Brevet FR2096972A1 — publié le 19720303

Les circuits hyperfréquences miniatures du type à conduc eurs en bande (strip ou triplaque; comprennet des sections de ligne (en vue notamment de l'adaptation des impédance) de longueur électrique fixée par l'utilisaiton envisagée. La dimension géométri -ue re l'élément de circuit se trouve fixée par les caractéristiques électromagnétiques des matériaux utilisés. Les conducteurs sont le plus souvent des feuilles ou ruban e cuivre. Il arrive que la lonqueur des tronçons de ligne ainsi constituée soitincompatible avec les exigences modernes de réduction de la dimension des appareils. Afin de réduire la longueur géométrique d'un élément de ligne, il est bien connu de substituer à l'air un diélectrique de constante diélectrique plus élevée (et de pertes aussi voisines que possible ie celles de l'air). A cette fin, il est de pratique courante d'utiliser des pièces d'alumine aussi pure que possible comme diélectri e, sur lesquelles se trouvent fixés les conducteurs. L'usage de ce atériau s'est généralisé par suite de son comportement stable et 3atisfaisant en hyperfréquence et de la valeur relativement importan ; ae sa constante diélectrique (9 environ).On a également préconi o-é l'utilisation de titanate de barium de constante diélectrique de l'ordre de 80. Mais l'utilisation de ce matériau est restée limitée par suite des difficultés technologiques de la réalisation,à l'ai e de ces diélectriques,de lignes de transmission d'impédance caracéristique de quelques dizaines d'ohms. L'utilisation de alumine présente toutefois des inconvé - ents résultant d'une part de son prix élevé et d'autre part de ses ift icultés d'usinage. la présente invention a essentiellement pour objet l'utilisa on, en vue de réduire les dimensions des sections de ligne incorpo ees dans des dispositifs UHF et hyperfréquences, du titanate de magmésium comme diélectriqu. La constante diélectrique du titanate de magnésium de structure spinelle étant de 15 environ, la réduction de longueur géométrique des sections de ligne de transmission est -3isine de 30 % par rapport à celle des sections de ligne utilisant l'alumine comme diélectrique et les pertes en UHF et hyperfréquence znt très voisines.La réduction d'encombrement ainsi assurée a permis s la réalisation de certains composants hyperfréquences ou dispo --ifs complexes dans des volumes compatibles avec les exigences des tilisateurs. Ce matériau peut présenter un avantage accru lorsque le circuit hyperfréquence incorpore des pièces de matériau ferro-magnétiqlz En effet, la constante diélectrique du titanate de magnésium est voi- sine de celle des ferrites couramment utilisés en hyperfréquence et en UHF. Il en résulte une égalité des impédances caractéristiques des sections de lignes dont le di électri que est constitué soit wax le matériau ferro-magnétique, soit par le diélectrique objet de l'invention. En outre, le titanate de magnésium est un matériau stable en fonction de la température et sa fabrication, semblable à celle des ferrites, est plus facile et donc moins onéreuse que celle de l'alumine, en raison notamment de la température de frittage plus basse. les exemples de réalisation qui vont être décrits illustrent des réalisations, données à titre non limitatif, du domaine de l'inven tison, les figures qui accompagnent chacun d'eux représentent: la figure 1 : une coupe d'un isolateur en bande Ku; la figure 2 : une coupe d'un isolateur en bande X; la figure 3 : une coupe d'un isolateur à 4 000 NHz; la figure 4 : une coupe d'un circulateur à 4 000 NHz. La préparation du titanate de magnésium part des quantités d'oxydes prises en proportions convenables pour réaliser la formule: TiO2 2MgOo Ces oxydes sont broyés pendant six heures dans une jarre en porcelaine en milieu aqueux. Le mélange est ensuite séché et préfritté à 1.100 C dans l'air pendant une heure, puis broyé à nouveau en milieu aqueux pendant six heures avec de préférence une addition de 3 k de morvilith Do5 (ou liant)pour faciliter le matriçage. Après séchage et addition de- 0,5 % de phtalate dibutyle et de 3,' d'hexylè- me glycol on comprime le mélange en lui donnant à la presse la forme géométrique désirée.Si l'on utilise un matriçage isostatique, les deux dernières opérations d'addition sont supprimées. Les objets comprimés sont soumis à un traitement thermique de 10350oC pendant quatre heures dans l'oxygène puis usinds aux cotes définitives correspondant à leur emploi. Les caractéristiques de ce matériau usiné sous la forme de petits cylindres placés dans une cavité résonante à 10 GHz sont lès valeurs suivantes Constante diélectrique 3 15,5 Angle de perte tg#=2.10-4 Par rapport à l'alumine frittée, les angles de pertes sont identiques; la valseur de la constante diélectrique,plus élevée, se rapproche de celle des ferrites0 Son utilisation peut assurer dans les montages hyperfréquences une adaptation plus facile et une réduction de l'encombrement ainsi qu'on va le voir dans les exemples d'applica- tions suivants. Exemple 1. Réalisation d'un isolateur en bande guo Comme le montre la figure 1, l'insolateur est introduit dans une cavité rectangulaire 1 délimitée par un bottier en laiton 2 . Celui-ci supporte les éléments du dispositif qhi comprend deux aimants permanents 31 et 32, dont les lignes de force se referment à travers un étrier 4 coiffant le boftier. Un grenat 5 est disposé entre les deux masses magnétiques. Le bottier 2 présente parallèlement à l'axe horizontal du guide d'ondes une ouverture 6 dans laquelle on introduit une charge 7 de titanate de magnésium de forme cylindrique.Une fente 8, pratiquée-dans l'axe de ce cylindre, permet de disposer les cartes résistives baobat les ondes électromagnétiques concentrées aan8 la charge de titanate de magnésium. Le réglage des positions du grenat 5 et de la charge 8 permet d'accorder ce composant à la fréquence désirée. Les mesures effectuées sur ce dispositif ont révélé une perte d'insertion de 0,25 dB et une atténuation inverse de 30 d3, à 17 GHz. L'emploi du titanate de magnésium dans un tel dispositif à la place de 1' alumine a permis de réaliser une diminution de diamètm du guide circulaire contenant les éléments absorbants dans un rapport de 0,7. Exemple 2. Réalisation d'un isolateur en bande X. La structure générale de ce composant ainsi que la nature des matériaux utilisés pour sa fabrication sont identiques à celles de l'isolateur décrit dans l'exemple précédent. Les dimensions des divers éléments sont par contre différentes, ceux-ci sont désignés sur la figure 2 avec les mimes repères affectés de l'indice 1. Comme dans le cas précédent, le règlage se réalise en partie par déplacement de la charge de titanate de magnésium 71 dans l'ouverture 6 Les mesures effectuées sur ce dispositif ont révélé une perte d'insertion de 0,25 dB et une atténuation inverse de 30 dB de -30 à +80OC à 9500 Comme dans l'exemple précédent, la diminution de volume du guide circulaire, provenant du remplacement de l'alumine par du titanate de magnésium, s'établit dans le rapport de 0,7. Exemple 3. Réalisation d'un isolateur à 4.000 NHz. La figure 3 donne une vue par-dessus d'un tel isolateur0 Deux fiches coaxiales 91et 9 montées sur un bottier en laiton 10 constituent les deux portes du dispositif. Les conducteurs centraux de ces fiches sont reliés à un disque de grenat 11, disposé au centre du boiter, par des conducteurs plats 12 et 13 déposés sur des substrats 14 et 15 constitués par des plaquettes de titanate de magnésium de 2 mm d'épaisseur environs Les axes des conducteurs plats forment entre eux un angle de 1200o Sur le prolongement de la bissectrice de cet angle, on a disposé une charge adaptée 16 en poudre de fer reliée au grenat il par un conducteur 17 déposé sur un substrat de titanate de magnésium 18.Entre les portes 91et 92 on a mesuré un affaiblissement direct de 0,25 dB ; l'atténuation en sens inverse s'élève à 35 dB. L'emploi de titanate de magnésium pour réaliser les charges d'adaptation quart d'onde 14, 15 et 18 a permis de raccourcir le tracé des conducteurs 12, 13 et 17 et par voie de conséquence, de di- minuer substantiellement l'encombrement du dispositif. Eremnle 4. Réalisation d'un circulateur à 4.000 MHzo La figure 4 donne l'organisation de ce composant0 Trois fiches coaxiales 20, 21 et 22 fixées sur le boftier en laiton 23 forment respectivement les portes 1, 2 et 3 du dispositif 0 Les conducteurs centraux de ces fiches sont reliés à un disque central 24,en grenat, par des conducteurs plats 25, 26, 27 décalés de 1200 les uns par rapport aux autres déposés sur des substrats de titanate de magnésium 28, 29, 30. Deux aimants placés de part et d'autre du circuit hyperfréquence créent un champ continu perpendiculaire à la direction de propagation. La valeur des affaiblissements est de 0,25 dB dans le sens direct entre les portes 1 et 2 de 0,35 dB entre les portes 3 et 1. Comme dans l'exemple précédent, le titanate de magnésium utilisé à la place de l'alumine comme transformateur d'adaptation, a permis de diminuer substantiellement l'encombrement du composant. REVENDICATIONS i, Composants électroniques hyperfréquences et UHF d'encombrement réduit qui se caractérisent principalement par l'emploi de titanate de magnésium de formule TiO2 2MgO de structure spinelle utilisé comme diélectriques des sections de ligne de transmission qui les constituent. 2. Composants électroniques hyperfréquences et UHF selon revendication 1 utilisant les propriétés magnétiques des grenats. 3. Circulateur selon revendication 1 comportant dans un bottier métallique trois fiches coaxiales dont les conducteurs centraux sont connectés à des sections d'adaptation quart d'onde constituées d'un ruban de cuivre fixé sur un isolateur en titanate de magnésium et se prolongeant sur un disque en grenat fixé au c-entre du bottier et associé à deux aimants permanents. 4. Isolateur selon revendication 1 cmpoftant un guide d'onde fendu contenant une pièce de matériau ferro-magnétique, ladite fente étant occupée par un apport diélectrique en titanate de magnésium supportant la charge adaptée, disposé dans un bottier abritant deux aimants permanents maintenus au voisinage de la pièce de matériau ferromagnétique.