FR2560442A1 - Dispositif de commutation et de limitation a ligne a fente, fonctionnant en hyperfrequences - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UN DISPOSITIF HYPERFREQUENCES UTILISANT UNE LIGNE A FENTE 4, DANS LEQUEL EST MONTEE AU MOINS UNE DIODE 7 CONNECTEE EN PARALLELE ENTRE LES DEUX BANDES 2, 3 METALLIQUES DE LA FENTE. A HAUTE FREQUENCE 18 A 200 GHZ, LES CONNEXIONS DE LA DIODE 7 PRESENTENT UNE SELF L DONT L'IMPEDANCE NON NEGLIGEABLE REND DIFFICILE L'UTILISATION DE LA DIODE 7. LE DISPOSITIF SELON L'INVENTION COMPREND UN CIRCUIT DE COMPENSATION DE LA SELF DE LA DIODE, REENTRANT DANS LA LIGNE A FENTE, CONSTITUE PAR UN TRONCON METALLIQUE 9, COPLANAIRE AVEC LA LIGNE, CONNECTE EN SERIE AVEC LA DIODE 7. LE TRONCON DE COMPENSATION EST EN COURT-CIRCUIT 9 OU EN CIRCUIT OUVERT 13 PAR RAPPORT A LA BANDE 3 METALLIQUE DANS LAQUELLE IL EST REENTRANT. LA LONGUEUR ELECTRIQUE 1 DU TRONCON DE COMPENSATION EST REGLABLE PAR FIL C, C, C, PAR VERNIS CONDUCTEUR, OU PAR PLOTS METALLIQUES 14, 15. APPLICATION AUX INTERRUPTEURS COMMANDES, COMMUTATEURS ET LIMITEURS PASSIFS, ENTRE 18 ET 200GHZ.
Description
DISPOSITIF DE COMMUTATION ET DE LIMITATION A LIGNE A FENTE,
FONCTIONNANT EN HYPERFREQUENCES
La présente invention concerne un dispositif de commutation et de limitation à ligne à fente, fonctionnant en hyperfréquences. Ce dispositif fonctionne selon différents modes, selon que la ou les diodes qui en font
partie sont polarisées en direct ou en inverse. Selon le mode de fonction-
nement, ce dispositif atténue le signal hyperfréquences d'entrée partiel-
lement (limiteur) ou totalement (interrupteur). Dans ce dispositif, l'invention concerne essentiellement le circuit de compensation des éléments réactifs associés à chaque diode, c'est-à-dire sa résistance parasite, sa self liée aux
connexions et sa capacité en polarisation inverse.
Les lignes à fente, connues également sous l'appellation anglaise de Cmn!ine ou slot-line, sont constituées par deux métallisations déposées sur un substrat isolant tel que le quartz, l'alumine ou un substrat plastique qui laissent entre elles une fente de.100 à 200 microns de largeur: ce circuit se comporte, dans l'intervalle de 18 à 200 GHz par exemple, comme un guide - d'onde. Différentes façons de monter une ou plusieurs diodes permettent de
îah'e d'un tel circuit soit un atténuateur eu commutateur soit un limiteur.
Lêea diodes utilisées sont généralement des diodes PIN ou Schottky et elles sont Connetées soit par poutres (beam-lead) soit par fil: ces connexions prg Leixenî' en hyperfréquences, une self qui a une influence prépondérante
!:?: l's caractêristiques du circuit.
L'objet de l'invention est de compenser cette self parasite par un circuit d'accord ou compensation qui prend en compte les éléments réactifs associés à chaque diode. La compensation est obtenue par un circuit en ligne coplanaire, en série avec la diode montée en parallèle entre les deux bandes de la ligne à fente, ce circui' etant composé d'au moins un tronçon de ligne
coplanaire de longueur réglable.
selon des perfectionnements à l'invention, le circuit comprend deux tronqons de ligne par diode, à raison d'un tronçon pour chaque connexion de la dioD e, 't en ouetre un tronçon peut être ouvert, c'esta-à-dire isolé de la bande dont il est voisin, ce qui permet de polariser la diode par une tension indépendante.
De façon plus précise, l'invention concerne un dispositif de commu-
tation et de limitation à ligne à fente, fonctionnant en hyperfréquences, comportant, supportées par un substrat, deux bandes métallisées définissant entre elles une fente, et au moins une diode, montée en parallèle entre les deux bandes, cette diode présentant, outre sa résistance R et sa capacité de jonction C, une self L due aux connexions, ce dispositif étant caractérisé en ce que, en vue de compenser l'impédance de la self L à haute fréquence, il comprend un élément de compensation, constitué par au moins un tronçon métallique, coplanaire avec la ligne à fente, connecté en série avec la diode et réglable en longueur, ce tronçon métallique s'inscrivant dans une plage pratiquée dans une bande dont il est séparé par au moins deux bandes non métallisées.
L'invention sera mieux comprise par la description qui en est faite,
autour de quelques exemples d'application, cette description s'appuyant sur
les figures jointes en annexe qui représentent: - figure I1: représentation simplifiée d'une ligne à fente ou fin-line selon l'art connu, - figure 2: schémas d'équivalences d'une diode, - figure 3: schéma de montage de compensation d'une diode série dans une ligne à fente selon l'art connu,
- figures 4 et 5: schémas d'équivalences d'un montage de compen-
sation d'une diode parallèle dans une ligne à fente selon l'invention, figure 6: ligne à fente compensée par résonateur coplanaire selon l'invention, - figures 7 et 8: ligne à fente compensée par résonateur coplanaire, dans deux autres formes de réalisation de l'invention, figure 9: ligne à fente à une diode selon l'invention, - figure 10: ligne à fente à deux diodes selon l'invention, - figure 11: ligne à fente à une diode, avec tronçon en circuit ouvert, selon l'invention, - figure 12: ligne à fente à une diode avec deux types de tronçcnr selon l'invention. La figure I représente de façon très schématique le montage d'un circuit à fente ou fin-line. Il comporte, placé à l'intérieur d'un boîtier muni des connexions adéquates, un substrat en matériaux diélectriques 1 (quartz, alumine) sur lequel sont déposées deux bandes métalliques 2 et 3 laissant entre elles une fente 4. Les extrémités des métallisations présentent deux adaptations d'impédance 5 et 6 qui constituent les zones de transition entre le circuit extérieur et le circuit à fente. Une ou plusieurs diodes 7 sont montées en pont entre les deux métallisations 2 et 3. Pour que le circuit soit utilisable avec des diodes, l'une des métallisations, 3 sur cette figure, est isolée de manière à pouvoir amener une tension de polarisation continue. Par contre, vis à vis de la haute fréquence, cette même métallisation est mise à la masse en choisissant l'épaisseur de la paroi du guide égale à X d/4, X d
étant la longueur d'onde dans le milieu diélectrique considéré.
Pour réaliser une impédance caractéristique adaptée aux impédances
des diodes, la largeur de la fente est comprise entre 100 et 200 microns.
Dans le but de minimiser les pertes d'insertion, le montage doit être le plus court possible. Par exemple la longueur de la fente 4 est de l'ordre de 5 mm ou moins et les deux régions de transition de l'ordre de 12 mm environ, ou moins. Dans un circuit de commutation ou de limitation à fente, le circuit de base est constitué par une ou plusieurs diodes en parallèle sur la ligne à fente tel que représenté en figure 1. Ces diodes peuvent être montées en type beam-lead, c'est-à-dire avec des poutres soudées à plat: leur capacité
de l'ordre de 0,02 pF leur permet de travailler jusqu'à de très hautes fré-
quences, 200 GHz par exemple. Elles peuvent être également du type clas-
sique, avec une pastille connectée par un fil thermocomprimé: leur capacité est alors supérieure ou égale à 0,1 pF, et elles ne peuvent travailler qu'à plus basses fréquences, dépendant de la capacité de la diode, c'est-à-dire aux environs de 1 8 GHz. Les diodes utilisables sont des diodes PIN ou des diodes Schottky, mais les diodes PIN, surtout à très hautes fréquences, doivent être considérées comme des diodes parfaites, ayant une faible capacité en polarisation inverse et une faible résistance en polarisation directe, associées à une self L de connexion en série, c'est-à-dire la self de la poutre du bearn-lead ou celle de la connexion par filo C'est ce que représente la figure 2 dans laquelle une diode D est représentée par son sigle conventionnel en série avec une self L5 qui est constituée par le fil de connexion. Si la diode est polarisée en direct, son impédance est égale à la somme de la résistance Rd de la diode dans le sens passant, et de la self LS. Si la diode est polarisée en inverse, son impédance est alors égale à la somme de la résistance Ri plus la capacité de jonction Cj
de la diode polarisée en inverse, en série avec la self LS des connexions.
A hautes fréquences, l'impédance de la self n'est pas négligeable et sa présence rend l'utilisation de la diode de plus en plus difficile lorsque la fréquence s'élève. Il est donc nécessaire d'ossocier à la diode un élément de circuit permettant de compenser la self LS. L'invention concerne une manière particulièrement simple de réaliser cette compensation en circuits de type à fente, cette compensation étant réglable très aisément pour
accorder les circuits à la fréquence désirée.
Mais, avant de décrire l'invention, il est nécessaire de définir les deux modes de fonctionnement du circuit selon l'invention, car la désignation de
ces modes sera fréquemment utilisée dans la suite du texte.
Selon le mode 1 de fonctionnement du circuit selon l'invention, l'inter-
rupteur est ouvert, c'est-à-dire qu'il y a isolement, lorsque la ou les diodes sont polarisées en direct. L'interrupteur est passant, c'est-àdire qu'il n'y a que de faibles pertes d'insertion, lorsque la ou les diodes sont polarisées en inverse. Ce mode de fonctionnement est compatible avec le fonctionnement en limiteur passif. L'augmentation de la puissance de signal d'entrée provoque une injection de porteurs dans les diodes donc une augmentation
des pertes, d'o une limitation de la puissance de sortie.
Selon le mode 2 de fonctionnement, qui est l'inverse du mode pré-
cédent, l'interrupteur est ouvert, c'est-à-dire qu'il y a isolement, lorsque les diodes sont polarisées en inverse. L'interrupteur est passant, c'est-à-dire
qu'il n'y a que de faibles pertes, lorsque les diodes sont polarisées en direct.
Ce mode est incompatible avec le fonctionnement en limiteur passif.
Ces deux modes seront appelés par la suite, respectivement, mode 1 et
mode 2.
Dans l'utilisation de diodes PIN beam-lead, la self équivalente des poutres de la diode a une influence prépondérante. La présence de cette self a comme conséquences: - une impédance plus faible de la diode en polarisation inverse qu'en polarisation directe, d'o un fonctionnement difficile en mode I qui est le seul mode possible en, limitation passive. La réalisation de circuits en mode 1 utilisant des diodes non compensées nécessite donc des fentes très fines (100 microns), délicates à réaliser, ou une structure comportant trois diodes, c'est-à-dire des pertes importantes, - des pertes d'insertions importantes pour le sens passant en mode 1 lorsque les diodes sont polarisées en inverse, à cause de la proximité de la résonance entre la capacité de jonction C. et la self, j une tenue en puissance faible en claquage, pour la diode polarisée en inverse, à cause de la surtension du circuit capacité de jonction-self de jonction. Ces considérations rendent nécessaires l'utilisation d'un circuit de
compensation réactif, permettant de compenser les éléments réactifs asso-
ciés aux diodes PIN.
La figure 3 représente le schéma de montage de compensation d'une diode série dans une ligne à fente selon l'art connu. Cette figure 3 comporte sur sa partie gauche le schéma de la diode montée dans la fente et sur sa
partie droite le schéma électrique équivalent au montage de gauche.
En ce qui concerne la figure 3, ainsi que les figures 6 à 12, il est convenu que celles-ci ne représentent que la partie de la ligne à fente dans
la zone entourant la diode.
Dans un tel montage diode en série, la diode représentée par sa (.laa.zié C et la self L de sa connexion est montée entre les bords opposés d'une pilege 8 pratiquée dans une bande métallique 3 par exemple. Cette
plaoe 8 est donc constituée par le substrat sans métallisation. Si la profon-
deur de la plage 8 a une longueur 1, la bande métallique 3 constitue aux bornes de lta diode un tronçon, également appelé un stub, court-circuité
[Puiscui1l est réalise dans une mêmrne plage métallique, d'impédance caracté-
r ristique Zc, et de longueur 1, connecté en parallèle sur l'ensemble diode-self
de connexion. Le circuit, c'est-à-dire la plage 8, est réglée de telle ma-
niare que: en polarisat'ion inverse il y a une résonance série entre la capacité C cde la diode et la self L de connexion et l'interrupteur est alors passant, - en polarisation directe, il y a une résonance parallèle entre la self L
de connexion et le stub court-circuité et l'interrupteur est alors non passant.
Ce type de circuit, qui est connu, ne fonctionne pas bien à 94 GHz, fréquence particulièrement intéressante puisqu'elle correspond à une fenêtre de transmission dans l'atmosphère. Les difficultés principales proviennent de
l'impossibilité matérielle d'assurer simultanément les deux conditions d'ac-
cord qui sont très délicates à réaliser à cette fréquence.
La méthode selon l'invention est représentée par les schémas d'équi-
valence du montage de compensation d'une diode parallèle dans une ligne à fente, en figures 4 et 5. Ces figures comportent dans leur partie gauche le montage de la diode tel qu'il est réalisé et dans leurs parties droites les équivalences dans le mode 1 pour la figure 4 et dans le mode 2 pour la
figure 5.
Selon l'invention, au moins une diode PIN est montée en parallèle sur la fente de la ligne à fente, en lui associant un élément réactif série jX (j étant le symbole des imaginaires) destiné à compenser les éléments réactifs associés aux diodes. Pour les deux types de circuit, l'ensemble constitué par
la diode, sa self de connexion et le composant d'accord ou de compen-
sation jX a une valeur de réactance définie dans le sens passant: il est donc nécessaire soit d'associer des circuits d'adaptation à la diode, soit d'utiliser
au minimum deux diodes placées à distance convenable sur la ligne à fente.
L'élément de compensation série idéal conduisant à la bande de
fonctionnement la plus large, est un élément localisé. En mode 2, c'est-à-
dire en figure 5, o il doit être selfique, il est facile à réaliser en allongeant la connexion de la diode par exemple. En mode 1, par contre, o il doit être capacitif pour accorder la self de connexion de la diode, il n'est pas possible de le réaliser sous la forme d'une capacité localisée gravée, ou rapportée, car celle-ci aurait des dimensions voisines du quart d'onde. L'utilisation d'une capacité localisée rapportée sur le circuit pose des problèmes de
reproductibilité et de complexité technologique.
La solution apportée par l'invention est de réaliser la compensation nécessaire à l'aide d'un tronçon de ligne gravé, coplanaire avec les bandes de
la ligne à fente sur le substrat commun.
La figure 6 représente la partie centrale d'une ligne à fente compensée
par résonateur coplanaire selon l'invention. La ligne à fente 4 étant cons-
tituée par deux bandes métalliques 2 et 3 déposée sur un substrat, une ligne coplanaire réentrante 9 est réalisée dans l'une des deux bandes, la bande 3 par exemple. Cette ligne coplanaire réentrante constituée par un tronçon de métallisation 9, est obtenue simplement par gravure dans le métal de la bande 3 de deux plages 10 et 11. Le tronçon 9 a une longueur I obtenue par gravure. La diode 7 est connectée entre les deux points A et A', -situés à l'extrémité libre du tronçon 9 et sur la bande métallique 2 qui lui est opposée. Selon un perfectionnement à l'invention, un fil, dans l'air, ponte les deux bords de la bande métallique qui comporte le tronçon réentrant 9: ce fil connecté entre les points B et B' permet d' égaliser les potentiels en ces points là. En outre, la diode étant connectée entre A et A' la longueur du tronçon de compensation 9 peut être, si nécessaire, réglée au moyen d'un fil métallique qui est thermo-comprimé entre les points C, C' et C", en une position variable en fonction de la compensation désirée. La longueur du tronçon 9 de compensation peut être également obtenue en déposant, dans le fond des plages 10 et 11 qui ont été gravées dans la métallisation 3, et au voisinage des points C, C' et C", une laque d'argent qui court-circuite plus
ou moins le tronçon 9.
D'autres formes de réalisation de l'invention seront montrées dans les figures suivantes, mais toutes ont en commun les avantages de ce type de
montage de compensation, c'est-à-dire -
- gravure du substrat sur une seule face, donc en coplanaire - réglage du circuit facile par ajustage de la Iongueur électrique des tronçons: thermocompression d'un fil ou dépôt d'une laque conductrice. Ce type de circuit permet de réaliser les meilleures performances et la
meilleure reproductibilité.
L'impédance du tronçon ou stub 9 est égale à:
j Zc tg v-
avec: Z = impédance caractéristique de la ligne coplanaire, to = pulsation,
1 = longueur du tronçon, v = vitesse de propagation de l'onde dans le milieu.
Etant donné que ( = 2 ir, X étant la longueur d'onde à la fré-
quence du dispositif,-
si_2 arI < 7r
2S 1 < 2
X_ 2 X c'est-à-dire si 1 < 4, le dispositif est selfique, 7T si r > 1>
c'est-à-dire si - > 1 > -4 le dispositif est capacitif.
La figure 7 représente la partie centrale d'une ligne à fente compensée par résonateur coplanaire, dans une seconde forme de réalisation. La diode étant montée entre les points A et A', comme sur la figure 6, le point A fait partie d'un premier tronçon 9 de longueur 11 mais le point A' fait partie d'un second tronçon 12 de longueur 12. -Il1 et 12 sont réglables séparément, et si 11 = 12, l'impédance en série avec la diode est 2 j Zctg v1. Bien évidemment, dans le cas o la diode est mont$e entre deux tronçons de ligne 9 et 12, il y a deux fils métalliques pour l'équipotantialité entre les
points B, B' et D, D', de chaque côté de la fente.
La figure 8 représente une troisième variante à l'invention. Tandis que dans le cas des figures 6 et 7, le ou les tronçons ou stubs 9 et 12 étaient en court-circuit, dans le cas de la figure 8 le tronçon est en circuit ouvert. Il est constitué par au moins un tronçon 13, mais il est préférable d'y ajouter au moins un élément de tronçon 14, plusieurs petits tronçons tels que 14, 15, chacun étant isolé sur le substrat, étant une solution préférable. La solution du tronçon ouvert permet plus facilement la polarisation de la diode montée
comme précédemment entre les points A et A. Cette polarisation est ame-
née par un fil métallique 16, soudé ou thermocomprimé sur l'un des tron-
çons 13, 14 ou 15, la longueur totale du tronçon étant choisie par pontage entre les tronçons élémentaires de façon à compenser la diode. Les définitions étant les mêmes que celles données à l'occasion de la figure 6, l'impédance du circuit de compensation selon la figure 8 est donnée par: - j Zc cotg
Si l < 4, la ligne de compensation est capacitive.
Si 2 >, la ligne de compensation est selfique.
Le circuit de la figure 8 peut être réalisé avec deux tronçons ou stubs symétriques et ouverts: c'est-à-dire que la réalisation symétrique de la
figure 7 avec deux tronçons en court-circuit selon la figure 6 peut égale-
ment être réalisée avec deux tronçons en circuit ouvert selon la figure 8. La figure 9 représente un montage à une diode, selon l'invention, fonctionnant aussi bien en mode I qu'en mode 2. Dans ce montage un tronçon à haute impédance 17 est inséré à hauteur de la diode dans la ligne à fente: ce tronçon est destiné à l'adaptation à l'état passant, pour corriger
l'impédance de la diode qui n'est pas suffisamment élevée.
En mode 1, l'ensemble de la diode et de la ligne de compensation est équivalent à un court-circuit pour la diode en polarisation directe. Dans ce cas on a, la codification étant toujours la même, LSt 5 + Zctg v1 = 0 Dans le cas du fonctionnement en mode 2, l'ensemble de la diode et de
la compensation est équivalent à un court-circuit pour la diode en polari-
sation inverse et l'on a alors: LSoo C: 1x + Zctg v = 0 Ll a figure 1I0 représente la partie centrale d'une ligne à fente à deux ioJdes selon l'invention. Ces deux diodes sont montées dans ce cas de figure dans un tronçon 2 haute impédance 17, de la même façon que dans le cas de à figure 9, mais elles sont distantes entre elles d'une distance "e" qui correspond à un écartement optimisé pour l'adaptation dans le sens passant, 'i les diodes sont polarisées en inverse Il est cependant possible d'avoir le même mrontiage en conservant la même largeur de fente tout au long de la ligne. a figure 11 représente la partie centrale d'une ligne à fente à une diode, avec tronçon en circuit ouvert. La diode est polarisée à travers le tronçon 13 par une connexion externe 16, et compte- tenu du fonctionnement e, mode 1 et du Tronçon _ haute impedance 17, on a dans ce cas de figure, l'équation: nin fr 2 r n l dn En-fin, la figure 12 représente un schéma dans lequel les deux types de tronçons sont utilisés pour compenser la diode. La diode étant montée entre
un tronçon 12 en court-circuit, d'impédance caractéristique Z2 et de lon-
gueur 12 et un tronçon 13, en circuit ouvert, d'impédance caractéristique Z1 et de longueur 11, l'impédance de la ligne de compensation est égale à: - w 12 c 1 LS + Z2tg v Z1 cotg v =
2 0
Le circuit selon l'invention a essentiellement deux types d'appli-
cation: d'une part les circuits de commutation tels qu'interrupteur, com-
mutateur à n voies à bas et moyens niveaux, d'autre part les circuits de
limitation passive, c'est-à-dire non commandés, de moyenne puissance.
Parmi les utilisations du premier type, les interrupteurs commandés et commutateurs, on recherche grâce à une polarisation extérieure deux états de fonctionnement: un état passant à faible perte et un état non passant à isolement élevé. Ces deux états peuvent être obtenus par les deux modes 1
et 2 qui ont été définis précédemment.
Dans le cas des limiteurs passifs, les diodes sont auto-polarisées grâce à un retour continu extérieur au circuit hyperfréquence: dans ce cas les diodes s'auto-polarisent progressivement en direct au fur et à mesure que la puissance hyperfréquence augmente. L'utilisation d'un circuit en mode 1 est impérative pour avoir un fonctionnement en limiteur passif. De façon plus générale le dispositif de limitation ou de commutation à ligne et à fente selon l'invention est utilisé dans les matériels de télécommunication, radars
ou guidage microondes de missiles.
Claims (5)
- 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tron-çon (9) de compensation est en court-circuit avec une bande (3) de la ligne à fente, par son extrémité opposée à celle sur laquelle est connectée ladiode (7).
- 3/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le -.onçon (13) de compensation est en circuit ouvert par rapport à la bande (3) de la ligne à fente qui lui est voisine, ce qui permet d'appUliquer à la diode (7)une tension de polarisation (en 16).
- 4/Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans le cas o le tronçon (9) de compensation est en court-circuit avec une bande (3) de la ligne à fente, la longueur électrique (f) du tronçon (9) est réglable par fil métallique (C, C', C") thermocompressé entre le tronçon (en C") et les bordsde la bande (en C et C')./ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans le cas o le tronçon (9) de compensation est en court-circuit avec une bande (3) de la ligne à fente, la longueur électrique (1) du tronçon (9) est réglable par un vernis conducteur déposé sur les bandes isolantes (10, 11) , entre letronçon (9) et les bords de la bande (3).
- 6/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans le cas o le tronçon (13) de compensation est en circuit ouvert par rapport à la bande (3) qui lui est voisine, la longueur électrique (1) du tronçon (9) est réglable par au moins un second élément de tronçon (14), connecté par filthermocomprimé avec le tronçon (13) sur lequel est connectée la diode (7).
- 7/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la diode est connectée entre deux tronçons de compensation (9, 12), (12, 13). _ 8/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que un fil métallique (B, B'), thermocomprimé sur les bords de la plage pratiquée dansune bande (3), égalise les potentiels le long de la fente (4).
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