FR2774216A1 - Module a hautes frequences pour communications - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un module à hautes fréquences.Elle se rapporte à un module qui comprend une feuille diélectrique (1), des électrodes placées sur les deux grandes faces de la feuille, des ouvertures (4) formées chacune sur une des électrodes étant destinées à être alignées afin que les ouvertures forment un résonateur diélectrique, des lignes (11, 12) couplées magnétiquement au résonateur diélectrique, un substrat (6) formant les lignes (11, 12) et empilé sur la feuille diélectrique, et un boîtier conducteur (7) dans lequel sont placés le substrat et la feuille diélectrique, et dans lequel l'une des lignes (11, 12) couplées au résonateur diélectrique occupe une position qui coïncide avec le côté interne de l'ouverture pratiquement le long du bord de l'ouverture.Application aux systèmes de communications.
Description
La présente invention concerne un module à hautes fréquences et, plus précisément, un résonateur, un filtre, un oscillateur ou analogue qui est utilisé pour des communications dans les bandes millimétriques ou des hyperfré quences
Etant donné la demande croissante récemment des systèmes de communications mobiles, la bande millimétrique a été très utilisée pour l'augmentation de capacité des émissions d'informations dans le système. Un filtre diélectrique à hautes fréquences ou un oscillateur commandé en tension (VCO) à hautes fréquences comprend par exemple un résonateur diélectrique de forme cylindrique travaillant en mode TE018.
Etant donné la demande croissante récemment des systèmes de communications mobiles, la bande millimétrique a été très utilisée pour l'augmentation de capacité des émissions d'informations dans le système. Un filtre diélectrique à hautes fréquences ou un oscillateur commandé en tension (VCO) à hautes fréquences comprend par exemple un résonateur diélectrique de forme cylindrique travaillant en mode TE018.
En général, la fréquence de résonance du résonateur est déterminée par sa configuration, alors que l'intensité du couplage électromagnétique entre le résonateur et une microbande plate ou analogue est déterminée par la distance qui les sépare. Ainsi, pour la production d'un filtre ou d'un résonateur qui correspond à une spécification voulue, la formation de la configuration du résonateur et le positionnement de celui-ci nécessitent une grande précision.
Dans la demande de brevet japonais mise à l'inspection publique n" 8-265 015, la demanderesse a présenté un module dans lequel des électrodes sont placées sur les deux grandes faces d'une feuille diélectrique pour la réalisation d'un résonateur diélectrique sur une partie de la feuille. Les électrodes disposées sur la feuille diélectrique sont utilisées à un potentiel de masse, et une microbande plate placée sur une autre feuille diélectrique est empilée sur la première feuille diélectrique. Cette disposition forme un module à hautes fréquences, tel que l'oscillateur VCO.
En outre, un type analogue de module à hautes fréquences a été présenté dans la demande de brevet japonais n" 8-294 087. Les figures 5 à 8 représentent la structure du module à hautes fréquences. Il faut noter que le module à hautes fréquences n'était pas divulgué au moment du dépôt de la demande de brevet japonais n" 10-17 006 dont la présente demande revendique la priorité. Ainsi, ce module à hautes fréquences ne constitue pas une technique antérieure dans le cadre de l'invention.
La figure 5 représente une vue en perspective du module. Des électrodes 2 et 3 sont formées sur les deux grandes faces d'une feuille diélectrique 1, avec exclusion d'une partie de chaque grande face de la feuille qui forme une ouverture 4. De cette manière, un résonateur diélectrique travaillant en mode TEO10 peut être formé. Les deux lignes 11 et 12 qui sont formées sur un substrat diélectrique ou isolant 6 sont couplées magnétiquement au résonateur diélectrique.
Comme l'indique la figure 6, comme le champ électromagnétique est piégé entre les ouvertures 4 et 5, le couplage des composants électroniques, sauf celui des lignes 11 et 12 et du résonateur, peut être réduit. En outre, la concentration de l'énergie du champ électromagnétique à l'ouverture permet un couplage intense entre le résonateur et les lignes de couplage et provoque une augmentation de la largeur de modulation en fréquence lorsque le résonateur est utilisé comme oscillateur.
Cependant, l'impédance des lignes 11 et 12 à l'ouverture est un peu supérieure à celle des lignes dans les autres zones puisqu'aucune électrode de masse n'est présente à la partie supérieure ou inférieure de l'ouverture. En conséquence, il apparaît une réflexion d'un signal transmis due à la désadaptation d'impédance et provoquant la création d'une résonance due à la longueur électrique existant entre la partie qui provoque la réflexion et un circuit de résistance négative. Il s'agit d'un problème propre à un résonateur diélectrique travaillant en mode TE010, mais non à un résonateur diélectrique travaillant en mode TE016.
Sur la figure 5, les lignes 11 et 12 qui passent sur l'ouverture n'ont pas de partie courbe. Dans ce cas, plus le côté interne de l'ouverture est proche et plus l'impédance des lignes est élevée comme l'indique la figure 7. Ainsi, il apparaît une désadaptation d'impédance. Une résonance est donc produite à une fréquence différente de la fréquence de résonance du résonateur diélectrique.
La figure 8 représente un graphique de Smith dans lequel la direction r indique l'amplitude de la réflexion créée par la résonance et la direction O désigne la phase de réflexion. La référence A désigne la résonance en mode TE010, et la référence B la résonance superflue due à la ligne de couplage. Dans le module de la figure 5, la résonance due à la désadaptation d'impédance des lignes de couplage existe en accord avec une résonance produite par le résonateur diélectrique. Ainsi, lorsqu'un résonateur est utilisé comme oscillateur commandé en tension, la variation du positionnement de l'impédance caractéristique d'une ligne auxiliaire permet un changement de l'impédance caractéristique de la ligne auxiliaire correspondant au changement de la fréquence d'oscillation. En conséquence, il faut prendre en considération un problème de linéarité de la modulation de fréquence de l'oscillateur commandé en tension.
La présente invention a donc pour objet la réalisation d'un module à hautes fréquences qui réduit l'oscillation parasite due à la désadaptation d'impédance.
L'invention a aussi pour objet la mise à disposition d'un module à hautes fréquences ayant une plus grande linéarité de la modulation de fréquence.
La référence ZO désigne l'impédance caractéristique de la région dans laquelle l'électrode de masse et la ligne sont opposées, alors que la référence Z1 désigne l'impédance caractéristique de la région dans laquelle elles ne sont pas opposées, c'est-à-dire la région qui se trouve au-dessus de l'ouverture. Lorsqu'une extrémité de la ligne est terminée par une résistance, l'amplitude d'un coefficient de réflexion à l'emplacement auquel la ligne est couplée électromagnétiquement à un résonateur diélectrique (appelé dans la suite point de résonance) est représentée par la formule (Z12 - Z02)/(Z12 + po2). Plus le rapport Z1/ZO est élevé et plus la réflexion est importante.
D'autre part, la composante capacitive de la ligne est due essentiellement à une partie à laquelle le bord de l'ouverture est en face de la ligne. Ainsi, le raccourcissement de la distance comprise entre le bord de l'ouverture de la ligne permet une augmentation de la capacité de la ligne, et l'impédance caractéristique de la ligne peut être réduite. En outre, la réduction de la variation de l'impédance caractéristique de la ligne auxiliaire avec la position permet une augmentation de la linéarité de la modulation de fréquence.
L'invention concerne un module à hautes fréquences qui comporte une feuille diélectrique, des électrodes placées sur les deux grandes faces de la feuille, une ouverture formée dans chaque électrode afin qu'elles soient alignées et qu'elles forment un résonateur diélectrique, des lignes couplées au résonateur diélectrique, un substrat portant les lignes et empilé sur la feuille diélectrique, et un boîtier conducteur destiné à entourer le substrat et la feuille diélectrique, dans lequel l'une des lignes couplées au résonateur diélectrique occupe une position qui coïncide avec le côté interne de l'ouverture pratiquement le long du bord de l'ouverture.
Cette disposition permet une augmentation de l'impédance de la ligne au-dessus de l'ouverture et donc une réduction de la réflexion. Les lignes comprennent aussi une autre ligne dont une extrémité peut avoir une terminaison résistive et l'autre extrémité peut être raccordée à un circuit de résistance négative pour la formation d'un oscillateur. Une oscillation parasite peut ainsi être commandée.
En outre, une extrémité de la première des lignes indiquées, couplée au résonateur diélectrique, peut être connectée à un élément réactif variable, alors qu'une extrémité de la seconde ligne précitée peut avoir une terminaison résistive et l'autre extremité de la même ligne peut être connectée à un circuit réactif négatif pour la formation d'un oscillateur. Cette disposition permet une augmentation de la linéarité de la modulation de fréquence, puisque la variation de l'impédance caractéristique de la ligne auxiliaire connectée à l'élément réactif variable avec le positionnement est faible.
En outre, les deux lignes peuvent occuper une position qui coïncide avec le côté interne de l'ouverture pratiquement le long du bord de l'ouverture. Cette disposition permet la réduction d'une oscillation parasite, si bien qu'on peut obtenir un oscillateur ayant une linéarité élevée de la modulation en fréquence.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels
la figure 1 est une vue en perspective avec des parties arrachées d'une structure de la partie principale d'un oscillateur commandé en tension (VCO) dans un premier mode de réalisation de l'invention
la figure 2 est une vue en plan de l'oscillateur commandé en tension
la figure 3 représente un circuit équivalent de l'oscillateur commandé en tension
la figure 4 est une vue en plan de la structure d'un oscillateur dans un second mode de réalisation de l'invention ;
la figure 5 est une vue en perspective avec des parties arrachées représentant la structure d'un autre type d'oscillateur commandé en tension
la figure 6 est une vue d'un exemple de distribution électromagnétique d'un résonateur diélectrique travaillant en mode TE010, disposé sur une feuille diélectrique
les figures 7a et 7b représentent respectivement une ligne couplée à un résonateur diélectrique et un graphique représentant un exemple d'impédance caractéristique de cette ligne ; et
la figure 8 représente un diagramme d'oscillation parasité créé par la ligne de couplage.
la figure 1 est une vue en perspective avec des parties arrachées d'une structure de la partie principale d'un oscillateur commandé en tension (VCO) dans un premier mode de réalisation de l'invention
la figure 2 est une vue en plan de l'oscillateur commandé en tension
la figure 3 représente un circuit équivalent de l'oscillateur commandé en tension
la figure 4 est une vue en plan de la structure d'un oscillateur dans un second mode de réalisation de l'invention ;
la figure 5 est une vue en perspective avec des parties arrachées représentant la structure d'un autre type d'oscillateur commandé en tension
la figure 6 est une vue d'un exemple de distribution électromagnétique d'un résonateur diélectrique travaillant en mode TE010, disposé sur une feuille diélectrique
les figures 7a et 7b représentent respectivement une ligne couplée à un résonateur diélectrique et un graphique représentant un exemple d'impédance caractéristique de cette ligne ; et
la figure 8 représente un diagramme d'oscillation parasité créé par la ligne de couplage.
Les figures 1 à 3 représentent la structure d'un oscillateur commandé en tension VCO dans un premier mode de réalisation de l'invention.
La figure 1 est une vue en perspective avec des parties arrachées représentant la structure de la partie principale de l'oscillateur. Des couches conductrices sont formées respectivement sur les deux grandes faces d'une feuille diélectrique 1, à l'exclusion d'une certaine partie de la feuille afin qu'un résonateur diélectrique travaillant en mode TEO10 soit réalisé. Les lignes 11 et 12 sont formées sur une surface du substrat 6 qui est sous forme d'une feuille isolante ou diélectrique. Le substrat 6 est empilé sur la feuille diélectrique 1, et les lignes 11 et 12 sont couplées magnétiquement au résonateur diélectrique.
Pour simplifier la représentation, la figure 1 ne représente qu'une partie d'un boîtier conducteur 7 qui entoure la structure à couches. De préférence, le boîtier conducteur 7 possède au moins deux surfaces conductrices opposées au moins aux grandes faces supérieure et inférieure de la structure à couches. En outre, l'espace compris entre les surfaces supérieure et inférieure conductrices du boîtier et les surfaces principales de la structure à couches est de préférence ajusté afin qu'un signal dont la fréquence est égale à la fréquence de résonance du résonateur diélectrique soit atténué dans toute cette région sauf l'ouverture.
La figure 3 est un schéma du circuit équivalent de l'oscillateur commandé en tension décrit précédemment. La référence R désigne un résonateur diélectrique. Sur cette figure, une extrémité de la ligne principale 11 a une terminaison résistive et l'autre extrémité de la ligne est connectée à un circuit de résistance négative ayant un transistor à effet de champ 15 pour la formation d'un oscillateur ; la réactance d'une diode à capacité variable 16 connectée à la ligne auxiliaire 12 couplée au résonateur diélectrique R est modifiée par une tension de polarisation, si bien que la fréquence de l'oscillateur peut être réglée.
La figure 2 est une vue en plan de l'oscillateur commandé en tension. Sur cette figure, la référence 11 désigne une ligne principale et la référence 12 une ligne auxiliaire. Une résistance 13 de terminaison est connectée entre une extrémité de la ligne principale 11 et une électrode de masse 14, et l'autre extrémité de la ligne 11 est connectée au transistor à effet de champ 15 qui est monté sur une ligne de réaction en série 18. La référence 21 désigne une résistance sous forme d'une pastille, les références 20 et 22 désignent des circuits de polarisation du transistor 15 et la référence 19 désigne un circuit de sortie. Une extrémité de la ligne auxiliaire 12 est à la masse par l'intermédiaire d'un élément réactif variable tel que la diode à capacité variable 16. La référence 23 désigne un circuit de polarisation de la diode à capacité variable 16.
Dans ce mode de réalisation, la fréquence d'oscillation du résonateur diélectrique est égale à 30 GHz, la constante diélectrique relative de la feuille diélectrique est égale à 24, et la constante diélectrique relative du substrat 6 est égale à 3,4. Une partie de la ligne auxiliaire est formée circulairement de manière que la ligne auxiliaire 12 passe à une position qui se trouve le long du côté interne de l'ouverture à une distance de 0,4 mm du bord de l'ouverture. La ligne auxiliaire 12 possède une autre partie qui s'étend de manière rectiligne vers le résonateur diélectrique depuis la diode 16. La longueur de la partie rectiligne de la ligne 12 est pratiquement égale au quart de la longueur d'onde d'une onde électromagnétique ayant la fréquence de résonance. La longueur de la partie rectiligne de la ligne auxiliaire 12 désigne la distance comprise entre la diode 16 à capacité variable et un coin 121 de la ligne auxiliaire à partir duquel commence la courbure.
Comme représenté, la distance comprise entre la ligne auxiliaire 12 et l'électrode 2 sur le résonateur diélectrique est pratiquement fixe si bien que l'impédance caractéristique de la ligne auxiliaire 12 est presque la même à toute position au-dessus du résonateur. Ainsi, une linéarité satisfaisante de la modulation de fréquence de l'oscillateur commandé en tension peut être obtenue.
En outre, la ligne principale 11 et la ligne auxiliaire 12 peuvent être disposées afin qu'elles s'étendent toutes deux le long du bord de l'ouverture à l'intérieur du côté interne de celle-ci. La linéarité de modulation de fréquence peut alors être encore accrue, et une oscillation parasite peut être réduite.
La figure 4 est une vue en plan d'un oscillateur dans un second mode de réalisation de l'invention. L'oscillateur représenté n' a ni ligne auxiliaire ni capacité variable, puisqu'il forme un oscillateur ayant une fréquence fixe d'oscillation. Sur cette figure, une ligne 11 s'étend de manière rectiligne à partir d'une résistance 13 de terminaison vers un résonateur diélectrique, elle pénètre un peu, c'est-à-dire d'environ 0,4 mm, puis elle s'étend le long de la périphérie du résonateur. En outre, après passage audessus de la périphérie du résonateur en un point convenable, la ligne 11 s'étend sous forme rectiligne vers un transistor à effet de champ 15.
Comme dans le premier mode de réalisation, dans le second mode de réalisation, la fréquence de résonance est de 30 GHz, la constante diélectrique relative d'une feuille diélectrique est égale à 24, et la constante diélectrique relative d'un substrat 6 est égale à 3,4. Bien que le second mode de réalisation adopte une forme rectiligne pour la ligne principale 11 en dehors du résonateur, pour des raisons de rentabilité de câblage, la forme peut être modifiée à volonté.
Cette disposition permet une augmentation de capacité de la ligne principale 11 et un réglage de l'augmentation de l'impédance caractéristique de la ligne principale 11 dans la région de l'ouverture 4 d'électrode. En conséquence, la désadaptation d'impédance de la ligne 11 peut être réduite afin que la résonance superflue due à la réflexion soit maîtrisée.
Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux modules qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemple non limitatif sans sortir du cadre de l'invention.
Claims (6)
1. Module à hautes fréquences, caractérisé en ce qu'il comprend
une feuille diélectrique (1),
des électrodes placées sur les deux grandes faces de la feuille, des ouvertures formées chacune sur une des électrodes étant destinées à être alignées afin que les ouvertures forment un résonateur diélectrique,
des lignes (11, 12) couplées magnétiquement au résonateur diélectrique,
un substrat (6) formant les lignes (11, 12) et empilé sur la feuille diélectrique, et
un boîtier conducteur (7) dans lequel sont placés le substrat et la feuille diélectrique, et
dans lequel l'une des lignes (11, 12) couplées au résonateur diélectrique occupe une position qui coïncide avec le côté interne de l'ouverture pratiquement le long du bord de l'ouverture.
2. Module selon la revendication 1, caractérisé en ce qu une autre des lignes (11, 12) a une extrémité possédant une terminaison résistive (13) et une autre extrémité connectée à un circuit de résistance négative pour la formation d'un oscillateur.
3. Module selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première des lignes (11, 12) couplées au résonateur diélectrique a une extrémité connectée à un élément réactif variable, et 1 'autre ligne a une extrémité à terminaison résistive (13) et une autre extrémité connectée à un circuit de résistance négative pour la formation d'un oscillateur.
4. Module selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'autre ligne occupe une position qui coïncide avec le côté interne de l'ouverture (4) pratiquement le long du bord de l'ouverture.
5. Module à hautes fréquences, caractérisé en ce qu'il comprend
un substrat diélectrique (6)
au moins une paire de feuilles conductrices (1) placées sur les deux faces du substrat diélectrique (6),
une paire d'ouvertures (4) disposées respectivement sur les feuilles conductrices à aligner,
un autre substrat diélectrique placé sur l'une au moins des feuilles conductrices,
une microbande plate disposée sur l'autre substrat diélectrique de manière qu'une partie de la ligne passe audessus des ouvertures en s'étendant au-dessus des ouvertures tout en maintenant une distance pratiquement fixe avec la périphérie de l'ouverture, et
au moins une autre paire de feuilles conductrices placées des deux côtés de la structure à couches formée.
6. Module selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'une extrémité de la microbande plate est mise à la masse par une résistance alors que l'autre extrémité de la ligne à microbande plate est connectée à un transistor à effet de champ (15).
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