Brevet FR2083492A1 — publié le 19711217

L'invention concerne un circulateur à plusieurs étages comportant au moins deux circulateurs en Y couplés par l'intermédiaire d'une ligne de jonction et dont chacun comporte une ramification à trois bras formée par des conduc-5 teurs à ruban et par deux disques de ferrite disposés dans la zone de l'embranchement et soumis à un champ magnétique constant. On sait que dans la réalisation de montages pour micro-ondes, les circulateurs ont trouvé un vaste 10 champ d'application puisque l'énergie fournie dans un bras, est presqu'entièrement transmise au bras suivant, dans le sens de permutation circulaire du circulateur, tandis qu'un ou plusieurs autres bras de raccordement sont découplés par rapport à ces bras de raccordement. Les circulateurs en -15 Y à conducteur à ruban sont une forme de réalisation typique connue de tels circulateurs, dans lesquels est prévu un embranchement à trois bras à conducteur à ruban entre deux plaques de couverture métalliques. Dans la zone du branchement même, sont disposés deux disques de ferrite 20 qui occupent entièrement l'espace se trouvant entre l'embranchement à conducteur à ruban et les plaques de couverture. Pour le fonctionnement électrique, il est de plus essentiel que les disques de ferrite soient soumis à un champ magnétique constant dont 1^intensité ainsi que la 25 forme et le type de ferrite sont déterminants pour la plage des fréquences de fonctionnement du circulateur. Compte tenu des réflexions qui se produisent dans les différents bras de raccordement, on sait qu'il n'est pas possible d'obtenir un découplage complet entre des bras découplés en 30 soi. Le découplage à atteindre est par exemple de l'ordre d'environ 20 dB. Dans la pratique, en particulier dans la construction d'amplificateurs à diodes tunnel ou d'amplificateurs paramétriques, qui doivent satisfaire à de grandes exigences quant à la stabilité de l'amplificateur, il s'agit 35 souvent d'obtenir un découplage plus fort entre les différents bras de raccordement. On a résolu ce problème en accouplant plusieurs circulateurs en Y de ce type, par l'intermédiaire d'un raccord . Si l'on relie par exemple deux circulateurs en Y de ce type par l'intermédiaire de raccords à fiches 40 ou à vis, outre l'encombrement relativement grand, il se 71 09910 2083492 présente la difficulté consistant en ce que le raccord supplémentaire constitue un point de désadaptation si les impédances caractéristiques des deux lignes ne sont pas très exactement égales entre elles. Afin d'éviter les problèmes 5 de contact se présentant dans tout raccord à fiches ou à vis, on s'efforce toujours de raccorder entre eux les étages successifs d'un circulateur à plusieurs étages, de telle façon que le raccord placé entre les différents étages, devienne une partie constitutive de l'ensemble du 10 circulateur à plusieurs étages, et qu'il en résulte ainsi en quelque sorte un mode de construction intégré. Toutefois, dans les circulateurs en Y à raccordements à conducteur à ruban, il est nécessaire d'adapter l'impédance relativement faible de la ferrite, à l'impédance caractéristique des bras 15 de raccordement. A cet effet, on utilise généralement des lignes d'adaptationX/4 (quart d'onde), réalisées dans la pratique par exemple à l'aide d'anneaux constitués par un matériau diélectrique possédant une constante diélectrique appropriée. Ces anneaux sont disposés autour des disques 20 de ferrite et constituent ainsi la ligne d'adaptation. Dans une telle construction, un raccord d'une longueur d'au moins V2- vrr se trouve entre les étages successifs de chaque partie du circulateur si,\Q étant la longueur d'onde correspondant à la fréquence d'utilisation et la constante 25 diélectrique du matériau diélectrique utilisé pour les anneaux par exemple avec une fréquence d'utilisation de k GHz et un matériau diélectrique de constante £ .j = 3,8 le racçort doit posséder déjà une longueur de 20 mm. XI en résulte que le raccord occupe un espace relativement 30 grand* ce qui apparaît particulièrement gênant, lorsque de tels circulateurs doivent fonctionner à des températures très basses, comme par exemple dans la gamme de température de l'hélium liquide. L'invention a pour but, de pallier les difficultés 35 précitées de façon relativement simple, et de permettre une construction de circulateurs à plusieurs étages avec circulateur en Y couplés, dans lesquels on peut obtenir un découplage élevé et une bonne adaptation aux différents bras de branchement,tout en conservant un emcombrement réduit 40 pour la ligne de jonction. 71 09910 3 2083492 Partant d'un circulateur à plusieurs étages avec au moins deux circulateurs en Y accouplés par l'intermédiaire d'un raccord et dont chacun comporte un embranchement à trois bras à conducteur à ruban et deux disques de ferrite disposés 5 dans la zone de l'embranchement et placés sous l'influence d'un champ magnétique continu, ce problème est résolu suivant l'invention, grâce au fait que l'impédance caractéristique du raccord entre des étages successifs est égale à l'impédance d'entrée des disques de ferrite. 10 II en résulte ainsi une construction avantageuse dans la pratique, si la largeur des conducteurs de raccord est égale à la largeur, des conducteurs des autres lignes de raccordement, et si tin matériau diélectrique de constante diélectrique correspondante, est disposé dans la zone de 15 raccord. Pour un réglage précis de l'impédance caractéristique de la ligne de jonction, il est en outre possible, d'agrandir en conséquence, la largeur des conducteurs de jonction par rapport à celle des autres lignes de raccorde-20 ment. Si l'on ne dispose pas d'un matériau ayant la constante diélectrique calculée, il est avantageux de disposer un matériau diélectrique dans la zone de la ligne de jonction et de modifier la largeur des conducteurs, de la 25 ligne de jonction,en conséquence par rapport à la largeur des conducteurs des autres lignes de raccordement. A titre d'exemple, on a décrit ci-dessous et représenté schématiquement au dessin annexé, une forme de réalisation du dispositif suivant l'invention. 30 La figure 1 représente le schéma électrique équivalent connu en soi, d'un embranchement de lignes pourvu d'une ferrite ; La figure 2 représente une vue en plan d'un circulateur en Y à deux étages ; 35 La figure 3 représente une coupe de la figure 2. L'invention est basée sur l'idée d'obtenir une longueur de la ligne de jonction la plus réduite possible, grâce au fait que pour les bras de raccordement représentant ko la ligne de jonction, le transformateur de l'impédance 71 09910 2083492 ferrite nécessaire à son adaptation à l'impédance caractéristique des lignes de raccordement habituelles, n'est précisément pas réalisée. En effet, pour un embranchement de lignes pourvu d'une ferrite, on peut établir un schéma électrique 5 équivalent, comme cela est représenté en figure 1. Ce schéma est connu par exemple par la publication "Opération of the Ferrite Junction Circulator" dans la revue "IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques", janv. 1965» pages 15 à 27. Suivant ce schéma équivalent, la fonction d'un 10 tel raccordement peut être ramenée à une section de ligne K, un circuit résonant parallèle avec une inductance L, une capacité C et une résistance ohmique R, étant placé entre les deux lignes. L'inductance L et la capacité C déterminent la fréquence de résonance parallèle f , signalée par la 15 flèche en forme de demi-cercle, de ce circuit à résonante, et cette fréquence de résonance parallèle est également déterminante pour la fréquence de service du circulateur. La valeur de la résistance ohmique R, est déterminante pour l'amortissement par les pertes se présentant dans le circu-20 lateur. Comme démontré dans la référence bibliographique précitée, la section de ligne K présente, avec la fréquence de résonance f^, une impédance d'entrée Z déterminée, qui est en conséquence également désignée comme impédance d'entrée des disques de ferrite. Particulièrement en raison 25 de la constante diélectrique £ relativement élevée de la ferrite, l'impédance d'entrée Z est sensiblement plus faible que l'impédance caractéristique de lignes de raccordement habituelles, qui est généralement choisie à 50 -O- ou 60 Xi- . Les figures 2 et 3 représentent schématiquement, 30 à titre d'exemple, un circulateur à deux étages, composé du conducteur intérieur à ruban 7» qui se ramifie dans les différents conducteurs 1, k et 8 ou 2, 3 et 8, décalés respectivement de 120°. Les conducteurs 1, 2, 3 et k représentent alors les bras de raccordement extérieurs du 35 circulateur à deux étages, tandis que la section de conducteur 8, commune aux deux circulateurs, constitue la ligne de jonction entre les étages successifs. Le conducteur à ruban 7 se trouve au milieu, entre deux plaques de couverture métalliques 5 et 5', qui constituent en même 4-0 temps le potentiel de masse pour le circulateur. Pour une 71 09910 5 208.3492 plus grande clarté, en Fig.2, la plaque de couverture 5 a été échancrée. Dans la zone des raccordements de ligne des disques de ferrite 6 circulaires sont disposés de part et d'autre du conducteur à ruban 7 » de telle façon qu'ils occupent entièrement l'espace entre le conducteur à ruban 7 et les plaques de couverture 5 et 5'. Les disques de ferrite 6, se trouvent sous l'influence d'un cîiamp constant Hq , dont, pour une meilleure compréhension, la production n'a pas été représentée en détail, mais simplement indiquée par des flèches correspondantes. L'espace entre le conducteur à ruban 7 et la plaque de couverture 5 et 5' est désigné par a^ , la largeur conductrice des lignes de raccordement 1 à 4 par b' et la largeur du conducteur de la ligne de jonction 8 est désignée par b. A côté des disques de ferrite 6, et en direction des bras de raccordement 1 à 4, on dispose des petits blocs 10 en matériau diélectrique, qui agissent comme lignes d'adaptation À/4 et servent à l'adaptation de l*impédance de la ferrite à l'impédance caractéristique Zq des bras de raccordement 1 à 4. L'impédance caractéristique du raccord 8 est alors choisie de façon à être égale à l'impédance d'entrée Z (voir figure 1) des disques de ferrite 6, Cette impédance d'entrée Z peut être déterminée facilement suivant la technique de mesure, à l'aide des méthodes de mesure quadripolaires, et dépend du genre de la ferrite ainsi que de l'ensemble de la construction du raccordement de lignes* Afin de modifier l'impédance- caractéristique Z pour la ligne de jonction 8, des petits blocs 9 en matériau diélectrique sont incorporés dans la jonction 8, et la constante diélectrique de ce matériau sera désignée par £ . Si l'impédance d'entrée Z des disques de ferrite correspond à Z = x.Zq, la constante diélectrique exigée pour le matériau des blocs 9 est = 1/x^. Comme déjà mentionné, la valeur Z est toujours plus petite-que la valeur Z^, de sorte que x a toujours une valeur inférieure à 1. Pour une valeur se présentant fréquemment dans la pratique de x = 0,4, il en résulte par exemple une valeur-£■ = 6,2. Dans ce cas on suppose que la largeur du conducteur b de la jonction 8 est égale à la largeur b'des conducteurs des autres lignes de raccordement 1 à 4. Dans la réalisation de tels circulateurs, il peut se produire souvent, que l'on ne dispose pas d'un 71 09910 s 2083492 " matériau dont la constante diélectrique coïncide d'une façon suffisamment précise avec la constante diélectrique calculée. Dans ce cas, on peut obtenir, de façon simple, l'impédance caractéristique Z exacte pour la ligne de jonction 8, en 5 modifiant en conséquence la largeur b du conducteur de la jonction 8 par rapport à la largeur b' des conducteurs des autres lignes de raccordement. Si l'on dispose d'un matériau diélectrique pour les blocs 9t dont la constante diélectrique a la valeur £ ', on peut modifier .la largeur b du conducteur 10 du raccordS, d'une largeur Ab, suivant la relation 6otc% ,\rË , > A.b = ( V -£■; - 1 ) et on obtient ainsi de nouveau l'impédance caractéristique Z exacte pour le raccord 8. 15 Si par exemple le calcul relatif au matériau des blocs 9 aboutit à une constante diélectrique S = 6,2, et si l'on ne dispose que d'un matériau ayant une constante diélectrique £' = 5, il en résulte pour ùn écart des conducteurs à rubans a^= 3 nun, pour une impédance caractéristique 20 Zq = 50^Vdes lignes de raccordement et pour une largeur habituelle des conducteurs à ruban b' de 8,2 mm, une modification de la largeur du conducteur de Àb = +1,3 mm, de sorte que la largeur b du raccord 8 doit donc être choisie à 9,5 mm, Le cas échéant, ainsi que cela ressort 25 également de la relation ci-dessus, l'impédance caractéristique Z de la ligne de jonction, "peut déjà être obtenue seul par un agrandissement de la largeur b' du conducteur. Les sections conductrices 10 qui, comme déjà cité, servent de signes d'adaptation \/k pour l'adaptation 30 des lignes de raccordement 1 à 4 ayant une impédance caractéristique Z^, à l'impédance Z de la ferrite, doivent présenter, suivant la condition connue, une impédance caractéristique Z^ =V x.zq.zq , ce pour quoi, il est nécessaire que le matériau diélectrique qui s'y trouve, ait 35 une constante diélectrique B^ = l/x . Le circulateur à plusieurs étages décrit ci-dessus, présente l'avantage, que les différents étages peuvent être disposés avec des distances relativement faibles, dans la mesure où cela est admissible au point de kO vue constructif et que les caractéristiques électriques sont COPY 71 09910 7 2083492 conservées pour chaque circulateur. Pour obtenir des découplages plus forts, on peut également accoupler, de même manière, plusieurs étages, sans qu'il soit nécessaire de prendre des' dispositions supplémentaires. 71 09910 o 2083492 REVENDICATIONS 1. Circulateur à plusieurs étages comportant au moins deux circulateurs en Y couplés par l'intermédiaire d'une ligne de jonction et dont chacun comporte une ramification 5 à trois bras formée par des conducteurs à ruban et par deux disques de ferrite disposés dans la zone de l'embranchement et soumis à un champ magnétique constant, caractérisé par le fait que l'impédance caractéristique de la ligne de jonction (8) entre les étages successifs est égale à l'impédance 7q d'entrée (Z) des disques de ferrite (6). 2. Circulateur à plusieurs étages suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la largeur du conducteur b du raccord (8) est égale à la largeur (b')des conducteurs des autres lignes de raccordement (1 à 4) , et qu'un matériau 15 diélectrique (9) ayant une constante diélectrique (£) correspondante, est disposé dans la zone du raccord (8). 3. Circulateur à plusieurs étages suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la largeur (b) du conducteur (8) est augmentée en conséquence par rapport 20 à la largeur (b*) des conducteurs des autres lignes de raccordement (l à 4 } . 4. Circulateur à plusieurs étages suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'un matériau diélectrique (9) est disposé dans la zone du raccord du 25 conducteur (8) et que la largeur (b) du raccord (8) est modifiée en conséquence par rapport à la largeur (b1) des conducteurs des autres lignes de raccordement (l à 4).