Brevet FR2064079A1 — publié le 19710716

i 2064079 La présente invention concerne un commutateur à lignes à bandes pour haute fréquence comportant plusieurs lignes à bandes interconnectées au droit d' une région de jonction commune, 5 Pour la transmission de signaux à haute fréquence on utilise en général deux types de commutation^ à savoir : la commutation mécanique et la commutation électronique» La première est généralement effectuée, dans les systèmes hyper-fréquences, en démodulant les signaux eh fréquences situées 10 dans la bande transmise et, après commutation, en reconvertissant celles-ci en hyperfréquences» Outre qu'elle est exagérément compliquée, cette méthode conduit à des montages encombrants et à des contacts métal-métal qui produisent lTusure des organes, des arcs et des pertes d'insertion élevées. La commutation électro-15 nique évite plusieurs de ces inconvénients, principalement grâce à l'élimination d'organes mobiles = Ce type de commutation, qui est.réalisé le plus couramment dans les commutateurs à diodes, présente cependant ses propres inconvénients. En raison du conditionnement nécessaire, les diodes elles-mêmes introduisent des 20 impédances complexes dans le circuit, entraînant ainsi des désa-daptations et un accroissement de la perte d'insertion, Dans les dispositifs connus, ces inconvénients sont surmontés, dans une certaine mesure tout au moins, par l'adjonction de circuits filtres. Mais lorsque l'objectif est la miniaturisation des équipe-25 rnents, comme c'est le cas dans la plupart des applications actuelles, l'adjonction de filtres et d'autres dispositifs de compensation augmente l'encombrement des circuits et contrecarre l'objectif de la miniaturisation. La présente invention apporte une solu-30 tion au problème évoqué. Elle procure un commutateur se caractérisant par le fait qu'un premier et un second conducteur de chaque ligne à bandes sont disposés sur des faces opposées d'un substrat semi-conducteur intrinsèque et en ce qu'une diode P-I-N formée par une région semi-conductrice de type P dans une face du 35 substrat et une région semi-conductrice de type N dans la face opposée du substrat entre les deux conducteurs est située à une distance de la région de jonction commune égaie à un nombre impair de quarts de longueur d'onde à une fréquence comprise dans une bande de fréquences de fonctionnement, la région de type P de 40 la diode étant en contact conducteur de l'électricité avec un des 70 35156 o 2064079 conducteurs tandis que la région de type N se trouve en contact conducteur de l'électricité avec l'autre conducteur de la ligne à bandeso Un premier aspect de l'invention concerne 5 un commutateur comprenant en outre un circuit pour appliquer sélectivement une tension de polarisation à la diode. Un autre aspect de l'invention concerne un commutateur dans lequel un conducteur à bandes parallèles est séparé de la région de jonction commune par un interstice étroit per-!lû mettant de bloquer le courant continu. Dans un exemple de forme de réalisation un substrat en matériau semi-conducteur intrinsèque est revêtu sur une face d'un revêtement conducteur formant un plan de masse. La face opposée du substrat présente plusieurs bandes conductri-15 ces rayonnant vers l'extérieur à partir d'une région de jonction centrale. Les" bandes sont séparées de la région de jonction centrale par un interstice destiné à bloquer le courant continu.. Plusieurs zones de conductivité du type P sont formées dans le substrat et en contact conducteur de lsé-20 lectricité avec chacune des bandes conductrices. Chaque zone est en contact avec la bande qui lui est associée en un point situé à une distance de la région de jonction centrale égale approximativement au quart de la longueur d'onde à la fréquence de fonctionnement. 25 Diamétralement opposées à chacune des zones de type P se trouvent des zones de type N , en contact avec le plan de masse et formant ainsi plusieurs diodes entre les bandes conductrices et le plan de masse. N'importe laquelle des bandes conductrices 30 peut servir d'entrée au commutateur. La commutation se produit par polarisation directe d'une ou plusieurs diodes, établissant à cette borne un court-circuit d'une fraction d'ohm. Il en résulte un court-circuit de l'impédance de charge à cette borne et cela correspond à un circuit ouvert pour la région de jonction 35 située à une distance de la diode égale à un nombre impair de quarts de longueur d'onde. Les autres diodes' sont polarisées en inverse , établissant un circuit ouvert shunté par une petite capacitance aux bornes associées. Comme chaque bande conductrice Lp à une impédance caractéristique égale à l'impédance de charge, 70 35156 3 2064079 l'impédance de charge à la borne est vue directement par la borne d'entrée. La ligne d'un quart de longueur d'onde approximativement sert dans ce cas à annuler l'effet de la petite capacitance de la diode. 5 • Une particularité de l'invention réside dans le fait que les diodes qui sont intégrées dans la structure des lignes à bandes présentent de très petites différences d'impédance entre l'état de circuit ouvert et l'état de court-circuit. On peut "veiller à l'adaptation d'impédance simplement en ajus--10 tant légèrement la longueur aes bandes d'un quart de longueur d'onde. On élimine ainsi la nécessité de devoir adopter des structures de filtres complexes afin de compenser les impédances complexes des enveloppes de diodes. L'invention apparaîtra plus clairement à 15 la lecture de la description qui va suivre, faite en regard des dessins joints, sur lesquels : -la figure 1 est une vue en plan d'un commutateur selon l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe suivant 20 la ligne 2-2 sur la figure 1. Le commutateur représenté à la figure 1 comprend un disque 11 en matériau semi-conducteur intrinsèque comme par exemple du silicium ou un autre matériau convenable tel que l'arséniure de gallium ou le germanium. En quatre zones 25 du disque se trouvent quatres diodes P-I-N formées par les régions de type P+ 12, 13, 14, ët 16 et les régions de type N+ 17, 18, 19 et 21,respectivement, disposées en face l'une de l'autre comme le montre la figure 2. Pour une conductivité de 10^ porteurs de charge et une résistivité de 100 ohms-centimètres pour 30 la région intrinsèque , les régions de type P+ peuvent être formées en dopant localement le silicium par du bore ou de l'alu- 18 minium afin de produire approximativement 10 porteurs par centimètre cube, et les régions de type peuvent être formées en dopant avec de l'arsenic ou de l'antimoine pour produire appro-18 35 ximativement 10 donneurs d'électrons par centimètre cube. Comme le montre la figure 2, la surface du disque 11 voisine des régions N+ est révêtue, par vaporisation par exemple, d'une couche conductrice 22 qui se trouve en con- + tact ohmique avec les régions N . La couche 22 forme le plan 4C de masse pour la configuration des bandes conductrices de la fi- 70 35156 k 2064079 gure 1. Sur la surface adjacente aux régions P se trouve déposée une région de jonction conductrice centrale 23 et quatre bandes conductrices radiales 24s 26, 27 et 28 * Celles-ci sont 5 séparées de la région centrale 23 par des interstices 29, 31, 32 et 33 destinés à bloquer le courant continua Ces interstices ne doivent que procurer une interruption de conductivité et n'avoir par conséquent qu'une largeur de quelques microns. Les bandes 24, 26, 27 et 28 sont en contact avec les régions de type F+ 12, 13, 10 14 et 16, respectivement, et les bandes ont une longueur d'un quart de longueur d'onde approximativement depuis la région P et la région centrale 23 pour la fréquence médiane- de la bande de fréquences de fonctionnement, de manière à adapter l'impédance à celle de la charge, non représentée. 15 Les régions P sont polarisées par l'intermédi aire d'inductances à bandes 34, 36, 37 et 38 qui sont déposées sur la surface du* disque 11 par vaporisation ou par tout autre procédé convenable. Une source de tension de polarisation 39 est connectée, par l'intermédiaire d'un montage de 'commutation 41, à 20 chacune des inductances 34, 36, 37 et 38., Le montage de commutation 41 est une représentation schématique d'un certain nombre de montages possibles qui polarisent sélectivement en direct et en inverse chacune des diodes indépendamment des autres. Les inductances 34, 36, 37 et 38 sont connectées aux armatures 42, 46, 44 25 et 43 , respectivement. Celles-ci sont connectées soit au pôle négatif de la source 39 par l'intermédiaire des contacts 51, 53, 56 et 58 , soit au pôle positif par l'intermédiaire des contacts 52, 54, 57 et 59. Pour décrire le fonctionnement du dispositif, 30 on supposera que la bande 24 constitue l'entrée du commutateur. Dans ce cas, la diode associée à la bande 24, formée par les régions 12 et 17, est polarisée en inverse comme montré sur le dessin. On supposera à titre d'exemple que l'énergie d'entrée doit être .-commutée vers la bande 28. La diode associée à la ban-35 de 28, formée par les régions 16 et ,21, est alors polarisée en inverse, tandis que les diodes associées aux bandes 2b et 27, sont polarisées en direct, comme le montre la figure 1. La faible impédance des diodes des bandes 26 et 27 court-circuite alors l'impédance terminale et, grâce à l'effet de la longueur d'un 40 quart de longueur d'onde de chacune des bandes, elle donne une 70 35156 5 2064079 valeur approchée de l'impédance d'un circuit ouvert au droit de la région centrale 23. Aucune énergie n'est acheminée par les bandes 26 et 27. D'autre part, l'impédance élevée de la diode associée à la bande 28 permet à la bande 28 d'être terminée dans son impédance terminale qui est égale à l'impédance caractéristique de la bande 28 et l'énergie provenant de la bande 24 est dirigée vers la bande 28. Les diodes ne dissipent qu'une petite fraction de l'énergie à commuter puisque les diodes sont ouvertes ou court-circuitées bien que l'état des diodes dirige la fonction de commutation. La description qui précède a simplement servi à illustrer les principes de l'invention dans le cas d'un commutateur à quatre bornes. Il est bien évident toutefois que le commutateur peut comporter un nombre plus grand ou plus petit de bornes et que de nombreuses formes de réalisation, conformes à l'invention, peuvent être agencées sans difficulté par l'homme de l'art. 70 35156 A 2064079 REVENDICATIONS lo Commutateur à 1 lignes à bandes à diodes P-r~N 'à haute fréquence,comprenant plusieurs lignes à b'andes interconnectées au droit d'une région de jonction commune, caractérisé 5 en ce qu'un premier (27) et un second (22) conducteur de chaque ligne à bandes sont disposés sur des faces opposées d'un substrat serai-conducteur intrinsèque (11) et en ce qu'une diode P-I-M formée par une région semi-conductrice de type P (14) dans une face du substrat et une région semi-conductrice de type N (19) .10 dans la face opposée du substrat entre les deux conducteurs est située à une distance de la région de jonction commune (23) égale à un nombre impair de quarts de longueur d'onde à une fréquence comprise dans une bande de fréquences de fonctionnement, la région de type P de la diode étant en contact conducteur 15 de l'électricité avec un des conducteurs (27) tandis que la région de type N se trouve en contact conducteur de l'électricité avec l'autre conducteur (22) de la ligne à bandes« 2o Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un circuit (34» 36- 399 41) pour 2C appliquer sélectivement une tension de polarisation à la diode. 3» Comnutateur selon lsune quelconque des reven dications 1 et 2, caractérisé en ce qu'un conducteur de la ligne à bandes est séparé de la région de jonction commune par un interstice (32) permettant de bloquer le courant continu.