Brevet FR2618610A1 — publié le 19890127

Dispositif de retard hyperfréquence. La présente invention concerne la réalisation de lignes de transmission en hyperfréquence. Plus particulièrement, elle a pour objet un dispositif de retard hyperfréquence agencé en filtre passe-zout, en technologie monolithique sur arséniure de gallium. Elle trouve une application dans la réalisation de lignes de transmission à longueur program- mable. L'homme de l'art connait l'intérêt, en hyperfréquence de la technologie monolithique sur arséniure de gallium (As Ga). Toutefois, un problème se pose pour les lignes à retard: pour obtenir l'équivalent d'une ligne de transmission dans l'air d'une longueur de l'ordre de 1 centimètre, sous une impédance de 50 ohms, il faudrait une surface d'AsGa de l'ordre de 1 millimètre carré. Une telle ligne à retard n'est pas satisfaisante car le rapport entre la surface d'AsGa utilisée et la longueur de la ligne équivalente dans l'air est très élevé. Ce problè- me technologique rend onéreuse et difficile la réalisation d'une telle fonction sur un substrat d'AsGa. L'invention a pour but d'apporter une solution à ce problème. A cette fin, elle propose un dispositif de retard hyperfré- quence agencé en filtre passe-tout avec une loi de phase linéaire en fonction de la fréquence susceptible, notamment en technologie AsGa, d'occuper une surface plus réduite grâce à une disposition particulière des éléments constitu- tifs et essentiels du dispositif de l'invention. L'invention porte sur un dispositif de retard hyperfréquence. Selon une définition générale de l'invention, il comporte au moins un quadripôle du type dit "cellule dérivée en m" agencé en filtre passe-tout, avec une loi de phase linéaire en fonction de la fréquence. On appelle ici "passe-tout", en hyperfréquence, un circuit dont la bande passante couvre au moins une dizaine de giga- Hertz. Plus particulièrement, le quadripôle possède la même impé- dance image en entrée et en sortie, cette impédance étant sensiblement égale à 50 ohms. Selon une autre caractéristique de l'invention, le quadripôle est constitué d'une cellule en T ponté comprenant: - deux inductances de même valeur (L) montées en série pour former les deux branches du T, et possédant une inductance mutuelle (M); ' - une capacité (C2) définissant l'âme du T; - une autre capacité (C1) formant le pont; et il obéit sensiblement à la relation: C2. (L+M) = 4. C On appelle ici "cellule dérivée en m" une cellule en T ponte, telle que définie ci-dessus, et tous ses équivalents électri- ques. En pratique, pour suivre la loi de phase linéaire en fonction de la fréquence, le quotient de l'induction mutuelle (M) par la somme de l'inductance (L) et de l'inductance mutuelle (M) est compris entre +0,2 et +0,4, de préférence entre +0,28 et +0,34 environ. Avantageusement, ledit rapport est compris entre +0,30 et +0,33. Le dispositif de l'invention trouve une application dans la réalisation de lignes de transmission à longueur program- mable. Selon une autre caractéristique de l'invention, le quadripÈle est monté commutable en parallèle sur une voie directe formant sensiblement un court-circuit commutable. En pratique, le dispositif de l'invention est réalisé en technologie monolithique sur arséniure de gallium. Selon un mode de réalisation préféré du dispositif de l'in- vention, le dessin de la structure du dispositif comprend au moins une cellule élémentaire constituée, entre une entrée et une sortie situées à distance l'une de l'autre, d'une spirale, mise en parallèle sur une capacité de structure métal-isolant-métal, tandis que le point médian de la spirale est relié par l'intermédiaire d'une autre capacité de struc- ture métal-isolant-métal à un plan de masse. De préférence, la spirale s'étend sur environ un tour trois quarts. Cette disposition particulière des éléments constitutifs et essentiels du dispositif de l'invention a l'avantage de réduire environ d'un facteur 10 par rapport aux lignes de transmission classiques (50 ohms) réalisées sur un subs- trat d'AsGa, le rapport entre la surface d'AsGa nécessaire à la réalisation d'une telle ligne et la longueur équivalente de la ligne dans l'air. Selon une autre caractéristique du dispositif de l'invention, il comprend plusieurs cellules distribuées autour d'un même plan de masse, et montées en série. Cette dernière caractéristique permet de réaliser des lignes de transmission de plus importante longueur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention appa- raitront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 représente schématiquement une cellule élémen- taire dérivée en m, chargée en amont et en aval sur ses impédances image utilisable selon l'invention; - la figure 2 représente schématiquement la cellule élémen- taire représentée en figure 1 dans laquelle une capacité série est ajoutée utilisable préférentiellement selon l'in- vention; - les figures 3 et 4 sont deux schémas équivalents différents de la cellule de la figure 2; - la figure 5 illustre schématiquement la variation, pour plusieurs valeurs d'une variable proportionnelle au quotient de l'inductance mutuelle (M) par la somme de l'inductance (L) et l'inductance mutuelle (M), d'une variable proportion- nelle au retard du dispositif en fonction d'une autre varia- ble proportionnelle à la fréquence; - la figure 6 illustre schématiquement la variation, pour plusieurs valeurs de deux fois la somme de l'inductance (L) et de l'inductance mutuelle (M), du retard du disposi- tif en fonction de la fréquence; - la figure 7 représente un dessin de la structure du dispo- sitif de l'invention; - la figure 8 représente une vue en coupe illustrant la structure de la cellule au niveau d'une inductance; - la figure 9 représente une vue en coupe illustrant la structure métal- isolant-métal d'une capacité; - la figure 10 représente une vue en coupe illustrant la structure de la cellule au niveau du plan de masse; - la figure 11 représente la variation des pertes (transmis- sion, réflexion) en fonction de la fréquence du dispositif selon l'invention; - la figure 12 représente schématiquement la variation du déphasage du dispositif en fonction de la fréquence selon l'invention; la figure 13 représente une disposition particulière de neuf cellules distribuées autour d'un même plan de masse selon l'invention; et - la figure 14 représente schématiquement la commutation d'une ligne de longueur programmable selon l'invention. Les dessins annexés comportent à de nombreux titres des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seule- ment servir à éclairer la description ci-après, mais aussi contribuer à la définition de l'invention, le cas échéant. La description qui va suivre est donnée à titre purement illustratif mais non limitatif. Sur la figure 1, la référence 2 désigne un quadripôle du type "cellule dérivée en m". La cellule 2 a la forme d'un T et comprend une capacité définissant l'âme du T et deux éléments inductifs L de même valeur montés en série pour former les deux branches du T. Les deux éléments inductifs L créent entre eux une mutuelle induction M. Dans le cas d'une mise en cascade de plusieurs cellules 2 pour réaliser des lignes de transmission sous une impédance de 50 ohms, la cellule 2 est chargée respectivement en amont et en aval sur ses impédances image respectivement We et Ws. Une impédance image est une impédance que l'on charge par exemple en sortie du quadripôle pour obtenir à ladite entrée la même impédance. Le chargement en amont (entrée) et en aval (sortie) sur les impédances images de la cellule 2 permet d'obtenir ainsi une adaptation d'impédance entrée-sortie. Sur la figure 2, le quadripôle 4 comprend les éléments de la cellule 2 décrite en référence à la figure 1 et dans laquelle on a ajouté une capacité série C1. La capacité série C1 est pontée entre les deux éléments inductifs L. Sur la figure 3, la référence 6 désigne un quadripôle équiva- lent et différent du quadripôle de la figure 2. La cellule 6 comprend deux éléments inductifs constituant à eux deux une inductance équivalente série L1, une capa- cité équivalente série C1 pontée entre les deux éléments inductifs de l'inductance équivalente série L1, une capacité équivalente parallèle C2, et une inductance équivalente parallèle L2. Les deux éléments inductifs de l'inductance équivalente série L1 créent entre eux une mutuelle induction M, laquelle définit aussi l'inductance équivalente parallèle L2. La mutuelle induction M des deux éléments inductifs de l'inductance équivalente série est donc égale en valeur absolue à l'inductance équivalente parallèle L2. Sur la figure 4, la référence 8 désigne un quadrip8le com- prenant les mêmes éléments que le quadrip8le 6 décrit en référence à la figure 3, mais dont la disposition est diffé- rente. Le quadripôle 8 comprend: - deux branches série directes Za comprenant chacune le montage en parallèle d'une inductance égale à la moitié de l'inductance équivalente série C1 et d'une capacité égale au double de la capacité équivalente série C1; et - deux branches série croisées Zb, comprenant chacune, en série, une inductance égale à la somme de la moitié de l'in- ductance équivalente série L1 et du double de l'inductance équivalente parallèle L2, ainsi qu'une capacité égale à la moitié de la capacité équivalente parallèle L2. Une telle cellule 8 permet d'obtenir un filtre passe-tout avec une loi de phase linéaire en fonction de ladite fréquen- ce lorsqu'elle obéit à la relation: L2 C2. (1 + 4 -) = 4. Cl et lorsqu'elle est chargée sur ses impédances image, c'est- à-dire vZa x Zb = 50 ohms. Toutefois, la cellule 8 est irréalisable en pratique avec des éléments linéaires passifs. La caractéristique essentiel- le de l'invention est de transposer la relation de la cellu- le 8 à la cellule 4 équivalente dont les éléments sont réali- sables en pratique et d'associer à ladite cellule 4 une loi de phase en fonction de la fréquence présentant une propriété linéaire afin d'utiliser cette propriété linéaire pour réaliser des lignes de transmission de signaux analogi- ques en hyperfréquence de l'ordre par exemple de 2 à 20 gigahertz. Pour la cellule 4, la relation à vérifier est maintenant la suivante: L M C2. ( L-±M) = 4. C1 avec Li= 2 (L + M) et L2 = -M. Le déphasage D du signal entre l'entrée et la sortie dans une cellule 4 décrite en référence à la figure 2 a pour expression: D =2 Arctang ( xk l-xk2(l+u) o _ 2M L +M et xk= n f 2j(L + M) . C2 f étant la fréquence des signaux transmis. L'étude de la variation du déphasage en fonction de la fré- quence permet de déterminer la loi de phase linéaire en fonction de la fréquence de la cellule de l'invention. La figure 5 représente la variation d'une variable propor- tionnelle au retard de la cellule en fonction d'une variable proportionnelle à la fréquence. Ces variations sont données pour plusieurs valeurs d'une variable u proportionnelle au quotient de l'inductance mutuelle M par la somme de l'in- ductance L et de l'inductance mutuelle M. de Sur l'axe des ordonnées, on a représenté le rapport dxk de dx qui est proportionnel à d o w est la pulsation des signaux transmis, et par conséquent qui est proportionnel au retard D. Sur l'axe des abscisses, on a représenté le terme xk qui est proportionnel à la fréquence. On remarque que pour u compris entre -0,6 et -0,65, la varia- tion de est constante jusqu'à une valeur de xk égale à 1. dxk La variation du déphasage est donc constante jusqu'à xk=l, c'est-àdire jusqu'à une pulsation de coupure, wc ayant pour expression: W= 2 c 2(2L + M). C2 Sur la figure 6, on a représenté les variations du retard D en fonction de la fréquence. Ces variations sont données pour plusieurs valeurs de L1 et pour u=-0,65. Sur l'axe des ordonnées, on a représenté le retard D en picosecondes et sur l'axe des abscisses, on a représenté la fréquence en gigahertz. On remarque que, pour une inductance équivalente série L1 comprise entre 0,25 et 0,5 nanohenry, la variation du retard D en fonction de la fréquence est une constante sur la gamme de fréquence de 2 à 20 gigaHertz. A partir des résultats des courbes représentées en figures et 6, on établit une loi de phase linéaire en fonction de la fréquence (u=-0,65, L1=2(L+M)=0,35 nanohenry, fréquen- ce 2 à 22 gigahertz). Cette loi de phase linéaire en fonc- tion de la fréquence permet d'obtenir à partir d'une cellu- le 4 décrite en référence à la figure 2 un filtre passe- tout à large bande en fréquence. La figure 7 représente le dessin de la structure de la cellu- le 4 décrite en référence à la figure 2. On voit une entrée 10 et une sortie 12 situées à distance l'une de l'autre. Entre l'entrée 10 et la sortie 12, une spirale 14 s'étend de façon particulièrement avantageuse sur environ un tour trois quarts. L'enroulement extérieur 16 de la spirale 14 s'étendant de l'entrée 10 jusqu'au point médian 22 de celle-ci constitue le premier élément inductif L formant une branche du T de la cellule 4 en T ponté. L'enroulement intérieur 18 de la spirale 14 s'étendant du point médian 22 jusqu'à la sortie 12 constitue le second élément inductif L formant l'autre branche en T de la cellu- le 4 en T ponté. Les deux enroulements 16 et 18 créent une mutuelle induction M. Avantageusement, de façon à obtenir une loi de phase linéai- re, les dimensions des deux enroulements 16 et 18 sont telles que le rapport u qui est égal à deux fois le quotient négatif de l'inductance mutuelle M par la somme de l'inductance L et de l'inductance mutuelle M soit égal à -0,65. En d'au- tres termes, les dimensions des deux enroulements 16 et 18 sont telles que le quotient de l'inductance mutuelle M par la somme de l'inductance L et de l'inductance mutuelle M soit égal à environ +0,325. La spirale 14 est mise en parallèle sur une capacité 20 de structure métal-isolant-métal que l'on décrira ci-après. La capacité 20 constitue la capacité équivalente série C1 du dispositif selon l'invention. Le point médian 22 de la spirale 14 est relié par une autre capacité 24 de structure métal-isolant-métal, que l'on décri- ra ci-après, à un plan de masse 26. La capacité 24 constitue la capacité équivalente parallèle C2 du dispositif selon l'invention. Avantageusement, la largeur entrée 10-sortie 12 est de l'or- dre de 180 micromètres et la longueur spirale-plan de masse est de l'ordre de 360 micromètres. La structure de cette cellule occupe donc une surface d'AsGa de l'ordre de 0,06 millimètre carré pour une longueur équivalente dans l'air de l'ordre de 6 millimètres. L'inductance équivalente série L1 qui est égale à 2(L+M) a une valeur de l'ordre de 0,35 nanohenry. La figure 8 représente une vue en coupe transversale de l'enroulement 16 de la spirale 14. La structure de l'enroulement 16 est constituée par exem- ple d'une première couche 101 d'AsGa d'une épaisseur de l'ordre de 100 micromètres. Sur la première couche 101 est déposée par exemple une seconde couche 102 de nitrure de silicium (Si3N4) d'une épaisseur de l'ordre de 0,65 micromè- tres. Une couche 104 d'un métal dit "supérieur" recouvre par exemple la couche 102. La couche du métal 104 a une épaisseur de l'ordre de 1 à 2,5 micromètres. Sur la figure 9, on a représenté la structure de la capacité équivalente série Cl. La structure métal-isolant-métal de la capacité 20 est la suivante: sur la première couche 101 d'AsGa est déposée une première couche 106 de métal dit "inférieur". Le ma- tériau constituant la couche 106 est par exemple de l'or et son épaisseur est de l'ordre de 1 micromètre. Une cou- che 102 de diélectrique tel que du Si3N4 recouvre l'ensemble constitué des couches 101 et 106. Un évidement est réalisé dans la couche 102 pour réaliser un transfert T appelé "Top- via" par l'homme de l'art. Enfin, une couche 104 de métal dit "supérieur" recouvre l'ensemble constitué des couches 101, 106, 102 et remplit également l'évidement T. Le trans- fert T permet de relier le métal dit "supérieur" au métal dit "inférieur'. La couche 104 n'est pas uniforme, elle est interrompue pour définir une zone C o la couche 102 n'est pas recouverte par la couche 104. La première armature de la capacité 20 est définie par la couche 104 tandis que la seconde armature de la capacité est définie par la couche 106. La partie diélectrique de la capacité C1 est définie par la couche 102. La capacité C1 est proportionnelle à la constante diélectri- que de la couche 102, à la surface prise en sandwich entre les deux couches métalliques 104 et 106 et inversement pro- portionnelle à l'épaisseur de la couche Si3N4. Le dépôt des couches 106, 102 et 104 est obtenu par des techniques bien connues de l'homme de l'art, par exemple la technique de dépôt chimique en phase vapeur. La forme de la couche 104 est obtenue par des techniques bien connues de l'homme de l'art, par exemple la technique photolithogra- phique utilisant des masques et des gravures. La couche 106 représentant le métal dit "inférieur" est représenté en hachuré sur la figure 7. Sur la figure 10, on a représenté la structure de la cellule au niveau du plan de masse 26 de celle-ci. La capacité 24 réalisée entre le point milieu 22 et le plan de masse 26 est représentée par l'ensemble G et H. Cette capacité C2 a la même structure que la capacité Cl, c'est-à-dire struc- ture métal-isolant-métal. La première armature de la capaci- té C2 est définie par la couche 104 tandis que la seconde armature de la capacité C2 est définie par la couche 106. La couche 102 définit la partie diélectrique de la capacité 24. Le plan de masse 26, représenté par l'ensemble D et E, est dans le prolongement de la capacité 24. Le plan de masse 26 comprend sur une couche 101 d'AsGa une couche 106 de métal dit "inférieur". La couche 106 s'étale sur l'ensemble de la longueur du plan de masse 26. Un trou 28 est réalisé dans la couche 101 une fois que toutes les couches supérieu- res ont été déposées. Enfin, une couche 108 de métal est déposée sous la couche 101 et remplit le trou 28 pour que la masse qui est sur le plan inférieur du circuit revienne sur le plan supérieur de celui-ci. Sur la figure 11, on a représenté les pertes de la cellule en fonction de la fréquence. Sur l'axe des ordonnées sont représentées les pertes en décibels et sur l'axe des abscisses est représentée la fré- quence en gigahertz. Les pertes sont dues à la mauvaise adaptation des impédances image et à la résistance du maté- riau constituant les inductances. Ce résultat est très utile pour la loi de phase linéaire de la cellule. Cette simula- tion a été réalisée sur une cellule dont les capacités ont pour valeur: C2 = 440 femtofarads et C1 = 40 femtofarads, et dont l'écart entre le premier enroulement 16 et le second enroulement 18 est de 15 micromètres. On remarque que l'on a moins de 1 décibel de pertes en trans- mission jusqu'à 22 gigahertz, c'est-à-dire qu'on réalise bien la fonction filtre passe-tout. Sur la figure 12, on a représenté la variation du déphasage de la cellule en fonction de la fréquence. Sur l'axe des ordonnées, on a représenté le déphasage en degrés et sur l'axe des abscisses on a représenté la fréquen- ce en gigahertz. Sur la gamme de fréquence de 2 à 22 giga- hertz, la longueur équivalente dans l'air varie de 6,3 milli- mètres à 6,5 millimètres. Cette courbe indique que la loi de phase est bien linéaire.Grâce à l'invention, une surface d'AsGa de 0,1 millimètre carré permet d'obtenir une ligne de transmission équivalente dans l'air d'une longueur de l'ordre de 1 centimètre, ce qui permet de gagner énormément de place, à savoir un rapport de l'ordre de 10 par rapport à la réalisation de lignes de transmission classiques. Sur la figure 13, on a représenté la cascade de plusieurs cellules 4 décrites en référence à la figure 7. Cette cascade est possible grâce à l'adaptation impédance image. Sur la figure 13 sont représentées neuf cellules 4 montées en série. Ces cellules 4 sont distribuées autour d'un même plan de masse 26. Cette disposition de neuf cellules 4 occupe une surface globale égale à 800x600 micromètres. Une telle dis- position de neuf cellules 4 permet d'obtenir une ligne de transmission d'une longueur équivalente dans l'air de 5 centimètres. Le dessin d'une telle'disposition de neuf cellu- les est obtenu par des outils de CAO. Sur la figure 14, la référence 30 désigne une pluralité de cellules 4 montées en série comme décrit en référence à la figure 13 et qui définissent un bout d'une ligne à retard dont la longueur est proportionnelle au nombre de cellules 4. La commutation de cette pluralité de cellules 4 est effectuée à l'aide de transistors à effet de champ. La pluralité 30 est reliée d'une part à l'entrée de la ligne à retard par l'intermédiaire des transistors 32 et 34 et d'autre part à la sortie de la ligne à retard par l'intermé- diaire des transistors 36 et 38. Les transistors 32 et 38 sont montés en série, c'est-à-dire que la source du transis- tor est reliée au drain de celui-ci via la grille qui reçoit une tension V pilotant la commutation du transistor. Par exemple, lorsque la tension V appliquée à la grille du tran- sistor est égale à -9 Volts, le transistor est équivalent à sa capacité Coff, ce qui place le transistor dans son état bloqué tandis que lorsque la tension V appliquée à la grille du transistor est égale à 0 Volt, le transistor est équivalent à sa résistance Ron, ce qui place le transis- tor dans son état passant. Les transistors 34 et 36 sont montés en parallèle, c'est-à- dire que la source ou le drain du transistor est relié à la masse; la grille reçoit une tension V qui pilote la commu- tation du transistor. Par exemple, lorsque la tension V appliquée à la grille du transistor est égale à -9 Volts, le transistor est équivalent à sa capacité Coff, ce qui place le transistor dans son état bloqué tandis que lorsque la tension est égale à 0 Volt, le transistor est équivalent à sa résistance Ron, ce qui place le transistor dans son *état passant. Quand les transistors 32 et 34 sont passants et les tran- sistors 36, 38 et 40 bloqués, le signal de transmission circule de l'entrée de la ligne à retard par la pluralité de cellules 4 vers la sortie de la ligne à retard. Inver- sement, lorsque les transistors 36, 38 et 40 sont passants et les transistors 32 et 34 bloqués, le signal de transmis- sion circule de l'entrée par le transistor passant 40 vers la sortie de la ligne à retard (sans passer par la pluralité ). Revendications. 1. Dispositif de retard hyperfréquence, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un quadripôle du type dit "cellule dérivée en m", agencé en filtre passe-tout, avec une loi de phase linéaire en fonction de la fréquence. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le quadripôle possède la même impédance image en entrée et en sortie, cette impédance étant sensiblement égale à ohms. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caracté- risé en ce que le quadripôle est constitué d'une cellule en T ponté comprenant: - deux inducteurs de même valeur (L) montés en série pour former les deux branches du T, et possédant une inductance mutuelle (M); une capacité (C2) définissant l'âme du T; - une autre capacité (C1) formant le pont; et en ce qu'il obéit sensiblement à la relation: C2. (L + M) = 4. Cl. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caracté- risé en ce que le quotient de l'inductance mutuelle (M) par la somme de l'inductance (L) et de l'inductance mutuelle (M) est compris entre +0,2 et +0,4, de préférence entre +0,28 et +0,34, environ. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit quotient est compris entre +0,30 et +0,33. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit quadripôle est monté commutable en parallèle sur une voie directe formant sensiblement un court-circuit. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est réalisé en technologie monolithi- que sur arséniure de gallium. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dessin de la structure comprend au moins une cel- lule élémentaire (8), constituée entre une entrée (10) et une sortie (12) situées à distance l'une de l'autre, une spirale (14), mise en parallèle sur une capacité (20) de structure métal-isolant-métal, tandis que le point médian (22) de la spirale (14) est relié par l'intermédiaire d'une autre capacité (24) de structure métal-isolant-métal à un plan de masse (26). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la spirale (14) s'étend sur environ un tour trois quarts. 10. Dispositif selon les revendication 8 ou 9, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs cellules (8) distribuées autour d'un même plan de masse (26), et montées en série. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il s'applique à la réalisa- tion de lignes de transmission en hyperfréquence à longueur programmable sur plusieurs bits.