Brevet FR2111708A1 — publié le 19720609

L'invention concerne des circulateurs et, plus particulièrement, un circulateur à jonction à lignes de transmission à bandes de surface. Le terme "lignes de transmission à bandes de surface" tel qu'utilisé ici se rapporte aux lignes de transmission décrites dans la 5 demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 787.349, déposée le 27 décembre 1968 par la demanderesse. Dans cette forme de lignes de transmission, un conducteur étroit en forme de bande et au moins un conducteur plan plus large sont espacés l'un de l'autre, dans un môme plan, sur un substrat dont la constante diélectrique est relativement élevée. 10 Le terme "circulateur à jonction", tel qu'utilisé ici, se rapporte à des dispositifs à hautes fréquences du type dans lesquels la puissance électromagnétique d'entrée directe qui leur est appliquée se propage de manière non réciproque, et qui fonctionnait à la manière d'un tourniquet comportant des orifices autour de sa circonférence. Par exemple, 15 dans le cas d'un circulateur à trois orifices, la puissance pénétrant par l'un des orifices sort au second orifice, et la puissance pénétrant par le second orifice sort au troisième orifice, la circulation de cette puissance dans le circulateur se faisant donc constamment dans la même direction. La tendance actuelle dans les systèmes à micro-ondes est de 20 réduire le coût et la dimension de ces dispositifs. Les circulateurs à jonction à micro-ondes miniaturisés sont constitués d'un substrat diélectrique comportant des conducteurs sur ses deux surfaces. Ce montage nécessite la fixation d'un métal conducteur des deux côtés du substrat. Pour un matériau donné du substrat, l'impédance caractéristique du circulateur 25 dépend de l'épaisseur de ce substrat. Si le matériau utilisé à une constante diélectrique relativement élevée, une réduction de ses dimensions doit s'accompagner d'une diminution de son épaisseur, et par conséquent, ce substrat, pour satisfaire à la condition de l'impédance utilisable, devient fragile. 30 L'invention propose donc un!circulateur à jonction à lignes de transmission à bandes de surface. Le circulateur conforme à l'invention comporte plusieurs lignes de transmission se croisant dans une région commune. Chacune de ces lignes de transmission comporte un conducteur étroit en forme de bande espacé 35 d'au moins un fil de terre plus large, coplanaires sur un substrat diélectrique commun. Le substrat et l'espace compris entre un conducteur étroit en ferme de bande et au moins un conducteur de terre plan sont choisis de façon que, en présence d'une onde électromagnétique qui leur 71 3753k 2111708 est appliquée, le conducteur étroit et le conducteur plus large de terre restreignent le champ électrique de l'onde, principalement entre le conducteur étroit et le conducteur plus large, et qu'il ne se produise aucun rayonnement à l'extérieur de la ligne. Dans la région commune des lignes de transmission, 5 le substrat est constitué d'un matériau gyromagnétique qui, lors de l'application d'un champ magnétique en courant continu, 'entraine la propagation de l'énergie électromagnétique le long d'une des lignefe à coupler à une ligne adjacente de manière non réciproque. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront 1D de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, en référence au dessin annexé dans lequel : - la figure 1 est une vue en coupe d'une ligne de transmission à bandes de surface; 1 • - la figure 2 est une vue en plan d'un circulateur conforme 15 à l'invention ; - la figure 3 est une vue en coupe prise le long de la ligne 3-3 de la figure 2 ; et - la figure 4 est une vue en coupe d'un circulateur conforme à un autre mode de réalisation de l'invention. 20 La figure 1 représente une ligne de transmission 10 à bandes de surface. Cette ligne de transmission propage des ondes de signaux électromagnétiques qui lui sont appliquées dans un mode quasi-TEM et comporte un conducteur 11 étroit en forme de bande, ainsi que deux conducteurs de terre plans 13 et 15 sur une surface donnée 16 d'un substrat diélectrique 17. 25 Le matériau conducteur formant les conducteurs 11, 13 et 15 peut être appliqué sous la forme d'une couche mince au substrat diélectrique 17. Ce matériau conducteur peut être déposé chimiquement,-pulvérisé à travers un pochoir ou saupoudré sur les surfaces choisies du substrat diélectrique 17, conformément à des techniques connues de circuit imprimé. Les fils de terre 30 13 et 15 ont une largeur de préférence deux à trois fois supérieure à celle du conducteur étroit 11, L'impédance de la ligne peut être déterminée par le choix du rapport approprié de et b^ a^ étant la distance du point central 0 du conducteur étroit 11 au bord du conducteur central 11, et b^ étant la distance du point central 0 au bord le plus proche des conducteurs 35 plus larges 13 ou 15. Lorsque le rapport de a^ et b^ croit ou que la constante diélectrique du substrat 17 croît, l'impédance décroît. Lorsque le rapport de a^ et b^ décroît ou que la constante diélectrique relative décroît, l'impédance croît. En modifiant le rapport de a^ et b^, il apparaît 71 37534 2111708 que, indépendamment de l'épaisseur du substrat et de la constante diélectrique, l'impédance de la ligne de transmission peut être modifiée. La figure 2 représente une vue en plan d'un circulateur 20 à jonction à trois orifices conforme à un mode de réalisation de l'invention, utilisant la forme de lignes de transmission décrite ci-dessus en référence à la figure 1. Le circulateur 20 comporte des conducteurs étroits en forme de bande 21, 22 et 23, fixés chacun à une surface 30 du substrat 31. Chaque conducteur 21, 22 ou 23 est similaire au conducteur 11 en forme de bande décrit en référence à la figure 1. Les conducteurs 21, 22 et 23 sont dirigés radialement à partir d'un point commun où se trouve un disque de cuis/re mince 29. Les conducteurs 21, 22 et 23 forment entre eux un angle de 120° au centre du disque 29, de manière à obtenir un circulateur à troi-s orifices à jonction symétrique en Y. Les conducteurs 21, 22 et 23 peuvent être constitués de bandes minces en cuivre reliées au disque 29. Ce disque 29 auquel sont fixés les conducteurs 21, 22 et 23 est centré et fixé sur la même surface 30 du substrat 31. Plusieurs fils de terre plans en cuivre, et plus larges que les conducteurs étroits 21, 22 et 23, sont fixés sur la infime surface 30 du substrat 31. Les conducteurs 33, 34 et 35 sont espacés l'un de l'autre et leurs bords adjacents sont parallèles aux conducteurs étroits 21, 22 et 23. Les fils de terre plans 33 et 34 sont placés de chaque côté du conducteur étroit 21 pour former une première ligne de transmission. Les fils de terre plans 34 et 35 sont placés de chaque côté du conducteur 22 pour former une seconde ligne de transmission. Les fils de terre.plans 33 et 35 sont placés., de chaque côté du conducteur 23 pour formei; par combinaison, une troisième ligne de transmission. L'impédance convenable de chacune de ces lignes est déterminée par l'espace compris entre les conducteurs étroits et la paire de fils de terre qui lui est associée. Le substrat diélectrique 31 est constitué d'un matériau à constante diélectrique suffisamment élevée, et à épaisseur convenable, de manière que le champ électrique d'une onde électromagnétique qui se propage dans ce substrat se limite à la région comprise entre chacun des conducteurs étroits et la paire de fils de terre qui lui est associée.:. Ce substrat peut avoir une constante diélectrique de l'ordre d'au moins 5 par rapport à celle du milieu adjacent qui, dans cet exemple, est l'air, soit 1. Pour compléter la construction du circulateur à jonction représenté sur la figure 2, un matériau gyromagnétique est nécessaire près du disque 29, et un champ magnétique en courant continu approprié doit être appliqué à ce matériau 71 3753k 4 2111708 gyromagnétique. Ce matériau gyromagnétique peut être, par exemple, un grenat, de la ferrite ou tout autre matériau tel que ceux décrits dans les chapitres 1 à 6 du livre intitulé "Microwave Ferrites and Ferrimagnetics" par Lax et Button, publié par HcGraw Hill. L'intensité du champ magnétique 5 en courant continu et le sens dans lequel ce champ est appliqué sont tels que la circulation de l'énergie de l'onde électromagnétique dans le sens souhaité soit obtenue pour une gamme de fréquences intéressante. Le couplage à l'intérieur et à l'extérieur du circulateur 20 peut se faire à l'aide de coupleurs coaxiaux aux orifices 24, 28 et 32. Ces 10 coupleurs coaxiaux sont montés sur le circulateur en reliant le conducteur central aux conducteurs étroits et le conducteur extérieur à la paire de fils de terre qui lui est associée. La figure 3 représente une vue en coupe du mode de réalisation de l'invention de la figure 2, (bis lequel les conducteurs 21, 22 et 23 sont 15 placés sur la surface supérieure 30 du substrat diélectrique 31, et les fils de terre 33, 34 et 35 sont adjacents à ces conducteurs, sur la même surface du substrat diélectrique 31. Ce substrat 31, dans le mode de réalisation représenté sur la figure 3, est tout entier constitué d'un matériau gyromagnétique. Le champ magnétique de polarisation en courant continu 20 permanent alimenté par une source non représentée est; comme indiqué par le sens de la flèche 36, appliqué perpendiculairement à la surface 30 du substrat 31, Lorsque le matériau gyromagnétique est polarisé par un champ magnétique en courant continu extérieur, d'une intensité permettant la polarisation du matériau au-dessous de la résonance dans le sens de 25 la flèche 36, il existe une condition non réciproque par laquelle l'énergie du signal électromagnétique pénétrant par l'orifice 24 et circulant dans le disque 29 sort uniquement par l'orifice 28. L'énergie pénétrant par l'orifice 28 et traversant le disque 29 sort par l'orifice 32, et l'énergie pénétrant par l'orifice 32 et traversant le disque 29 sort par l'orifice 24, 30 Le sens de circulation peut être inversé en inversant le sens du champ magnétique en courant continu appliqué par les électroaimants ou les aimants permanents, ou en polarisant le matériau au-dessus de la résonance. Pour une fréquence de 9 GHz, un isolement de 17 db a été obtenu, avec une perte par insertion dans le sens direct de 1,9 db. Le dispositif testé comportait 35 les composants suivants, et avait les valeurs suivantes : Le substrat 31 avait une épaisseur de 1,464 mm environ, et était constitué de grenat G-113, fabriqué par Trans Tech, Inc., Gathersburg, Md., et sa constante diélectrique était approximativement dé ;15 71 37534 2111708 Les conducteurs étroits 21, 22 et 23 étaient sfes transformateurs d'un quart de longueur d'onde, à 9GHz, et avaient une longueur de 2,7 68 mm environ et une épaisseur de 0,508 mm environ, étaient constitués de cuivre, et leurs bords transversaux étaient espacés d'environ 0,508 mm des 5 fils de terre 33, 34 et 35 associés ; Le disque central 29 était un disque en cuivre d'un rayon approximativement égal à 2,56 mm et la distance du centre du disque 29 au bord le plus proche des conducteurs 33, 34 et 35 était d'environ 2,844 mm. Le champ magnétique en courant continu était obtenu par un 10 électroaimant produisant un champ dans le sens de la flèche 36 de l'ordre de 3215 oersteds. Les conducteurs 21, 22, 23, 33 et 35 étaient en cuivre, et leur épaisseur était d'environ 0,127 mm. La somme du diamètre-du disque 29 et du diamètre de la région limitée par les bords les plus proches des fils de terre 33, 34 et 35 au. disque 29 est choisie de manière à satisfaire 15 à la condition kd/2 = 1,84, k étant le nombre d'ondes effectif dans le support gyromagnétique polarisé, ou 2lt'/A., A. étant la longueur d'onde de la fréquence de fonctionnement dans le support gyromagnétique polarisé, et d étant égal à la moitié de la somme des diamètres mentionnés ci-dessus. Dans le cas où il est souhaitable que les circulateurs 20 fonctionnent dans une large gamme de fréquences, avec une faible perte d'insertion, le sens du champ magnétique en courant continu de pdarisation doit suivre de plus près le champ électrique E de l'onde électromagnétique appliquée.Sur la figure 3, le champ E comme indiqué par la ligne en pointillé 19 s'étend entre le disque 29 et les conducteurs 33, 34 et 35. 25 Un aimant permanent peut être placé au-dessus du disque 29 sur la figure 3, de manière que le champ limite soit parallèle au chanp'E représenté, par les lignes pointillées 19. La figure 4 est une vue en coupe d'un autre mode de réalisation dans lequel le fonctionnement se fait dans une large bande, et à faible 30 perte d'insertion. Le montage de la figure 4 est similaire à ceux des figures 2 et 3 mais, dans ce montage, seule la région 38 du substrat 31, près du disque 29, est en un matériau gyromagnétique, le reste du substrat étant en un matériau diélectrique, par exemple de l'alumine. Le champ magnétique de polarisation appliqué au matériau gyromagnétique a encore 35 le sens de la flèche 36. Des transformateurs de quart d'onde, ou à lignes de section conique,peuvent être utilisés pour adapter l'impédance de jonction aux circuits externes, conformément aux techniques de traisformatim d'impédance dé jmrtim 71 3753k 6 2111708 connues. Ceci peut être effectué par exemple en effilant le ■ conducteur étroit en ferme de bande. Les fils de terre plans 33, 34 et 35 peuvent être maintenus à un potentiel de référence ou potentiel de la masse égal*^, par l'adjonction d'une boucle conductrice entre les fils de terre. Un circulateur à jonction du type à élément localisé peut être prévu dans le montage décrit ci-dessus. La' dimension du disque, au lieu d'être égale- à la dimension particulière mentionnée ci-dessus, peut être inférieure, en faisant chevaucher les conducteurs étroits en forme de bandes dans la région de jonction commune, et en les séparant par un matériau diélectrique pour former entre eux une certaine capacité. Les fi longueurs des lignes peuvent également être modifiées à l'aide d'une capacité localisée le long des lignes de transmission entre les conducteurs étroits et les fils de terre plans. Il va de soi que l'invention décrite est susceptible de nombreuses modifications ou variantes sans pour autant sortir de son cadre. 71 37534 7 2111708 REVENDICATIONS 1. Circulateur comportant plusieurs lignes de transmission dirigées vers l'extérieur à partir d'une région commune, chacune de ces lignes de 5 transmission étant caractérisée en ce qu'elle comporte urî conducteur étroi.t en fôrme de bande espacé d'au moins un conducteur de terre plus large, ces conducteurs étant coplanaires sur un substrat diélectrique commun, le substrat et l'espace compris entre le conducteur étroit en forme de bande et au moins un des conducteurs de terre plans étant tels que, en présence 10 d'une onde électromagnétique qui leur est appliquée, le conducteur étroit et le conducteur plus large restreignent le champ électrique de l'onde principalement entre le conducteur étroit en forme de bande et le "conducteur plus large, le substrat dans la région commune aux lignes de transmission étant constitué d'un matériau gyromagnétique qui, lors de l'application d'un 15 champ magnétique, entraîne la propagation de l'onde électromagnétique le long de l'une des lignes, à coupler de façon non réciproque à une ligne adjacente. 2. Circulateur selon la revendication 1, 20 3. Circulateur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que tout le substrat est constitué du matériau gyromagnétique. 4. Circulateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la direction du champ magnétique est parallèle au champ électrique de l'onde électromagnétique. 25 5« Circulateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que seule la partie du substrat adjacente à la région c onductrice commune est en matériau gyromagnétique. 6. Circulateur à lignes de transmission à bandes de surface, caractérisé en ce qu'il comporte un substrat diélectrique plat, plusieurs 30 conducteurs étroits en forme de bandes reliés directement l'un à l'autre dans une région conductrice commune, et fixés à une surface large de substrat diélectrique, les conducteurs étroits en forme de bandes étant placés radialement sur la surface large du substrat à partir de la région conductrice commune,l'un au moins des conducteurs de terre plans, au moins deux fois 35 plus large que les conducteurs étroits en ferme de bandes qui lui sont coplanaires,étant parallèle et adjacent à chacun des conducteurs étroits en forme de bandes, et placé sur la mÊme surface du substrat que les conducteurs étroits, ce substrat ayant une constante diélectrique supérieure à celle du 71 37534 8 2111708 milieu adjacent, de manière qu'en présence d'une onde électromagnétique appliquée entre un conducteur étroit et le conducteur de terre plan plus large, limite le champ électrique de l'onde principalement entre le conducteur étroit et le conducteur de terre plan, de manière qu'il ne se produise aucun rayonnement appréciable à l'extérieur de la ligne de transmission, le substrat dans la région conductrice commune étant entièrement en matériau gyromagnétique du type présentant un effet gyromagnétique en réponse à un champ magnétique permanent qui lui est appliqué.