Brevet FR2081267A1 — publié le 19711203

La présente invention concerne des perfectionnements aux déphaseurs à dites réalisés sous forme de microcircuits intégrés hybrides. On connaît des déphaseurs à diodes qui fonctionnent en 'trans- mission" et qui comprennent plusieurs cellules de déphasage pla cées le long d'une ligne ae transmission. Une cellule de dépha seur comprend deux obstacles espacés l'un de l'autre d'une distan ce pour laquelle leurs eflets se compensent, chaque obstacle com prenant une diode polarisable soit en direct, soit en inverse. Belon que les diodes sont conductrices OU. bloquées, les obstacles peuvent prendre deux valeurs de réactances qui sont adaptées à l'impédance c8té source et côté charge de la ligne de transmission, et la phase de l'onde de sortie par rapport à l'onde d'entre est différente pour les deux états de conduction des diodes.Par 0011- séquent, selon que les diodes sont à l'état passant ou à l'état bloqué, les ondes de sortie accusent entre elles une certaine dif- férence de phase ou déphasage différentiel. le déphaseur complet étant composé de plusieurs cellules, on peut faire varier le de- phasage par échelons en inversant la polarisation d'un nombre de cellules plus ou moins grand. On connaît également des déphaseurs par réflexion qui utilisent une seule diode et permettent d'ob- tenir un déphasage égal à O ou à 180 . les déphaseurs à diodes sont particulièrement utilisés dans l'équipement des antennes àbalayage électronique pour radars. Les déphaseurs à diodes connus sont généralement construits par assemblage de composants distincts e diodes et condensateurs en bottier et guides d'ondes classiques. Cela conduit à des di mensions relativement importantes, notamment lorsque les dépha- seurs sont prévus pour loncsionner sous de fortes puissances.Il a été possible de réduire ces dimensions en appliquant la techni que des microcircuits intégrés hybrides (ces microcircuits com prennent des microcomposants électroniques rapportées sur vLle pla- quette support), mais les réalisations qui ont été faites dans ce sens jusqu'à maintenant ont une géométrie compliquée, utili sent des pièces finement usinées et comportent des opérations de montage délicates. le déphaseur à diode réalisé sous forte de microcircuit hybride suivant l'invention évite ces inconvénients, car il a une geo- metrie plane. Dans le déphaseur objet de l'invention, la ligne de transmission est de type "microstrip", c'est-à-dire formée d'un plan de masse et d'un conducteur linéaire séparés par un diélectrique, et elle est constituée par des métallisations faites sur une plaquez te support en matière diélectrique. Chaque obstacle comprend un tronçon de ligne "microstri-p", une diode prise sous forme de pas- tille nue et reliée à un elément capacitif de découplage, et un élément selfique qui a la forme d'un fil et relie ladite diode audit tronçon de ligne. L'invention sera mieux comprise à laide de la description - qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif, et illustrée par les figures jointes en annexe qui représentent - la figure 1 : le schéma du montage équivalent au déphaseur à diodes conforme à l'invention - la figure 2 : vue du dessus d'un déphaseur à diodes conforme à l'invention, suivant une première forme de réalisation; de. réalisation - les figures ,4,5 : la vue en coupe, de dessus et de dessous respectivement d'un déphaseur suivant une seconde forme. - les figures 6,7,8 : des variantes de réalisation du déphaseur, L'invention vise à réaliser, sous la forme d'un microcircuit hybride, un déphaseur à diodes dont le schéma équivalent est représente en perspective sur la figure 1. Ce schéma montre une ligne de transmission G (que l'on appellera ligne principale), le long de laquelle sont placés deux obstacles 01,011 dont ltensen- ble constitue une cellule de déphasage P. Chacun des. obstacles 01, 011 comprénd un tronçon de ligne de transmission Ti, T11 (en général quart d'onde) ; ces tronçons sont branchés en dérivation sur la ligne principale en des points espacés d'une certaine distance d ; le conducteur non relié à la masse de chaque tronçon se prolonge par une inductance L1 ou I 11, et se referme sur une diode Di ou D11 mise en série avec une capacité de découplage Cl ou 011. Des pointillés indiquent que la ligne principale &commat;G eut se prolonger et, sur toute la longueur de la ligne, on peut monter en tout nombre désiré des cellules de déphasage identiques ou non. les deux diodes D1, D11 d'une même cellule peuvent être polarisées en direct ou en inverse par application d'un potentiel u aux points où les diodes Dl, D11 sont reliées aux capacités Cl, 011. Il faut noter outil est prévu un stub de fermeture de la polarisation commun à toutes les cellules de déphasage ; ce stub comprend un premier tronçon de ligne S et un second tronçon de ligne quart d'onde à faible impédance K, lui-m8me mis à la masse. De ce fait, la totalité de la liÓne principale G est à la masse pour ce qui concerne le courant de polarisation. L'ensemble de n cellules de déphasage ainsi disposées constitue un déphaseur par transmission b n étage. Si on le désire, on peut associer à la ligne principale tul déphaseur produisant par réflexion un déphasage soit nul, soit égal à 1800. le déphasage de chacune des cellules disposées en transmission est alors doublé à cause de la réflexion . Un tel déphaseur par réflexion doit être disposés en bout de la ligne principale G ; il peut comprendre une inductance lx mise en série avec une diode Dx et avec une capacité de découplage Cx. La diode Dx est polarisable en direct ou en inverse par application d'un potentiel u au point commun de la diode Dx et de la capacité Cx. A l'aide des figures suivantes, on va maintenant décrire deux formes différentes, suivant lesquelles le schéma de la figure 1 peut etre réalisé par la tecènologie des microcircuits hybrides. Sur ces figures, les éléments de circuits identiques à ceux du schéma sollt désignés par les mêmes indices de référence. a figure 2 représente une première forme de réalisation qui utilise une plaquette support 1 en une matière diélectrique dont une face (la face oppose à celle que l'on voit sur la figure) est entièrement métallisée.La plaquette 1 est relativemeft mince, de telle sorte que, avec la face entièrement métallisée consti tuant un plan de masse, les lignes et les régions métallisées que l'on voit dessinees sur l'autre face constituent des éléments de lignes de transmission du type dénomme t'microstrip". Dans ces conditions, on voit que le circuit réalisé sur la plaquette 1 comprend une ligne principale G, le long de laquelle sont disposées trois cellules de déphasage P1, P2, P3. On peut constater que l'on retrouve dans ces cellules les eléments qui figurent dans le schéma de la figure 1 s par exemple, la cellule P1 comprend deux tronçons de ligne de transmission Ti et T11 qui se raccordent à la ligne principale en des points espacés dfune distance d. Des rectangles métallisés C1 et Cli, disposés à la suite et à peu de distance des tronçons de ligne T1, T11, sont des tronçons de ligne basse impédance (en général quart d'onde) ayant un effet capacitif.Les rectangles C1, 011 sont électriquement reliés l'un à l'autre en un point où le champ électrique est minimum, ainsi qu'à une amenée de polarisation u. Des diodes Dl, D11, prises sous forme de pastilles semiconductrices nues, sont soudées à l'extrémité des rectangles Cl, Cli d'une part, et, d'autre part, réunies aux tronçons de ligne Ti, Tii au moyen de fils calibrés L1, L11 qui constituent des inductances. Sur la figure 2, les différentes cellules de déphasage P1, P2, P3 sont placées bout à bout, alternativement de part et d'autre de la ligne principale G. Il est entendu que cette disposition a été adoptée uniquement dans un but de commodité, et que toute autre disposition peut être choisie.De plus, les cellules peuvent Qtre aussi nombreuses qu'on le ésire, et de valeur de déphasage semhlable ou différente le stub de fermeture de la polarisation commun à toutes les cellules de déphasage comprend un premier tronçon de ligne -à haute impédance (en général quart d'onde) suivi d'un rectangle métallisé K constituant un second tronçon de ligne à basse impé- dance (en général quart d'onde), lui-même réuni à la masse par un conducteur 2. Si on le désire, la ligne principale G peut eAtre terminée par une cellule de déphasage O ou 1800 par réflexion. Cette cellule comprend le conducteur selfique lx relié à la diode Dx (prise sous forme de pastille semiconductrice nue), cette diode etant soudée sur le tronçon de ligne rectangulaire Cx. Une amenée de polarisation u est également reliée au rectangle métallisé Cx en un point de champ électrique minimum. Une deuxième forme sous laquelle le schéma de la figure 1 peut btre réalisé par la technologie des circuits intégrés hybri des est une forme "double face" illustrée par les figures 3, 4 et 5. Comme le montre la vue en coupe, figure 3, la plaquette support utilisée dans cette forme de réalisation est un sandwich constitué d'une couche de métal 4 interposée entre deux lames diélectriques 5,6, ces trois pièces étant intimement réunies par soudure ou scellement, On comprendra que la couche de métal 4 constitue le plan de masse du circuit. Dans cette forme de réalisation, les capacités telles que C1 et C11 ne sont pas constituées comme précédemment par des tron çons de lignes de transmission, mais par des éléments localisés, dans la mesure où l'épaisseur du diélectrique 6 est plus faible que celle du diélectrique 5. l'une des armatures de ces capacités est constituée par le plan de masse 4. L'autre armature peut être commune à deux capacités C1 et Ci d'une mdme cellule : c'est une région métallique prévue sur la face arrière de la plaquette support.On peut voir de telles régions Ci, Cli en coupe sous la lame diélectrique 6 de la figure 3, et la vue en plan en est donnée sur la figure 5. les régions marquées C2 - C22 et C3 - C23 appartiennent aux cellules de déphasage P2 et P3 respectivement. La région marquée Cx apnartient à la cellule de déphasage par réflexion. les régions métalliques telles que C1 - C11 sont percées de trous qui, sur la face supérieure de la plaquette support (voir figure 4) débouchent en atout des tronçons de ligne tels que Ti, Tii appartenant aux cellules de déphasage PI, P2, P3. Des plots métalliques 7 se logent dans ces trous, Ces plots ont une base soudée aux régions métalliques telles que Cl - Si5, Bes diodes telles que D1, D11, prises sous forme de pastilles semiconductrices nues, sont soudées sur les plots 7 d'une part, et reliées d'autre part aux tronçons de ligne TI, 11 au moyen de fils inductifs calibrés il, X 11. La région métallique Cx de la cellule de déphasage par réflexion est également percée d'un trou dans lequel se loge un plot métallique identique aux plots 7, sur lequel est soudée une diode Dx prise sous forme de pastille nue. La diode Dx est reliée tar un fil inductif lx à la ligne principale G. Bes déphaseurs à diodes que l'on a décrit ci-dessus peuvent être réalisés par les moyens technologiques courants dans la fabrication des microcircuits intégrés hybrides. Rn particulier, les lignes de transmission et autres régions métallisées peuvent être obtenues par photogravure d'une plaquette support recouverte dXune couche métallique sur toute sa surface. La couche métallique peut autre faite de cuivre ou autre métal, éventuellement doré ou autrement protégé. Toutefois, une superposition de chrome, de cuivre et d'or donne de très bons résultats. La plaquette support peut être en verre, en quartz ou en un autre oxyde métallique pris sous forme de céramique ou sous forme cristalline. Par exemple, dans le cas de la forme de réalisation à double face représentée figures 3 à 5, la plaque de dessus 5 peut ttre en céramique à base dsalumine, tandis qu'il est préférable dtutilisser une alumine monocristalline (saphir, corindon) pour réaliser la plaque diélectrique de dessous 6 qui doit autre très mince et non poreuse. l'a plaque de dessus 5 et la plaque de dessous 6 peuvent avoir des faces adjacentes métallisées et réunies au moyen dtun alliage pour soudure.Ie diélectrique de dessous 6 peut aussi consister en une couche mince obtenue par évaporation, cra'sing ou pulvérisation cathodique dlun isolant tel que la silice (5102 3 , excellent isolant aux hyperfréquences, ou par oxydation anodique d'un métal tel que lXalmminium. Bes diodes sont des diodes de commutation pour hyperfréquences, de préférence des diodes PIN. le fonctionnement des déphaseurs à diodes est bien connu. Dans le cas du déphasage par transmission, chaque cellule est composée de deux obstacles réactifs variables connectés en dérivation aur la ligne principale et espacés d'une distance pour laquelle leurs effets se compensent, Dans les formes de réalisation adoptées dans l'invention, chaque obstacle comprend un tronçon de ligne de transmission tel que T1, un élément selfique tel que B1, et une diode telle que Dl. Selon que les diodes sont polarisées en direct (et se comportent comme des liaisons directes) ou en inverse (et se comportent comme des capacités,les obstacles peuvent prendre deux valeurs de réactance, et la phase de l'onde de sortie est différente pour l'un et l'autre des états de conduction des diodes. Bes ondes de sortie pour l'un et l'autre de ces états accusent donc entre elles une différence de phase ou déphasage différentiel, et llon peut faire varier le déphasage par échelons en modifiant la polarisation d'un nombre plus ou moins grand de cellules Dans le cas du déphasage par réflexion, la cellule peut éga lement prendre deux valeurs d'impédance selon que la diode Dx est polarisée en direct ou en inverse. les ondes qui se réfléchissent en bout de la ligne principale accusent un déphasage différentiel de 1800 à chaque inversion du sens de polarisation de la diode Dx. Il est de règle que les cellules de déphasage en transmission soient adaptées à la ligne principale pour les deux valeurs d' impé- dance que ces cellules peuvent prendre. Dans le cas de la cellule de déphasage par réflexion, la cellule doit être réglée de façon à produire un déphasage différentiel de 1800. La présente invention procure ces résultats, par le fait que l'adaptation des cellules de déphasage est obtenue au moyen des tronçonsde ligne et des fils de connexion des diodes, On peut facilement régler l'impédance des fils par le choix de leur diamètre et de leur longueur, ou de leur largeur, épaisseur et longueur dans le cas de rubans. Il s'est avéré qu'un tel fil inductif connecté entre un tronçon de ligne et une diode permet de régler la linéarité de phase des cellules, ainsi que l'équilibrage des pertes en direct et en inverse. sn conséquence, le déphaseur à diodes suivant l'invention est capable de fonctionner dans une bande de fréglence appréciable avec des pertes aussi faibles que possible. Il va de soi que le déphaseur peut supporter une puissance de fonctionnement plus élevée lorsqu'il est réalisé sous la forme à double -face illustrée par les figures 3 à 5, forme dans laquelle les plots mXtalliques 7 dissipent effiacernnt la chaleur qui se développe dans les diodes. La puissance admissible est encore augmentée lorsque la partie inferieure de la plaquette support est en saphir ou en oxyde de beryllium et participe également èX la dissipation thermique. Il faut aussi remarquer que, même dans la version-å double face où les capacités sont des éléments à constantes localisees, les capacités ne sont jamais constituées par des composants que l'on doit rapporter unitairement sur la plaquette support, mais toutes les capacites peuvent être réalisées simultanément par la photogravure d'une couche de métal. Cela procure une économie de main d'oeuvre. Pour toutes ces raisons, notamment gracie à la configuration du schéma choisi et au calibrage.des fils ou rubans de connexion des diodes, le déphaseur a' diodes suivant l'invention peut être réalisé sous la forme d'un microcircuit intégré hybride pratiquement plan, ayant la surface d'un timbre-poste avec une épaisseur hors-tout inférieure ou guère supérieure au millimètre, et permettant d'obtenir les meilleures performances possibles d'un type de diode donne. Pour son utilisation le déphaseur peut etre logé dans un boiter étanche muni de prises coaxiales ou microaxiales. D'une autre façon, le déphaseur peut être raccordé soit par des connexions, soit des par des broches, à un circuit hyperfréquence, par exemple de type "microstrip". Les figures 6 à 8 représentent de façon simplifiée diverses variantes de réalisation des déphaseurs conformes à l'invention. Une première forme de variante illustrée par les figures 6 et 7 se rapporte à l'addition d'une cellule de déphasage par transmission 0-1800 constituée par deux déphaseurs 0-1800 par réflexion placés aux extrémités d'un coupleur 3 décibels. La figure 6 se rapporte au cas d'un déphaseur utilisant des éléments capacitifs à constantes réparties, comme sur la figure 2 le coupleur 3 dB comprend deux tronçons de lignes Ta, Tb connectés en dérivation sur la ligne principale G du déphaseur et ayant leurs extrémités réunies l'une à vautre par un conducteur 8.De plus, ces extrémités sont respectivement réunies à deux déphaseurs 0-1800 comprenant des fils ou rubans calibrés La, Lb, des diodes Da, Db , ainsi que des éléments capacitifs Ca et Cb constitués par des tronçons de ligne à basse impédance, en général quart d'onde, Ces fils, diodes et éléments capacitifs sont de même nature que les composants Lx, Dx et Cx de la figure 2 et sont également réalisés suivant la technique des circuits intégrés hybrides sur la plaquette support du déphaseur comprenant la ligne G. La figure 7 est analogue à la figure 6, sous réserve qu'elle se rapporte au cas d'un déphaseur "double face utilisant des éléments capacitifs localisés, comme sur les figures 3 à 5. Dans ces conaitions, les éléments capacitifs C a et Cb ne sont pas visibles sur une vue en plan, mais on les a symboliquement représentés par des cercles sur la figure 6. Dans la variante illustrée par la figure 8, la ligne principale G se raccorde à l'entrée d'une cellule de déphasage par transmission ayant une configuration circulaire ; la sortie de la cellule se raccorde à la continuation de la ligne principale, désignée par la lettre S. La cellule comporte donc deux branches. La première re branche comprend deux tronçons de ligne quart d'onae Gl,-Gl, séparés par un intervalle dans lequel se trouve une diode Dl fixée sur un élément capacitif Cl ; la diode Dl est reliée aux tronçons de ligne GI, RI par un fil ou ruban calibré L1;. 1a seconde branche comprend également deux tronçons de ligne quart d'onde Gm, Rn, mais, entre ces deux tronçons de lignes, sont disposées deux diodes Dm, Dn fixées sur des éléments capacitifs Cm, Cn, ainsi qu'un tronçon de ligne intermédiaire Tm de longueur t choisie. La continuité de la cellule est assurée par des fils ou rubans calibrés Lm, Lu reliant chaque diode aux tronçons de ligne adjacents. Les diodes Dm et Dn montées dans la seconde branche sont de meme polarité. Elles seront donc simultanément à l'état passant ou à l'état bloqué. ta diode Db montée dans la première branche est de polarité inverse. Dans le fonctionnement de ce circuit, l'énergie passe par la seconde branche lorsque les diodes Dm et Dn sont à l'état bloqué et la diode Dt à l'état passant. Inversement, l'énergie passe par la première branche lorsque les diodes Dm et Dn sont à l'état passant et la diode D1 à l'état bloqué. La longueur t. du~tron- çon de ligne intermédiaire Tm fixe le déphasage de'la cellule. Il va de soi que la cellule à configuration circulaire de la figure 8 est réalisée suivant les techniques décrites précédemment et peut utiliser aussi bien des éléments capacitifs à constantes réparties, qu'un élément capacitif localisé. REVENDICATIONS i, Déphaseur à diodes réalisé sous forme de microcircuit intdgrd hybride, du type comprenant notamment une ligne de transmission principale le long de laquelle sont placées plusieurs cellules de déphasage, chacune composée de deux obstacles qui sont branchés en dérivation sur la ligne à des intervalles pour les quels leurs effets se compensent, déphaseur caractérisé en ce que la ligne de transmission principale est de type "microstrip", c'est-à-dire formée d'un plan de masse et dtun conducteur linéaire séparés par un diélectrique, constituée par des métallisations faites sur les deux faces dtune plaquette support en matière diélectrique, et en ce que chacun desdits obstacles comprend un tron çon de ligne de transmission de type "microstrip", une diode prise sous forme de pastille semiconductrlce nue et reliée a un élément capacitif de découplage rapporté sur la plauette supports et un élément selfique localisé qui a la forme d'un fil ou d?un ruban et relie ladite diode audit tronçon de ligne de transmission. 2. Déphaseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les dimensions du fil constituant l'élément localisé ainsi que les dimensions du tronçon de ligne de liaison à la ligne principale sont choisies telles que lladaptation de l'obstacle soit réalisée pour les deux états de la diode. 3. Déphaseur suivant une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, une amenée de polarisation étant prévue entre l'élément capacitif de découplage et la diode soudée à cet élément, le déphaseur comporte en outre un stub de fermeture à la masse de la polarisation commune à toutes les cellules de dépha- sage, ce stub comportant essentiellement un tronçon de ligne quart d'onde à forte impédance. 4. Déphaseur suivant une des revendications 1, 2 ou 3, carac prise en ce coutil comprend en outre une cellule de déphasage par réflexion, occasionnant un déphasage égal 'a O ou à 1800, constitué par une diode reliée à un élément capacitif de déeou- plage rapporté en bout et à une courte distance de la ligne de transmission principale, cette diode étant raccordée à la ligne principale au moyen d'un élément selfique localisé ayant la forme dtun fil ou d'un ruban. St Déphaseur suivant une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une cellule de déphasage par transmission O -180 constituée par deux déphaseurs 0-1800 par réflexion suivant la revendication 4 placés aux deux extrémités d'un coupleur 3 décibels. 6. Déphaseur suivant une des revendications 1, 2 ou 3, carac térisé en ce qutil comprend en outre des cellules de déphasage par transmission constituées par des diodes reliées au moyen de deux fils calibrés d'une part à un élément capacitif de dé cru plage et d'autre part à la ligne principale interrompue, ces diodes étant placées à une distance choisie peu différentie d'un quart de longueur d'onde des points d'interruption de la ligne, et espacées entre elles d1un intervalle choisi conditionnant le déphasage de la cellule. 7. Déphaseur suivant une des revendications 1, 2, 3, 4 5 ou 6 caractérisé en ce que les éléments capacitifs de découplage comprennent des tronçons de ligne de transmission à effet capa- citif, et en ce que les diodes son$ directement soudées 'aà mité de ces éléments capacitifs.' 8. Déphaseur suivant une des revendications 1, 2, 3, 4, 5 ou6 caractérisé en ce que les éléments capacitifs de couplage comprennent des régions métallisées faites sur une couche diélectrique auxiliaire accolée au plan de masse de la plaquette support, ces régions métallisées étant en regard des extrémités des tronçons de lignes utilisds dans les obstacles, et en ce que chaque diode est soudée sur un plof métallique lui-m8me soudé à une des régions mdtallisées, et se logeant dans un trou qui traverse la plaquette support plaquette auxiliaire et ladite région métallisée. 9. Déphaseur suivant la revendication 8, caractérisé en ce que les régions métallisées sur la plaquette auxiliaire consti tuent des éléments capacitifs communs aux deux obstacles d'une même cellule de déphasage. 10. Déphaseur suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la couche diélectrique auxiliaire est une lame en alumine mono cristalline rapportée par soudure ou brasure. 11. Déphaseur suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la couche diélectrique est obtenue par anodisation, évaporatinn ou pulvérisation cathodique d'un métal ou dtun oxyde métallique. 12, Déphaseur suivant une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les diodes sont des diodes PIN.