Brevet FR2005723A1 — publié le 19691219

La présente invention concerne les coupleurs directionnels utilisés dans les circuits intégrés. Un coupleur directionnel est un système contenant une ligne primaire et une ligne secondaire, disposées de telle façon qu'un signal de tension 5 arrivant à une extrémité de la ligne primaire soit couplé à l'autre extrémité de la ligne primaire et aux deux extrémités de la ligne secondaire la valeur de ce signal dépendant de la structure du coupleur, de la" fréquence du signal et de la direction de parcours du signal. Des coupleurs directionnels en forme de bande ont été réalisés précé-10 demment avec des lignes de transmission séparées d'un ou plusieurs plans de masse par une ou plusieurs couches de matériau diélectrique. L'invention concerne particulièrement un coupleur directionnel à lignes en forme de bande qui peut être utilisé avec les circuits intégrés. Dans la présente invention, on a trouvé qu'en séparant deux lignes de transmission 15 parallèles d'un plan de masse par un semi-conducteur recouvert d'isolant, le coupleur directionnel ainsi réalisé donne plus de circuits de distribution d'énergie que le coupleur directionnel olassique avec des lignes en forme de bande et une séparation diélectrique. Le coupleur directionnel décrit, lorsqu'il est excité à l'extrémité proche de la ligne primaire peut fournir 20 un signal de sortie à l'extrémité proche ou à l'extrémité éloignée de la ligne secondaire ce qui n'est pas possible avec le coupleur directionnel classique utilisant un milieu diélectrique homogène. Un objet de cette invention est de réaliser un coupleur directionnel qui peut être utilisé principalement sur les blocs de circuits intégrés. 25 Un autre objet de cette invention est de réaliser un coupleur directionnel utilisant un matériau semi-conducteur isolé comme base. D'autres objets caractéristiques et avantages de la présente invention rassortiront mieux de l'exposé qui suit fait en référence aux dessins annexée à ce texte, qui représentent un mode de réalisation préféré de celle-ci. 30 La figure 1 représente la structure fondamentale de la présente invention. La figure 2 représente le circuit équivalent de la structure de la figure 1. La figure 1 représente un coupleur directionnel qui peut être utilisé dans les circuits intégrés et qui est réalisé conformément à la présente in-35 vention. Une pastille 5 d'un matériau semi-conducteur forma le corps d'un coupleur directionnel pour circuit intégré ainsi que celui des autres compo-sants sants placés sur le même bloc. Dans la réalisation préférée ce matériau semiconducteur est du silicium mais d'autres matériaux semi-conducteurs peuvent être utilisés. Une couche 4 de matériau isolant est fixée à un côté de la 40 pastille 5. Dans la réalisation préférée, ce matériau isolant est du dioxyde 69 0S498 2 2005723 de silicium qui peut être formé par des techniques bien connues directement sur la surface de la pastille de silicium 5. Cependant, on peut utiliser d'autres matériaux isolants. Une couche 3 de matériau conducteur formant un plan de masse est fixée à l'autre côté de la pastille 5. Deux lignas de transmis-5 sion 1 et 2 de matériau conducteur sont représentées fixées à la couohe isolante 4. Le matériau conducteur est de préférence métallique et peut être de l'aluminium déposé. L'épaisseur t, la largeur b, et l'espacement d des lignes de transmission peut varier afin de faire varier la fonction de transfert du système reprë-10 senté.?Eigne de transmission ordinaire dans ce système a une largeur b de 0,Q25?nm et une épaisseur t de 1 micron. La ligne préférée est une ligne de 2 microns d'épaisseur et de 0,05 mm de largeur. La ligne de transmission représentée sur la figure 1 peut être utilisée particulièrement comme coupleur directionnel dans un circuit Intégré. Une 15 seule ligne placée sur la surface supérieure d'un bloc de cirouit intégré a un plan de masse virtuel placé dans le substrat bami-conducteur mais au voisinage de la limite SiQ-Si pour déterminer la capacité de la ligne de transmission. Cependant, pour déterminer l'inductance de la ligne de transmission, le plan de masse métallique, tel que la oouche 3 sur la figure 1, 20 sert de circuit de retour au courant. La capacité est généralement grande car la couche d'oxyde est très mince et l'inductance est elle-même grande car la valeur de l'épaisseur du substrat semi-conducteur peut être assez élevée par rapport à la valeur de la largeur b de la ligne de transmission. En conséquence, une seule ligne de transmission sur un bloc intégré aura un retard 25 de propagation élevé car elle a une capacitance et une inductance élevées. En conséquence, deux lignes parallèles adjacentes sur des blocs intégrés auront un couplage capacitif négligeable en choisissant h^« d et un couplage inductif important en choisissant h^ » d. En d'autres termes le couplage entre deux lignes adjacentes sur un bloc intégré est appelé couplage inductif. 30 La ligne représentée a une inductance et une capacitance élevées qui provoquent un retard important sur la ligne. Ce retard supplémentaire permet de réaliser un coupleur directionnel efficace avec une ligne de transmission plus courte qu'en utilisant les lignes de transmission classiques. La figure 2 représente le circuit équivalent de la ligne de transmission, 35 servant à analyser l'effet de l'utilisation dé la structure de la figure 1 comme coupleur directionnel. Bien que la structure de la figure 1 puisse généralement §tre utilisée comme coupleur directionnel, il est possible de faire varier l'efficacité du couplage en faisant varier les paramètres de la structure. 40 II y a deux coëfficients de couplage entre deux lignes de transmission. 69 05498 3 2005723 à savoir le coefficient de couplage capacitif kg et le coifficient de couplage inductif k^. Ces cofifficients sont définis de la manière suivante: k . L KL /hT1 22 C f. ~ / tC11*C.> K22*W où Lm et Cm sont les inductances st capacitances mutuelles respectivement 10 et où L.., L__, C,. st C__ rcnt les inductances st les cspacitsncas propres "i 22 11 22 des lignas 1 st 2 î*8peetivfcmsnt en p?caanso da âigsio. C-3S5P3 1s couplage cap»iai41v «st r^sligeebls et la ssupiege inductif stt important dar-k le coupleur rlfcnnsî eesHfoseâaKitô à la présents invar» tSca, k, s:it bfas pZtî" grand 31a* h„. i^iss les ss^plaurs -Jiraetàisr.nals clas- .L •Li Riqiwc: utilisait un aiâisbâriqtte hctujgâns, h. 'îsï égal è es qui fait qus L L» le prcpagatien de l'onde ae vsifc è &g*a eaule vX&ssse. fiais dans la prisante invention, ià y a «ac onis de viùss30 vaibïc si uns or.*® ds gr&t^e vitesse» Le retard dans le coupleur dlreoti^nel est différante pet;]? les doux ondes de vitesse différente. 2à A cause de la symétrie des deux lignas du coupleur directionnel on peut supposer que Isa inductances preprsa des deux iigns3 sont égalas (c'est-à-dire L^ - L22î et que les capacités propres &is deux lignes sont égales (c'est-à-dire » C22^* Qn définit lfi>& tëï-m&s C 6t L de sgf'cs que L ■ L11 " L22 rt C " C11 * C22 25 Dans le circuit équivalent de la figure 2, v^ est la tension sur la ligne 1, où v,j(o) est la tension à l'entrée et (£1 est la tension à la sortis; v2 est la tension sur la ligne 2 où v^ (&] est la tension à l'entrée et v^ (£} est la tension à la sortie. La distance le long de la ligne est donnée par x, où x * o pour l'entrée et x » A pour la sortie. 30 D'après les équations de couplage fondamental des lignes, on a: Sx 11 6 t m fit fiV2 , 6i1 , 512 " L« + L9o 35 Sx m St "" Ôt BAD ORIGINAL 69 05498 2005723 6i, 6y, ÔV„ 5x 11 fit " «t fii- ôv* Sv_ - _L , -c _1 r Sx fit ' fit où t est le temps et en supposant que « k^, les trois équations suivantes peuvent être obtenues pour montrer les fonctions de transfert du coupleur S directionnel dans chacune des trois directions possibles: v„(o) v^cîj " ( 1 "n2) i n -XI x £ C 1 + ri )2e 8 + ( 1 - n î2e 8 "M * ~(1 - rç )2e -11 - ri J2e V2UÎ •7 f-i \ 4 v.ToT V i J n -x .% x .1 * n î2« - (1 - n)2e '"ÀgE X3I» ■C1 + n)2e + (1 - n)2e v^Cl) 10 rzL") JL V. A / n -X.t X .1 - (1 + nî2« + 11 - n)2e 1 -X3Jt X3£ -(1 + n)2e * C1 - n)2® Les équations suivantes définissent des termes supplémentaires utilisé* dans les équations des fonctions de transfert: td « 2» x fréquence d'entrée 15 60 ■ w /LC n ■ \ 4 1 - k. 1 ♦ a "J Bo /t1 * \} 69 05498 2005723 x3 « -j so / C1 - kL) + *i x„ X, - x3 -A qui est 1'impédance caractéristique de la ligna 5 Y esti'admittance du mode "onde lente" est l'admittancs du mode "onde rapide" est le déterminant de la matrice jA j |A|. 10 1 1 X.l -X,Jl C1 - Y Z. )e C1 + Y Z. Ja s L s L (1 » vszL) (1 - VsZl) 1 1 x,t -x_* ! (1 - YfZL3e * £1 + YfZL3e d -{1 + YfZL) -C1 - YfZLî CI-YZ,)/" (1 . Y Z,)."V -"-W13' -(1»VfZL"V s L s L et où V7" 1 + k. y 1 - k, Vf 69 0S498 2005723 EXEMPLE Prenons un coupleur directionnel ayant kC «« kL m 0.8 1,05 mètre -B. L « 10 nh/cm « 10 henry/m -10 C » 4pf/em » 4 x 10 fared/m d'où 'L 2 « 50 ohm* 10 33,6 ohms 0, 38 Si le fréquence choisie 9St 560 MHz, on a go « u /LC * 22,4 w BBc/m A■ -J $a / 1 ♦ A » -j 3* X3Jt "j / 1 - K y l k. " - -j T 2 15 A^t - (Ai ♦ A3) £ - -j 2* A * - (Aj - A3) i » -J ir ±A,£ 3if "" . j 3* . . cos + j sin Y" " j iXwl 3 ^ cos -î- + J ein ~ = + j ±Aa£ J J2 » cos 2if + j sin 2*«1 69 05498 7 2095723 . a* a» Par conséquent v2Coî v^o) cos * + j sin - 1 » 0.5 v2 Uî v1 Coî ■ j 0,87 donc » 0,87 v1 (Il v1 Co) En faisant varier la valeur du couplage indiquée pc? 5^, les rapports des tensions calculées peuvent être variables. Bien que l'on ait déerit dans ce qui précède et représenté sur le dessin les caractéristiques essentielles de l'invention, appliqués» à un rade de rés llsation préféré de celle-ci, il est évident que l'hœnroe ds l'ar-t peut y apporter toutes modifications da forma ou da détail qu'il juge utiles sans poïir autant sortir du cadre de ladite invention. 69 0S498 2085723 RE VENDICATIONS 1.- Coupleur directionnel compatible avec la technique des circuits intégrés du genre cotnportant deux lignes de transmission parallèles et un plan de masse conducteur, séparés"par un Isolant typiquement un matériau diélectrique essen- 5 tlellement caractérisé en ce que la fonction d'isolement des lignes de transmission vis à vis dudit plan de masse conducteur est réalisée à partir d'une couche semlconductrlce recouverte par un isolant. 2.- Coupleur directionnel selon la revendication 1 dans lequel lesdites lignes de transmission et ledit plan de masse conducteur sont métalliques. 10 3.- Coupleur directionnel selon la revendication 2 dans lequel le matériau composant ladite couche semlconductrlce est du silicium. 4.- Coupleur directionnel selon la revendication 3 dans lequel ledit isolant est constitué par du dioxyde de silicium formé sur la couche semlconductrlce. 5.- Coupleur directionnel selon la revendication 4 dans lequel lesdites lignes 15 de transmission et ledit plan de masse conducteur sont métalliques.