Brevet FR2075838A1 — publié le 19711015

i 2075838 la présente invention concerne des perfectionnements aux micro-circuits intégrés hybrides pour hyperfréquences, notamment à usage de déphaseur 0-180°, dé détecteur, et de mélangeur. Les microcircuits intégrés hybrides comprennent une plaquette 5 support sur laquelle sont rapportés des composants électroniques passifs tels que des inductances et des condensateurs et des composants semi-conducteur. Dans ces microcircuits, les composants semi-conducteurs sont montés sous forme de pastilles nue3, forme sous laquelle 10 l'absence de boîtier les rend exempts de la capacité en dérivation et de l'inductance série que constituent le boîtier et les fils de connexion intérieurs au boîtier. Par suite, ces composants sont aussi exempts de la limitation en fréquence de fonctionnement inhérente à cette capacité et à cette inductance. 15» Ces microcircuits peuvent avoir des structures très diverses, selon la fonction qu'ils remplissent et selon leur fréquence de fonctionnement. Il en résulte que, jusqu'à maintenant, il a été rarement possible de fabriquer des microcircuits on grande série. 20 La présente invention se propose de réaliser des micro circuits intégrés hybrides qui peuvent être utilisés dans une bande de fréquence extrêmement large et qui, avec une structure semblable sous réserve de très faibles variantas, sont capables de remplir diverses fonctions, à.savoir la fonction de déphaseur 25 0-180°, ou de détecteur et de mélangeur. Ainsi, les microcircuits suivant l'invention peuvent, même pour de petites quantités, être fabriqués à un moindre prix tout en ayant une fiabilité et des caractéristiques améliorées. lie microcircuit objet de l'invention est destiné à être 30 raccorde à une ligne de transmission et il comprend une diode utilisée sous la forme d'une pastille semi-conductrice non protégée par tua boîtier. La diode, ainsi qu'une capacité de même dimension pouvant être en céramique ou de type MOS (mé-tal-oxyde-semiconducteur),sont montées à distance l'une de ^ 35 l'autre sur un bloc métallique, les électrodes libres de * la diode et de la capacité étant reliées l'une à 1-'autre ...et., au conducteur 'intérieur de la ligne à l'aide d'un fil ou d'un ruban dont la longueur, la largeur et la distance au bloc 69 43511 2 2075838 métallique sont choisies de façon à former avec la capacité un filtre passe-bas réalisé sous forme de circuit à constantes prati quement localisées, dont l'élément terminal est formé par la réactance de la diode. On obtient ainsi une largeur de la bande 5 essentiellement limitée par les propriétés intrinsèques de la diode utilisée, pratiquement égale à la largeur de bande maximale théorique. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée 10 par les figures jointes en annexe qui représentent ï - la figure 1 î une vue simplifiée d'un déphaseur 0-180° par réflexion réalisé sous forme de microcircuit suivant l'invention ; - la figure 2 : une variante de réalisation du déphaseur ; - la figure 3 î le schéma du montage équivalent au déphaseur 15 de la figure 1 ou 2 ; - la figure 4 : des courbes caractéristiques se rapportant au déphaseur de la figure 1 ou 2 ; - la figure 5 : une vue simplifiée d'un détecteur ou d'un mélangeur réalisé suivant l'invention ; 20 - la figure 6 : ls schéma du montage équivalent au microcircuit de la figure- 5« - la figure 7 : une courbe caractéristique d'un microcircuit suivant la figure 5 ? . " - la figure 8 : une vue illustrant un mode de polarisation des 25 microcircuits suivant l'invention. - les figures 9 et 10 : des schémas de montage se rapportant à deux modes de polarisation des microcircuits. Le microcircuit conforme à l'invention représenté sur la figure 1 constitue un déphaseur 0-180° par réflexion. Ce dépha-30 seur 0-180° comprend corase ligne d'ontrée H? (ayant en général une impédance caractéristique de 50 ohms) un tronçon de ligne de transmission plate du type appelé "microstrip", constitué par une plaquette-support 1 en matériau diélectrique, dont une face est entièrement recouverte d'une couche de métal 2 formant 35 le conducteur extérieur ou plan de masse de la ligne, et dont la face opposée est recouverte d'une bande métallisée 3, conducteur intérieur de la ligne. Le tronçon de ligne est interrompu 69 43511 3 2075838 par une ouverture dans laquelle s'engage un plot métallique 4. Ducété extérieur, le plot comporte une bordure qui s'applique soit par contact, soit par brasage ou soudage, sur le conducteur extérieur 2 de la ligne-. Du côté intérieur, le 5 plot comporte une surface plane sur laquelle sont fixés une diode de commutation pour hyperfréquences et un condensateur ayant approximativement la même hauteur que la diode. Le condensate'ur peut, par exemple, être de type MOS (métal-oxyde-semiconducteur) ou de type céramique. Le condensateur et la diode, respective-10 ment désignés par les lettres Ca et D1, sont disposés à une certaine distance l'un de l'autre, et dans l'alignement du conducteur intérieur 3* La hauteur du plot métallique 4 est choisie de telle façon que les électrodes prévues au sommet du condensateur et de la diode soient approximativement au même niveau 15 que le conducteur intérieur 3. Un fil ou un ruban de connexion servant à relier la diode et le condensateur à la masse est représenté comme étant formé de deux portions, une première portion Ld qui relie l'électrode de la diode D1 à l'électrode du condensateur Ca, et une seconde portion La qui relie l'électrode 20 du condensateur Ca au conducteur intérieur 3. Le déphaseur 0-180° peut être raccordé, par exemple à l'aide de broches non représentées, à un circuit imprimé ; il peut aussi être logé dans un boîtier étanche illustré schématiquement par des traits interrompus, une prise coaxiale 25 Cx étant prévue pour raccorder le déphaseur à un circuit extérieur. En variante, comme il est montré sur la figure 2, le tronçon de ligne "microstrip" peut être remplacé par un tronçon de ligne "triplaque", composé d'un conducteur intérieur 30 en forme de bande 5 placé entre deux conducteurs extérieurs en forme de plaque 6 A, 6 B. La bordure du bouchon 4 s'applique sur l'un des conducteurs extérieurs 6 A; la diode D1 et le condensateur Ca sont reliés au conducteur intérieur 5 comme précédemment, à l'aide des fils ou ruban de connexion Ld et La. 35 Suivant une autre variante, le déphaseur peut ne pas 69 43511 4 2075838 comporter de ligne intérieure, et être•directement relié à un "micro-coaxial" ou autre ligne de transmission extérieurement au déphaseur. La figure 3 représente le schéma du montage équivalent au 5déphaseur de la figure 1 ou 2. La diode D1 est représentée sous la-forme d'une faible capacité Co shuntée par une résistance Ro variable avec la tension de polarisation. En polarisation directe, cette résistance est très faible et la diode se comporte pratiquement comme un court-circuit. En polarisation inverse la résis-10 tance est très élevée et la diode se comporte comme si la capacité Co existait seule. On voit que les fils de connexion La, Ld et la capacité Co constituent une cellule de filtre passe-bas; la sortie de' ce filtre se présente, au moins aux fréquences basses, comme un court-circuit ou un circuit ouvert selon la 1 5 polarisation de la diode D1 ; l'entrée se raccorde à -une ligne de transmission X1 - X2 par laquelle on peut faire arriver une onde électro-magnétique incidente et faire repartir l'.onde réfléchie. Si la capacité Co de la diode D1 était, nulle et si, en polarisation inverse, la résistance Ro était infinie, il suffi-20 rait de placer la diode.D1 à l'extrémité de la ligne de transmission X1 - 12.. pour que, selon que la diode soit polarisée en direct ou en inverse, les ondes réfléchies accusent entre elles un déphasage différentiel de 180°. Toutefois, dans la pratique,' le déphasage différentiel devient inférieur à 18.0° lorsque 25 la fréquence de l'onde atteint quelques Zigaherta, car la capacité de la diode shunte le circuit ouvert, même si on utilise des diodes telles que des diodes prévues pour la commutation des micro-ondes, telles que des diodes PIIT, des diodes de Schottky, des diodes M3nap off" ou des varactors. 30 Conformément à l'invention, les éléments La, Ld, Ca de la cellule de filtre passe-bas sont calculés de telle sorte que, à l'entrée du filtre et entre les deux états circuit ouvert ou circuit fermé, les coefficients de réflexion présentent une diffé rence de phase à allure méplate, ou à ondulation calibrée (comme 35 la courbe de ïchébichev). Dans cas conditions, on peut obtenir, 69 43511 5 2075838 avec des diodes ayant une capacité de quelques picofarads, un déphasage différentiel pratiquement égal à 180° depuis des fréquences basses, jusqu'à des fréquences supérieures à 10 G-'Hz. ■ Dans un exemple concret de réalisation de l'invention, la 5 capacité Go de la diode étant égale à 0,2 p?, on avait La = 0,22 nH, Ld = 0,9 nH et Ca = 0,25 p-?. On peut apprécier les résultats obtenue en examinant la figure 4 sur .laquelle on a tracé, en fonction de la fréquence f en gigahertz. le déphasage différentiel alors que, pour la même fréquence, la courbe B indique un dépha-15 sage de 120° environ. Dans cet exemple de réalisation, la ligne d'entrée X1 -X2 est une ligne classique (coaxiale, triplaque ou micro-strip) ayant une impédance caractéristique de 50 ohms. Le tronçon de ligne 1, 2, 3 est du type "microstrip" et comporte raie pla-20 quette-support 1 en alumine, li diode D1 est une diode PIîT (diode utilisant une pastille s e-iconductrice à trois zoneç, respectivement de type P, I et N). Le condensateur Ca est une capacité MOS particulièrement adaptée au fonctionneBient haute fréquence et de dimensions sensiblement égales à celles de la 25 diode PIN. La diode, de même que la capacité, se présente sous la forme d'une pastille nue, non protégée par un boîtier. La diode et la capacité sont soudées par exemple à l'aide d'un alliage Au-Si ou Au-Ge, sur un bouchon métallique 4 qui peut être en cuivre doré ou en "Kovar" doré. Les fils ou rubans de connexion 30 La et Ld, tendus au-dessus de la face intérieure du bouchon 4 constituant un plan de masse, se comportent comme les conducteurs d'une ligne d'impédance Z élevés et de longueur 1 petite par v rapport à la longueur d'onde : cen fils se comportent donc comme des inductances L = Z l/c (où c est la vitesse de la lumière); o 35 leur valeur est ajustée en jouant sur leur distance au plan de masse, sur leur longueur et sur leur largeur. Dans le présent exemple, la hauteur de la diode et de la capacité est de 0,15 mm 69 43511 6 2075838 l'inductance 11 = 0,22 nH ost obtenue -avec une longueur do 0,7 mm d'un ruban do 0,18 mm do largeur, et 1'inductance 12 = 0,9 nH avec une longueur de 2,7 mm du môme ruban:. la figure 5 illustre une autre forme de réalisation 5 solon laquelle le microcircuit intégré conforme à l'invention peut constituer soit un détecteur, soit un mélangeur par réflexion la différence essentielle entre la figure 1 et la figure 5 réside dans le fait que la diode 11 de la figure 1 est remplacée sur la figure 5 par une diode D2 mise en série avec une capacité 02. 101a figure 6 est le schéma du montage équivalent au microcircuit de la figure 5. Pour obtenir une détection ou un. mélange correct, on utilise de préférence une diode de Schottky ou une diode tunnel. Un fil de connexion 7 servant à polariser la diode D2 est connecté au point commun de la diode D2 et du condensa-15tour 02. lorsque la diode 12 est sans polarisation ou légèrement polarisée on direct, elle est équivalente à une capacité C shuntéo par une résistance R, pente do la caractéristique de cette diode-, le microcircuit de la figure 5 constitue alors 20im détecteur. lorsque la tension de polarisation de la diode D2 correspond au point moyen de fonctionnement en oscillateur local, le microcircuit de la figure 5 constitue un mélangeur par réflexion. 25 Sur la figure 5 comme sur la figure 1,. la capacité MOS désignée par les lettres Ca et les fils de connexions la et ld sont déterminés en fonction du produit RC relatif à la diode placée en tête, afin de constituer-une cellule de filtre à adaptateur d'impédance à réponse plate, la capacité 02 30 est ici supposée suffisamment élevée pour que, dans la gamme des microondes, olle se présente pratiquement comme un court-circuit , et cela donne une analogie totale entre la figure 1 et la figure 5. On peut d'ailleurs également, dans le déphaseur par réflexion, utiliser une capacité disposée comme la capa-35 cité C2 pour introduire une polarisation sur la diode dans le cas où la polarisation ou une modulation no pourrait pas ôtre envoyée directement par le conducteur central de la ligne d'entrée. Et réciproquement, on peut extraire l'onde détectée ou la moyenne fréquence par la ligne d'entrée, la BAD ORIGINAL 69 43511 7 2075838 diode dû détection D2 étant alors directement soudée à la masse comme la diode D1 sur la figure 1. Néanmoins, on remarquera que, pour le détecteur ou le mélangeur, on recherche une réponse on amplitude et non pas une réponse en différence de phase comme 5 pour le déphaseur par réflexion. Par suite, dans le cas d'un déphaseur 0-180°, la diode de commutation que l'on choisira, qu'elle soit de type PIN, "snapp-off", Schottky ou autre, aura des caractéristiques qui constituent un compromis avec les pertes, la puissance de crête 10 et le temps de commutation désirés. On utilisera de préférence une diode PIN pour obtenir une modulation d'amplitude, la synthèse du filtr: passe-bas s:-ra faite sur la phase du coefficient de réflexion à l'entrée du filtre, en cherchant à obtenir une phase aussi uniforme qu>j possible. 15 Dans le cas d'un détecteur ou d'un mélangeur, on choisira une diode d- détection de type Schottky, tunnel ou autre. La synthèse du filtru est faite sur l'amplitude du coefficient de réflexion en charchant à obtenir la meilleure adaptation du produit RC de la jonction. 20 La figure 7 indique la variation du taux d'onde stationnaire (TOS) en fonction de la fréquence f, d'une part dans 1~ cas d'un détecteur ou mélangeur utilisant une diode seul.., sans correction de sa capacité (courbeGr), d'autre part dans le cas d'un détecteur ou mélangeur suivant la figure 5 (courbe H). On voit que 25 sur la courbe .G-, le TOS croît de façon parabolique, tandis que, sur la courbe H, le TOS reste inférieur à 1,4 à partir de fréquences basses limitées uniquement par la valeur de la capacité 02, jusqu'à près de 12 G-Jîz. Les microcircuits suivant l'invention sont commandés par 30 un signal vidéo ou do moyenne fréquence quu l'on- peut introduire par le conducteur central de la ligne d'entre^ HP. Ceci peut être réélise extérieurement aux microcircuits ou directement sur ces microcircuits, par exemple avec un sinpie fil très fin reliant le conducteur central à une capacité passe-bas. 35 L^s figures 8, 9 et 10 illustrent des fomes de réalisations particulières de l'invention dans lesquelles, afin d'améliorer là largeur de bande HP et le découplage MF-HF, le fil est considéré comme élément de tête d'un filtre passe-haut réalisé avec une capacité série et avec un autre fil semblable au précédent mais osu; uHJGINAL > i 69 43511 8 2075838 relié à la masse,et ainsi de suite suivant le degré de découplage désiré. ^ur la figure 8, on voit que le fil Lp comporte une extrémité reliée au conducteur central X1 par l'intermédiaire d'une capacité 5 01, tandis que son autre extrémité est reliée au plot métallique 4, donc au conducteur de masse X2, par l'intermédiaire d'une capacité passe bas Ob ; de plus, un- autre fil Lm réunit la capacité Cl directement à la masse 4. l'entrée de polarisation 8 peut se faire sur la capacité passe-bas Cb. La figure 9 est le schéma du montage 10 équivalent, et l'on peut voir que les éléments Lm, Cl, Lp et Cb constituent un filtre passe-haut. Dans le cas où, comme sur la figure 5, la diode D2 est superposée à une capacité de découplage C2, la polarisation peut être appliquée au point commun 7 entre la diode D2 et la capacité 02. 15 Le fil Lp est alors directement relié au plot métallique 4. La figure 10 donne le schéma du montage équivalent à cette forme de réalisation. En variante, le microcircuit peut comporter les deux entrées de polarisation 7 et 8 que l'on peut utiliser aux choix, par 20 exemple dans le but de choisir le sens de détection de la diode. Deux circuits suivant cette variante peuvent être réalisés sur un même support métallique, ce qui permet d'obtenir directement des mélangeurs équilibrés ou des déphaseurs et modulateurs par transmission en reliant les deux entrées de polarisation 7 et 8 25 aux deux sorties d'un coupleur 3dB. Dans ces formes de réalisation, on obtient une amélioration du découplage MF-HF en considérant le fil Lp comme élément de tête d'un filtre passe-haut. D'une autre façon, on peut améliorer le découplage HF-MF en considérant les capacités passe-bas précé-30 dentes coeme élément de tête d'un filtre passe-bas dont les selfs série at les capacités parallèles peuvent être disposées sur le microcircuit lui-même. Les microcircuits suivant l'invention sont capables de fonctionner dans toute la bande classique des micro-ondes jusqu'à ' 35 10 GHz et même au-delà, alors que des micro-circuits comparables construits suivant les techniques connues antérieurement ne pouvaient pas fonctionner convenablement sur beaucoup plus d'un octave. Les performances supérieures des microcircuits conformes 69 43511 9 2075838 à 1*invention sont dues à l'utilisation de la réactance des pastilles semi-conductrices elles-mêmes comme élément terminal d'un filtre à constantes localisées. Do cotte façon, la largeur de bande est essentiellement limitée par les propriétés intrinsèques de la 5 pastille semi-conductrice. les microcircuits conformes à l'invention trouvant des applications dans divers domaines de l'électronique. Par exemple, les détecteurs et mélangeurs peuvent Ôtre utilisés dans les récepteurs de radars et de télécommunications ; les déphaseurs 10 peuvent ôtre utilisés pour le codage de phase et dans l'équipement des antenne3 à balayage électronique. 69 43511 10 2075838 REVENDICATIONS 1. Microcircuit intégré hybride pour hyporfréquences destiné à ôtre raccordé à une ligne de transmission du type coasis! ou plat, et comprenant une diode utilisée sous la forme d'une pastille semi-5 conductrice non protégée par un boîtier, caractérisé en ce que la diode ainsi qu'unecapacité ayant pratiquement les mêmes dimensions que la diode sont montées à. distance l'une de l'autre sur un bloc métallique, les électrodes libres de la diode et de la capacité étant reliées l'une à l'autre et au conducteur intérieur de la 10 ligne de transmission à l'aide d'un fil où d'un ruban plat, recti-ligne, parallèle au bloc métallique, dont les dimensions (diamètre ou épaisseur, et largeur ainsi que longueur) sont choisies de façon à formea? avec la capacité un filtre passe-bas dont l'élément terminal est constitué par la pastille semiconductrice de la diode. 15 2. Microcircuit suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est encastré dans tin tronçon de ligne de transmission plate de telle façon que la base du bloc métallique soit en contact avec le plan de masse de la ligne, et que la diode et la capacité soient au môme niveau que le conducteur central de la lime, dans 20 l'alignement de ce conducteur. 3. Microcircuit suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'une capacité de découplage est interposée entre la diode et 3.-3 bloc métallique, une entrée de polarisation étant prévue au point commun de la capacité et de la diode. 25 4. Microcircuit suivant la revendication 1 ou 3» caractérisé en ce que, en outre, une capacité passe-bas est montée sur le bloc et une autre capacité est montée sur le conducteur central de la ligne, cette autre capacité étant reliée au bloc métallique par un premier fil fin et à la capacité passe-bas par un second fil fin., " 30 le second fil fin étant considéré comme élément de tête d'un filtre passe haut. 5. Microcircuit suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la capacité montée sur le conducteur central comme dans la revendication 4 est reliée au bloc métallique par deux fils distincts, ' 35 l'un d'eux étant considéré comme élément de tête d'un filtre passe-haut. BAD ORIGINAL '