Brevet FR2528633A1 — publié le 19831216

La présente invention concerne un guide d'ondes diélectrique qui peut convenir à une application à des circuits intégrés à ondes millimétriques et similaires. Des lignes à ruban, des guides d'ondes diélec- triques ou similaires ont été utilisés dans des applica- tions à des circuits intégrés à ondes millimétriques. Mais les lignes à ruban présentent liînconvénient que les pertes de transmission augmentent lorsqu'elles sont utilisées dans la région des ondes millimétriques Bien que les pertes de transmission des guides d'ondes diélec- triques comme les lignes images et les lignes insulaires soient raisonnablement réduites dans les sections rec- til Lgnes, des ondes rayonnées qui peuvent appara tre dans les sections incurvées et autres discontinuités des guides d'ondes diélectriques peuvent produire des pertes supplémentaires ainsi qu'une transmodulation avec les lignes voisines. Un objet de l'invention est donc dtéliminer ces difficultés des guides d'ondes diélectriques antérieurs et de proposer un guide d'ondes diélectrique qui peut presque complètement supprimer les rayonnements nuisibles. Un autre objet de l'invention est de pro poser une technique pour réduire considérablement les pertes de transmission dans lé guide d'ondes diélectrique. L'invention concerne donc un guide d'ondes dié- lectrique comprenant deux plaques conductrices planes dis- posées parallèlement entre elles, un milieu diélectrique entre les deux plaques conductrices, une bande dièlectri- que disposée dans le milieu diélectrique, la constante di- électrique de cette bande diélectrique étant supérieure à celle du milieu diélectrique et des couches-diétectriques disposées entre les plaques conductrices respectives, la milieu diélectrique et la bande diélectrique, la constante diélectrique spécifique úF des couches diélectriques par rapport au milieu diélectrique, l'écartementpentre les deux plaques conductrices, l'épaisseur c du milieu di- électrique et la longueur d'onde X O d'une onde électro- magnétique dans le milieu diélectrique étant choisis pour que l'inégalité suivante soit satiefaitet af Un que l'onde électromagnétique soit transmise dans le guide d'ondes diélectrique avec un champ électrique de l'onde polarisée de manière à être principalement pa- rallèle aux plaques conductrices Eventuellement, si c/a =-1-, l'inégalité ci-dessus peut etre réduite à Dtautres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La Figure 1 A est une vue en perspective partielle d'un mode de réalisation d'un guide d'onde diélectrique selon l'invention, la Figure l B est une vue partielle en perspective d'un autre mode de réalisation deun guide d'onde diélectri- que selon lt invention, la Figure 2 est une vue de c 8 té d'un autre mode encore de réalisation'dtun guide dtonde diélectrique selon ltinvention, les Figures 3, 4, 5, 6, 7 et 8 sont des courbes de coupure pour les' quelques premiers modes dans diffé- rentes structures de guides d'ondes diélectriques, les Figures 9, 10 et 1 i montrent les pertes théo- riques de transmission des guides d'ondes diélectriques non rayonnants insulaires et des guides d'ondes diélectri- ques non rayonnants selon l 'invention. Les Figures 12 A et 12 B 5 ontrent schématiquement les champs éleotromagnétiques dans des plans de section d'un guide d'ondes diélectrique insulaire non rayonnant et d'un guide d'onde diélectrique non rayonnant selon l'invention, et les Figures 13 k à 13 E sont des vues schématiques en plan de différentes applications d'un guide d'onde diélectrique non rayonnant et d'un guide d'onde diélec- trique non rayonnant insulaire selon l'invention. La Figure 1 représente donc schématiquement un guide d'onde diélectrique selon un mode de réalisa- tion de l'invention Ce guide d'onde diélectrique con- siste en deux plaques conductrices planes 1 et 2 dispo- sées parallèlement entre elles Une bande diélectrique 6 est intercalée dans un milieu diélectrique 5 entre les deux plaques conductrices 1 et 2 La constante diélectri- que de la bande diélectrique 6 est supérieure à celle du milieu diélectrique 5 De plus, des couches diélectriques 3 et 4 sont disposées entre la plaque conductrice 1, le milieu diélectrique 5 et la bande diélectrique 6 et entre la plaque conductrice 2, le milieu diélectrique 5 et la bande diélectrique 6 Dans ce guide d'onde diélectrique, des ondes électromagnétiques à transmettre sont polari- sées parallèlement aux plaques conductrices 1 et 2. Pour simplifier l'explication dans la descrip- tion qui va suivre, il sera supposé que le milieu diélec- trique 5 est de l'air Cette supposition n'enlève rien à la généralité de la discussion car il est équivalent de définir les constantes diélectriques spécifiques des couches diélectriques 3 et 4 et de la bande diélectrique 6 par rapport à la constante diélectrique du milieu diélec- trique 5 et qui plus est le milieu diélectrique 5 est de l'air dans la plupart des cas pratiques Les couches di- électriques 3 et 4 peuvent être faites de préférence de Teflon, de polyéthylène, de styrène expansé à faible perte ou même de l'air Si les couches diélectriques 3 et 4 sont faites d'une matière solide, elles peuvent être fi- xées sur les surfaces intérieures des plaques conductrices avec un adhésif approprié et la bande diélectrique 6 peut ttre intercalée entre elles Par contre, si le 8 cou- ches diélectriques 3 et 4 sont de l'air, la bande diélec- trique 6 a doit être suspendue entre les plaques conductri- ces 1 A et 2 A par des supports 7 appropriés de manière que des couches d'air soient prévues comme couches diélectri- ques 4 A entre les plaques conductrices 1 A et 2 k res- pectives et la bande diélectrique 6 A comme le montre la vue de côté de la Figure 2 Des matières de faible con- stante diélectrique sont préférables pour les supports 7. De plus, la figure l B montre un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel les couches diélectriques 3 et 4 du mode de réalisation de la Figure 1 A sont suppri- més et ainsi, la bande diélectrique 6 est étroitement intercalée entre les plaques conductrices 1 et 2 planes et parallèles. Etant donné que le guide d'onde diélectrique selon l'invention permet de supprimer tout rayonnement et que les couches diélectriques 3 et 4 servent de cou- ches isolantes pour les plaques conductrices 1 et 2, ce guide d'onde peut *tre appelé un "guide d'onde diélec- trique insulaire non rayonnant" ou un "guide d'onde di- électrique non rayonnant" suivant que les couches diélec- triques 3 et 4 sont prévues ou non. Le principe de fonctionnement du guide d'onde diélectrique non rayonnant (appelé ci-après "guide NRD") et du guide d'onde diélectrique insulaire non rayonnant (appelé ci-après "guide I Nth D") sera maintenant décrit. Sur la Figure 1 A, la lettre a désigne l'écartement entre les plaques conductrices 1 et 2, b la largeur de la bande diélectrique 6 et c son épaisseur De plus, la constante diélectrique spécifique de la bande diélectrique 6 par rapport au milieu diélectrique 5 est désignée par E r 2 ' la constante diélectrique spécifique des couches diélec- triques 3 et 4 par rapport au milieu diélectrique 5 est désignée par & et la longueur d'onde des ondes électro- magnétiques dans le milieu diélectrique 5 est désignée par A O Il peut alors être démontré théoriquement que des ondes électromagnétiques polarisées parallèlement aux plaques conductrices sont coupées dans la région du guide d'onde -o la bande diélectrique 6 n'existe pas si l'in- égalité suivante est respectée: tg (Bât) pour les guides iq R'(a= c). Cette condition implique qu'une onde rayonnfre produite dans des sections incurvées et discontinues des bandes diélectriques ne peut se propager entre les pla- ques conductrices 1 et 2 et est donc supprimée C'est là une des conditions les plus importantes pour les guides NRD et le guide INRD. Mais dans ces conditions, siune bande diélectri- que 6 de dimension appropriée en section et une constante diélectrique appropriée est intercalée entre les couches diélectriques 3 et 4, la coupure est éliminée et les on- des électromagnétiques peuvent se propager librement le long dela bande diélectrique 6 C'est une explication qualitative du principe de fonctionnement des guides d'ondes NRD et INRD En pratique, le fonctionnement en un seul mode est requis pour le guide NRD et INRD Cela sera expliqué plus en détail an utilisant les figures 3 à 8 qui sont des courbes de coupure des quelques premiers modes en relation avec a/0 et r 2-1 b/ 20 pour les o r guides NRD et INRD ayant des structures différentes. Le mode fondamental dans le guide d'onde selon l'invention oet appelé "mode EX 11 et les deux modes qui suivent sont les modes EX 2 et EX 21 Les courbes de 12 21 ' coupure de ces modes peuvet tre calculées par le procédé de la constante diélectrique équivalente. Les courbes des figures 3 à 7 sont obtenues en supposant que les bandes diélectriques sont faites de Stycast (diffusé par Emerson Coming Co, Etats Unis d'Amérique) d'une constante diélectrique E r 2 12 Plus particulièrement, les courbes de la Figure 3 sont obtenues en supposant que les couches diélectriques soient de l'air et c/a = 0,4 Les courbes de la Figure 4 sont obtenues en supposant que les couches diélectriques soient de l'air et que c/a = 0,6 Les courbes de la Figure 5 sont obtenues en supposant que les couches diélectriques sont faites de polyéthylène ( rl= 2,25) et quec/a= 0,4 Les courbes de la Figure 6 sont obtenues-en supposant que les cou- ches diélectriques sont faites de polyéthylène (g ú 2,25) et que c/a = O 6 Les courbes de la Figure 7 sont obtenues en supposant que c/a 1 (correspondant au guide NRD) De plus les courbes de la Figure 8 sont ob- tenues en supposant que la bande diélectrique est faite de polystyrène ayant une plus faible constante diélectri- que ( r 2 2,56) et que c/a = 1 (guide NRD). Dans la région au-dessus de chaque courbe de coupure, le mode correspondant devient un mode de propa- gation tandis que dans la région au-dessous de la courbe de coupure il devient un mode évanescent Par conséquent, pour que les guides NRD et INRD fonctionnent dans un seul mode, les paramètres considérés des guides d'ondes doi- vent %tre choisis pour se situer dans la région limitée par ces courbes de coupure Dans la région au-dessous des courbes de coupure dans le mode EX 11, aucune onde électro- magnétique ne peut se propager tandis que dans la région au-dessus des courbes de coupure des modes E% 21 et E 12, deux ou plusieurs modes peuvent se propager, c'est-à-dire qu'il apparatt une propagation en mode multiple. Comme cela ressort des courbes des Figures 5 et 6, si les couches diélectriques sont faites de poly- éthylène, le point de coupure de rayonnement devient infé- rieur à a/X -= 0,5 Ce fait peut Etre utilisé en pratique o pour réduire les dimensions des circuits intégrés. Il faut en outre noter que le mode EX 12 n'affec- te pas le fonctionnement du guide NRD dans le cas de c/a _ 0,4 (voir Figures 3 et 4) Cela est très avantageux pour le guide NRD car La plage du fonctionnement en un seul mode s'1 élargit comparativeoment à celle du guide NRD (voir Figure 7) et la gralde largeur de bande peut etre obtenue Si la bande diélectrique est faite d'une matière différente comme du polystyrène ayant une faible con- stante diélectrique ( 2,56)t le mode Ex 12 ne peut avoir aucune influence mine dans le guide NRD comme le montre la Figure 8. Dans ce cas, le guide NRD est préférable en raison de sa simple structure bien que les dimensions des circuits augmentent. Grâce à une réalisation correcte du guide INRD les pertes de transmission peuvent être considérablement réduites A cet effet, il faut noter que les champs électromagnétiques dans les couches diélectriques peuvent décrottre de façon exponentielle vers les plaques conduc- trices jusqu'à un très faible niveau, réduisant ainsi les pertes de conduction. Grace à l'utilisation du procédé par constante diélectrique equivalente, les régions de faible perte dans lesquelles la condition ci-dessus est remplie se trouvent dans les régions hachurées des figures 3, 4 5 et 6 Si les paramètres de réalisation du guide d'onde sont placés dans cette région, les pertes par conduction sont nettement réduites. De plus, étant donné que les dimensions en section de la bande diélectrique sont inférieures dans les guides INRD que dans le guide NRD, il faut s'attendre à ce que les pertes diélectriques soient plus faibles dans le guide INRD Par conséquent, la perte de transmission qui est la somme de la perte de conduction et de la perte di- électrique devient considérablement plus petite dans le guide INRD que dans le guide NRD. En fait cela apparait sur les Figures 9 et 10 qui comparent les pertes théoriques de transmission du guide INRD (c/a = 0,4) avec celles du guide NRD (c/a = 1,0). Ces courbes sont obtenues en supposant que les plaques conductrices sont en cuivre ( O = 5,8 x 107 S/m), que les bandes diélectriques sont en Stycast ( r 2 = 12, tg = 10-4) et que les couches diélectriques sont de l'air sur la Figure 9 et du polyéthylène sans perte ( r' 2,25, tg = 0,0) sur la figure 10. Les pertes de transmission du guide INRD (c/a = 0,4) apparaissent itre de l'ordre de la moitié de celles du guide NRD (c/a=l) De plus, étant donné que les pertes par conduction dans le guide INRD sont ex- trtmement plus petites que les pertes diélectriques, les pertes de transmission du guide INRD sont sans doute beaucoup réduites si de meilleurs matières diélectriques sont disponibles pour les bandes diélectriques Il est en général possible de réduire les pertes de transmission du guide INRD d'un ordre de grandeur comparativement à celles d'-une ligne à ruban. La Figure 11 montre une autre courbe de perte de transmission du guide NRD avec la bande diélectrique faite de polyethylene ( Er 2 = 2,56, tg 10-4) La per- te de transmission est suffisamment petite également dans ce cas A cet égard, il faut noter qu'une autre ré- duction des pertes de transmission peut Itre obtenue pour les bandes diélectriques d'une constante diélectrique réduite telle que ú r 2 = 2,56 même si le guide d'onde est modifié dans le type insulaire. Des paramètres caractéristiques typiques des guides d'ondes INRD et NRD réalisés selon l'invention sont indiqués dans le tableau ci-après: Guide INRD Guide NRD Guide NRD 12 exemple I Exemple II (r 2 = 12) (r 2 = 212) (r 22,56) a/1 X 0,45 o,45 o,45 Dûr 2-1 b/} c/a a(mm) bxc(mm) g(mm) 0 Perte conduct. (d B/mn) Perte diélectr. (d B/m) Perte transmiss. (d B/m) f= 50 GHZ 0,7 0,4 2,7 I,27 xl,0 R 2,85 0,27 2,01 2,28 0,53 1,0 2, 7 o,96 x 2,7 3,68 1,87 2,37 4,24 - 0,7 1,0 2,7 3,36 x 2,7 6,76 1,67 1,12 2,79 t= 5,8 x 107 (S/m). tg = 10-4 Il est supposé dans ce tableau que les couches diélectriques sont de l'air, que les bandes di- électriques sont faites de Stycast ( 2 12, tg _ 10 -4) r 2-4 et de polystyrène (r 2 2,56, tg = 10) et que la fréquence est 50 GHZ Les dimensions de la section (b x c) des bandes de Stycast sera maintenant examinée. Dans le guide NRD (c/a = 1) elles sont 0,96 mm x 2,7 mm et dq forme plutôt oblongue Cela réduit quelque peu la rigidité mécanique de bande Par ailleurs, les dimensions de la section de la bande du guide INRD sont 1,27 mm x 1,8 mm Les bandes diélectriques du guide INRD sont de section presque carrée et faciles à fabriquer compara- tivement à la section oblongue du guide NRD, particuliè- rement lorsqu'une fabrication très précise est nécessaire. Par ailleurs, la longueur d'onde Xg dans le guide INRD est g = 2,85 mm tandis que 3 g 3,70 mm dans le guide NRD de l'exemple I. Si l'on considère la discussion ci-dessus, le guide INRD est avantageux sur le plan de miniaturisation des circuits Mais lorsque les conditions de réduction des dimensions de circuit ne sont pas aussi sevères, le guide NRD avec des bandes diélectriques de faible constante diélectrique est plus pratique car sa structure est très simple et il est très facile à manipuler. Les Figures 12 A et 12 B sont des croquis sim- plifiés des champs électromagnétiques dans des plans de sections des guides INRD et NRD selon l'invention Les courbes en traits pleins représentent le champ électrique tandis que les courbes pointillées représentent le champ O magnétique Comme le montrent ces figures, les champs électromagnétiques ressemblent à ceux d'un guide d'onde métallique partiellement ou complètement rempli de diélec- trique, à l'exception des champs évanescents près des surfaces de la bande diélectrique Par conséquent, la plupart des éléments de guide d'onde métallique peuvent aussi être réalisés par des guides INRD et NRD. Les Figures 13 A à 13 E sont des vues schématiques en plan d'applications typiques des guides INRD et NRD. La figure 13 A représente un coude à 900 La Figure 13 B représente un coupleur directionnel La Fig. 13 C représente un termineur sans reflexion La Figure 13 B représente un circulateur La Figure 13 E représente un isolateur Sur Ces fieures, les références numériques l B, 1 C, 1 D, 1 E et IF désignent les plaques conductrices et leu références numériques 6 B, 6 C, 6 D, 6 E, 6 F et 6 G des bandes diëlectriques ans le teriineur sans réflexion de la Figure 13 C, une pellicule absorbante 8 est prévue. Dans le circu Lateur de la figure 13 B et l'isolateur de la Figure 13 E, un champ magnétique continu est appliqué à des ferrites 9 et 9 A En particu Lier, dans ce termineur sans réflexion, ce circulateur, cet isolateur et autres les caractéristiques peuvent àtre considérablement amé- liorées en prévoyant des pellicules absorbantes ou des ferlites dans des plans parallèles au champ électrique. Cela n'est possible qu'avec les guides INRD car ils comn- portent des espaces entre les plaques conductrices et la bande diélectrique pour disposer ces pellicules et ferrites. Par contre, les avantages du guide NRD sont sa structure simple et sa rigidité mécanique. Dans les modes de réalisation qui ont été décrits ci-dessus, la section transversale de la bande diélectrique est rectangulaire, mais elle peut avoir une autre forme, circulaire ou élliptique par exemple si elle est symétrique par rapport au plan médian entre les pla- ques conductrices. Tels qu'ils sont décrits ci-dessus, le guide NRD et le guide INRD selon l'invention peuvent supprimer lesrayonnementsqui peuvent apparattre dans les sections incurvées et autres discontinuités des bandes. En plus de cela, les avantages supplémentaires suivants peuvent être obtenus: ( 1) les pertes de transmission du guide INRD (avec la bande diélect ique de grande constance diélectri- que) et des guides NRD (avec la bande diélectrique de faible constance diélectrique) sont à peu près d'un-ordre 1 1 l de grandeur inférieur à celles de la ligne A ruban. ( 2) Etant donné que s'il n'y a aucune influence du mode EX 12 dans le guide INRD, la largeur de bande peut être grande. ( 3) Lorsque les conditions de réduction dimen- sionnelles de circuit ne sont pas aussi sévères, le guide NRD avec la bande diélectrique de faibleconstante diélectrique ( r 2 = 2,56 par exemple) est beaucoup plus avantageux que le guide IN 1RD en raison de sa structure simple et de sa rigidité mécanique. ( 4) La section de la bande diélectrique dns le guide INRD peut être à peu près carrée, avec une longueur de côté de 1 mm environ à 50 GHZ Cette dimension est cimparable à celle d'une ligne à-ruban * La longueur d'onde de guide INRD est aussi à peu près la même que celle de la ligne à ruban ( 5) Dans le guide INRD, toutes les surfaces laté- rales de la bande diélectrique, particulièrement celles parallèles au champ électrique peuvent être utilisées pour recevoir des composantes semi-conducteurs, de fer- rites des pellicules absorbantes ou autres, de sorte que lescircuits sont très pratiques. Bien entendu, diverses modifications peuvent ttre apportées par l'homme de l'art aux modes de réalisation décrits et illustrés à titre d'exemples nullement limita- tifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Guide d'onde diélectrique# caractérisé en ce qu'il comporte deux plaques conductrices planes ( 1, 2) disposées parallèlement entre elles, un milieu diélectrique ( 5) entre lesdites deux plaques conduc- trices, une bande diélectrique ( 6) disposée dans ledit milieu diélectrique, la constante diélectrique de ladite bande diélectrique étant supérieure à celle du milieu diélectrique, et des couches diélectriques ( 3, 4) dispo- sées entre les plaques conductrices respectives et ledit milieu diélectrique et ladite bande diélectrique, la constante diélectrique spécifique ( ri) desdites couches diélectriques par rapport audit milieu diélectrique, l'es- pace entre lesdites deux plaques conductrices# l'épaisseur (c) dudit milieu diélectrique et la longueur d'onde ()) d'une onde électromagnétique dans ledit milieu diélectri- que étant choisis de manière que l'inégalité suivante puisse ttre satisfaite te ()) par le guide d'onde diélectrique avec le champ électri- que de l'onde électromagnétique polarisé de manière à ttre principalement parallèle auxditeà plaques conductri- ces. 2 Guide d'onde selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites couches diélectriques ( 3, 4) consistent en des pellicules diélectriques solides collées sur les plaques conductrices respectives. 3 Guide d'onde selon la revendication 1, ca- 3 o ractérisé en ce que ledit milieu diélectrique ( 5) et les- dites couches diélectriques ( 3, 4) consistent en de l'air et ladite bande diélectrique ( 6) est suspendue dans l'air entre lesditesplaques conductrices par des supports. 4 Guide d'onde selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le rapport c/a entre l'épaisseur c du- dit milieu diélectrique ( 5) et l'espace entre lesdites plaques conductrices ( 1, 2) est égal à l'unité.