WO2014009453A1 - Dispositif d'adaptation d'impedance - Google Patents

Dispositif d'adaptation d'impedance Download PDF

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WO2014009453A1
WO2014009453A1 PCT/EP2013/064654 EP2013064654W WO2014009453A1 WO 2014009453 A1 WO2014009453 A1 WO 2014009453A1 EP 2013064654 W EP2013064654 W EP 2013064654W WO 2014009453 A1 WO2014009453 A1 WO 2014009453A1
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conductive
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ground plane
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Inventor
Philippe Alonso
Claude BARET
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Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H7/00—Multiple-port networks comprising only passive electrical elements as network components
    • H03H7/38—Impedance-matching networks
    • 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

Definitions

  • the invention relates to an electronic impedance matching device.
  • the field of the invention is the microwave domain including in particular that of photoconductive systems.
  • the adaptation systems known to date are fixed and not optimizable. Their performances depend on the type of line chosen, the quality of soldering and the properties of the useful components (photoconductors, property of the substrate of the line and materials ). In versions using metal housings, the shielding function is provided but does not optimize performance in terms of impedance matching.
  • the invention aims to optimize the performance of an impedance matching device comprising for example a microstrip circuit surrounded by a metal casing.
  • This circuit can be loaded by a photoconductor which we want to recover the electrical response.
  • the object of the invention is to provide a robust device whose performance in terms of impedance matching is optimized in a relatively wide frequency band (greater than GHz).
  • the invention meets requirements strict: the transmitted signals must not be damaged in the useful band.
  • the invention relates to an impedance matching device comprising a circuit composed of a plane substrate on which at least one conductive line and a ground plane are arranged, characterized in that this ground plane is positioned directly on a wall. internal conductor housing and in that this device comprises at least one conductive spring, having at least one variable characteristic, arranged on the line side and applying a mechanical stress on the circuit with a set screw to compress the plane mass against said inner wall.
  • the circuit may be a microstrip line or a slotline. It may include coplanar lines ("planar waveguides”) or strip lines ("striplines").
  • the springs may be arranged symmetrically with respect to the conductive lines.
  • each spring has at least one variable characteristic, for example the number of turns exceeding a ground plane, the space between the turns, or the length of a central core.
  • Each spring may have a spring size adjusting screw, or a central screw-shaped core whose tightening determines the length inside the spring.
  • Figures 1A and 1B illustrate a microstrip line respectively in perspective and in cross section.
  • FIG. 2 illustrates the device of the invention.
  • FIG. 3 illustrates an exemplary embodiment of the device of the invention.
  • FIG. 4 illustrates the frequency responses of the reflection coefficients (Sij) in the case where the circuit is not equipped with springs and in the case where it is equipped with springs as in the microstrip circuit of the invention.
  • FIG. 5 shows curves illustrating the comparison of percussion responses between two operational circuits: an organized circuit according to the invention and a non-optimized circuit without springs.
  • microstrip lines are an extension of the microwave technology to printed circuits. They have many advantages, including their small size, their lightness and ease of integration into a housing. In return, they can not transmit significant power and can only radiate locally.
  • Microband lines are widely used in the manufacture of microwave circuits. In this type of line, as illustrated in FIGS. 1A and 1B, the electric field lines E and magnetic lines H are mainly concentrated in the dielectric of the substrate 12 between the metallized line 10 and the ground plane 11, although a weak portion is also found in the air above the substrate. Strictly speaking, the exact fields of a microstrip structure correspond to a TM-TE wave. In practice, the fields are quasi-TEM because the thickness of the dielectric is very small compared to the wavelength.
  • TE represents an electric tranverse mode
  • TM represents a magnetic tranverse mode
  • TEM represents an electro-magnetic tranverse mode, which is characterized by transverse components only in x and y (the components E z and H z are zero. ).
  • the circuit 20 is enclosed here, for example a line "adapted" microstrip 26 disposed on a substrate 27, in a conductive housing 21 provided with a cover 25.
  • a line "adapted" microstrip 26 disposed on a substrate 27, in a conductive housing 21 provided with a cover 25.
  • the reference 28 corresponds to an external power supply input (for example the polarization in the case of a photoconductor).
  • the springs 22 have two essential roles in the device of the invention: they allow first of all to compress the ground plane 23 of the circuit 20 against the inner wall 24 of the conductive housing 21, then locally induce inductive coupling with the Thus, the inner radiation in the vicinity of the line is partly coupled with the conductive housing 21.
  • the compression of the springs 22 makes it possible to slightly modify the impedance of the line and thus makes it possible to improve the adaptation of the circuit and so the transmission in the line.
  • a vector network analyzer is used. The port of the analyzer is calibrated before connection to make a measurement of the S parameter in reflection. If one uses the port 3 of the analyzer, one speaks about the parameter S33.
  • the adjustment consists in compressing the springs on the circuit by screws placed on the surface of the upper cover.
  • 31 corresponds to an optical input
  • 32 to the external power supply
  • 33 to an electrical output (SMA or other) and measurement of the reflection coefficient.
  • the optimization consists of reducing the S33 (in dB) in the frequency band defined by the device of the invention. Indeed, there is a relationship between the reflection coefficient (Sij) and the input impedance (Ze) seen by the network analyzer. The closer the circuit has an impedance close to the normalized impedance (50 ⁇ ), the lower the response reflected by the system.
  • Curve I corresponds to the device of the invention, comprising a closed casing with springs, and curve II to a casing closed without springs. If a threshold of -10 dB is taken as a criterion, an increase (of approximately 15% in the illustrated example) in the frequency band in which the circuit is impedance is noted.
  • the device of the invention has the advantage of optimizing the adapted circuit and thus of improving the performance in terms of impedance matching in the frequency band of the system.
  • Bandwidth depends mainly on intrinsic characteristics of the semiconductor and the quality of the connections.
  • the use of the springs improves the impedance matching at the output of a photoconductor and makes it possible to focus this device. Indeed, the more the circuit is adapted, the greater the bandwidth and the better the transfer function of the circuit. This improvement results in a decrease in the back bounces and a good restitution of the fronts during transients.
  • the device of the invention makes it possible to improve the performance of the circuits mounted in metal shells.
  • the equidistributed contact between the ground plane of the circuit and the housing is a sine qua non condition to ensure good electrical performance (low reflection coefficient and therefore better impedance matching seen from the output connector).
  • the fact of adding the conductive springs indeed compresses the circuit and thus allows a slight coupling between the field radiated by the line and the closed conductive housing.
  • the invention contributes to modifying the transfer function of the planar circuit and thus makes it possible to reduce rebound phenomena during fast transients.
  • the device of the invention can be used for a semiconductor-based device having the ability to detect radiation from the optical domain and transform it into an electrical signal (photodiode).
  • this type of device is regularly used to characterize optical signals from measurement chains provided with optical fibers.
  • the design of specific laser diagnostics requires the use of photodiodes whose performance is directly related to the selected components but also to the means set up to adapt the output of the product.
  • the development and use of fiber devices may also employ such a photon-electron converting means in a more or less severe environment, subjected to electromagnetic disturbances in radiated mode.
  • the device thus produced is industrializable and can be used in the field of telecommunications or research.

Landscapes

  • Waveguides (AREA)

Abstract

L'invention concerne un dispositif d'adaptation d'impédance comprenant un circuit composé d'un substrat plan (27) sur lequel est disposée au moins une ligne-ruban conductrice(26), au moins un ressort conducteur (22) appliquant une contrainte mécanique sur le circuit.

Description

DISPOSITIF D'ADAPTATION D'IMPEDANCE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention concerne un dispositif électronique d'adaptation d'impédance.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Le domaine de l'invention est le domaine hyperfréquence comprenant notamment celui des systèmes photoconducteurs.
Dans les applications actuelles, on trouve beaucoup de photodétecteurs encapsulés à intégrer. Pour récupérer le signal électrique, il existe principalement deux types de liaisons pour adapter la sortie du composant à la connectique électrique : des lignes coaxiales ou bien des lignes microbandes (ou « microstrip »). Dans la majorité des cas, les industriels utilisent une de ces deux solutions.
Les systèmes d'adaptation connus à ce jour sont fixes et non optimisables. Leurs performances dépendent du type de ligne choisi, de la qualité des brasages et des propriétés des composants utiles (photoconducteurs, propriété du substrat de la ligne et des matériaux...). Dans les versions utilisant des boîtiers métalliques, la fonction de blindage est assurée mais ne permet pas d'optimiser les performances en termes d'adaptation d'impédance.
L'invention a pour objet d'optimiser les performances d'un dispositif d'adaptation d'impédance comprenant par exemple un circuit microbande entouré d'une enveloppe métallique. Ce circuit peut-être chargé par un photoconducteur dont on souhaite récupérer la réponse électrique.
L'invention a pour objet de réaliser un dispositif robuste, dont les performances en terme d'adaptation d'impédance sont optimisées dans une bande de fréquence relativement large (supérieure au GHz). L'invention répond à des exigences strictes : en effet les signaux transmis ne doivent pas subir de dégradations dans la bande utile.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
L'invention concerne un dispositif d'adaptation d'impédance comprenant un circuit composé d'un substrat plan sur lequel sont disposés au moins une ligne conductrice et un plan de masse, caractérisé en ce que ce plan de masse est positionné directement sur une paroi interne du boîtier conducteur et en ce que ce dispositif comprend au moins un ressort conducteur, ayant au moins une caractéristique variable, disposé du côté ligne et appliquant une contrainte mécanique sur le circuit à l'aide d'une vis de réglage pour comprimer le plan de masse contre ladite paroi interne.
Avantageusement le circuit peut être une ligne microbande, une ligne à fente (« slotline »). Il peut comprendre des lignes coplanaires (« planar waveguides ») ou des lignes-bandes (« striplines »).
Avantageusement les ressorts peuvent être disposés de façon symétrique par rapport aux lignes conductrices.
Avantageusement chaque ressort a au moins une caractéristique variable, par exemple le nombre de spires dépassant d'un plan de masse, l'espace entre les spires, ou la longueur d'un noyau central. Chaque ressort peut disposer d'une vis de réglage de la taille du ressort, ou d'un noyau central en forme de vis dont le serrage détermine la longueur à l'intérieur du ressort.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
Les figures 1A et 1B illustrent une ligne microbande respectivement en perspective et en coupe transversale.
La figure 2 illustre le dispositif de l'invention.
La figure 3 illustre un exemple de réalisation du dispositif de l'invention. La figure 4 illustre les réponses fréquentielles des coefficients de réflexion(Sij) dans le cas où le circuit n'est pas équipé de ressorts et dans le cas où il est équipé de ressorts comme dans le circuit microbande de l'invention.
La figure 5 représente des courbes illustrant la comparaison de réponses percussionnelles entre deux circuits opérationnels : un circuit organisé selon l'invention et un circuit non optimisé sans ressorts.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Les lignes microbande (« microstrip ») sont une extension de la technique des micro-ondes aux circuits imprimés. Elles présentent de nombreux avantages, notamment leur faible encombrement, leur légèreté et leur facilité d'intégration dans un boîtier. En contrepartie, elles ne peuvent pas transmettre de puissance notable et ne peuvent rayonner que localement. Les lignes microbande sont très utilisées dans la fabrication des circuits hyperfréquences. Dans ce type de ligne, comme illustré sur les figures 1A et 1B, les lignes de champs électrique E et magnétique H sont surtout concentrées dans le diélectrique du substrat 12 entre la ligne métallisée 10 et le plan de masse 11, bien qu'une faible portion se retrouve également dans l'air au dessus du substrat. En toute rigueur, les champs exacts d'une structure microbande correspondent à une onde TM-TE. En pratique, les champs sont quasi-TEM car l'épaisseur du diélectrique est très petite par rapport à la longueur d'onde. On rappelle que TE représente un mode Tranverse Electrique, que TM représente un mode Tranverse Magnétique et que TEM représente un mode Tranverse Electro-Magnétique, qui est caractérisé par des composantes transverses uniquement en x et y (les composantes Ez et Hz sont nulles).
Dans le dispositif de l'invention illustré sur la figure 2, on enferme le circuit 20, ici une ligne par exemple microbande « adaptée » 26 disposée sur un substrat 27, dans un boîtier conducteur 21 muni d'un couvercle 25. Ensuite, on positionne le plan de masse directement sur une paroi interne du boîtier conducteur 21 (contact plan de masse 23) puis on applique une contrainte mécanique à partir de plusieurs ressorts 22 répartis côté ligne à l'aide de vis de réglage 29. La référence 28 correspond à une entrée alimentation externe (par exemple la polarisation dans le cas d'un photoconducteur).
Les ressorts 22 ont deux rôles essentiels dans le dispositif de l'invention : ils permettent tout d'abord de comprimer le plan de masse 23 du circuit 20 contre la paroi interne 24 du boîtier conducteur 21, puis ils provoquent localement un couplage inductif avec la ligne microbande 26. Ainsi le rayonnement interne au voisinage de la ligne est en partie couplé avec le boîtier conducteur 21. La compression des ressorts 22 permet de modifier légèrement l'impédance de la ligne et permet ainsi d'améliorer l'adaptation du circuit et donc la transmission dans la ligne. Pour réaliser le bon réglage et ainsi adapter le circuit dans la bande de fréquence utile, on utilise un analyseur de réseaux vectoriel. Le port de l'analyseur est préalablement calibré en bout de connectique afin de réaliser une mesure du paramètre S en réflexion. Si l'on utilise le port 3 de l'analyseur, on parle du paramètre S33.
Dans un exemple de réalisation illustré sur la figure 3, le réglage consiste à comprimer les ressorts sur le circuit par des vis placées à la surface du couvercle supérieur. Sur cette figure, 31 correspond à une entrée optique, 32 à l'alimentation externe et 33 à une sortie électrique (SMA ou autre) et de mesure du coefficient de réflexion. L'optimisation consiste à diminuer le S33 (en dB) dans la bande de fréquences définie par le dispositif de l'invention. En effet, il existe une relation entre le coefficient de réflexion (Sij) et l'impédance d'entrée (Ze) vu par l'analyseur de réseaux. Plus le circuit a une impédance proche de l'impédance normalisé (50 Ω) et plus la réponse réfléchie par le système est faible. La comparaison des réponses des coefficients de réflexion, illustrée sur la figure 4, permet de montrer l'efficacité du dispositif de l'invention. La courbe I correspond au dispositif de l'invention, comprenant un boîtier fermé avec ressorts, et la courbe II à un boîtier fermé sans ressorts. Si l'on prend comme critère un seuil à - 10 dB, on note en effet une augmentation (d'environ 15% dans l'exemple illustré) de la bande de fréquences dans laquelle le circuit est adapté en impédance.
Le dispositif de l'invention présente l'avantage d'optimiser le circuit adapté et donc d'améliorer les performances en termes d'adaptation d'impédance dans la bande de fréquences du système. La bande passante dépend principalement des caractéristiques intrinsèques du semi-conducteur et de la qualité des liaisons. L'utilisation des ressorts améliore l'adaptation d'impédance en sortie d'un photoconducteur et permet de réaliser une mise au point de ce dispositif. En effet, plus l'on adapte le circuit, plus la bande passante est importante et plus l'on améliore la fonction de transfert du circuit. Cette amélioration se traduit par une diminution des rebonds arrières et une bonne restitution des fronts lors de transitoires.
La caractérisation de ce dispositif à partir d'une réponse percussionnelle, comme illustré sur la figure 5, permet de vérifier les performances du circuit et de s'assurer que le circuit répond bien aux attentes (performances du temps de montée Trise, du temps de descente Tfall, et du dépassement « overshoot »...). La courbe III correspond au dispositif de l'invention et la courbe IV à un dispositif non optimisé. Un autre point fort à souligner est que le système est assez simple à mettre en œuvre, quelque soit le composant photoconducteur choisi en entrée.
Le dispositif de l'invention permet d'améliorer les performances des circuits montés dans des enveloppes métalliques. Le contact équiréparti entre le plan de masse du circuit et le boîtier est une condition sine qua non pour assurer de bonnes performances électriques (faible coefficient de réflexion et donc meilleure adaptation d'impédance vu de la connectique de sortie). Le fait d'ajouter les ressorts conducteurs assure en effet la compression du circuit et permet ainsi d'avoir un léger couplage entre le champs rayonné par la ligne et le boîtier conducteur fermé.
L'invention contribue à modifier la fonction de transfert du circuit planaire et permet ainsi de diminuer les phénomènes de rebonds lors de transitoires rapides.
Le dispositif de l'invention peut être utilisé pour un dispositif à base de semi-conducteur ayant la capacité de détecter un rayonnement du domaine optique et de le transformer en signal électrique (Photodiode). Dans le domaine de l'optoélectronique, on utilise régulièrement ce type de dispositif pour caractériser des signaux optiques issus de chaînes de mesure munies de fibres optiques. En effet, la conception de diagnostics laser spécifiques nécessite d'utiliser des photodiodes dont les performances sont directement liées aux composants choisis mais également aux moyens mis en place pour adapter la sortie du produit. Le développement et l'utilisation de dispositifs fibrés peuvent également employer un tel moyen de conversion photons- électrons dans un environnement plus ou moins sévère, soumis à des perturbations électromagnétiques en mode rayonné. Le dispositif ainsi réalisé est industrialisable et être utilisé dans le domaine des télécommunications ou de la recherche.
Il est important de noter que l'application d'un tel système peut se faire plus largement au niveau des domaines hyperfréquences (antennes, circuits, composants...). En effet, tous les circuits électroniques nécessitant un réglage pour améliorer l'adaptation d'impédance d'un système peuvent utiliser ce type d'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'adaptation d'impédance comprenant un circuit composé d'un substrat plan (27) sur lequel sont disposés au moins une ligne conductrice (26) et un plan de masse (23), caractérisé en ce que ce plan de masse (23) est positionné directement sur une paroi interne (24) du boîtier conducteur (21) et en ce que ce dispositif comprend au moins un ressort conducteur (22), ayant au moins une caractéristique variable, disposé du côté ligne et appliquant une contrainte mécanique sur le circuit à l'aide d'une vis de réglage (29) pour comprimer le plan de masse (23) contre ladite paroi interne (24).
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le circuit est une ligne microbande.
3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le circuit est une ligne à fente.
4. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le circuit comprend des lignes coplanaires.
5. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le circuit comprend des lignes-bandes.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les ressorts (22) sont disposés de façon symétrique par rapport aux lignes conductrices.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 dans lequel chaque ressort a au moins une caractéristique variable prise parmi le nombre de spires dépassant d'un plan de masse, l'espace entre les spires, ou la longueur d'un noyau central.
8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel chaque ressort (22) dispose d'une vis de réglage de la taille du ressort.
9. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel chaque ressort (22) dispose d'un noyau central en forme de vis (29) dont le serrage détermine la longueur à l'intérieur du ressort.
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