Brevet FR2315177A1 — publié le 19770114

La présente invention est relative aux isolateurs à résonance réalisés en technologie triplaque, c'est-à-dire aux isolateurs constitués d'une structure conductrice centrale en contact sur ses deux faces avec un milieu diélectrique, lui-mbme délimité par deux plans conducteurs. Elle concerne plus particuLièrement lesisolateurs dits en croix" dans lesquels la structure conductrice se présente sous la forme d'un conducteur principal dont les extrémités sont associées respectivement aux connecteurs d'entrée et de sortie, connecté en un méme point à deux tronçons de ligne sous forme de bande dont les impédances sont conjuguées vues du conducteur principal de façon qu'un champ tournant s établisse dans la zone du croisement. Des pastilles de ferrite sont disposées dans la zone de champ à polarisation circulaire ainsi qu'un dispositif établissant le champ d'aimantation correspondant à la résonance gyromagnétique du matériau ferrite à la fréquence de fonctionnement. Une réalisation de ce type d'isolateur est notamment décrite, ainsi que son fonc tionnement, par Las et Button à la page 570 dans leur ouvrage intitulé : nMicrowave ferrites and ferrimagnetiest édition de 1962 par Mac Graw Hill.On retrouve des réalisations particulières d'isolateurs de ce type dans le brevet français nO 1.567.104 déposé par la Demanderesse le 6 Décembre 1967 pour : "Circuits miniaturisés à ferrite pour hyperfréquence" ainsi que dans le brevet français nO 2.197.245 dépose le 26 juillet 1973 pour : "Zéparateur à atténuateur unilatéral pour micro-ondesn cités à titre d'exemple. Ainsi qu'on le voit, les bras de la croix peuvent n'être pas rectilignes et sont éventuellement chargés par des impédances localisées. Un champ magnétique d'aimantation est appliqué perpendiculairement au plan des bandes au voisinage du point de croisement. Au voisinage de cette zone se trouvent deux pastilles de ferrite. La présente invention a essentiellement pour objet une structure d' isolateur du type en croix susceptible de fonctionner à un niveau énergétique élevé aussi bien en ce qui concerne la puissance crotte que la puissance moyenne et présentant un encombrement réduit par rapport aux dispositifs équivalents. Elle a également pour objet une structure d'isolateur dont les caractéristiques demeurent inchangées dans une large gamme de temp#rature et surtout un isolateur dont les pertes d'insertion sont particulièrenent faibles. L'isolateur suivant l'invention,réalisé suivant la technologie triplaque comportant une structure conductrice en forme de croix à bras repliés, est essentiellement caractérlsé en ce que le volume dans lequel s'établit le champ hyperfréquence polarisé circulairement est occupé partiellement par des pièces en maté in diélectrique à faibles pertes placées au voisinage immédiat du conducteur principal, le reste de l'espace étant occupé par un ula- tériau gyromagnétique. Selon une caractéristique importante de l'invention30 à tue,0 du volume entourant la zone du conducteur principal où s'éta- blit le champ tournant sont occupés par le matériau diélectrique. Selon une autre caractéristique de l'invention, la permittivité du diélectrique utilisé est inférieure à celle du matériau gyromagnétique. le circuit magnétique comprend donc un entrefer occupé par deux pastilles diélectriques et le circuit à bande. Ceci n'est pas gênant lorsque la valeur du champ à la résonance est relativement faible, ce qui est le cas notamment en tJ1IF (5C0 à 2000hz par exemple). L'utilisation de pastilles de diélectrique au voisinage immédiat du circuit en bande assure, ainsi qu'il est bien connu, une concentration du champ favorable à la réduction des pertes d'énergie hyperfréquence ce qui a pour effet de mieux canaliser le champ hyperfréquence dans le matériau gyromagnétique Le remplacement d'une fraction du volume normalement occupé par le matériau gyromagnétique par un volume de matériau diélectrique réduit les pertes d'insertion du dispositif. Pour une structure donnée et à une fréquence donnée,un isolateur de l'art antérieur ne comportant que du ferrite présente une perte d'insertion de 5 dB alors qu'un isolateur selon l'invention a une perte de C,5 dB.L'utilisation d'un matériau diélectrique de permittivité inférieure à celle du ferrite assure également une meilleure adaptation d'impédance entre la ligne transportant l'énergie hyperfréquence et le matériau. De plus, l'utilisation de pièces de ferrite d'épaisseur faible par rapport à leur section droite diminue l'impédance thermique de la pièce et favorise ainsi le transfert d'énergie calorifique lorsque l'isolateur fonctionne en inverse ce qui améliore la tenue en puissauce moyenne de l'isolateur.Du point de vue magnétique, il est bien connu que le ferrite utilisé dans les isolateurs se trouve saturé et présente par conséquent, dans le sens direct, une perméabilité relative dont le module est voisin de l'unité. la substitution d'un matériau~diélectrique à une partie du ferrite ne présente donc pas d'inconvénient du point de vue de la reluctance du circuit ainsi constitué. L'invention sera bien comprise en se reportant à la description suivante donnée à titre d'illustration non limitative de réalisation d'un isolateur selon l'invention fonctionnant à la fréquence de 1 GRz et aux figures qui l'accompagnent dans lesquelles : - la figure I est une vue en plan de l'isolateur - la figure 2 est une vue en coupe perpendiculairement au plan de la figure I - les figures 3 et 4 des caractErnstiques d'îsolateur. On a représenté sur les figures 1 et 2 respectivement en Ai' et BB' les traces des plans de coupe correspondant aux figures 2 et 1. La figure 1 représente le support I sur lequel sont fixés les éléments constituant le circuit U et comportant essentiellement le conducteur principal 2 dont les dimensions sont -gdnérale- ment choisies de façon qu'il présente une impédance normalisée de 50 ohms à la fréquence de fonctionnement. On a représenté respec vivement en 3 et 4 les deux tronçons de ligne auxiliaire croisant le conducteur 2 en un m & e point. Les bras 3 et 4, ainsi qu'il est d 'usage, sont repliés afin de réduire 1' encombrement du circuit et terminés par des plots de court-circuit représentés respectivement en 6 et 7 et constitués par des conducteurs traversant le substrat 1 et venant au contact des plans métalliques 13 situés de part et d'autre du circuit principal (cf. fig. 2). On a représenté en pointillé en 8 et 9 des diélectriques couplés aux tronçons de ligne 3 et 4 et essentiellement destinés à en réduire la longueur.Ainsi qu'il est connu, le fonctionnement du circuit en isolateur exige que les tronçons de ligne 3 et 4 diffèrent d'un quart de longueur d'onde et présentent des longueurs électriques multiples impaires de 1/8 de la longueur d'onde, lorsque les impédances caractéris tiques des tronçons 3 et 4 sont égales à celle du tronçon 2. Cette condition est nécessaire pour qu'un champ polarisé circulairement s'établisse dans la zone 5. Ainsi qu'il apparait sur la figure 2, la zone 5 est entourée de matériaux diélectriques représentés par les pastilles 10. Ces pastilles sont elles-memes en contact avec deux pastilles Il en matériau gyromagnétique, l'empilement étant disposé entre les deux plans conducteurs 13 qui terminent le circuit triplaque.Ces plans conducteurs 13 sont constitués de pièces massives dans lesquelles sont prévus des logements 14 servant à abriter les aimants permanents ou les bobines nécessaires à l'éta- blissement du champ magnétique de polarisation dont la valeur est choisie compte tenu du matériau constituant les pastilles 11 et de la fréquence de fonctionnement pour que le matériau se trouve polarisé à la résonance gyromagnétique.On a représenté en 15 des feuilles de fer-doux destinées à permettre la fermeture du champ magnétique de polarisation grâce à l'étrier 164 L'isolateur qui vient d'être décrit présente les dimensions suivantes - dimension des pastilles 10 : Jd 6 mm épaisseur 0,4 mm - dimension des pastilles Il : 6 mm épaisseur 0,6 mm - nature des pastilles 10: Styrène copolymère réticulé tu2,5 - nature des pastilles Il : Grenat dopé M5 = 900 G = = 20 Oe - nature des plans conducteurs 13 : - nature du circuit magnétique 15 :Fer doux Il présente les performances suivantes - fréquence de fonctionnement : 1 GRz - perte dtinsertion : 0,5 d3 - atténuation : 25 d3 soit un facteur de mérite: 50 - largeur de bande : 2 à 3 % La perte d'insertion reste constante entre -55 et +1000 ainsi que le taux d'ondes stationnaires. L'isolement varie en fonction de la température ainsi qu'il est représenté sur la courbe de la figure 30 Cette variation peut être compensée par une variation en fonction de la température du champ magnétique de polarisation à l'aide d'un aimant présentant la caractéristique thermique appropriée. Une telle courbe compensée est représentée sur la figure 4. Il est bien entendu qwe exemple qui vient entre décrit est donné à titre d'exemple non limitatif des isolateurs selon l'invention pouvant être réalisés dans la totalité de la gamme 500 - 2000 NHz, les matériaux et dimensions des pièces devant être adaptés à chaque fréquence de fonctionnement. L'expérience a montré que les résultats optimaux sont obtenus lorsque l'épaisseur relative des pièces diélectriques 10 est comprise entre 30 et 60 % de la distance entre les deux plans conducteurs 13. Dans le cas de l'exemple décrit, cette épaisseur relative est de 40 % . Le rapport des épaisseurs des pièces 10 et Il (donc de leur volume) est 2/3. Des réalisations avec d'autres matériaux, fonctionnant à d'autres fréquences de la gamme des UHF ont montré que le rapport optimal des épaisseurs reste compris entre+ et + 7 2 REVEND I CÂT ION S 1. Isolateur à résonance à haut niveau fonctionnant dans la bande UHF réalisé en technologie triplaque caractérisé en ce qu'une fraction de l'espace où s'établit le champ polarisé cir- culairement située au voisinage immédiat du conducteur principal est occupé par des pièces en matériau diélectrique, le reste de cet espace étant occupé par des pièces en matériau gyromagnétique. 2. Isolateur à résonance selon revendication 1 dans lequel le rapport entre le volume occupé par les pièces en matériau diélectrique et le volume occupé par les pièces-en matériau gyromagnétique est compris entre et 7 2 3. Isolateur à résonance selon revendication 1 dans lequel la permittivité relative du matériau diélectrique est inférieure à celle du matériau magnétique. 4. Isolateur à résonance selon revendication 1 dans lequel le champ magnétique de polarisation est établi, au moins partiellement, par un aimant permanent présentant une caractéristique thermique adaptée à celle du matériau ferrite. 6 BeuilletsO-