WO2022175631A1 - Composant micro-ondes non réciproque - Google Patents

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WO2022175631A1
WO2022175631A1 PCT/FR2022/050288 FR2022050288W WO2022175631A1 WO 2022175631 A1 WO2022175631 A1 WO 2022175631A1 FR 2022050288 W FR2022050288 W FR 2022050288W WO 2022175631 A1 WO2022175631 A1 WO 2022175631A1
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WO
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substrate
conductive layer
free surface
upper substrate
dielectric layer
Prior art date
Application number
PCT/FR2022/050288
Other languages
English (en)
Inventor
Aurélie VERGER
Issam MARAH
Anthony Ghiotto
Jean-Marie Pham
Original Assignee
Cobham Microwave
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Cobham Microwave filed Critical Cobham Microwave
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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
    • H01P1/39—Hollow waveguide circulators

Definitions

  • the present invention relates to a non-reciprocal microwave component comprising at least three waveguides and a central resonator.
  • the invention applies to the field of microwave components, in particular based on microwave transmission lines.
  • the non-reciprocal components perform essential functions such as a circulator function or an isolator function, in order to ensure routing of the radiofrequency signals.
  • non-reciprocal components comprise a magnetized ferromagnetic ceramic element allowing such switching.
  • a circulator comprising three waveguides extending at 120° from each other and connected to the same central ferrite resonator which gives the circulator its non-reciprocity.
  • a resonator is, conventionally, an Okada resonator comprising two ferrite elements stacked in a direction orthogonal to a plane in which the waveguides extend. More specifically, each ferrite element is glued to a respective one of two electrically conductive walls of the resonator facing each other, the two ferrite elements being spaced apart by a dielectric, generally an air gap (or vacuum for space applications).
  • a dielectric generally an air gap (or vacuum for space applications).
  • the corona effect occurs naturally because air is not a perfect insulator. On the contrary, it contains, under normal conditions, many free electrons and ions. Therefore, when an electric field is established in the air between two conductors, the free ions and electrons in the air experience a force that moves and accelerates them. Charged particles as they move collide with each other and also with uncharged slowly moving molecules. Thus, the number of charged particles increases rapidly. If the electric field is strong enough, dielectric air breakdown occurs and an arc forms between the conductors.
  • This phenomenon is common in microwave devices operating during the launch of satellites, when the pressure is too low, transforming the air into plasma.
  • the multipactor effect is an electron resonance effect that occurs when radio frequency fields accelerate electrons in a vacuum and cause them to collide with a surface, which, depending on their kinetic energy, releases one or more electrons into the empty. These electrons can in turn be accelerated by radio frequency fields and collide with the same or another surface.
  • the impact energies, the number of electrons released and the timing of the impacts are such that a sustained multiplication of the number of electrons occurs, the phenomenon increases exponentially and is likely to cause operational problems. .
  • radio frequency space systems In radio frequency space systems, the multifactor effect causes radio frequency signal loss and/or distortion (increased noise figure or transmitted bit error rate) and may damage components or subsystems. radio frequency systems due to excess radio frequency power being reflected or dissipated by the system.
  • An object of the invention is therefore to propose a non-reciprocal microwave component which is less sensitive to corona and multipactor effects, while with a satisfactory bandwidth.
  • the subject of the invention is a non-reciprocal microwave component comprising at least three waveguides and a central resonator, characterized in that the central resonator comprises an upper substrate and a lower substrate extending on either side. and on the other a resonance volume for the propagation of electromagnetic waves, each of the upper substrate and the lower substrate comprising a dielectric layer having an outer face and an inner face opposite each other , the outer face being covered by an outer conductive layer and the inner face being covered by an inner conductive layer, the inner face of the dielectric layer of the lower substrate being oriented towards the inner face of the dielectric layer of the upper substrate, the upper substrate further comprising a plurality of vias extending, through the associated dielectric layer, between the outer conductive layer and the c corresponding inner conductive layer, and being in electrical contact with said outer conductive layer and inner conductive layer at connection points, the connection points of the inner conductive layer surrounding a free surface of the inner face of the dielectric layer, the free surface not being covered by the inner conductive layer
  • a non-reciprocal microwave component is obtained which is less sensitive to corona and multipactor effects than other known components, while having a satisfactory bandwidth.
  • the non-reciprocal microwave component comprises one or more of the following characteristics, taken separately or in any technically possible combination:
  • the lower substrate also comprises a plurality of vias extending, through the associated dielectric layer, between the outer conductive layer and the corresponding inner conductive layer, and being in electrical contact with said outer conductive layer and conductive layer inner at connection points, the connection points of the inner conductive layer surrounding a free surface of the inner face of the dielectric layer, the free surface not being covered by the inner conductive layer, the free surface of the lower substrate being opposite the free surface of the upper substrate, the magnetized ferromagnetic ceramic element being arranged between the free surface of the lower substrate and the free surface of the upper substrate.
  • the vias of the upper substrate, respectively of the lower substrate surround an upper cavity, respectively a lower cavity, at the level of the corresponding dielectric layer, the upper cavity and the lower cavity having different shapes and/or receiving different dielectric materials.
  • the magnetized ferromagnetic ceramic element extends from the free surface of the dielectric layer of the upper substrate to the lower substrate.
  • the magnetized ferromagnetic ceramic element is surrounded radially, with respect to an axis orthogonal to the free surface of the upper substrate, by at least one annular coating for impedance matching made of a dielectric or ferromagnetic material.
  • the magnetized ferromagnetic ceramic element is made of ferrite, and is magnetized by an external bias magnet.
  • the magnetized ferromagnetic ceramic element is made of an anisotropic material, preferably a hexagonal ferrite.
  • the thermal variation of the permittivity of the dielectric material forming the upper cavity and/or the lower cavity acts opposite to the thermal variation of the non-reciprocal microwave component.
  • the non-reciprocal microwave component further comprises an additional substrate extending parallel to the upper substrate, the additional substrate comprising a dielectric layer having an inner face in contact with the outer conductive layer of the upper substrate, and an outer face, opposite the inner face, and covered by an outer conductive layer, the vias of the upper substrate extending, through the dielectric layer of the additional substrate, to the outer conductive layer of said additional substrate, being in electrical contact with said outer conductive layer of the additional substrate, and surrounding a transition surface at the interface between the upper substrate and the additional substrate, the transition surface not being covered by the outer conductive layer of the upper substrate.
  • the dielectric layer of the upper substrate and the dielectric layer of the additional substrate are made of different dielectric materials.
  • the subject of the invention is an on-board radio frequency system comprising at least one non-reciprocal microwave component as presented previously.
  • FIG. 1 is an exploded view in perspective of a first embodiment of a non-reciprocal microwave component according to the invention
  • FIG. 2 is a section view of the microwave component of FIG. 1, along a section plane orthogonal to a plane in which waveguides of said microwave component extend;
  • FIG. 3 is a sectional view, similar to that of FIG. 2, of a second embodiment of a non-reciprocal microwave component according to the invention.
  • FIG. 4 is a sectional view, similar to that of FIG. 2, of a third embodiment of a non-reciprocal microwave component according to the invention.
  • FIG. 5 is a graph illustrating the frequency evolution of the reflection coefficient Su of a non-reciprocal microwave component of the state of the art, at three different temperatures.
  • FIG. 6 is a graph illustrating the frequency evolution of the reflection coefficient Su of the non-reciprocal microwave component of Figure 4, at the same temperatures as those of Figure 5.
  • a non-reciprocal microwave component 2 (hereafter called “component 2”) according to the invention is schematically illustrated by FIGS. 1 and 2.
  • Such a component 2 is, in particular, intended to provide a circulator function, or even an isolator function.
  • Component 2 is intended to be integrated into an on-board radio frequency system, in particular on board a spacecraft (not shown).
  • Component 2 comprises at least three waveguides 4 and one central resonator 6.
  • Each waveguide 4 extends along a respective propagation axis X-X, and comprises a respective propagation zone 8 for the propagation of electromagnetic waves.
  • the waveguides 4 are arranged around the central resonator 6, their respective axes of propagation X-X extending radially from the central resonator 6, for example at 120° from each other.
  • the central resonator 6 and the waveguides 4 are arranged so that electromagnetic waves can circulate between a resonant volume 10 of the central resonator 6 and the propagation zone 8 of each waveguide.
  • the central resonator 6 comprises an upper substrate 12, a lower substrate 14 and a magnetized ferromagnetic ceramic element 15 arranged between the upper substrate 12 and the lower substrate 14.
  • the upper substrate 12 and the lower substrate 14 have a role of impedance matching between the resonator and the waveguides 4.
  • the magnetized ferromagnetic ceramic element 15 gives the component 2 its non-reciprocity.
  • the upper substrate 12 and the lower substrate 14 extend on either side of the resonance volume 10 intended for the propagation of electromagnetic waves.
  • Each of upper substrate 12 and lower substrate 14 includes a dielectric layer 16 having an outer face 18 and an inner face 20 opposite each other.
  • the inner face 20 of the dielectric layer 16 of the upper substrate 12 is oriented towards the inner face 20 of the dielectric layer 16 of the lower substrate 14.
  • Dielectric layer 16 is made from a single dielectric material.
  • the dielectric layer 16 comprises a stack of at least two layers made of different dielectric materials.
  • the outer face 18 is covered by an outer conductive layer 22.
  • the inner face 20 is covered by an inner conductive layer 24.
  • the inner conductive layer 24 of the upper substrate 12 and the inner conductive layer 24 of the lower substrate 14 are at a distance from each other, in particular separated by a dielectric insulating layer 25, for example air or vacuum.
  • Each of upper substrate 12 and lower substrate 14 further includes a plurality of vias 26. Such vias are electrically conductive.
  • the respective vias 26 extend, through the associated dielectric layer 16, between the corresponding outer conductive layer 22 and the inner conductive layer 24 .
  • the associated vias 26 are in electrical contact with the corresponding outer conductive layer 22 and inner conductive layer 24 at connection points 28.
  • connection points 28 surround a free surface 30 of the inner face 20 of the associated dielectric layer 16, this free surface 30 not being covered by the inner conductive layer 24.
  • the free surface 30 of the lower substrate 14 faces the free surface 30 of the upper substrate 12.
  • the corresponding vias 26 surround an upper cavity 32, respectively a lower cavity 34.
  • the cavities 32 and 34 and the magnetized ferromagnetic ceramic element 15 are coupled because the free surfaces 30 are not covered by the inner conductive layer 24.
  • the shapes of the upper cavity 32 and the lower cavity 34 are likely to be different. Furthermore, the upper cavity 32 and the lower cavity 34 are capable of receiving different dielectric materials, in order to give the component 2 the desired characteristics. In particular, these shapes and materials are chosen to achieve satisfactory impedance matching between the waveguides 4 and the central resonator 6.
  • the magnetized ferromagnetic ceramic element 15 gives component 2 its non-reciprocity.
  • This magnetized ferromagnetic ceramic element 15 is capable of having any shape leading to the desired performance of the component 2, in particular a satisfactory impedance matching between the central resonator 6 and the waveguides 4, or even reflection coefficients and /or transmission whose respective values belong to desired working ranges.
  • the magnetized ferromagnetic ceramic member 15 has a shape of cylinder, prism, sphere, etc.
  • the magnetized ferromagnetic ceramic element 15 is arranged between the upper substrate 12 and the lower substrate 14, and more precisely between the free surface 30 of the upper substrate 12 and the lower substrate 14, in particular between the free surface 30 of upper substrate 12 and free surface 30 of lower substrate 14.
  • This magnetized ferromagnetic ceramic element 15 is unique, that is to say there is only one ferromagnetic ceramic element in the central resonator 6, arranged between the upper substrate 12 and the lower substrate 14.
  • the magnetized ferromagnetic ceramic element 15 is made of a soft magnetic material, preferably soft ferrite, magnetized with an external permanent magnet. hexagonal ferrite, commonly called “hexaferrite".
  • hexagonal ferrite commonly called "hexaferrite”.
  • the use of such a material is advantageous insofar as it makes superfluous the application, during the operation of the component 2, of an external magnetic field intended to polarize the ferromagnetic ceramic element magnetized 15.
  • a highly anisotropic ferromagnetic ceramic element, in particular hexaferrite has the property of retaining its magnetization once subjected to a magnetic field.
  • the element 15 can be an assembly of several stages of ferromagnetic ceramic elements.
  • the magnetized ferromagnetic ceramic element 15 extends from the free surface 30 of the inner face 20 of the upper substrate 12 to the free surface 30 of the inner face 20 of the lower substrate 14, being in contact with each of these two free surfaces 30. This eliminates any air gap between the free surface 30 of the inner face 20 of the upper substrate 12 and the free surface 30 of the inner face 20 of the lower substrate 14.
  • the resistance to corona effects and multipactor are increased because there is no air or vacuum in the junction made up of the cavities 32 and 34 and the magnetized ferromagnetic ceramic element 15.
  • the magnetized ferromagnetic ceramic element 15 is surrounded radially, with respect to an axis Z-Z orthogonal to the free surface 30 of the upper substrate 12, by at least one annular coating 36 for impedance matching made of a dielectric material. or ferromagnetic.
  • FIG. 3 A variant 102 of non-reciprocal microwave component according to the invention is illustrated by FIG. 3.
  • Component 102 of FIG. 3 differs from component 2 of FIGS. 1 and 2 only in that it further comprises at least one additional substrate.
  • component 102 includes an upper additional substrate 112.
  • the upper additional substrate 112 extends parallel to the upper substrate 12.
  • This upper additional substrate 112 comprises a dielectric layer 116 having an outer face 118 and an inner face 120 opposite one another.
  • the inner face 120 of the upper additional substrate 112 is in contact with the outer conductive layer 22 of the upper substrate 12.
  • the outer face 118 of the upper additional substrate 112 is covered by an outer conductive layer 124.
  • the vias 26 of the upper substrate 12 extend, through the dielectric layer 116 of the upper additional substrate 112, as far as the outer conductive layer 124 of said upper additional substrate 112, and are in electrical contact with the conductive layer exterior 124 of the upper additional substrate
  • the vias 26 surround a transition surface 130 at the interface between the upper substrate 12 and the upper additional substrate 112. This transition surface 130 is not covered by the outer conductive layer 22 of the upper substrate 12. In this way, the volume radially delimited by the vias 26 extending from the free surface 30 of the upper substrate 12 to the outer conductive layer 124 of the upper additional substrate 112 forms a dielectric cavity 132.
  • the magnetized ferromagnetic ceramic element 15 is arranged between the upper substrate 12 and the lower substrate 14.
  • the dielectric layer 16 of the upper substrate 12 and the dielectric layer 116 of the upper additional substrate 112 are made of different dielectric materials.
  • This configuration makes it possible to create more complex geometric shapes on the Z-Z axis, it adds an additional degree of freedom for impedance matching.
  • the lower substrate 14 is also capable of receiving a respective lower additional substrate.
  • the arrangement of the lower additional substrate relative to the lower substrate 14 is similar to what has been described relative to the upper additional substrate 112 and to the upper substrate 12.
  • FIG. 4 A variant 202 of non-reciprocal microwave component according to the invention is illustrated by FIG. 4.
  • Component 202 of Figure 4 differs from component 2 of Figures 1 and 2 only in that lower substrate 14 has no free surface.
  • lower substrate 14 has no free surface.
  • opposite the free surface 30 of the upper substrate 12 is a conductive portion of the inner conductive layer 24 of the lower substrate 14.
  • the magnetized ferromagnetic ceramic element 15 arranged in the central resonator 6 is directly in contact with the inner conductive layer 24 of the lower substrate 14.
  • the lower substrate 14 acts as a heat sink, the inner conductive layer 24 of the lower substrate 14 being capable of being optimized to carry out a heat transfer towards a heat sink.
  • FIG. 5 illustrates the frequency evolution of the reflection coefficient Su of a non-reciprocal microwave component of the state of the art, at three different temperatures: 100° C.; 20°C and -50°C.
  • FIG. 6 illustrates the frequency evolution of the reflection coefficient Su of the non-reciprocal microwave component according to the present invention, at the same temperatures as those of FIG. 5.
  • thermal stabilization of the non-reciprocal microwave component is obtained by selecting a dielectric material or an assembly of dielectric materials forming the cavity 32 above and/or the cavity 34 below the magnetized ferromagnetic ceramic element 15, in such a way that the thermal variation of the permittivity of the material of the cavity 32 and/or 34 acts opposite to the thermal variation of the non-reciprocal microwave component.

Landscapes

  • Non-Reversible Transmitting Devices (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)

Abstract

Composant micro-ondes non réciproque (2) comprenant trois guides d'ondes comprenant une zone de propagation, et un résonateur central comprenant des substrats supérieur et inférieur (12,14) autour d'un volume de résonance, pour que des ondes électromagnétiques circulent entre le volume de résonance et les zones de propagation, les substrats supérieur et inférieur comprenant une couche diélectrique (16) présentant des faces extérieure et intérieure (18,20) recouvertes de couches conductrices extérieure et intérieure, des vias (26) s'étendant entre les couches conductrices extérieure et intérieure du substrat supérieur, et en contact électrique avec celles-ci en des points de connexion, les points de connexion (28) de la couche conductrice intérieure ceignant une surface libre de la face intérieure de la couche diélectrique, la surface libre n'étant pas recouverte par la couche conductrice intérieure, un unique élément en céramique ferromagnétique magnétisée (15) étant agencé entre la surface libre du substrat supérieur et le substrat inférieur.

Description

DESCRIPTION
Titre : Composant micro-ondes non réciproque
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un composant micro-ondes non réciproque comprenant au moins trois guides d'ondes et un résonateur central. L'invention s'applique au domaine des composants micro-ondes, notamment à base de lignes de transmission micro-ondes.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Parmi les composants micro-ondes, les composants non-réciproques assurent des fonctions incontournables telles qu'une fonction de circulateur ou une fonction d'isolateur, et ce afin d'assurer un aiguillage des signaux radiofréquences.
De façon classique, de tels composants non-réciproques comportent un élément en céramique ferromagnétique magnétisé permettant un tel aiguillage.
Par exemple, il est connu de réaliser un circulateur comprenant trois guides d'ondes s'étendant à 120° les uns des autres et connectés à un même résonateur central à ferrite qui confère au circulateur sa non-réciprocité. Un tel résonateur est, classiquement, un résonateur d'Okada comportant deux éléments en ferrite empilés dans une direction orthogonale à un plan dans lequel s'étendent les guides d'ondes. Plus précisément, chaque élément en ferrite est collé à une paroi respective parmi deux parois électriquement conductrices du résonateur en regard l'une de l'autre, les deux éléments en ferrite étant espacés par un diélectrique, généralement une lame d'air (ou du vide pour les applications spatiales). Une telle topologie de circulateur confère un fonctionnement large bande.
Néanmoins, un tel circulateur ne donne pas entière satisfaction.
En effet, dans le cadre d'applications aérospatiales, et du fait de la présence de ladite lame d'air entre les deux éléments en ferrite, un tel composant subit généralement deux effets destructifs, à savoir l'effet corona et l'effet dit « multipactor », qui ont des conséquences préjudiciables sur la tenue en puissance dudit composant.
L'effet corona se produit naturellement du fait que l'air n'est pas un isolant parfait. Au contraire, il contient, dans des conditions normales, de nombreux électrons et ions libres. Par conséquent, lorsqu'un champ électrique est établi dans l'air entre deux conducteurs, les ions libres et les électrons dans l'air subissent une force qui les déplace et les accélère. Les particules chargées lors de leur mouvement se heurtent les unes aux autres et également avec des molécules non chargées qui se déplacent lentement. Ainsi, le nombre de particules chargées augmente rapidement. Si le champ électrique est suffisamment fort, une rupture d'air diélectrique se produit et un arc se forme entre les conducteurs.
Ce phénomène est courant dans les dispositifs hyper-fréquences opérant pendant le lancement des satellites, quand la pression est trop faible, transformant l'air en plasma.
L'effet multipactor est un effet de résonance électronique qui se produit lorsque des champs radiofréquences accélèrent des électrons dans le vide et les font entrer en collision avec une surface, ce qui, en fonction de leur énergie cinétique, libère un ou plusieurs électrons dans le vide. Ces électrons peuvent à leur tour être accélérés par les champs radiofréquences et entrer en collision avec la même surface ou une autre surface. Lorsque les énergies d'impact, le nombre d'électrons libérés et la synchronisation des impacts sont tels qu'il se produit une multiplication durable du nombre d'électrons, le phénomène s'accroît de manière exponentielle et est susceptible de causer des problèmes opérationnels.
Dans les systèmes spatiaux radiofréquences, l'effet multipactor provoque une perte et/ou une distorsion du signal radiofréquence (augmentation du facteur de bruit ou du taux d'erreur sur les bits transmis) et est susceptible d'endommager les composants ou les sous-systèmes radiofréquences en raison de l'excès de puissance radiofréquence réfléchi ou dissipé par le système.
Un but de l'invention est donc de proposer un composant micro-ondes non réciproque qui soit moins sensible aux effets corona et multipactor, tout en présentant une bande-passante satisfaisante.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
A cet effet, l'invention a pour objet un composant micro-ondes non réciproque comprenant au moins trois guides d'ondes et un résonateur central, caractérisé en ce que le résonateur central comprend un substrat supérieur et un substrat inférieur s'étendant de part et d'autre d'un volume de résonance pour la propagation d'ondes électromagnétiques, chacun parmi le substrat supérieur et le substrat inférieur comprenant une couche diélectrique présentant une face extérieure et une face intérieure à l'opposé l'une de l'autre, la face extérieure étant recouverte par une couche conductrice extérieure et la face intérieure étant recouverte par une couche conductrice intérieure, la face intérieure de la couche diélectrique du substrat inférieur étant orientée vers la face intérieure de la couche diélectrique du substrat supérieur, le substrat supérieur comprenant, en outre, une pluralité de vias s'étendant, à travers la couche diélectrique associée, entre la couche conductrice extérieure et la couche conductrice intérieure correspondantes, et étant en contact électrique avec lesdites couche conductrice extérieure et couche conductrice intérieure en des points de connexion, les points de connexion de la couche conductrice intérieure ceignant une surface libre de la face intérieure de la couche diélectrique, la surface libre n'étant pas recouverte par la couche conductrice intérieure, un unique élément en céramique ferromagnétique magnétisée étant agencé entre la surface libre du substrat supérieur et le substrat inférieur, chaque guide d'ondes s'étendant suivant un axe de propagation respectif, chaque guide d'ondes comprenant une zone de propagation pour la propagation d'ondes électromagnétiques, le résonateur central et chaque guide d'ondes étant agencés de sorte que des ondes électromagnétiques puissent circuler entre le volume de résonance du résonateur central et la zone de propagation de chaque guide d'ondes.
Grâce à l'invention, on obtient un composant micro-ondes non réciproque qui est moins sensible aux effets corona et multipactor que d'autres composants connus, tout en présentant une bande-passante satisfaisante.
Suivant d'autres aspects avantageux de l'invention, le composant micro ondes non réciproque comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
Selon une caractéristique préférée, le substrat inférieur comprend également une pluralité de vias s'étendant, à travers la couche diélectrique associée, entre la couche conductrice extérieure et la couche conductrice intérieure correspondantes, et étant en contact électrique avec lesdites couche conductrice extérieure et couche conductrice intérieure en des points de connexion, les points de connexion de la couche conductrice intérieure ceignant une surface libre de la face intérieure de la couche diélectrique, la surface libre n'étant pas recouverte par la couche conductrice intérieure, la surface libre du substrat inférieur étant en regard de la surface libre du substrat supérieur, l'élément en céramique ferromagnétique magnétisé étant agencé entre la surface libre du substrat inférieur et la surface libre du substrat supérieur.
Selon une caractéristique préférée, les vias du substrat supérieur, respectivement du substrat inférieur, ceignent une cavité supérieure, respectivement une cavité inférieure, au niveau de la couche diélectrique correspondante, la cavité supérieure et la cavité inférieure présentant des formes différentes et/ou recevant des matériaux diélectriques différents.
Selon une caractéristique préférée, l'élément en céramique ferromagnétique magnétisé s'étend de la surface libre de la couche diélectrique du substrat supérieur jusqu'au substrat inférieur.
Selon une caractéristique préférée, l'élément en céramique ferromagnétique magnétisé est entouré radialement, par rapport à un axe orthogonal à la surface libre du substrat supérieur, par au moins un enrobage annulaire d'adaptation d'impédance réalisé dans un matériau diélectrique ou ferromagnétique. Selon une caractéristique préférée, l'élément en céramique ferromagnétique magnétisé est réalisé en ferrite, et est magnétisé par un aimant de polarisation externe.
Selon une caractéristique préférée, l'élément en céramique ferromagnétique magnétisé est réalisé dans un matériau anisotrope, de préférence un ferrite hexagonal.
Selon une caractéristique préférée, la variation thermique de la permittivité du matériau diélectrique formant la cavité supérieure et/ou la cavité inférieure agit de manière opposée à la variation thermique du composant micro-ondes non réciproque.
Selon une caractéristique préférée, le composant micro-ondes non réciproque comporte, en outre, un substrat additionnel s'étendant parallèlement au substrat supérieur, le substrat additionnel comprenant une couche diélectrique présentant une face intérieure au contact de la couche conductrice extérieure du substrat supérieur, et une face extérieure, opposée à la face intérieure, et recouverte par une couche conductrice extérieure, les vias du substrat supérieur s'étendant, à travers la couche diélectrique du substrat additionnel, jusqu'à la couche conductrice extérieure dudit substrat additionnel, en étant en contact électrique avec ladite couche conductrice extérieure du substrat additionnel, et ceignant une surface de transition à l'interface entre le substrat supérieur et le substrat additionnel, la surface de transition n'étant pas recouverte par la couche conductrice extérieure du substrat supérieur.
Selon une caractéristique préférée, la couche diélectrique du substrat supérieur et la couche diélectrique du substrat additionnel sont réalisées dans des matériaux diélectriques différents.
En outre, l'invention a pour objet un système radiofréquence embarqué comprenant au moins un composant micro-ondes non réciproque tel que précédemment présenté. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels :
[Fig. 1] est une vue éclatée et en perspective d'un premier mode de réalisation d'un composant micro-ondes non réciproque selon l'invention ;
[Fig. 2] est une vue en section du composant micro-ondes de la figure 1, selon un plan de section orthogonal à un plan dans lequel s'étendent des guides d'ondes dudit composant micro-ondes ;
[Fig. 3] est une vue en section, analogue à celle de la figure 2, d'un deuxième mode de réalisation d'un composant micro-ondes non réciproque selon l'invention ;
[Fig. 4] est une vue en section, analogue à celle de la figure 2, d'un troisième mode de réalisation d'un composant micro-ondes non réciproque selon l'invention ;
[Fig. 5] est un graphique illustrant l'évolution fréquentielle du coefficient de réflexion Su d'un composant micro-ondes non réciproque de l'état de la technique, à trois températures différentes ; et
- la figure 6 est un graphique illustrant l'évolution fréquentielle du coefficient de réflexion Su du composant micro-ondes non réciproque de la figure 4, aux mêmes températures que celles de la figure 5.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
Un composant micro-ondes non réciproque 2 (par la suite appelé « composant 2 ») selon l'invention est schématiquement illustré par les figures 1 et 2.
Un tel composant 2 est, notamment, destiné à assurer une fonction de circulateur, ou encore une fonction d'isolateur.
Le composant 2 est destiné à être intégré dans un système radiofréquence embarqué, notamment embarqué à bord d'un engin spatial (non représenté).
Le composant 2 comprend au moins trois guides d'ondes 4 et un résonateur central 6.
Chaque guide d'onde 4 s'étend suivant un axe de propagation X-X respectif, et comprend une zone de propagation 8 respective pour la propagation d'ondes électromagnétiques.
Comme cela apparaît sur la figure 1, les guides d'ondes 4 sont agencés autour du résonateur central 6, leurs axes de propagation X-X respectifs s'étendant radialement à partir du résonateur central 6, par exemple à 120° les uns des autres.
Le résonateur central 6 et les guides d'ondes 4 sont agencés de sorte que des ondes électromagnétiques puissent circuler entre un volume de résonance 10 du résonateur central 6 et la zone de propagation 8 de chaque guide d'ondes.
Le résonateur central 6 comprend un substrat supérieur 12, un substrat inférieur 14 et un élément 15 en céramique ferromagnétique magnétisée agencé entre le substrat supérieur 12 et le substrat inférieur 14.
Le substrat supérieur 12 et le substrat inférieur 14 ont un rôle d'adaptation d'impédance entre le résonateur et les guides d'onde 4. En outre, l'élément en céramique ferromagnétique magnétisée 15 confère au composant 2 sa non- réciprocité.
Le substrat supérieur 12 et le substrat inférieur 14 s'étendent de part et d'autre du volume de résonance 10 destiné à la propagation d'ondes électromagnétiques.
Chacun parmi le substrat supérieur 12 et le substrat inférieur 14 comprend une couche diélectrique 16 présentant une face extérieure 18 et une face intérieure 20 à l'opposé l'une de l'autre. En outre, la face intérieure 20 de la couche diélectrique 16 du substrat supérieur 12 est orientée vers la face intérieure 20 de la couche diélectrique 16 du substrat inférieur 14.
La couche diélectrique 16 est réalisée dans un unique matériau diélectrique. En variante, la couche diélectrique 16 comprend un empilement d'au moins deux strates réalisées dans des matériaux diélectriques différents.
La face extérieure 18 est recouverte par une couche conductrice extérieure 22. En outre, la face intérieure 20 est recouverte par une couche conductrice intérieure 24. La couche conductrice intérieure 24 du substrat supérieur 12 et la couche conductrice intérieure 24 du substrat inférieur 14 sont à distance l'une de l'autre, en particulier séparées par une couche isolante diélectrique 25, par exemple de l'air ou du vide.
Chacun parmi le substrat supérieur 12 et le substrat inférieur 14 comprend, en outre, une pluralité de vias 26. De tels vias sont électriquement conducteurs.
Pour chacun du substrat supérieur 12 et du substrat inférieur 14, les vias 26 respectifs s'étendent, à travers la couche diélectrique 16 associée, entre la couche conductrice extérieure 22 et la couche conductrice intérieure 24 correspondantes. En outre, pour chaque substrat 12, 14, les vias 26 associés sont en contact électrique avec la couche conductrice extérieure 22 et couche conductrice intérieure 24 correspondantes en des points de connexion 28.
Au niveau de la couche conductrice intérieure 24 de chaque substrat supérieur 12 et inférieur 14, les points de connexion 28 correspondants ceignent une surface libre 30 de la face intérieure 20 de la couche diélectrique 16 associée, cette surface libre 30 n'étant pas recouverte par la couche conductrice intérieure 24.
De préférence, la surface libre 30 du substrat inférieur 14 est en regard de la surface libre 30 du substrat supérieur 12.
En outre, au niveau de la couche diélectrique 16 du substrat supérieur 12, respectivement du substrat inférieur 14, les vias 26 correspondants ceignent une cavité supérieure 32, respectivement une cavité inférieure 34. Les cavités 32 et 34 et l'élément en céramique ferromagnétique magnétisée 15 sont couplés du fait que les surfaces libres 30 ne sont pas recouvertes par la couche conductrice intérieure 24.
En fonction des caractéristiques recherchées du composant 2, les formes de la cavité supérieure 32 et la cavité inférieure 34 sont susceptibles d'être différentes. En outre, la cavité supérieure 32 et la cavité inférieure 34 sont susceptibles de recevoir des matériaux diélectriques différents, et ce en vue de conférer au composant 2 des caractéristiques souhaitées. En particulier, ces formes et matériaux sont choisis pour réaliser une adaptation d'impédance satisfaisante entre les guides d'ondes 4 et le résonateur central 6.
Comme indiqué précédemment, l'élément en céramique ferromagnétique magnétisée 15 confère au composant 2 sa non-réciprocité.
Cet élément en céramique ferromagnétique magnétisée 15 est susceptible de présenter toute forme conduisant à des performances souhaitées du composant 2, en particulier une adaptation d'impédance satisfaisante entre le résonateur central 6 et les guides d'ondes 4, ou encore des coefficients de réflexion et/ou de transmission dont les valeurs respectives appartiennent à des plages de travail souhaitées. Par exemple, l'élément en céramique ferromagnétique magnétisée 15 présente une forme de cylindre, de prisme, de sphère, etc.
Comme cela a déjà été décrit, l'élément en céramique ferromagnétique magnétisée 15 est agencé entre le substrat supérieur 12 et le substrat inférieur 14, et plus précisément entre la surface libre 30 du substrat supérieur 12 et le substrat inférieur 14, en particulier entre la surface libre 30 du substrat supérieur 12 et la surface libre 30 du substrat inférieur 14.
Cet élément en céramique ferromagnétique magnétisée 15 est unique, c'est-à-dire qu'il n'existe qu'un seul élément en céramique ferromagnétique dans le résonateur centrale 6, disposé entre le substrat supérieur 12 et le substrat inférieur 14.
L"élément en céramique ferromagnétique magnétisée 15 est réalisé dans un matériau magnétique doux, de préférence ferrite doux, magnétisé avec un aimant permanent externe. De préférence, l'élément en céramique ferromagnétique magnétisée 15 est réalisé en ferrite de forte anisotropie, par exemple un ferrite hexagonal, communément appelé « hexaferrite ». Le recours à un tel matériau est avantageux dans la mesure où il rend superflue l'application, lors du fonctionnement du composant 2, d'un champ magnétique externe destiné à polariser l'élément en céramique ferromagnétique magnétisée 15. En effet, un élément en céramique ferromagnétique fortement anisotrope, notamment en hexaferrite, présente la propriété de conserver son aimantation une fois soumis à un champ magnétique.
Il est à noter que l'élément 15 peut être un assemblage de plusieurs étages d'éléments céramiques ferromagnétiques. Avantageusement, l'élément en céramique ferromagnétique magnétisée 15 s'étend de la surface libre 30 de la face intérieure 20 du substrat supérieur 12 jusqu'à la surface libre 30 de la face intérieure 20 du substrat inférieur 14, en étant au contact de chacune de ces deux surfaces libres 30. Cela supprime tout gap d'air entre la surface libre 30 de la face intérieure 20 du substrat supérieur 12 et la surface libre 30 de la face intérieure 20 du substrat inférieur 14. Ainsi, les tenues aux effets corona et multipactor sont augmentées car il n'y a pas d'air ou vide dans la jonction composée des cavités 32 et 34 et de l'élément en céramique ferromagnétique magnétisée 15.
Avantageusement encore, l'élément en céramique ferromagnétique magnétisée 15 est entouré radialement, par rapport à un axe Z-Z orthogonal à la surface libre 30 du substrat supérieur 12, par au moins un enrobage annulaire 36 d'adaptation d'impédance réalisé dans un matériau diélectrique ou ferromagnétique.
Une variante 102 de composant micro-ondes non réciproque selon l'invention est illustrée par la figure 3.
Le composant 102 de la figure 3 diffère du composant 2 des figures 1 et 2 uniquement en ce qu'il comporte, en outre, au moins un substrat additionnel. Par exemple, le composant 102 comporte un substrat additionnel supérieur 112.
Le substrat additionnel supérieur 112 s'étend parallèlement au substrat supérieur 12. Ce substrat additionnel supérieur 112 comprend une couche diélectrique 116 présentant une face extérieure 118 et une face intérieure 120 à l'opposé l'une de l'autre.
La face intérieure 120 du substrat additionnel supérieur 112 est au contact de la couche conductrice extérieure 22 du substrat supérieur 12. En outre, la face extérieure 118 du substrat additionnel supérieur 112 est recouverte par une couche conductrice extérieure 124.
Dans ce cas, les vias 26 du substrat supérieur 12 s'étendent, à travers la couche diélectrique 116 du substrat additionnel supérieur 112, jusqu'à la couche conductrice extérieure 124 dudit substrat additionnel supérieur 112, et sont en contact électrique avec la couche conductrice extérieure 124 du substrat additionnel supérieur Comme cela apparaît sur la figure 3, les vias 26 ceignent une surface de transition 130 à l'interface entre le substrat supérieur 12 et le substrat additionnel supérieur 112. Cette surface de transition 130 n'est pas recouverte par la couche conductrice extérieure 22 du substrat supérieur 12. De cette façon, le volume radialement délimité par les vias 26 s'étendant de la surface libre 30 du substrat supérieur 12 à la couche conductrice extérieure 124 du substrat additionnel supérieur 112 forme une cavité diélectrique 132.
Comme précédemment, l'élément en céramique ferromagnétique magnétisée 15 est agencé entre le substrat supérieur 12 et le substrat inférieur 14.
De préférence, la couche diélectrique 16 du substrat supérieur 12 et la couche diélectrique 116 du substrat additionnel supérieur 112 sont réalisées dans des matériaux diélectriques différents.
Cette configuration permet de créer des formes géométriques plus complexes sur l'axe Z-Z, cela ajoute un degré de liberté supplémentaire pour l'adaptation d'impédance.
Le substrat inférieur 14 est également susceptible de recevoir un substrat additionnel inférieur respectif. Dans ce cas, l'agencement du substrat additionnel inférieur relativement au substrat inférieur 14 est similaire à ce qui a été décrit relativement au substrat additionnel supérieur 112 et au substrat supérieur 12.
Une variante 202 de composant micro-ondes non réciproque selon l'invention est illustrée par la figure 4.
Le composant 202 de la figure 4 diffère du composant 2 des figures 1 et 2 uniquement en ce que le substrat inférieur 14 est dépourvu de surface libre. En d'autres termes, en regard de la surface libre 30 du substrat supérieur 12 se trouve une portion conductrice de la couche conductrice intérieure 24 du substrat inférieur 14.
Avantageusement, dans ce cas, l'élément en céramique ferromagnétique magnétisée 15 agencé dans le résonateur central 6 est directement au contact de la couche conductrice intérieure 24 du substrat inférieur 14. Ceci est avantageux, dans la mesure où, dans cette configuration, le substrat inférieur 14 joue le rôle de dissipateur thermique, la couche conductrice intérieure 24 du substrat inférieur 14 étant susceptible d'être optimisée pour réaliser un transfert thermique vers un drain thermique.
Un tel effet est avantageux, car la magnétisation de saturation de l'élément en céramique ferromagnétique magnétisée 15 évolue avec son échauffement, ce qui est potentiellement préjudiciable pour les performances du composant micro ondes non réciproque.
La figure 5 illustre l'évolution fréquentielle du coefficient de réflexion Su d'un composant micro-ondes non réciproque de l'état de la technique, à trois températures différentes : 100°C ; 20°C et -50°C.
On constate qu'une variation de température se traduit par un décalage en fréquence. Cela est dû à la variation thermique de la perméabilité effective de l'élément en céramique ferromagnétique magnétisé.
La figure 6 illustre l'évolution fréquentielle du coefficient de réflexion Su du composant micro-ondes non réciproque selon la présente invention, aux mêmes températures que celles de la figure 5.
On constate une stabilisation thermique du composant micro-ondes non réciproque. Cette stabilisation thermique est obtenue en sélectionnant un matériau diélectrique ou un assemblage de matériaux diélectriques formant la cavité 32 au-dessus et/ou la cavité 34 au-dessous de l'élément en céramique ferromagnétique magnétisée 15, de telle façon que la variation thermique de la permittivité du matériau de la cavité 32 et/ou 34 agisse de manière opposée à la variation thermique du composant micro-ondes non réciproque.

Claims

REVENDICATIONS
1. Composant micro-ondes non réciproque (2) comprenant au moins trois guides d'ondes (4) et un résonateur central (6), caractérisé en ce que le résonateur central comprend un substrat supérieur (12) et un substrat inférieur (14) s'étendant de part et d'autre d'un volume de résonance (10) pour la propagation d'ondes électromagnétiques, chacun parmi le substrat supérieur et le substrat inférieur comprenant une couche diélectrique (16) présentant une face extérieure (18) et une face intérieure (20) à l'opposé l'une de l'autre, la face extérieure étant recouverte par une couche conductrice extérieure (22) et la face intérieure étant recouverte par une couche conductrice intérieure (24), la face intérieure de la couche diélectrique du substrat inférieur (14) étant orientée vers la face intérieure de la couche diélectrique du substrat supérieur (12), le substrat supérieur (14) comprenant, en outre, une pluralité de vias (26) s'étendant, à travers la couche diélectrique associée, entre la couche conductrice extérieure et la couche conductrice intérieure correspondantes, et étant en contact électrique avec lesdites couche conductrice extérieure et couche conductrice intérieure en des points de connexion (28), les points de connexion de la couche conductrice intérieure ceignant une surface libre (30) de la face intérieure de la couche diélectrique, la surface libre n'étant pas recouverte par la couche conductrice intérieure, un unique élément en céramique ferromagnétique magnétisée (15) étant agencé entre la surface libre du substrat supérieur et le substrat inférieur, chaque guide d'ondes s'étendant suivant un axe de propagation respectif (X-X), chaque guide d'ondes comprenant une zone de propagation (8) pour la propagation d'ondes électromagnétiques, le résonateur central et chaque guide d'ondes étant agencés de sorte que des ondes électromagnétiques puissent circuler entre le volume de résonance du résonateur central et la zone de propagation de chaque guide d'ondes.
2. Composant micro-ondes non réciproque selon la revendication 1, dans lequel le substrat inférieur (14) comprend également une pluralité de vias (26) s'étendant, à travers la couche diélectrique associée, entre la couche conductrice extérieure et la couche conductrice intérieure correspondantes, et étant en contact électrique avec lesdites couche conductrice extérieure et couche conductrice intérieure en des points de connexion, les points de connexion de la couche conductrice intérieure ceignant une surface libre de la face intérieure de la couche diélectrique, la surface libre n'étant pas recouverte par la couche conductrice intérieure, la surface libre du substrat inférieur étant en regard de la surface libre du substrat supérieur, l'élément en céramique ferromagnétique magnétisé (15) étant agencé entre la surface libre du substrat inférieur et la surface libre du substrat supérieur.
3. Composant micro-ondes non réciproque selon la revendication 2, dans lequel les vias (26) du substrat supérieur, respectivement du substrat inférieur, ceignent une cavité supérieure (32), respectivement une cavité inférieure (34), au niveau de la couche diélectrique correspondante, la cavité supérieure et la cavité inférieure présentant des formes différentes et/ou recevant des matériaux diélectriques différents.
4. Composant micro-ondes non réciproque selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'élément en céramique ferromagnétique magnétisé (15) s'étend de la surface libre de la couche diélectrique du substrat supérieur jusqu'au substrat inférieur.
5. Composant micro-ondes non réciproque selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l'élément en céramique ferromagnétique magnétisé (15) est entouré radialement, par rapport à un axe orthogonal à la surface libre du substrat supérieur, par au moins un enrobage annulaire (36) d'adaptation d'impédance réalisé dans un matériau diélectrique ou ferromagnétique.
6. Composant micro-ondes non réciproque selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l'élément en céramique ferromagnétique magnétisé (15) est réalisé en ferrite, et est magnétisé par un aimant de polarisation externe.
7. Composant micro-ondes non réciproque selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l'élément en céramique ferromagnétique magnétisé (15) est réalisé dans un matériau anisotrope, de préférence un ferrite hexagonal.
8. Composant micro-ondes non réciproque selon la revendication 3, dans lequel la variation thermique de la permittivité du matériau diélectrique formant la cavité supérieure (32) et/ou la cavité inférieure (34) agit de manière opposée à la variation thermique du composant micro-ondes non réciproque.
9. Composant micro-ondes non réciproque (102) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comportant, en outre, un substrat additionnel (112) s'étendant parallèlement au substrat supérieur, le substrat additionnel comprenant une couche diélectrique (116) présentant une face intérieure (120) au contact de la couche conductrice extérieure du substrat supérieur, et une face extérieure 118), opposée à la face intérieure, et recouverte par une couche conductrice extérieure (124), les vias (26) du substrat supérieur s'étendant, à travers la couche diélectrique du substrat additionnel, jusqu'à la couche conductrice extérieure dudit substrat additionnel, en étant en contact électrique avec ladite couche conductrice extérieure du substrat additionnel, et ceignant une surface de transition (130) à l'interface entre le substrat supérieur et le substrat additionnel, la surface de transition n'étant pas recouverte par la couche conductrice extérieure du substrat supérieur.
10. Composant micro-ondes non réciproque selon la revendication 9, dans lequel la couche diélectrique du substrat supérieur et la couche diélectrique du substrat additionnel sont réalisées dans des matériaux diélectriques différents.
11. Système radiofréquence embarqué comprenant au moins un composant micro-ondes non réciproque selon l'une quelconque des revendications 1 à
10.
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