Brevet FR2395618A1 — publié le 19790119

L'invention est relative aux circuits micro-ondès intégrés communément désignés sous le sigle MIC dans la terminologie anglosaxonne. La tendance générale à la réduction des dimensions des circuits a été, pendant une période, satisfaite par l'apparition des circuits micro-ondes intégrés. La complexité des circuits augmentant de même que les exigences des utilisateurs, ltencombrement actuel est jugé trop grand. En effet, l'énergie des ondes se propageant dans ces circuits est répartie entre le diélectrique et l'air, et pour éviter tout couplage par l'air entre circuits élémentaires il est indispensable d' enfermer ceux-ci dans des boîtiers distincts reliés par des connecteurs, de sorte que ltencombrement de l'ensemble ainsi obtenu est disproportionné par rapport au volume des circuits eux-mêmes. Par ailleurs, la disposition longitudinale en cascade habituelle des divers circuits élémentaires conduit non seulement à un encombrement dans le plan horizontal trop important, mais souvent à de grandes difficultés technologiques de réalisation0 Le but de la présente invention est un procédé de réalisation de circuits micro-ondes intégrés complexes permettant une réduction d'encombrement par montage de plusieurs circuits élémentai- res superposés dans un même bottier. Le procédé de réalisation de circuits micro-ondes intégrés eomplexes selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte - la décomposition dudit circuit complexe en aircuits éldmentaires portés chacun par un seul substrat ------------------------ et en lames diélectriques coopérant avec lesdits circuits élémentaires en vue d'exécuter au moins une fonction; - la réalisation desdits circuits élémentaires par les moyens mis en oeuvre en technologie micro-ondes intégrée, y compris l'usinage de repères de posi;tionnement; - la réalisation desdites lames diélectriques; - la mise en place éventuelle de composants actifs et passifs sur les substrats des circuits élémentaires;; - l'assemblage desdits circuits élémentaires et des couches diélectriques suivant la direction perpendiculaire au plan de leurs plus grandes dimensions, dans l'ordre convenable et avec l'orientation plaçant en regard les conducteurs coopérant à la réalisation d'une fonction gracie aux repères de positionnement; - la mise en bottier du circuit complexe et la réalisation des raccordements électriques aux connecteurs du bottier. L'invention présente les avantages suivants - la réalisation de circuits complexes à partir de circuits élédentaires conformes à la technologie micro-ondes intégrée ne fait appel qu'à des moyens simples; - la présence de plans de masse superposés et rapprochés a un e- fet de blindage comparable à celui d'un bottier métallique. La description du procédé de réalisation de cirouits eom- plexes selon l'invention, qui suit, est accompagnée des figures 1 à 8 donnés à titre illustratif, nullement limitatif, dans lesquelles : - la figure 1 représente la suite des opérations du procédé selon l'invention; - les figures 2a et 2b sont relatives à un premier exemple de transition sans connexion utilisée au coure de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention; - les figures 3a et 3b sont relatives à un deuxième exemple de transition sans connexion; - les figures 4a, 4b et 4c sont relatives à la réalisation d coupleur directif par mise en oeuvre du procédé selon 1' inven- tison;; - les figures Sa, 5b, 5c, 5d et 5e sont relatives à la réalisation d'un mélangeur à bande latérale unique par mise en oeuvre du procédé selon l'invention; - la figure 6 représente le niveau de sortie des ondes de battement du mélangeur à bande latérale unique des figures 5; - la figure 7 représente la variation du facteur de bruit dans la bande; - la figure 8 représente la variation du facteur de bruit en fonction de la puissance de l'oscillateur local à diverses fréquences. La figure 1 représente la suite des opérations de mise en oeuvre du procédé de réalisation d'un circuit complexe selon l'invention. L'opération 1 est la décomposition du circuit complexe en circuits élémentaires Chacun d'eux est réalisé sur un seul sub strat ^ -~--~ en alumine. Un circuit élémentaire est couplé au circuit précédent et au suivant sauf le premier et le dernier qui sont reliés respectivement aux connecteurs d'entrée et de sortie du bottier. Le couplage entre deux circuits élémentaires est assuré soit par des transitions à impédance adaptée entre deux tron çons de ligne de propagation, soit par l'introduction de lames diélectriques entre des conducteurs placés en regard dans le but de les coupler de façon serrées L'opération 2 est la réalisation des circuits élémentaires définis au cours de l'opération précédente.Au cours de cette opération, des repères de positionnement et des logements éventuels pour des composants discrets sont usinés sur les substrats qui sont ensuite métallisés en vue de constituer les circuits élémentaires définis au cours de l'opération 1. L'opération 3 est l'usinage de lames diélectriques intercalaires séparant les circuits élémentaires en vue de créer les couplages définis au cours de l'opération 1. Ces lames portent aussi des repères de positionnement et éventuellement des logements de composants actifs ou passifs. L'opération 4 est la mise en place des composants éventuels sur les circuits élémentaires. L'opération 5 est l'assemblage des circuits élémentaires et des lames diélectriques intercalaires dans l'ordre convenable, à plat les uns sur les autres, orientés gracie aux repères de positionnement. L'opération 6 est la mise en boiter métallique servant de blindage et le raccordement de l'entrée et de la sortie du circuit complexe aux connecteurs du bottier. La mise en oeuvre du procédé selon l'invention peut conduire à incorporer des tronçons de ligne de propagation aux circuits élémentaires, en vue de constituer des couplages sans connexion entre circuits portés par des substrats différents et des transitions adaptées entre divers types de lignes. Dans ce qui suit deux transitions vont être données à titre d'exemple non limitatif. Les figures 2a et 2b représentent un premier exemple relatif à la transition entre un tronçon de ligne microbande et un tronçon de ligne à fente. Le tronçon de ligne microbande porté par le substrat 10 présente dans son plan de masse une fente Il perpendiculaire au conducteur en ruban. La fente Il est située à un quart d'onde de l'extrémité 12 du conducteur en ruban. En plaçant le conducteur 12 à une distance d'une extrémité ouverte de Il égale à un quart d'onde on limite la propagation sur la ligne à fente à une seule direction: une onde introduite à 1' entrée du tronçon de ligne microbande est intégralement transmise à ltextrémité du tronçon Il de ligne à fente.Les substrats portent, en outre, des repères de positionnement 58, 59, 60, 61, ne permettant l'empilement que d'une seule façon. Les figures 3a et 3b représentent un deuxième exemple de transition. Dans cet exemple, le tronçon de ligne microbande est porté par un substrat 15. Le plan de masse 16 présente deux fentes parallèles 17 et 18 limitant un conducteur 19 de façon à former un tronçon de ligne coplanaire. Le conducteur en ruban 20 du tronçon de ligne microbande se termine par un quart d'onde placé en regard du conducteur 19 du tronçon de ligne coplanaire. Revenant au procédé de réalisation d'un circuit complexe selon l'invention, un premier exemple de mise en oeuvre est fourni par la réalisation d'un coupleur directif à coefficient de couplage donné. L'opération 1 du procédé est la décomposition du coupleur en circuits élémentaires, à savoir: - un premier tronçon de ligne microbande d'impédance donnée avec une entrée et une sortie; - un deuxième tronçon de ligne microbande de mème impédance dont une extrémité est terminée par une charge dissipative d'impédance égale à l'impédance caractéristique des tronçons de -ligne microbande; - une lame diélectrique d'épaisseur convenable compte tenu de sa permittivité pour réaliser le coefficient d couplage désiré. L'opération 2 du procédé est la réalisation des circuits élémentaires selon la technique des circuits micro-ondesintégrds. La figure 4a représente le premier tronçon de ligne microbande. Ce tronçon comporte une partie rectiligne 21 terminée par des extrémités 22 et 23 orientées perpendiculairement à 21. Le conducteur en forme de ruban est réalisé par métallisation à ltor sur le substrat d'alumine 24 de dimensions normalisée. La face opposée au ruban, non visible sur la figure 4a, est entièrement métallisée. La figure 4b représente le deuxième tronçon de ligne microbande0 Ce tronçon comporte une partie rectiligne 21 identique à celle du tronçon précédent, une extrémité 25 terminée par une charge adaptée et une deuxième extrémité 230 perpendiculaire à 21. L'opération 3 est 14usinage de la lame diélectrique qui est en général prise dans de I'alumine de même qualité que les substrats des tronçons de ligne microbande, bien que cela ne soit pas strictement indispensable. A titre d'exemple, le quartz, le kapton et les résines polyimides peuvent être aussi employés. L'épaisseur de la lame diélectrique est déterminée en fonction du couplage désiré entre les deux tronçons de ligne microbande compte tenu de la permittivité du matériau choisi. L'opération 4 est sans objet dans 11 exemple présent. L'opération 5 est l'empilement des circuits élémentaires. La figure 4c représente une coupe Fu circuit complexe obtenu, ef- fectuée par un plan dont la trace est visible en x x sur la figure 4a. Les deux tronçons de ligne sont représentés coupés avec leurs plans de masse 28 et 29 tournés vers l'extérieur. Les conducteurs 21 sont disposés face à face, de part et d'autre de la lame diélectrique 30. L'extrémité 22 située en arrière du plan de coupe est visible sur la figure 4c, la charge adaptée 25 située dans le pro longement du conducteur 21 et débordant de part et d'autre apparait en 31. L'opération 6 est la mise en boîtier métallique. A titre d'exemple, la Demanderesse a réalisé par le procédé selon l'invention un coupleur directif pour la bande comprise entre 2 et 4 GHz au moyen de tronçons de ligne microbande d'impédance caractéristique égale à 50 OhZ8- Ces tronçons de ligne microbande sont disposés de part et d'autre d'un substrat standard en alumine 30. La longueur des parties rectilignes en regard est égale à 8,1 millimètres, soit un quart de la longueur d'onde au milieu de la bande passante. Avec ce coupleur, une onde à la fréquence comprise entre 2 et 4 GHz entrant en 21 est décomposée en deux ondes délivrées par les sorties 23 et 230 ayant même phase et même puissance. Un deuxième exemple de mise en oeuvre du procédé est donné per la réalisation d'un mélangeur à bande latérale unique. La figure Sa représente le schéma électrique du mélangeur. Ce schéma comporte - un premier coupleur 40 recevant une porteuse à fréquence r1 et délivrant deux composantes à fréquence F1 de mOle puissance et de même phase; - nn déphaseur 43 délivrant deux composantes à fréquence f2 de même puissance déphasées à 1800; - deux mélangeurs 41 et 42 recevant respectivement chacun une composante à fréquence F1 et une composante à fréquence f2 - un coupleur 44 recevant les deux ondes résultant des battements des composantes à fréquences F1 et f2 et délivrant une bande latérale unique par l'une des sorties 45 et 46. La première opération du procédé de réalisation du circuit complexe selon l'invention est la définition des circuits élémentaires réalisables sur substrats normalisés. Les figures 5b et 5c sont relatives à la réalisation du coupleur 40 et des mélangeurs 41 et 42. Le coupleur 40 est réalisé au moyen d'un tronçon de ligne microbande 50 représenté sur la figure 5b concernant la face supérieure du substrat 5t et d'une ligne à fente 52 pratiquée dans la métallisation de la face indrieure du substrat 51. Ceci est une application du premier exemple de transition donné dans ce qui précède. Lorsque l'entrée du tronçon 50 reçoit une porteuse à fréquence F1 le tronçon 52 qui lui fait suite délivre deux composantes à fréquence F1 en phase et de même puissance aux tronçons de ligne coplanaire qui lui font suite. Ces tronçons sont réalisés partiellement sur le substrat 51 et par tiellement sur le substrat suivant 53. En effet, le substrat 51 présente deux élargissenents 54 et 55 prolongeant de part et d' au- tre le tronçon 52 tandis que le substrat 53 présente deux métalli- sations 56 et 57 qui constituent chacune un premier tronçon de ligne coplanaire lorsque le substrat 53 est appliqué contre la métallisation représentée sur la figure 5c de façon que 56 et 57 soient au milieu respectivement de 54 et 55.Des perçages de positionnement 58, 59, 60 et 61 correspondant aux perçages ayant les mêmes repères sur le substrat 51 ne permettent l'empilement que dune seule façon tout en garantissant un positionnement précis des métallisations l'une par rapport à l'autre. le substrat 53 présente en outre des embrèvements circulaires de 0,3 millimètre de profondeur disposés en Y par rapport aux conducteurs 56 et 57. les embrèvements repérés 62 contiennent des diodes mélangeuses présentant deux connexions latérales. Lgune de ces connexions est reliée à l'un des conducteurs 56, 57, tandis que l'autre connexion entre en contact avec la métallisation du substrat 51 lors de 12opération d'empilage des substrats. Les embrèvements repérés 63 contiennent des condensateurs à connexions latérales.L'une de ces connexions est reliée à l'un des conducteurs 56, 57, l'autre connexion entre en contact avec l'un des tronçons 64, 65, de conducteur central de ligne coplanaire porté par le substrat 51 lors de l'opération d'empilage des substrats. la figure 5e représente la face inférieure du substrat 53. Cette face porte le déphaseur 43 réalisé sous la forme d'une métallisation. Une ligne microbande 66 relie le con necteur d'entrée de l'onde locale à fréquence f au déphaseur 43. Deux lignes microbandes67 et 68 terminées par des quarts d'onde 69 et 70 couplés à travers le diélectrique du substrat 53 respecti- vement aux tronçons de conducteurs 64 et 65 lors de l'empilage assurent le couplage de l'oscillateur local an mélangeur. Une charge adaptée 71 est reliée à la dernière porte du déphaseur 430 Le coupleur 44 peut être réalisé en technologie intégrée si la valeur absolue de l'écart des fréquences F1 - f2 est dans le domaine des micro-ondes; au contraire, il est réalisé avec des bobinages si l'écart est dans le domaine des très hautes fréquences. La figure 5e représente le cas où la différence F1 Q f2 se trouve dans le domaine des très hautes fréquences. le coupleur 44 est constitué d'un tore en ferrite portant un bobinage primaire dont les extrémités sont fixées à deux conducteurs 74 et 75 obtenus par métallisation et reliés par les perçages 72 et 73 intérieurement métallisés aux conducteurs 56 et 57. Un condensateur 78 relie entre eux les conducteurs 74 et 75. Le coupleur 44 présente, en outre, un bobinage secondaire dont les extrémités sont fixées à deux conducteurs de sortie 76 et 77 obtenus par métallisation et reliés entre eux par un condensateur 79. La deuxième opération est la réalisation des circuits élémentaires qui viennent d'être décrits La troisième opération est sans objet dans ltexemple-dé- crit. La quatrième opération est la mise en place des diodes et des condensateurs. La cinquième opération est l'empilement des circuits élé- mentaires. Cette opération est facilitée par les perçages de positionnement donnés comme exemple, qui supposent implicitement l'e existence d'un montage d'atelier présentant des tiges au diamètre des trous des substrats fixées dans la position pour laquelle les faces représentées sur les figures 5b et 5d sont tournées vers le bas. La fixation des substrats entre eux peut s'effectuer par tout moyen connu tel que collage, ou encore par des moyens mécaniques tels que clips placés sur la périphérie des substrats. Lorsqu'il existe plusieurs plans de masse, ceux-ci doivent être reliés entre eux et tout moyen connu est applicable. La sixième opération est la mise en place du circuit mélangeur dans son bottier. Cette opération est facilitée par la disposition représentée sur la figure 5c . Le substrat 51 est prévu débordant de part et d'autre des substrats placés en-dessous de façon à permettre un appui de la métallisation directement sur des épaulements du boitier prévus à cet effet. A titre d'exemple illustratif, la demanderesse réalise un mélangeur à bande latérale unique en utilisant - quatre diodes type 2709 commercialisées par la société Hewlett Packard, dont l'épaisseur est égale à 0,3 millimètre; - deux condensateurs type Cl010 commercialisés par la Demanderessc. dont l'épaisseur est égale à 0,3 millimètre; - deux condensateurs de 100pf commercialisés par la société américaine Arc et importés en France par la société Datron à Vincennes; - un tore en ferrite de nickel type Fun 104 -1104 commercialisé par la Demanderesse portant deux bobinages de sept spires chacun. Avec ce mélangeur, lorsque la fréquence F1 est comprise entre 8,5 et 9,6 GRz et que la fréquence f2* égale à 8,5 GEz, a un niveau égal à 13 d5s, l'onde de sortie à fréquence intermédiaire égale à 30 NHz présente un niveau égal à - 25 dBm. La figure 6 représente l'écart de niveau mesuré entre les deux sorties du mélangeur en fonction de la fréquence dans les conditions qui viennent titre définies. La figure 7 représente la variation du facteur de bruit dans la bande passante aux températures - 400, 0 et 70 C. La faible variation du facteur de bruit en fonction de la température constitue l'un des principaux avantages de ce circuit. La figure 8 représente la variation du facteur de bruit en fonction de la puissance de l'oscillateur local. REVENDI CÂTIONS 1. Procédé de réalisation de circuits micro-ondes intégrés complexes caractérisé en oe qu'il comporte: - la décomposition dudit circuit complexe en circuits élémentaires portés chacun parim seul substrat ------------- et en lames de diélectrique coopérant avec lesdits circuits élémen- taires en vue d'exécuter au moins une fonction; - la réalisation desdits circuits élémentaires par les moyens mis en oeuvre en technologie micro-ondes intégrée y compris l'usinage de repères de positionnement; - la réalisation desdites lames diélectriques; - le montage de composants actifs et passifs sur les substrats des circuits élémentaires;; - l'assemblage desdits circuits élémentaires et des couches diélectriques suivant la direction perpendiculaire au plan de leurs plus grandes dimensions, dans l'ordre convenable et avec l'orien- tation associant les conducteurs coopérant à la réalisation d'une fonction grâce aux repères de positionnement; - la mise en boitier du circuit complexe et la réalisation des raccordements électriques aux connecteurs du boiter. 20 Circuit micro-ondes intégré complexe obtenu par mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte au moins une transition entre deux tronçons de ligne de propagation à constantes réparties de types différents servant au couplage de deux circuits portés chacun par l'un de deux substrats adjacents. 3. Circuit micro-ondes intégré complexe selon la revendication 2 caractérisé en ce que ladite transition est effectuée entre un tronçon de ligne coplanaire porté par un premier substrat et un tronçon de ligne microbande porté par un deuxième substrat et que ledit tronçon de ligne microbande présente une extrémité ouverte, que celle-ci est précédée d'une longueur de conducteur en forme de ruban égale au quart de la longueur d'onde moyenne dans la bande passante placée parallèlement au conducteur central de la ligne coplanaire dont elle n' est séparée que par 1' épais- seur du diélectrique du deuxième substrat. J 4. Circuit micro-onde intégré complexe selon ia revendication 2 caractérisé en ce que l'un desdits tronçons de ligne de propagation est du type coplanaire et que son conducteur en forme de ruban est divisé en deux sections successives portées chacune par l'une des faces contigües desdits substrats adjacents et que lesdites sections sont reliées entre elles lors de l'assemblage des substrats par un condensateur à connexions latérales