Brevet FR2152461A1 — publié le 19730427

La présente invention a pour objet des perfectionnements aux circulateurs et isolateurs de circuits électroniques hyperfréquences. I1 est maintenant devenu courant d'utiliser, dans les circuits hyperfréquences, des circulateurs pour protéger ou rendre stables différents circuits connectés entre eux. Ces circulateurs trouvent principalement leur application dans bs multiplicateurs de fréquences, duplexeurs, amplificateurs, ou en sortie d'oscillateurs et de tubes générateurs d'ondes hyperfréquences. Ainsi, une application courante consiste a utiliser un tel circulateur entre un générateur hyperfréquences et une antenne d'émission afin de protéger le générateur contre les retours intempestifs d'énergie en cas de modification de l'impédance de l'antenne, l'énergie étant dans ce cas transférée a un circuit d'absorption. Ces circulateurs doivent se caractériser par de faibles pertes lorsque l'énergie circule dans le sens de la transmission désirée, et par de fortes pertes lorsque l'énergie se déplace en sens inverse. Les circulateurs qui sont actuellement les plus utilisés sont réalisés suivant la technique de la microélectronique. Cette technique, on le rappelle, consiste à doubler un circuit électronique disposé sur une face d'une plaque en matériau diélectrique, par une seule surface conductrice servant de plan de masse, au lieu de prévoir deux telles surfaces disposées symétriquement de part et d'autre du conducteur, comme cela est le cas dans les techniques classiques des circuits hyperfréquences. Les circulateurs ainsi réalisés comprennent un substrat en ferrite sur une face duquel se trouve disposée une couche conductrice, généralement de forme triangulaire, formant le circuit actif reliée à un certain nombre de jonctions (généralement trois) réparties symétriquement à la périphérie de ce circuit, la face opposée du substrat recevant, par métallisation, une couche conductrice formant le plan de masse. Sur la face libre du circuit ou "strip" déposé en couche mince ou couche épaisse sur le matériau ferrite, repose une face d'un aimant permanent, un second aimant permanent pouvant être disposé contre la face libre du plan de masse métallisé, les aimants, le circuit, la partie active du substrat de ferrite et le plan de masse présentant en général une symétrie de révolution autour d'un axe traversant le centre du disque et perpendiculaire à celui-ci. Les circulateurs ainsi réalisés présentent des avantages bien connus qui en justifient l'utilisation. Néanmoins, les pertes énergétiques, dans de tels appareils, sont actuellement de l'ordre de 0,6 à 0,8 db suivant les bandes passantes, mais jusqu'à présent il n'a pas été possible de réduire ces pertes importantes. La présente invention se propose d'apporter à ces circulateurs ou isolateurs des perfectionnements permettant de réduire considérablement les pertes. A titre d'exemple, la diminution des pertes peut être de 0,2 à 0,6 db, ce qui constitue un gain appréciable. L'invention a pour objet des perfectionnements aux circulateurs ou isolateurs comprenant un substrat en ferrite avec deux faces parallèles dont l'une reçoit un circuit conducteur muni à sa périphérie de jonctions régulièrement espacées, et dont l'autre reçoit une couche conductrice formant plan de masse, un aimant supérieur étant disposé au voisinage du disque pour polariser ledit substrat, et un aimant inférieur étant éventuellement disposé au voisinage du plan de masse, caractérisés par le fait que le circulateur comporte une couche diélectrique de faible épaisseur intercalée entre le circuit et la face polaire de l'aimant supérieur, et/ou comporte une pièce polaire disposée contre la face libre du plan de masse. La couche diélectrique peut avantageusement être constituée par une portion de feuille diélectrique intercalée directement entre le circuit conducteur et la face polaire de l'aimant supérieur. Toutefois, en variante, cette couche diélectrique peut être réalisée simplement en éloignant la face polaire de l'aimant supérieur de la surface externe de ce circuit, et ceci d'une faible distance, la couche d'air qui est ainsi disposée entre la face polaire de l'aimant et le circuit faisant office de diélectrique. Selon une autre variante, il est également possible de remplacer la portion de feuille diélectrique pleine précédente-par une portion de feuille diélectrique ajourée maintenant un espace entre la surface du disque et la face polaire de l'aimant supérieur. Par faible épaisseur de la couche diélectrique, on entend une épaisseur telle qu'elle suffise pour isoler la face polaire de l'aimant supérieur d'avec la face externe du circuit conducteur, mais suffisamment faible pour ne pas entraîner une perte importante du flux magnétique pénétrant dans le substrat en ferrite, au niveau du circuit conducteur. L'épaisseur de la couche diélectrique est de préférence comprise entre 0,1 et 0,4 mm. Les essais qui ont été faits avec un circulateur de ce type, présentant un diamètre de disque de 22 mm, une épaisseur de substrat de 2 mm, et une épaisseur de couche diélectrique de 0,2 mm, ont permis de constater une diminution de 0,2 à 0,25 db des pertes par rapport à un circulateur identique, mais dépourvu de couche diélectrique. Un facteur important de cette diminution des pertes est probablement l'isolation électrique qui est ainsi réalisée entre le circuit et l'aimant, qui est en général un aimant en ferrite peu ou pas conducteur. L'éloignement relatif de la face polaire de l'aimant doit aussi permettre une pénétration plus régulière des lignes de force magnétique dans le substrat en ferrite disposé sous le circuit. La pièce polaire, qui vient se disposer directement sous la plaque de masse, est avantageusement réalisée en un métal tel que du fer doux ou tout autre matériau magnétique à aimantation non rémanente. Dans la variante de l'invention comprenant un aimant inférieur la pièce polaire se trouve alors intercalée entre la face polaire de cet aimant et la surface de champ. Ainsi la divergence du champ magnétique dans l'axe normal est plus faible avec la pièce polaire. L'épaisseur de la pièce polaire est de préférence comprise entre 0,3 et 1 mm. Des essais effectués avec un circulateur ayant les mêmes dimensions que précédemment, pourvu d'une pièce polaire en fer doux, mais dépourvu de couche diélectrique entre l'élément supérieur et le circuit conducteur, ont montré qu'il était possible d'obtenir une diminution de pertes de l'ordre de 0,30 à 0,35 db par rapport au même circulateur sans pièce polaire. Dans le cas où le circulateur selon l'invention comporte à la fois une couche diélectrique et une pièce polaire, la diminution des pertes est de l'ordre de 0,50 à 0,60 db, ce qui représente une diminution particulièrement importante. Le substrat en ferrite peut, dans une première forme de réalisation, déborder le circuit et la couche de champ, tandis que dans une deuxième forme de réalisation, ce substrat peut être constitué par une pastille en ferrite insérée à niveau dans une plaque diélectrique de même épaisseur et ayant sensiblement le même dia mètre que celui des aimants du circulateur. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaitront à la lecture de la description suivante, faite à titre d'exemple non limitatif, ainsi que du dessin annexé, dans lequel - la figure 1 représente une vue de dessus, avec coupe partielle d'un circulateur selon l'invention, prévu pour fonctionner sur des fréquences comprises entre 2500 et 2700 Mégahertz - la figure 2 représente une vue, en coupe axiale II-II, du circulateur de la figure 1 r - la figure 3 représente une vue en élévation, avec coupe partielle, d'un circulateur selon une variante de l'invention. On se réfère aux figures 1 et 2. Le circulateur 1 représenté comporte un substrat circulaire en ferrite 2 ayant deux faces planes parallèles. Sur la face supérieure est disposé, par la technique de couche mince ou en couche épaisse, un circuit 3 en métal conducteur, ce circuit 3 présentant, à sa périphérie, trois plages de jonction 4a, 4b et 4c. En variante, il est également possible de rapporter sur le substrat un circuit métallique préparé à l'avance. Conformément à un perfectionnement de l'invention, une couche diélectrique de faible épaisseur 5, comprise par exemple entre 0,1 et 0,3 mm, est disposée entre la surface supérieure du circuit 3 et la face polaire inférieure d'un aimant permanent du type ferrite 6, isolant ainsi la face polaire de l'aimant d'avec la surface de la couche en forme de circuit 3. En l'occurence, la couche diélectrique 5 est constituée d'un disque découpé dans une feuille diélectrique magnétique ou non, et présentant sensiblement un diamètre égal à l'encombrement du circuit 3. La couche diélectrique peut par exemple être réalisée en polytétrafluoréthylène (PTFE), ou bien encore dans le matériau vendu sous la dénomination REXOLITE par la firme AMERICAN ENKA CO, BRANDREX DIVISION. Sur la totalité de la face inférieure du substrat en ferrite 2, est disposée, par exemple par métallisation, une couche conductrice 7 formant plan de masse pour les conducteurs de la face supérieure, notamment le circuit 3. Ce plan de masse peut aussi consister en une feuille ou plaque métallique rapportée sur le substrat en ferrite. Conformément à un perfectionnement selon l'invention, une pièce polaire 8, par exemple en fer doux, est disposée directement contre la surface du plan de masse 7, le diamètre de cette pièce polaire 8 étant sensiblement égal au diamètre du circuit 3 et de l'aimant 6, l'épaisseur de la pièceyétant par exemple comprise entre 0,3 et 0,8 mm. Le circulateur comporte encore, de préférence, un second aimant, à savoir l'aimant inférieur 9 dont la face polaire est directement appliquée contre la pièce polaire 8. Le fonctionnement du dispositif ainsi représenté est le sui vant Si l'on relie la jonction 4a, par exemple à un générateur d'ondes électriques hyperfréquences, l'énergie débitée par ce générateur parviendra sur le circuit 3. On suppose que la jonction 4b est reliée à un récepteur d'énergie, par exemple une antenne émettrice, la jonction 4c étant reliée à un organe d'absorption convenable, par exemple une résistance. En choisissant convenablement le sens du champ magnétique traversant le substrat en ferrite sous l'action des aimants 6 et 9, on obtient que l'énergie passe facilement sans rencontrer pratiquement de résistance depuis la jonction 4a reliée au générateur vers la jonction 4b reliée à l'antenne.Si, à un certain moment, l'antenne se trouvait brusquement arrachée, l'énergie qui afflue ne peut pas retourner vers la jonction 4a, mais est obligée de se diriger vers la jonction 4c, d'où elle est dissipée par le dispositif d'absorption. De cette façon, le générateur se trouve protégé. Un circulateur ainsi réalisé permet, par rapport aux circulateurs analogues déjà connus, de réduire d'environ 50 à 60 % les pertes, lors de la circulation du courant électrique. Cette réduction des pertes semble due en partie à l'effet d'isolation obtenu par la couche diélectrique 5 entre le circuit 3 et l'aimant 6. Cette diminution des pertes est également due à la présence de la pièce polaire 8 qui uniformise et canalise le flux magnétique en assurant une homogénéité du champ magnétique ainsi qu'une bonne pénétration, suivant une direction sensiblement proche de la perpendiculaire, à la surface du substrat en ferrite 2, cette bonne pénétration étant améliorée par l'écartement réalisé par la couche diélectrique 5 entre le circuit 3 et l'aimant 6. On se réfère à la figure 3. Dans cette réalisation, le substrat 2 est remplacé par un substrat 12 de même épaisseur, mais présentant un diamètre sensiblement égal au diamètre du circuit 3, et des aimants 6 et 9. Cette pastille de substrat 12 est insérée dans une plaque diélectrique 10, par exemple du type utilisé pour la réalisation de plaques ou cartes de circuits. Un circuit quelconque peut d'ailleurs être disposé à la surface de cette plaque 10 qui supporte, comme on le voit sur le dessin, les jonctions 4a, 4b et 4c. Une métallisation formant plan de masse 17 est disposée sous l'ensemble formé par la pastille de ferrite 12 et la plaque diélectrique 10. La couche diélectrique 15, qui sépare l'aimant 6 du circuit 3, est réalisée cette fois sous forme d'une rondelle annulaire 15 dont le diamètre extérieur correspond sensiblement au diamètre de l'aimant 6.De cette façon, l'aimant 6 est écarté d'une faible distance du circuit 3. L'espace intérieur 16, laissé libre par la rondelle 15 entre la face polaire de l'aimant 6 et la surface du circuit 3, est occupé par l'air qui joue ainsi le rôle de couche diélectrique, du moins sur la surface occupée par cet espace. Bien entendu, différentes variantes pourraient être apportées concernant notamment la nature de la couche diélectrique séparant l'aimant 6 d'avec le circuit 3. Ainsi, cette couche pourrait être constituée en un matériau diélectrique en présentant une pluralité d'orifices répartis uniformément sur sa surface. Selon une autre variante, le matériau diélectrique pourrait être complètement supprimé, l'aimant 6 étant maintenu par un support convenable en étant écarté d'une faible distance d'avec le circuit 3, auquel cas c'est l'air ou le vide présent entre les faces polaires de l'aimant 6 et du circuit 3 qui joue le rôle de diélectrique sur toute la surface de ces faces. Bien que l'invention ait été décrite à propos d'une forme de réalisation particulière, il est bien entendu qu'elle n'y est nullement limitée, et qu'on peut lui apporter différentes modifications de forme ou de matériaux sans, pour cela, s'éloigner ni de son cadre, ni de son esprit. REVENDICATIONS 1. Circulateur ou isolateur perfectionné comprenant un substrat en ferrite avec deux faces parallèles, dont l'une reçoit un circuit conducteur muni à sa périphérie de jonctions régulièrement espacées, et dont l'autre reçoit une couche conductrice formant plan de masse, un aimant supérieur étant disposé au voisinage du circuit pour polariser ledit substrat, caractérisé par le fait qu'il comporte une couche diélectrique de faible épaisseur interca lée entre le circuit et la face polaire de l'aimant supérieur, et/ou comporte une pièce polaire disposée contre la face libre du plan de masse. 2. Circulateur ou isolateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte un aimant inférieur, la pièce polaire étant intercalée entre le plan de masse et ledit aimant inférieur. 3. Circulateur ou isolateur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la couche diélectrique est réalisée à l'aide d'une portion de feuille de matériau diélectrique. 4. Circulateur ou isolateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que ladite couche diélectrique est ajourée, les parties ajourées étant occupées par l'air jouant ainsi le rôle d'une portion de la couche diélectrique. 5. Circulateur ou isolateur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que l'aimant supérieur et le circuit conducteur sont simplement écartés l'un de l'autre d'une faible distance, la couche d'air intermédiaire faisant office de couche diélectrique. 6. Circulateur ou isolateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que la pièce polaire est réalisée en matériau magnétique à aimantation non rémanente. 7. Circulateur ou isolateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le substrat en ferrite est réalisé par une pastille en ferrite insérée à niveau dans une plaque diélectrique.