low magnetic magnetization.
  • the method comprises producing at least one conductive via in said assembly to obtain said connection between the connecting track of said first structure and the connecting track of said second structure.
  • the method comprises the production of a first structure comprising a core of ferrite material surrounded by a dielectric or weakly magnetic material and a second structure comprising a core of ferrite material surrounded by a material Dielectric or weakly magnetic circuit by cofiring a multilayer stack, each of the layers comprising a core of ferrite material surrounded by dielectric or weakly magnetic material.
  • this method of the present invention makes it possible to collectively and automatically produce double-cell circulators having an implantation surface that is twice as small as that of the state of the art.
  • the invention also relates to a microwave circulator obtained according to the manufacturing method of the invention.
  • the dual-cell microwave circulator of the invention can include, without being restrictive, a three-way Y-circulator configuration, including two access paths and a connection path providing an RF connection between the two cells.
  • This type of circulator thus comprises three ways at 120 ° from each other around a central body where are the elements that give the circulator its non-reciprocity under the action of a magnetic field.
  • the circulator of the present invention comprises the superposition of two cells each comprising a core of ferrite material surrounded by dielectric or weakly magnetic material and assembled by cofiring.
  • Each cell comprises on one of its so-called active faces metallizations, including tracks connected to access ports, and a junction track, all of these tracks can thus form a Y junction and a connection ensuring the RF communication between the two cells, the face opposite to the active face having a ground plane, the two cells thus having a pooled mass plane, such architecture to reduce the occupied area.
  • the microwave circulator comprises a first cell C 4 superimposed on a second cell C 2 .
  • Each cell comprises, on one of its so-called active faces, metallizations, comprising tracks P 1 respectively carrying out the channels 1, 2, 3 and 4.
  • Each cell comprises a core of ferrite material whose surface is metallized, connected to the tracks 1, 2 and 5 (for the first cell) and connected to the tracks 3, 4 and 5 '(for the second cell).
  • the double cell circulator further comprises a C 1-2 connection connecting the channels 5 and 5 'in the form of a via via the first cell and the second cell.
  • the ground plane schematized by the plane P M may be constituted for example by the metallization of one of the faces of one of the two cells and having an opening O PM .
  • a magnet not shown in the figure is transferred to the outer face of one of the cells, directly on the disk of metallized ferrite material or at a predetermined distance, using a layer of material dielectric low losses serving as "spacer".
  • the superposition described above is carried out using multilayer co-smelting technology.
  • the elements made by screen printing can also be made by inkjet.
  • the cast strips may have a thickness of a hundred microns, the thickness of a structure having a thickness of a few hundred microns.
  • strip thicknesses of 500 microns it is either possible to have a single strip of 500 microns thick, or to roll 5 strips of 100 microns.
  • FIG. figure 6 illustrates views from above the active faces of each of the cells.
  • FIG. figure 6 which illustrates views from above the active faces of each of the cells.
  • FIG. figure 6 which highlights the ports P 1 and P 2 of the first cell C 1 at two opposite sides and the ports P 3 and P 4 of the second cell C 2 on a side located perpendicular to the sides at which are positioned the ports P 1 and P 2 , the ends of the channels referenced 5 and 5 'being connectable by a via connecting P5 and P5'
  • the vertical connections are made using armored vias consisting of a main via surrounded by several other peripheral shield vias.
  • the main via connects the Y junctions while the peripheral vias are connected to the ground plane embedded in the overlay.
  • FIG 7 An example of a microstrip or microstrip-type circulator is thus illustrated in figure 7 which highlights the connection made between the linking tracks.
  • This cell connection is provided by a set of via conductors comprising a main central via V P , surrounded by V iB peripheral vias.
  • the ground plane can be made by metallization of one of the faces of a previously prepared cell having taken the precaution of leaving an opening O P so that the main via is not in contact with said mass plane P M.
  • the figure 8 illustrates the regulation of the circulator by virtue of the presence of two magnets 12, arranged on either side of the Y junctions, the assembly being transferred onto a substrate S, having a dielectric portion S D and a metallized portion S M and comprising connection tracks Pj.
  • the assemblies are stacked so as to have from top to bottom the following structure: ground plane P MS - set C 1 ' with junction Y1 - set C 1 - ground plane P M - set C 2 with junction Y2 - set C 2 ' - PMI ground plane, as illustrated in figure 9 .
  • Sets C 1 and C 2 have a metallic ink via.
  • the ground plane 2 is not metallized over the entire surface, to allow the passage of the via connecting 5 and 5 '.
  • the crossing of the ground planes is ensured by removing the metallization around the vias of connection.
  • Access 1 and 2 can be on the perpendicular faces as shown in figure 10 .
  • this triplate configuration comprises four sets of ferrite core surrounded by dielectric material. Two Y-joints are made on two of them, in order to produce the cells C 1 and C 2 , on the faces opposite to the faces comprising the Y-junctions, at least one of the faces is metallized to constitute the referenced internal ground plane. in figure 9 , ground plane P M.
  • the triplate structure comprises symmetrically, two other sets C 1 ' and C 2' also having a ferrite core surrounded by dielectric material not shown. The set C 1 ' is opposite the cell C 1 , the set C 2' is opposite the cell C 2 ' .
  • a higher ground plane is formed on the outer face of the assembly C 1 '
  • a lower ground plane is formed on the outer face of the assembly C 2' .
  • the three ground planes P Ms , P M and P Mi are interconnected by peripheral conductive vias V iB , the connection between the Y-junctions of the two cells is provided by the main conductive via V P.
  • CMS-type components "Surface Mounted Component” having single-face Cxi connections that can be soldered automatically.

Landscapes

  • Non-Reversible Transmitting Devices (AREA)
  • Soft Magnetic Materials (AREA)

Abstract

L'invention a pour objet un circulateur hyperfréquence comprenant au moins:
- la superposition d'une première cellule et d'une seconde cellule, chaque cellule comportant :
o un noyau de matériau ferrite entouré de matériau diélectrique, ledit noyau et ledit matériau diélectrique ou faiblement magnétique étant coffrités;
o au moins deux pistes d'accès et une piste de liaison jointes entre elles au niveau du noyau de matériau ferrite, sur une face active de la cellule ;

- au moins une connexion de cellules permettant de relier électriquement ladite piste de liaison de ladite première cellule à ladite piste de liaison de ladite seconde cellule.
- ladite superposition comprenant un plan de masse situé entre lesdites faces actives desdites cellules, le tout étant assemblé par cofrittage.
L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'un circulateur double cellules de l'invention.

Description

  • Le domaine de l'invention est celui des circulateurs hyperfréquences. Ces composants passifs magnétiques à faibles pertes fonctionnent typiquement à des fréquences de l'ordre de quelques Gigahertz à quelques dizaines de Gigahertz. De tels composants sont particulièrement recherchés actuellement tant pour des applications civiles de télécommunications que pour des applications RADAR. Ce sont des composants essentiels car ils permettent d'isoler des réflexions parasites tout en présentant des pertes faibles pour transmettre des puissances importantes, et ce de manière complètement passive. La figure 1 illustre ce type de composant, comprenant trois ports dont un est connecté à une charge 50 Ω pour assurer l'isolation des réflexions parasites.
  • Le fonctionnement de ces circulateurs hyperfréquences est basé sur l'effet non-réciproque d'un ferrite magnétiquement saturé. Ils sont fabriqués de manière conventionnelle en utilisant des technologies d'assemblage coûteuses car le ferrite qui constitue le coeur du composant, un grenat ferrimagnétique, est une céramique frittée à haute température (> 1400°C). Ils sont volumineux et difficiles à intégrer avec d'autres composants employés dans les circuits de microélectronique parce qu'ils ne se présentent généralement pas comme des composants sous forme de puce mais qu'ils sont fabriqués comme des dispositifs à ferrite indépendants. Aussi les sous-ensembles émetteur/récepteur hyperfréquences utilisés dans les radars et les applications de télécommunications ont tendance à éviter leur utilisation en les remplaçant par d'autres solutions : diodes, MEMS...
  • Un circulateur est classiquement constitué d'une partie en ferrite, le plus souvent un disque, d'un aimant permanent placé au plus près du ferrite et de pistes métalliques permettant la propagation de l'onde électromagnétique. Dans un circulateur à 3 ports, les pistes métalliques forment un Y pour respecter la symétrie à 120°. La figure 2 illustre un circulateur 3 ports avec une voie 1, une voie 2 et une voie 3 matérialisées par des pistes métalliques Pi, le noyau en ferrite magnétique 10, couplé à un aimant 12.
  • Pour augmenter les performances d'isolation, les fabricants proposent des composants dits à 2 cellules constitués de 2 circulateurs reliés par un des ports. La figure 3a montre une telle configuration de deux cellules comprenant un noyau ferrite magnétique activées par des aimants 12. La première cellule comprend deux voies d'accès 1 et 2, la seconde cellule comportant deux voies d'accès 3 et 4, matérialisées par des pistes métalliques Pi, l'une de ces pistes métalliques assurant la liaison entre les deux cellules.
  • Pour réduire la désaimantation de chaque cellule due à la proximité des aimants 12, il est préférable que chaque circulateur soit aimanté en sens inverse, comme illustré en figure 3b.
  • La figure 4 illustre l'interconnexion d'un circulateur double cellule dans un module Radar d'émission-réception, l'émetteur comprenant un HPA pour « High Power Amplifier » et le récepteur comprenant un LNA pour « Low Noise Amplifier ». Dans cette configuration, sur l'un des ports, par exemple celui de la voie 2, une charge 50 Ω est connectée. De cette manière, l'isolation côté émetteur est renforcée ce qui permet un meilleur contrôle du signal d'émission.
  • L'amélioration des performances d'isolation due à la présence d'une double cellule est cependant obtenue au détriment de la surface occupée par le composant qui est multipliée par deux.
  • Dans ce contexte, et pour résoudre notamment le problème précité, la présente invention a pour objet une solution permettant de réduire l'encombrement des circulateurs et notamment la surface occupée par le composant sur les cartes hyperfréquences.
  • Plus précisément la présente invention a pour objet un circulateur hyperfréquence comprenant au moins :
    • la superposition d'une première cellule et d'une seconde cellule, chaque cellule comportant :
      • ∘ un noyau de matériau ferrite entouré de matériau diélectrique ou faiblement magnétique, ledit noyau et ledit matériau diélectrique ou faiblement magnétique étant coffrités ;
      • ∘ au moins deux pistes d'accès et une piste de liaison jointes entre elles au niveau du noyau de matériau ferrite, sur une face active de la cellule ;
    • au moins une connexion de cellules permettant de relier électriquement ladite piste de liaison de ladite première cellule à ladite piste de liaison de ladite seconde cellule.
    • ladite superposition comprenant un plan de masse situé entre lesdites faces actives desdites cellules, le tout étant assemblé par cofrittage.
  • Selon des variantes de l'invention, les cellules comprennent une ou des couches de matériau ferrite/matériau diélectrique ou faiblement magnétique cofrittées.
  • Selon des variantes de l'invention, les cellules comprennent un empilement des couches de matériau ferrite/matériau diélectrique ou faiblement magnétique cofrittées. Dans ce cas, chaque couche comprend un noyau de matériau ferrite, entouré de matériau diélectrique ou faiblement magnétique.
  • Selon des variantes de l'invention, ladite connexion de cellules comprend au moins un via conducteur principal traversant ladite première cellule et ladite seconde cellule.
  • Selon des variantes de l'invention, le circulateur hyperfréquence comporte une structure triplaque cofrittée comprenant :
    • un plan de masse supérieur ;
    • une première cellule ;
    • une seconde cellule ;
    • un plan de masse inférieur.
  • Dans une configuration triplaque, la première cellule peut être recouverte par un ensemble comprenant un noyau de matériau ferrite entouré de matériau diélectrique ou faiblement magnétique, la seconde cellule étant recouverte par un ensemble comprenant un noyau de matériau ferrite entouré de matériau diélectrique. Ainsi les pistes d'accès et les pistes de liaison sont enterrées dans ladite structure triplaque.
  • Selon des variantes de l'invention, lesdites cellules comprennent en outre des via conducteurs secondaires débouchant sur le ou les plan(s) de masse et répartis autour dudit via conducteur principal, permettant d'assurer un blindage autour de la connexion RF desdites cellules.
  • Selon des variantes de l'invention, le circulateur hyperfréquence comprend au moins un aimant rapporté sur au moins une cellule ou sur un des plans de masse supérieur ou inférieur.
  • Selon des variantes de l'invention, le matériau ferrite est de structure grenat.
  • Selon des variantes de l'invention, le matériau ferrite de structure grenat répond à la formule chimique suivante :

             YaTRbBib'FecAldIneCafCugZrhViCOjSikOi2±γ

    avec TR : une terre rare ou une combinaison de terres rares et : − 1 ≤ γ ≤ 1 ;
    Figure imgb0001
     3 a + b + b ′ + c + d + e + 2 f + g + j + 4 h + k + 5 i = 24 ± 2 γ ;
    Figure imgb0002
     1 ≤ a ≤ 3 , 5 ;
    Figure imgb0003
     0 ≤ b ≤ 1 , 5 ;
    Figure imgb0004
     0 < b ′ ≤ 1 ;
    Figure imgb0005
     4 ≤ c ≤ 5 ;
    Figure imgb0006
     0 ≤ d ≤ 1 , 5 ;
    Figure imgb0007
     0 ≤ e ≤ 0 , 8 ;
    Figure imgb0008
     0 ≤ f ≤ 1 ;
    Figure imgb0009
     0 < g < 0 , 05 ;
    Figure imgb0010
     0 ≤ h ≤ 1
    Figure imgb0011
     0 ≤ i ≤ 0 , 8 ;
    Figure imgb0012
     0 ≤ j ≤ 0 , 5 ;
    Figure imgb0013
     0 ≤ k ≤ 0 , 5.
    Figure imgb0014
     avec b + d ≤ 1.
  • Selon des variantes de l'invention, le matériau diélectrique ou faiblement magnétique est un matériau de structure grenat à faible aimantation magnétique.
  • Selon des variantes de l'invention, le matériau de structure grenat à faible aimantation magnétique répond à la formule chimique suivante :

             YaTRbBib'FecAldIneCafCugZrhViCojSikO12±γ

    avec TR : une terre rare ou une combinaison de terres rares et : − 1 ≤ γ ≤ 1 ;
    Figure imgb0015
     3 a + b + b ′ + c + d + e + 2 f + g + j + 4 h + k + 5 i = 24 ± 2 γ
    Figure imgb0016
     1 ≤ a ≤ 3 , 5 ;
    Figure imgb0017
     0 ≤ b ≤ 1 , 5 ;
    Figure imgb0018
     0 < b ′ ≤ 1 ;
    Figure imgb0019
     4 ≤ c ≤ 5 ;
    Figure imgb0020
     0 ≤ d ≤ 1 , 5 ;
    Figure imgb0021
     0 ≤ e ≤ 0 , 8 ;
    Figure imgb0022
     0 ≤ f ≤ 1 ;
    Figure imgb0023
     0 < g < 0 , 05 ;
    Figure imgb0024
     0 ≤ h ≤ 1
    Figure imgb0025
     0 ≤ i ≤ 0 , 8 ;
    Figure imgb0026
     0 ≤ j ≤ 0 , 5 ;
    Figure imgb0027
     0 ≤ k ≤ 0 , 5.
    Figure imgb0028
     avec b + d ≥ 1,2.
  • L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'un circulateur hyperfréquence selon l'invention comprenant :
    • la réalisation d'une première structure comprenant un noyau de matériau ferrite entouré de matériau diélectrique ou faiblement magnétique et d'une seconde structure comprenant un noyau de matériau ferrite entouré de matériau diélectrique ou faiblement magnétique ;
    • la réalisation de pistes d'accès et de liaison sur l'une des faces dite active de ladite première structure et sur l'une des faces dite active de ladite seconde structure ;
    • la réalisation d'un plan de masse sur l'une des faces opposées à l'une des faces actives desdites structures ;
    • l'assemblage de ladite première structure et de ladite seconde structure ;
    • la réalisation d'une connexion entre la piste de liaison de ladite première structure et la piste de liaison de ladite seconde structure.
    • une étape de cofrittage pour solidariser la structure dans les trois dimensions.
  • Selon des variantes de l'invention, le procédé comprend la réalisation d'au moins un via conducteur dans ledit assemblage pour obtenir ladite connexion entre la piste de liaison de ladite première structure et la piste de liaison de ladite seconde structure.
  • Selon des variantes de l'invention, le procédé comprend la réalisation d'une première structure comprenant un noyau de matériau ferrite entouré d'un matériau diélectrique ou faiblement magnétique et d'une seconde structure comprenant un noyau de matériau ferrite entouré d'un matériau diélectrique ou faiblement magnétique effectuée par cofrittage d'un empilement multicouches, chacune des couches comprenant un noyau de matériau ferrite entouré de matériau diélectrique ou faiblement magnétique.
  • Ainsi, ce procédé de la présente invention permet de réaliser de manière collective et automatique des circulateurs double cellules présentant une surface d'implantation deux fois plus petite que celle de l'état de l'art.
  • Ce procédé de coffrittage d'empilement multicouches particulièrement intéressant peut notamment comprendre les étapes suivantes :
    • la réalisation de bandes de matériau ferrite et de matériau diélectrique ou faiblement magnétique par coulage ;
    • la découpe desdites bandes ;
    • la réalisation d'au moins un via ;
    • le remplissage d'au moins ledit via avec une encre métallique, le métal pouvant être de l'argent, de l'or, ou un alliage d'argent et de palladium Ag-Pd ;
    • la réalisation de pistes d'accès et de liaison jointes entre elles au niveau du noyau de matériau ferrite sur un sous-ensemble de bandes et de plans de masse sur certaines autres bandes;
    • l'empilement desdites bandes par pressage à chaud ;
    • le cofrittage dudit empilement conduisant à la solidarisation de la structure multicouches.
  • Avantageusement le matériau diélectrique ou faiblement magnétique mis en oeuvre dans le procédé de la présente invention peut répondre à la formule suivante :

             YaTRbBib'FecAldIneCafCugZrhViCojSikO12±γ

    avec TR : une terre rare ou une combinaison de terres rares et : − 1 ≤ γ ≤ 1 ;
    Figure imgb0029
     3 a + b + b ′ + c + d + e + 2 f + g + j + 4 h + k + 5 i = 24 ± 2 γ
    Figure imgb0030
     1 ≤ a ≤ 3 , 5 ;
    Figure imgb0031
     0 ≤ b ≤ 1 , 5 ;
    Figure imgb0032
     1 < b ′ ≤ 1 ;
    Figure imgb0033
     4 ≤ c ≤ 5 ;
    Figure imgb0034
     0 ≤ d ≤ 1 , 5 ;
    Figure imgb0035
     0 ≤ e ≤ 0 , 8 ;
    Figure imgb0036
     0 ≤ f ≤ 1 ;
    Figure imgb0037
     0 ≤ g ≤ 0 , 05 ;
    Figure imgb0038
     0 ≤ h ≤ 1
    Figure imgb0039
     0 ≤ i ≤ 0 , 8 ;
    Figure imgb0040
     0 ≤ j ≤ 0 , 5 ;
    Figure imgb0041
     0 ≤ k ≤ 0 , 5.
    Figure imgb0042
     avec b + d ≥ 1,2.
  • Avantageusement, le matériau ferrite mis en oeuvre dans le procédé de la présente invention peut être de structure grenat et répondre à la formule suivante :

             YaTRbBib'FecAldIneCafCugZrhViCojSikO12±γ

    avec TR : une terre rare ou une combinaison de terres rares et : − 1 ≤ γ ≤ 1 ;
    Figure imgb0043
     3 a + b + b ′ + c + d + e + 2 f + g + j + 4 h + k + 5 i = 24 ± 2 γ ;
    Figure imgb0044
     1 ≤ a ≤ 3 , 5 ;
    Figure imgb0045
     0 ≤ b ≤ 1 , 5 ;
    Figure imgb0046
     0 < b ′ ≤ 1 ;
    Figure imgb0047
     4 ≤ c ≤ 5 ;
    Figure imgb0048
     0 ≤ d ≤ 1 , 5 ;
    Figure imgb0049
     0 ≤ e ≤ 0 , 8 ;
    Figure imgb0050
     0 ≤ f ≤ 1 ;
    Figure imgb0051
     0 < g < 0 , 05 ;
    Figure imgb0052
     0 ≤ h ≤ 1
    Figure imgb0053
     0 ≤ i ≤ 0 , 8 ;
    Figure imgb0054
     0 ≤ j ≤ 0 , 5 ;
    Figure imgb0055
     0 ≤ k ≤ 0 , 5.
    Figure imgb0056
     avec b + d ≤ 1.
  • L'invention a également pour objet un circulateur hyperfréquence obtenu selon le procédé de fabrication de l'invention.
  • L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles :
    • la figure 1 schématise le fonctionnement d'un circulateur hyperfréquence à trois ports dont un est isolé ;
    • la figure 2 schématise un circulateur hyperfréquence comprenant un ferrite ;
    • les figures 3a et 3b illustrent une vue de dessus et une vue en coupe d'un circulateur hyperfréquence double cellule de l'art antérieur utilisant un ferrite;
    • la figure 4 schématise l'intégration d'un circulateur hyperfréquence double cellule utilisant un ferrite dans une chaîne d'émission / réception ;
    • la figure 5 illustre une variante de circulateur hyperfréquence selon l'invention schématisé avec le plan de masse incorporé dans la superposition des deux cellules ;
    • la figure 6 illustre par des vues de dessus un mode de superposition des cellules utilisées dans une variante de circulateur hyperfréquence de l'invention ;
    • la figure 7 met en évidence la connexion entre les cellules superposées dans une variante de circulateur hyperfréquence de l'invention ;
    • la figure 8 illustre la même variante de circulateur hyperfréquence que celle illustrée en figure 7 et activée entre deux aimants rapportée sur un substrat ;
    • la figure 9 illustre une variante de circulateur hyperfréquence de type triplaque, selon l'invention.
    • La figure 10 illustre une variante de circulateur hyperfréquence de type triplaque selon l'invention.
  • De manière générale, le circulateur hyperfréquence double cellule de l'invention peut comprendre sans que cela soit restrictif, une configuration de circulateur en Y à trois voies, dont deux voies d'accès et une voie de liaison assurant une connexion RF entre les deux cellules. Ce type de circulateur comporte ainsi trois voies à 120° les unes des autres autour d'un corps central où se trouvent les éléments qui confèrent au circulateur sa non-réciprocité sous l'action d'un champ magnétique.
  • Le circulateur de la présente invention comporte la superposition de deux cellules comprenant chacune un noyau de matériau ferrite entouré de matériau diélectrique ou faiblement magnétique et assemblés par cofrittage. Chaque cellule comprend sur une de ses faces dite active des métallisations, comprenant des pistes reliées à des ports d'accès, et un piste de jonction, l'ensemble de ces pistes pouvant ainsi former une jonction Y et une connexion assurant la communication RF entre les deux cellules, la face opposée à la face active présentant un plan de masse, les deux cellules présentant ainsi un plan de masse mis en commun, une telle architecture permettant de réduire la surface occupée.
  • Selon une variante de l'invention schématisée en figure 5, le circulateur hyperfréquence comprend une première cellule C4 superposée à une seconde cellule C2. Chaque cellule comprend sur une de ses faces dite active, des métallisations, comprenant des pistes Pi réalisant respectivement les voies 1, 2, 3 et 4.
  • Chaque cellule comporte un noyau de matériau ferrite dont la surface est métallisée, reliée aux pistes 1, 2 et 5 (pour la première cellule) et reliée aux pistes 3, 4 et 5' (pour la seconde cellule). Le circulateur double cellule comporte en outre une connexion C1-2 reliant les voies 5 et 5' sous forme de via conducteur traversant la première cellule et la seconde cellule. Le plan de masse schématisé par le plan PM peut être constitué par exemple par la métallisation d'un des faces d'une des deux cellules et présentant une ouverture OPM.
  • Pour aimanter l'ensemble, un aimant non représenté sur la figure est reporté sur la face externe d'une des cellules, directement sur le disque de matériau ferrite métallisé ou bien à une distance prédéfinie, à l'aide d'une couche de matériau diélectrique faibles pertes servant « d'espaceur ».
  • La hauteur totale d'aimant nécessaire peut ainsi être inférieure au cas classique où les deux cellules sont dans le même plan pour les deux raisons suivantes :
    • en superposant les deux cellules, l'aimant qui aimante la première cellule aimante également la deuxième cellule ;
    • le coefficient démagnétisant de l'ensemble des deux disques de matériau ferrite superposés diminuant, le champ démagnétisant diminue également.
  • De cette manière, on peut diminuer la hauteur totale des deux cellules superposées, on diminue ainsi le volume total du composant.
  • La superposition décrite précédemment est réalisée à l'aide de la technologie de cofrittage multicouches.
  • Dans ce cas, les étapes de fabrication sont les suivantes :
    • réalisation de bandes de ferrite et de diélectrique par coulage ;
    • découpe desdites bandes ;
    • réalisation des vias par exemple par une opération de poinçonnage ;
    • remplissage des vias avec une encre métallique cofrittable ;
    • métallisation par sérigraphie des jonctions Y et des plans de masse ;
    • empilement des bandes par pressage à chaud ;
    • cofrittage de l'empilement.
  • Les éléments réalisés par sérigraphie peuvent également être réalisés par jet d'encre.
  • Typiquement, les bandes coulées peuvent présenter une épaisseur d'une centaine de microns, l'épaisseur d'une structure présentant une épaisseur de quelques centaines de microns. Pour atteindre des épaisseurs de bandes de 500 microns, il est soit possible de disposer d'une unique bande de 500 microns d'épaisseur, soit de laminer 5 bandes de 100 microns.
  • Afin de réduire l'encombrement des cellules, il est possible de prévoir des ruptures d'axe au niveau des pistes métalliques comme montré sur la figure 6 qui illustre vues de dessus les faces actives de chacune des cellules. Afin de favoriser les accès des ports, il peut également être d'intérêt de ne pas positionner en regard les ports d'accès d'une cellule avec ceux de l'autre cellule, comme montré en figure 6 qui met en évidence les ports P1 et P2 de la première cellule C1 au niveau de deux côtés opposés et les ports P3 et P4 de la seconde cellule C2 sur un côté situé perpendiculairement aux côtés au niveau desquels sont positionnés les ports P1 et P2, les extrémités des voies référencées 5 et 5' étant connectables par un via reliant P5 et P5'
  • Afin de réaliser la connexion RF entre les deux cellules, il peut avantageusement être prévu de réaliser au moins un via conducteur.
  • Des exemples de structure sont donnés ci-après. Dans ces structures, les connexions verticales sont réalisées à l'aide de vias blindés constitués d'un via principal entouré de plusieurs autres vias périphériques de blindage. Le via principal connecte les jonctions Y alors que les vias périphériques sont reliés au plan de masse incorporé dans la superposition.
  • Un exemple de circulateur de type microstrip ou micro-ruban est ainsi illustré en figure 7 qui met en évidence la connexion réalisée entre les pistes de liaison. Cette connexion de cellules est assurée par un ensemble de via conducteurs comprenant un via central principal VP, entouré de vias périphériques ViB. Le plan de masse peut être réalisé par métallisation d'une des faces d'une cellule préalablement élaborée en ayant pris la précaution de laisser une ouverture OP de manière à ce que le via principal ne soit pas en contact avec ledit plan de mass PM. La figure 8 illustre le réglage du circulateur grâce à la présence de deux aimants 12, disposés de part et d'autres des jonctions Y, l'ensemble étant reporté sur un substrat S, présentant une partie diélectrique SD et une partie métallisée SM et comportant des pistes de connexion Pj.
  • Les variantes illustrées en figure 7 et en figure 8 concernent des structures de type microstrip ou micro-ruban, mais le concept peut aussi s'appliquer pour des structures de type triplaque. Il suffit pour cela de rajouter des parties symétriques comme indiqué en figure 9. Ainsi on réalise plus précisément la séquence suivante :
    • On réalise des bandes de ferrite et de diélectrique (ou ferrite faiblement magnétique) à l'épaisseur souhaitée. On peut pour des raisons pratiques préférer laminer des couches de ferrite et de diélectrique pour obtenir l'épaisseur souhaitée.
    • On découpe un disque de ferrite qu'on insère dans le diélectrique après l'avoir percé. On réalise ainsi 4 ensembles.
    • Sur l'ensemble C1', on métallise une face.
    • Sur l'ensemble C1, on métallise une face et on dépose une jonction Y1 sur l'autre face. On réalise un via au niveau de la piste 5 (perforation + remplissage d'encre métallique).
    • Sur l'ensemble C2, on réalise une jonction Y2 et un via au niveau de la piste 5'.
    • Sur l'ensemble C2', on métallise uniquement une face.
  • On empile les ensembles de façon à avoir du haut vers le bas la structure suivante : plan de masse PMS - ensemble C1' avec jonction Y1 - ensemble C1 - plan de masse PM - ensemble C2 avec jonction Y2 - ensemble C2' - plan de masse PMI, comme illustré en figure 9.
  • Les ensembles C1 et C2 ont un via d'encre métallique.
  • Le plan de masse 2 n'est pas métallisé sur toute la surface, pour laisser le passage du via reliant 5 et 5'. Pour les accès 1 2 3 4, la traversée des plans de masse est assurée en supprimant la métallisation autour des vias de connexion. Les accès 1 et 2 peuvent se trouver sur les faces perpendiculaires comme illustré en figure 10.
  • Même si la hauteur du composant réalisé est augmentée, on parvient ainsi à réduire les dimensions dans le plan (diamètre du disque de matériau ferrite, largeur et longueur des pistes métalliques) et à améliorer les performances en termes d'isolation et de pertes d'insertion.
  • Plus précisément, cette configuration triplaque comporte quatre ensembles de noyau de ferrite entouré de matériau diélectrique. On réalise sur deux d'entre eux des jonctions Y, pour réaliser les cellules C1 et C2, sur les faces opposées aux faces comportant les jonctions Y, l'une des faces au moins est métallisée pour constituer le plan de masse interne référencé en figure 9, plan de masse PM. La structure triplaque comporte de manière symétrique, deux autres ensembles C1' et C2' présentant également un noyau de ferrite entouré de matériau diélectrique non représenté. L'ensemble C1' est en regard de la cellule C1, l'ensemble C2' est en regard de la cellule C2'.
  • Un plan de masse supérieur est réalisé sur la face externe de l'ensemble C1', un plan de masse inférieur est réalisé sur la face externe de l'ensemble C2'. Les trois de plans de masse PMs, PM et PMi sont reliés entre eux par des vias conducteurs périphériques ViB , la connexion entre les jonctions Y des deux cellules est assurée par le via conducteur principal VP.
  • Cette technologie de fabrication permet alors de réaliser des composants de type CMS : « Composant Monté en Surface » possédant des connexions Cxi sur une seule face qui peuvent être soudés de manière automatique.

Claims (19)

  1. Circulateur hyperfréquence comprenant au moins :
    - la superposition d'une première cellule et d'une seconde cellule, chaque cellule comportant :
    ∘ un noyau de matériau ferrite entouré de matériau diélectrique ou faiblement magnétique, ledit noyau et ledit matériau diélectrique ou faiblement magnétique étant coffrités ;
    ∘ au moins deux pistes d'accès et une piste de liaison jointes entre elles au niveau du noyau de matériau ferrite, sur une face active de la cellule ;
    - au moins une connexion de cellules permettant de relier électriquement ladite piste de liaison de ladite première cellule à ladite piste de liaison de ladite seconde cellule.
    - ladite superposition comprenant un plan de masse situé entre lesdites faces actives desdites cellules, le tout étant assemblé par cofrittage.
  2. Circulateur hyperfréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cellules comprennent une ou des couches de matériau ferrite/matériau diélectrique ou faiblement magnétique cofrittées.
  3. Circulateur hyperfréquence selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite connexion de cellules comprend au moins un via conducteur principal traversant ladite première cellule et ladite seconde cellule.
  4. Circulateur hyperfréquence selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte une structure triplaque cofrittée comprenant :
    - un plan de masse supérieur ;
    - une première cellule ;
    - une seconde cellule ;
    - un plan de masse inférieur.
  5. Circulateur hyperfréquence selon la revendication 4, caractérisé en ce que la première cellule est recouverte par un ensemble comprenant un noyau de matériau ferrite entouré de matériau diélectrique ou faiblement magnétique, la seconde cellule étant recouverte par un ensemble comprenant un noyau de matériau ferrite entouré de matériau diélectrique
  6. Circulateur hyperfréquence selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que lesdites cellules comprennent en outre des vias conducteurs secondaires débouchant sur le ou les plan(s) de masse et répartis autour dudit via conducteur principal.
  7. Circulateur hyperfréquence selon l'une des revendications précédentes comprenant au moins un aimant rapporté sur au moins une cellule ou sur un des plans de masse supérieur ou inférieur.
  8. Circulateur hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le matériau ferrite est de structure grenat.
  9. Circulateur hyperfréquence selon la revendication 8, caractérisé en ce que le matériau ferrite de structure grenat répond à la formule chimique suivante :

             YaTRbBib'FecAldIneCafCugZrhViCojSikO12±γ

    avec TR : une terre rare ou une combinaison de terres rares et : − 1 ≤ γ ≤ 1 ;
    Figure imgb0057
     3 a + b + b ′ + c + d + e + 2 f + g + j + 4 h + k + 5 i = 24 ± 2 γ ;
    Figure imgb0058
     1 ≤ a ≤ 3 , 5 ;
    Figure imgb0059
     0 ≤ b ≤ 1 , 5 ;
    Figure imgb0060
     0 < b ′ < 1 ;
    Figure imgb0061
     4 ≤ c ≤ 5 ;
    Figure imgb0062
     0 ≤ d ≤ 1 , 5 ;
    Figure imgb0063
     0 ≤ e ≤ 0 , 8 ;
    Figure imgb0064
     0 ≤ f ≤ 1 ;
    Figure imgb0065
     0 < g < 0 , 05 ;
    Figure imgb0066
     0 ≤ h ≤ 1
    Figure imgb0067
     0 ≤ i ≤ 0 , 8 ;
    Figure imgb0068
     0 ≤ j ≤ 0 , 5 ;
    Figure imgb0069
     0 ≤ k ≤ 0 , 5.
    Figure imgb0070
     avec b + d ≤ 1.
  10. Circulateur hyperfréquence selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau diélectrique est un matériau de structure grenat à faible aimantation magnétique.
  11. Circulateur hyperfréquence selon la revendication 10, caractérisé en ce que le matériau de structure grenat à faible aimantation magnétique répond à la formule chimique suivante :

             YaTRbBib'FecAldIneCafCugZrhViCojSikO12±γ

    avec TR : une terre rare ou une combinaison de terres rares et : − 1 ≤ γ ≤ 1 ;
    Figure imgb0071
     3 a + b + b ′ + c + d + e + 2 f + g + j + 4 h + k + 5 i = 24 ± 2 γ
    Figure imgb0072
     1 ≤ a ≤ 3 , 5 ;
    Figure imgb0073
     0 ≤ b ≤ 1 , 5 ;
    Figure imgb0074
     0 < b ′ < 1 ;
    Figure imgb0075
     4 ≤ c ≤ 5 ;
    Figure imgb0076
     0 ≤ d ≤ 1 , 5 ;
    Figure imgb0077
     0 ≤ e ≤ 0 , 8 ;
    Figure imgb0078
     0 ≤ f ≤ 1 ;
    Figure imgb0079
     0 < g < 0 , 05 ;
    Figure imgb0080
     0 ≤ h ≤ 1
    Figure imgb0081
     0 ≤ i ≤ 0 , 8 ;
    Figure imgb0082
     0 ≤ j ≤ 0 , 5 ;
    Figure imgb0083
     0 ≤ k ≤ 0 , 5.
    Figure imgb0084
     avec b + d ≥ 1,2.
  12. Procédé de fabrication d'un circulateur hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 11 comprenant :
    - la réalisation d'une première structure comprenant un noyau de matériau ferrite entouré de matériau diélectrique ou faiblement magnétique et d'une seconde structure comprenant un noyau de matériau ferrite entouré de matériau diélectrique ou faiblement magnétique ;
    - la réalisation de pistes d'accès et de liaison sur l'une des faces dite active de ladite première structure et sur l'une des faces dite active de ladite seconde structure ;
    - la réalisation d'un plan de masse sur l'une des faces opposées à l'une des faces actives desdites structures ;
    - l'assemblage de ladite première structure et de ladite seconde structure ;
    - la réalisation d'une connexion entre la piste de liaison de ladite première structure et la piste de liaison de ladite seconde structure ;
    - une étape de cofrittage pour solidariser la structure dans les trois dimensions.
  13. Procédé de fabrication d'un circulateur hyperfréquence selon la revendication 12, comprenant la réalisation d'au moins un via conducteur dans ledit assemblage pour obtenir ladite connexion entre la piste de liaison de ladite première structure et la piste de liaison de ladite seconde structure.
  14. Procédé de fabrication d'un circulateur hyperfréquence selon l'une des revendications 12 ou 13, dans lequel la réalisation d'une première structure comprenant un noyau de matériau ferrite entouré de matériau diélectrique ou faiblement magnétique et d'une seconde structure comprenant un noyau de matériau ferrite entouré de matériau diélectrique ou faiblement magnétique est effectuée par assemblage de pièces usinées de matériau ferrite et de matériau diélectrique.
  15. Procédé de fabrication d'un circulateur hyperfréquence selon l'une des revendications 12 ou 13, dans lequel la réalisation d'une première structure comprenant un noyau de matériau ferrite entouré de matériau diélectrique et d'une seconde structure comprenant un noyau de matériau ferrite entouré de matériau diélectrique ou faiblement magnétique est effectuée par cofrittage d'un empilement multicouches, chacune des couches comprenant un noyau de matériau ferrite entouré de matériau diélectrique ou faiblement magnétique.
  16. Procédé de fabrication d'un circulateur hyperfréquence selon la revendication 15 dans lequel le matériau diélectrique ou faiblement magnétique répond à la formule chimique suivante :

             YaTRbBib'FecAldIneCafCugZrhViCojSikO12±γ

    avec TR : une terre rare ou une combinaison de terres rares et : − 1 ≤ γ ≤ 1 ;
    Figure imgb0085
     3 a + b + b ′ + c + d + e + 2 f + g + j + 4 h + k + 5 i = 24 ± 2 γ
    Figure imgb0086
     1 ≤ a ≤ 3 , 5 ;
    Figure imgb0087
     0 ≤ b ≤ 1 , 5 ;
    Figure imgb0088
     0 < b ′ ≤ 1 ;
    Figure imgb0089
     4 ≤ c ≤ 5 ;
    Figure imgb0090
     0 ≤ d ≤ 1 , 5 ;
    Figure imgb0091
     0 ≤ e ≤ 0 , 8 ;
    Figure imgb0092
     0 ≤ f ≤ 1 ;
    Figure imgb0093
     0 < g < 0 , 05 ;
    Figure imgb0094
     0 ≤ h ≤ 1
    Figure imgb0095
     0 ≤ i ≤ 0 , 8 ;
    Figure imgb0096
     0 ≤ j ≤ 0 , 5 ;
    Figure imgb0097
     0 ≤ k ≤ 0 , 5.
    Figure imgb0098
     avec b + d ≥ 1,2.
  17. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 15 ou 16 dans lequel le matériau ferrite est de structure grenat et peut répondre à la formule chimique suivante :

             YaTRbBib'FecAldIneCafCugZrhViCojSikO12±γ

    avec TR : une terre rare ou une combinaison de terres rares et : − 1 ≤ γ ≤ 1 ;
    Figure imgb0099
     3 a + b + b ′ + c + d + e + 2 f + g + j + 4 h + k + 5 i = 24 ± 2 γ ;
    Figure imgb0100
     1 ≤ a ≤ 3 , 5 ;
    Figure imgb0101
     0 ≤ b ≤ 1 , 5 ;
    Figure imgb0102
     0 < b ′ < 1 ;
    Figure imgb0103
     4 ≤ c ≤ 5 ;
    Figure imgb0104
     0 ≤ d ≤ 1 , 5 ;
    Figure imgb0105
     0 ≤ e ≤ 0 , 8 ;
    Figure imgb0106
     0 ≤ f ≤ 1 ;
    Figure imgb0107
     0 < g < 0 , 05 ;
    Figure imgb0108
     0 ≤ h ≤ 1
    Figure imgb0109
     0 ≤ i ≤ 0 , 8 ;
    Figure imgb0110
     0 ≤ j ≤ 0 , 5 ;
    Figure imgb0111
     0 ≤ k ≤ 0 , 5.
    Figure imgb0112
     avec b + d ≤ 1.
  18. Procédé de fabrication d'un circulateur hyperfréquence selon l'une des revendications 15 à 17, comprenant les étapes suivantes :
    - la réalisation de bandes de matériau ferrite et de matériau diélectrique ou faiblement magnétique par coulage ;
    - la découpe desdites bandes ;
    - la réalisation d'au moins un via ;
    - le remplissage d'au moins ledit via avec une encre métallique ;
    - la réalisation de pistes d'accès et de liaison jointes entre elles au niveau du noyau de matériau ferrite sur un sous-ensemble de bandes et de plans de masse sur certaines autres bandes;
    - l'empilement desdites bandes par pressage à chaud ;
    - le cofrittage dudit empilement conduisant à la solidarisation de la structure multicouches.
  19. Circulateur hyperfréquence obtenu selon le procédé de fabrication d'une des revendications 12 à 18.
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