FR2501419A1 - Circuit pour signaux de tres haute frequence comprenant au moins une microbande - Google Patents

Abstract

CE CIRCUIT A MICROBANDE, PREVU POUR DES SIGNAUX DE FREQUENCE EXTREMEMENT ELEVEE, EST REALISE SUR UN SUPPORT 1 DE MATIERE DIELECTRIQUE, DISPOSE SUR LE FOND D'UNE GORGE 5 OBTENUE AVEC DEUX ECRANS METALLIQUES 3 ET 4 QUI SONT RACCORDES AU PLAN DE MASSE DE LA MICROBANDE 2, ET FERMEE PAR UN ELEMENT EN MATIERE CONDUCTRICE 8. LE REGLAGE, DE TYPE CAPACITIF, DE LA MICROBANDE 2 EST REALISE DE FACON CONTINUE AU MOYEN DE VIS 7 QUI FONT SAILLIE SUR LA PAROI D'UN DES ECRANS ET DONT L'AXE EST PARALLELE AU PLAN DE LA MICROBANDE, LAQUELLE EST FORMEE LE PLUS PRES POSSIBLE DE L'ECRAN PARALLELEMENT A CELUI-CI. L'INVENTION EST APPLICABLE A LA REALISATION D'UN CIRCULATEUR ET D'UN COUPLEUR DIRECTIONNEL.

Description

l 2501419 La présente invention concerne des circuits pour signaux de

fréquence extrêmement élevée, réalisés sur un support

diélectrique et comprenant au moins une microbande.

On connaît et on utilise abondamment, dans la technique des circuits à micro-ondes, les circuits à microbande, c'est- à-dire constitués par une piste de cuivre ou d'un autre métal bon conducteur, réalisée sur l'une des faces d'une plaque de matière diélectrique dont l'autre face (parallèle à celle sur laquelle se trouve la microbande) est complètement métallisée

pour constituer le plan de masse.

Il convient de rappeler quelques notions bien connues dans cette branche de la technique:

- Le champ électromagnétique induit par le signal à micro-

onde envoyé sur la microbande est contenu en majeure partie entre la microbande et la masse et il est intérieur au support diélectrique; la grandeur du champ qui effectue un parcours partiellement dans l'air, donnant lieu à des interférences par

irradiation, croît avec l'augmentation de la fréquence, mais dimi-

nue avec l'augmentation de la constante diélectrique de la

matière utilisée pour le support.

- La longueur d'onde d'un signal dans le diélectrique est

donnée par la longueur d'onde dans l'air (inversement propor-

tionnelle à la fréquence), divisée par la racine carrée de la

constante diélectrique équivalente: plus la constante diélec-

trique est élevée, moindres (à égalité de fréquence) doivent être les dimensions des éléments (demi-onde ou quart d'onde) qui doivent être réalisés sur le diélectrique lui-même et plus grandes sont les difficultés techniques à surmonter pour

réaliser des microbandes ayant exactement les dimensions requi-

ses.

On considèrera deux matières diélectriques pour le sup-

port: l'alumine (E c- 10) et le durold à haute fréquence

(ú a-2,3) ou une matière plastique analogue pour support.

A égalité de fréquence, un circuit à microbande réalisé sur duroïd rayonne beaucoup plus d'énergie que le circuit analogue réalisé sur alumine; en d'autres termes, si l'on considère la fréquence limite à laquelle le champ est encore

contenu essentiellement dans le support, la limite pour l'alu-

mine est très supérieure à celle pour le duroîd; pour cette raison, l'alumine peut être utilisée, avec un rayonnement (et, par conséquent, une interférence entre circuits) nul ou

tout au moins négligeable, pour des fréquences très supérieu-

res à celles du duroîd.

D'autre part, la longueur d'onde dans l'alumine est à peu près la moitié de la longueur d'onde dans le durold (si l'on applique dans les deux cas le même signal); il en résulte que les circuits réalisés sur alumine sont plus petits

et, par suite, plus exigeants en ce qui concerne les dimen-

sions, que ceux qui sont réalisés sur duroid. Ce fait limite la fréquence maximale des signaux applicables au circuit, mais à des fréquences plus basses (quelques GHz), il favorise

la miniaturisation du circuit.

Ies limites imposées par les techniques disponibles en ce qui concerne la précision des dimensions des pistes ont jusqu'à maintenant rendu problématique le dépassement de la

fréquence de 10 GHz.

La présente invention a pour objet un circuit à micro-

bande, en mesure de fonctionner à des fréquences très supé-

rieures à celles que permettent les circuits connus, carac-

térisé par le fait qu'il est réalisé sur un support diélectri-

que placé sur le fond d'une gorge constituée par deux écrans métalliques raccordés au plan de masse de la microbande, parallèles entre eux et perpendiculaires au plan du support; l'un au moins de ces écrans métalliques présente des trous filetés dans lesquels sont insérées des vis de réglage et les microbandes sont placées le plus près possible d'un écran qui porte les vis de réglage et parallèlement à celui-ci; la gorge a une largeur inférieure à la moitié de la longueur

d'onde dans l'air du signal appliqué au circuit.

L'invention pourra être mieux comprise à l'aide d'un

exemple de réalisation illustré par les figures ci-annexées.

La fig. 1 est une vue en coupe d'un circuit suivant l'invention. La fig. 2 est une vue en plan d'un tronçon de circuit

suivant l'invention.

La fig. 3 représente un circulateur suivant l'invention.

La fig. 4 illustre une forme de réalisation possible,

suivant l'invention, d'un coupleur à 3 dB.

Sur la vue en coupe de la fig. 1 sont représentés, sans que soit respectée l'échelle entre ces éléments: en 1 le support, de préférence à basse constante diélectrique; en 2 -une microbande réalisée sur le support 1; en 3 et 4 deux écrans métalliques raccordés au plan de masse du circuit à microbande, parallèles entre eux et perpendiculaires au plan

du support. Dans une forme de réalisation préférée, représen-

tée sur la figure, le plan de masse du circuit réalisé sur le support 1 est soudé sur le fond d'une gorge 5 creusée dans un corps métallique 6. La distance d entre les écrans et la hauteur h de ceux-ci sont, en tous cas, inférieures à

la moitié de la longueur d'onde du signal dans l'air.

Il est très important, dans les circuits à micro-ondes, d'avoir la possibilité de faire varier, à l'aide de moyens de réglage continu, les caractéristiques du circuit de manière à donner à celui-ci les caractéristiques (impédance, fréquence

de résonance, longueur équivalente, etc.) voulues.

Plus précisément, en ce qui concerne les circuits à

microbande connus, les réglages de type capacitif sont effec-

tués, soit au moyen de points formés sur le support et raccordés, si nécessaire, au circuit par des gouttes de vernis conducteur, soit au moyen de "protubérances" du circuit, obtenues en appliquant des gouttes de vernis conducteur sur la microbande. L'une et l'autre de ces solutions ne permettent que des réglages discontinus; il s'agit de procédés qui

prennent beaucoup de temps et, par suite, sont onéreux.

Par contre, le réglage du circuit suivant l'invention est

effectué de manière continue au moyen de vis 7 qui font sail-

lie sur l'une au moins des parois latérales (3, 4); afin de

réduire le parcours dans l'air des lignes du champ électro-

magnétique et d'avoir un couplage exclusivement capacitif, la piste 2 est réalisée le plus près possible de la paroi latérale

et parallèlement à celle-ci.

Le champ rayonné par les parties des pistes 2 parallèles aux écrans ne peut pas se propager dans la gorge 5, qui se comporte comme un guide d'ondes excité par un signal inférieur à sa fréquence de coupure; le champ associé aux vis 7 et aux parties des pistes 2 perpendiculaires aux écrans peut par contre se propager en dehors de la gorge 5 et il est bloqué par la fermeture 8 en matière conductrice. Suivant une autre forme de réalisation possible, le circuit à microbande entier

est isolé au moyen d'un écran métallique.

l'utilisation d'un support en durold (ou une autre matiè-

re à basse constante diélectrique) se révèle donc avantageuse par rapport à l'alumine aux hautes et très hautes fréquences (supérieures à 10 GHz), puisqu'elle permet d'avoir, dans la gorgé 5, un champ qui ne peut pas se propager dans cette gorge, mais qui s'accouple bien aux vis 7, lesquelles sont donc en mesure d'agir efficacement sur le circuit; en outre, les pistes

sont plus grandes.

Il y a lieu de noter que les vis de réglage 7 doivent avoir un petit diamètre (inférieur à un huitième) par rapport à la longueur d'onde dans le diélectrique du signal appliqué au circuit; la limite supérieure en fréquence de ce signal est par conséquent subordonnée à la possibilité de réaliser

des vis de diamètre extrêmement réduit.

Sans que l'on s'écarte du domaine de l'invention, il est Aw possible de réaliser le circuit à microbande ici décrit sur

un support à constante diélectrique élevée, par exemple l'alu-

mine. Mais une telle forme de réalisation apparatt moins avantageuse, car le champ dispersé est moindre (les réglages effectués au moyen des vis 7 sont moins efficaces) et les vis doivent avoir un diamètre plus petit à égalité de fréquence cela limite la fréquence maximale du signal applicable au

circuit suivant l'invention.

Sur la fig. 2 est reproduit en plan, sans la fermeture 8, un tronçon de circuit suivant-l'invention, que la fig. 1

représente en une vue en coupe faite dans le plan I-I.

On peut y voir les positions mutuelles de la piste 2, voisine de l'écran 3 et parallèle à celui-ci, et de la vis de réglage 7; on a par ailleurs indiqué l'un des appendices 9 qui peuvent s'étendre à partir de la piste 2, pour y appliquer

par exemple les alimentations d'éléments actifs à semiconduc-

-teur. La fig. 3 est le schéma de réalisation d'un circulateur

suivant l'invention.

Il comprend un disque métallique 10 qui est superposé à

un noyau (non indiqué sur la figure) de matière ferrimagnéti-

que encastré dans le support 1, disque d'o partent trois bras ll mutuellement décalés de 1209, constitués par des pistes à haute impédance ayant une longueur égale à la moitié de la longueur d'onde du signal dans le diélectrique et raccordées aux pistes d'alimentation 12 à basse impédance (valeur typique, 0 ohms). On notera comment les trois pistes ont été réalisées de manière à être le plus parallèles possible aux écrans (3, 4) et à être soumises à l'influence des vis de réglage 7, non reproduites sur la figure pour simplifier celle-ci. Les deux pistes ll qui sont parallèles entre elles peuvent être isolées l'une de l'autre au moyen d'une piste métallique 13 reliée à la masse par des trous traversants métallisés 14 qui sont espacés les uns des autres a'une distance inférieure à un

quart de la longueur d'onde du signal dans le diélectrique.

Les moyens utilisés pour la fermeture du champ magnétique relatif au noyau ont été omis sur la figure afin de simplifier celle-ci et ils ne seront pas décrits ici en détail, eu égard au fait qu'ils sont connus en soi. Comme on le sait, l'épaisseur du noyau ferrimagnétique diminue lorsqu'augmente la fréquence du signal appliqué. Si

l'on adoptait la structure traditionnelle pour les circula-

teurs, qui prévoit la présence, entre le disque superposé au noyau et les pistes d'alimentation, d'éléments quart d'onde basse impédance, dans le domaine de fréquences (supérieur à 10 GHz) pour lequel l'invention a été étudiée, le noyau

devrait être réduit à une lame très mince (de l'ordre des cen-

tièmes de millimètre), extrêmement difficile à réaliser avec la précision requise et très fragile. L'adoption d'éléments demi-onde il à haute impédance pernêt d'augmenter l'épaisseur du noyau jusqu'à des valeurs (fractions de millimètre) qu'il

est plus facile d'obtenir: les exigences relatives à l'épais-

seur du noyau sont donc moins sévères et celui-ci est plus robuste et maniable. L'impédance du noyau est de l'ordre de

celle des lignes d'alimentation 12.

Selon un autre mode de réalisation possible, non illustré

par la figure, les éléments ll sont constitués par deux seg-

ments quart d'onde, disposés en cascade et ayant des impédan-

ces (de l'ordre du double de celle d'une piste d'alimentation) différentes l'une de l'autre et tel es que l'impédance du

noyau soit progressivement adaptée à celle des lignes d'ali-

mentation 12. Cette solution a pour avantage de permettre de donner au noyau la hauteur que l'on estime la plus utile, et notamment de donner au noyau l'épaisseur du support 1, ce qui

en simplifie l'insertion.

Sur la fig. 4 est représenté un exemple de réalisation d'un coupleur directionnel à 3 dB suivant l'invention. Il

consiste en un anneau 15 d'épaisseur uniforme, à haute impé-

dance, ayant une longueur égale à la moitié de la longueur d'onde du signal dans le support 1. Au centre de l'anneau est située une zone métallisée 16 en forme de "noeud papillon",

raccordée à la masse par un trou métallisé 17.

Dans les coupleurs directionnels de type connu, l'anneau se compose de quatre segments (semblables deux à deux), ayant des épaisseurs telles que le rapport entre les impédances de deux segments adjacents soit respectivement N(2 et 1/ 2; l'ouverture centrale prend donc une forme "en noeud papillon",

analogue à celle de la zone métallisée 16 avec rotation de 90Q.

Lorsque la fréquence augmente, le diamètre de l'anneau est réduit de plus en plus; les deux segments opposés ayant la plus petite impédance, à laquelle correspond une plus grande largeur de la piste, se rapprochent de façon excessive, au point que des interférences mutuelles non désirées sont

possibles.

Dans un coupleur suivant l'invention, l'utilisation d'un -support à basse constante diélectrique augmente la longueur d'onde et,- par suite, le diamètre de l'anneau, mince du fait qu'il présente une impédance élevée; la distance différente à la masse, due à la forme "en noeud papillon" de la zone métallisée 16, influe sur l'impédance que présente chaque segment de l'anneau 15 on obtient ainsi les quatre segments à impédances différentes qui, dans les coupleurs connus, sont

réalisés en faisant varier la largeur de la piste.

En outre, le trou métallisé 17, relié à la masse, amé-

liore l'isolement réciproque des segments opposés de l'anneau.

Dans une forme de réalisation préférée, il part de l'anneau 15 deux paires de pistes 11 à haute impédance, ayant une longueur égale à la moitié de la longueur d'onde, qui

adaptent l'impédance de l'anneau 15 à celle des lignes d'ali-

mentation 12.

Il est possible d'améliorer l'isolement réciproque des pistes 11 de chaque paire, en formant sur le support 1 les pistes 13 raccordées à la masse, de façon analogue à ce qui

a déjà été indiqué à propos du circulateur de la fig. 3.

Selon une autre forme de réalisation possible de l'inven-

tion, l'anneau conserve la forme qu'il présente dans les coupleurs directionnels connus; les segments de plus grande largeur sont isolés par un trou central métallisé et raccordé d la masse, analogue à celui qui est désigné par 17 sur la

fig. 4.

De façon analogue à ce qui a été indiqué précédemment à propos du circulateur de la fig. 3, dans le cas également du coupleur directionnel (avec les deux formes de réalisation possibles de l'anneau 15).les éléments d'adaptation 11 peuvent être constitués par deux segments quart d'onde de haute

impédance, disposés en cascade l'un par rapport à l'autre.

REVEUDICATIONS

1. Circuit pour signaux à fréquence extrêmement élevée, com-

prenant au moins une microbande, caractérisé en ce qu'il est réalisé sur un support diélectrique (1) placé sur le fond d'une gorge (5) constituée par deux écrans métalliques (3, 4) raccordés au plan de masse de la microbande (2), parallèles entre eux et perpendiculaires au plan du support (1), en ce qu'au moins l'un des écrans présente des trous filetés dans lesquels sont insérées des vis de réglage (7), en ce que les microbandes sont placées le plus près possible d'un écran o10 portant les vis de réglage (7) et parallèlement à celui-ci, et en ce que la gorge (5) a une largeur (d) et une hauteur (h) inférieures à la moitié de la longueur d'onde dans l'air

du signal appliqué au circuit.

2. Circuit selon la revendication l, caractérisé en ce que la gorge est fermée par un élément métallique (8) raccordé

aux écrans.

3. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que

la support (1) est un support à basse constante diélectrique.

4. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 3,

pour le désaccouplement mutuel de deux entrées adjacentes (circulateur), caractérisé en ce qu'il comprend un noyau de matière ferrimagnétique enchâssé dans le support (1) et ayant une impédance de l'ordre de celle de la ligne de transmission et trois microbandes (11) qui partent à intervalles réguliers d'un disque (lO) superposé au noyau, adaptant l'impédance du

noyau à celle de la ligne d'alimentation (12).

5. Circuit selon l'une quelcpnque des revendications 1 à 3,

capable de répartir la puissance appliquée à une porte d'entrée entre deux portes de sortie (coupleur directionnel), caractérisé en ce qu'il comprend: un anneau (15) conducteur, réalisé sur le support (1), ayant une largeur uniforme et une longueur égale à la moitié de la longueur d'onde du signal dans le support, ainsi qu'une impédance élevée; une zone métalli- sée (16) ayant une forme "en noeud papillon" et raccordée à la masse au moyen d'un trou métallisé (17); et deux paires de

microbandes (11), symétriques entre elles, constituant respec-

tivement les portes d'entrée et de sortie et adaptant l'impé-

dance de l'anneau (15) à celle de la ligne d'alimentation (12).

6. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 3,

capable de répartir entre deux portes de sortie la puissance

appliquée à une porte d'entrée (coupleur directionnel), carac-

térisé en ce qu'il comprend: un disque conducteur, réalisé sur le support, ayant une longueur égale à la moitié de la longueur d'onde du signal, ainsi qu'une impédance élevée et

présentant un trou central "en noeud papillon"; un trou métal-

lisé (17), placé au centre du disque et raccordé à la masse; deux paires de microbandes (11), symétriques entre elles, constituant respectivement les portes d'entrée et de sortie

et adaptant l'impédance du disque à celle de la ligne d'alimen-

tation (12).

7. Circuit selon l'une quelconque des revendications 4 à 6,

caractérisé en ce que chaque microbande (11) a une haute impédance et une longueur égale à la moitié de la longueur

d'onde du signal dans le diélectrique.

8. Circuit selon l'une quelconque des revendications 4 à 6,

caractérisé en ce que chaque microbande (11) comprend deux segments d'impédances différentes, ayant une longueur égale au quart de la longueur d'onde du signal dans le diélectrique et placés en cascade entre eux. l'impédance de ces segments

étant de l'ordre du double de celle d'une piste d'alimenta-

tion (12).