Brevet FR2616973A1 — publié le 19881223

-1- Ligne de transmission hyperfréquence à deux conducteurs coplanaires La présente invention concerne des perfectionnements aux lignes de transmission hyperfréquence comprenant deux rubans conducteurs plats $ parallèles et coplanaires. De telles lignes de transmission courament utilisées sont classées en deux types, des lignes dites symétriques et des lignes dites asymétriques. Une ligne symétrique est constituée par deux rubans métalliques linéaires ayant des largeurs égales V et disposés !0 parallèlement l'un à l'autre à une distance prédéterminée G sur un substrat non conducteur. Une ligne asymétrique est constituée d'un premier conducteur sous la forme d'un ruban métallique plat ayant une petite largeur V, et d'un second conducteur sous la forme d'un plan conducteur longitudinal ayant une largeur 1 nettement plus grande que V et disposé parallèlement au ruban conducteur à une distance G de celui- ci sur le méme type de substrat. Pour une impédance caractéristique de ligne donnée, la ligne symétrique nécessite un rapport V/G, largeur de ruban sur largeur de l'interstice entre conducteurs, supérieur à celui de la ligne asymétrique. Il en résulte que la ligne symétrique a des rubans plus larges que celui de la ligne asymétrique et/ou un interstice moins large que celui de la ligne asymétrique. Cette caractéristique dimensionnelle de la ligne symétrique est ainsi avantageuse en ce qu'elle met en oeuvre des rubans conducteurs moins résistants, tout en permettant un encombrement en largeur réduit. En outre, la ligne symétrique est bien souvent choisie lorsqu'il est nécessaire d'assurer une symétrie des champs électriques et/ou magnétiques de' l'onde hyperfréquence qui se propage dans la ligne. Cependant, deux inconvénients majeurs inhérents à la connexion de la ligne et aux résonances propres de la ligne sont à considérer lors de l'utilisation d'une ligne symétrique. En général, l'utilisation de la ligne symétrique exige des liaisons des extrémités de celle-ci à des composants hyperfréquences extérieurs tels que source hyperfréquence, charge, sonde, par l'intermédiaire de 261697-3 -2- connecteurs coaxiaux, miniatures ou subminiatures. Comme il est connu, un tel connecteur coaxial comprend un conducteur central longiligne ayant un faible diamètre et un conducteur externe cylindrique ayant un plus grand diamètre et, par conséquent, offre une structure de conducteur asymétrique. Les différences de formes géométriques du connecteur et de la ligne symétrique engendrent ainsi des difficultés de connexion. Ces difficultés sont en pratique résolues en prévoyant, à l'extrémité de la ligne à connecter, un petit plan conducteur extrémal sensiblement rectangulaire relié coplanairement à l'extrémité de l'un des rubans linéaires et constituant avec l'extrémité de l'autre ruban une portion de ligne asymétrique plane. Le plan conducteur extrémal est soudé latéralement au conducteur cylindrique externe du connecteur coaxial, et l'extrémité saillante du conducteur interne du connecteur est soudée sur l'extrémité dudit autre ruban. Le second inconvénient de la ligne symétrique consiste en l'apparition de fréquences de résonance relativement basses qui limitent la bande de fréquence utile de la ligne symétrique. Une analyse expérimentale de la résonance montre qu'une partie de l'énergie hyperfréquence n'est ni transmise, ni réfléchie, mais est rayonnée. En effet, une ligne symétrique possède des fréquences naturelles pour lesquelles une onde stationnaire peut se former et constituer une source de rayonnement. La présente invention vise à fournir une ligne de transmission hyperfréquence du type ligne symétrique à deux rubans coplanaires parallèles, offrant les avantages des lignes symétriques selon la technique antérieure sans présenter les inconvénients de celles-ci particulièrement en ce qui concerne les limitations dues. aux fréquences de résonance. En d'autres termes, une ligne selon l'invention offre une bande de fréquence utile nettement plus élevée qu'une ligne symétrique selon la technique antérieure, pour des dimensions identiques relatives aux rubans conducteurs. A cette fin, une ligne de transmission hyperfréquence comprenant un premier conducteur sous la forme d'un premier ruban conducteur plat s'étendant sur toute la longueur de la ligne et ayant des première et seconde extrémités, et -3- un second conducteur plan coplanaire au premier conducteur, ledit second conducteur comprenant un second ruban conducteur plat s'étendant parallèlement au premier ruban entre les première et seconde extrémités du premier ruban, et des premier et second plans conducteurs extrémaux sensiblement rectangulaires reliés aux extrémités du second ruban, et ayant des côtés parallèles aux première et seconde extrémités du premier ruban et,le cas échéant, sensiblement en retrait du second ruban par rapport au premier ruban, respectivement, est caractérisée en ce que le second conducteur comprend un plan conducteur plan longitudinal s'étendant sur toute la longueur de la ligne parallèlement aux premier et second rubans, ledit plan conducteur longitudinal ayant des extrémités reliées aux premier et second plans extrémaux respectivement afin de former dans le second conducteur une cavité résonnante délimitée par des côtés longitudinaux du second ruban et du plan longitudinal et des côtés transversaux en regard des plans extrémaux. La constitution de la cavité résonnante par la présence du plan conducteur longitudinal reliant les extrémités du second ruban à travers les petits plans conducteurs extrémaux permet d'offrir des fréquences de résonance nettement supérieures à celles d'une ligne symétrique seulement à deux rubans conducteurs. En effet, l'apparition d'ondes stationnaires à des fréquences de résonance petites de la ligne symétrique à deux rubans seulement est empêchée lorsque les dimensions de la cavité sont convenablement choisies. En particulier, la distance entre le plan longitudinal et le second ruban définissant la largeur de la cavité est choisie relativement grande par rapport aux caractéristiques géométriques de la ligne composée par les deux rubans, savoir les largeurs des rubans et la largeur de l'interstice entre ces deux rubans. Dans ces conditions, la présence du plan conducteur longitudinal ne perturbe l'impédance caractéristique de la ligne symétrique que de manière négligeable. Si l'on désire élever la première fréquence de coupure de la ligne de transmission, la cavité est alors partagée en une ou plusieurs sous- cavités par des rubans conducteurs intermédiaires reliés transversalement au second ruban et au plan conducteur longitudinal. - 4- Par ailleurs, les courts-circuits réalisés par les plans extrémaux entre le second ruban et le plan longitudinal permettent de réaliser avec les extrémités du premier ruban, deux tronçons extrêmes de ligne asymétrique facilitant la connexion de la ligne de transmission à des connecteurs coaxiaux. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante de plusieurs lignes de transmission selon l'invention en référence aux dessins annexés correspondants dans lesquels: - la Fig. 1 est une vue de dessus d'une ligne de transmission hyperfréquence ayant une longue cavité résonnante; la Fig. 2 est une vue de c6té de la ligne de la Fig. 1; - la Fig. 3 est une vue de dessus d'une extrémité de la ligne de- La Fig. 1 reliée à un connecteur coaxial; - la Fig. 4 est une vue de côté de l'extrémité de ligne et d connecteur coaxial; - la Fig. 5 est une vue de dessus d'une seconde ligne de transmission hyperfréquence ayant plusieurs sous-cavités résonnantes.;. et - la Fig. 6 est une vue de dessus d'une troisième ligne de zo transmission hyperfréquence ayant deux sous-cavités résonnantes et des dimensions de rubans plans conducteurs identiques & ceux de la ligne de la Fig. 1. En référence aux Figs. 1 et 2, une ligne de transmission hyperfréquence comprend un premier conducteur plat 1 et un secsvn conducteur plan 2 qui sont fixés coplanairement sur une plaquette em matériau non conducteur 3. Les conducteurs 1 et 2 sont par exempte des rubans conducteurs sérigraphies sur la plaquette 3 et ayant la mÉe épaisseur. Le premier conducteur 1 est constitué uniquement d'un ruban linéazre 11 ayant une largeur uniforme WV. Le second conducteur 2 est constitué d'un ruban linéaire 21 parallèle au ruban conducteur 11, de deux plans rectangulaires transversaux et extrémaux 22 et 23, et d'un plan rectangulaire longitudinal 24 parallèle aux rubans 11 et 21. Les quatre éléments 21. & 24 composant le conducteur 2 sont délimités par des hachures dans la Fig. 1 afin de les différencier, bien qu'ils forment un conducteur monobloc. Le ruban 21 s'étend ainsi parallèlement au ruban 11 sur la majeure partie L de la longueur de la ligne hyperfréquence, afin de former une ligne symétrique lorsque les largeurs WV et WV2 sont égales ou sensiblement égales. La distance G entre les deux rubans 11 et 21 est du mème ordre de grandeur que les largeurs V, et V2 et, en général, inférieure à celles-ci. Les plans extrémaux 22 et 23 ont des petits côtés 221 et 231 parallèles aux extrémités 12 et 13 du premier ruban 11 et séparés de celles-ci par des interstices ayant des largeurs g2 et gr supérieures à la largeur G', si bien que les transitions entre le ruban 21 et les plans 22 et 23 offrent des décrochements 212 et 213. Les largeurs 12 et 13 des plans extrémaux 22 et 23 sont nettement plus grandes que celles WV et V2 des rubans 11 et 12 afin de former des tronçons de ligne asymétrique aux extrémités de la ligne hyperfréquence. Ces deux tronçons permettent de connecter la ligne symétrique 11 + 21 à des raccords de connexion de lignes coaxiales. En particulier, les couples de dimensions g2 et 12, et g2 et 1l qui peuvent être différents, sont adaptés en fonction des zo impédances caractéristiques et donc des dimensions des lignes coaxiales à connecter respectivement. Comme montré aux Figs. 3 et 4, un tel raccord 4 à connecter à l'extrémité de la ligne comprenant le plan 22, comporte classiquement un conducteur central métallique 41, un conducteur cylindrique externe métallique 42 qui est relié à la' terre, et un isolant 43 emplissant l'intérieur du conducteur 42 autour du conducteur interne 41. Une extrémité 411 du conducteur interne 41 saille d'une face de base 44 du raccord 4 et est brasée colinéairement sur l'extrémité correspondante 12 du premier ruban 11. Un chant 222 du plan extrémal 22 perpendiculaire au ruban 11 est appliqué contre la face 42 de raccord et soudé à celle-ci et est ainsi mis à la terre. Les rubans 11 et 21 et les plans conducteurs extrémaux 22 et 23, sans le plan conducteur 24, constituent ensemble une ligne hyperfréquence connue du type à rubans coplanaires symétriques (11 et 21) et extrémités asymétriques (11 et 22 - 11 et 23). -6 Selon l'invention, la ligne hyperfréquence comprend également le plan conducteur rectangulaire longitudinal 24 ayant une largeur prédéterminée 1. Le plan 24 a un grand côté 241 qui est parallèle et en vis-à-vis à un côté longitudinal 211 du second ruban 21 et qui présente des extrémités 242 et 243 constituant des seconds petits côtés longitudinaux des plans conducteurs extrémaux 22 et 23. Ainsi, dans le second conducteur 2 apparaît une cavité plane rectangulaire 25 dont les grands côtés sont ceux en vis-à-vis 211 et 241 du ruban 21 et du plan longitudinal 24 et dont les petits côtés sont des grands côtés en vis-à- vis 223 et 233 des plans extrémaux 22 et 23. La longueur de la cavité 25 est égale à L, c'est-à-dire sensiblement inférieure à celle de la ligne hyperfréquence. La longueur L pour une largeur prédéterminée D de la cavité définit une fréquence de résonance de la cavité qui inhibe toute fréquence d'onde stationnaire inférieure due à la résonance de ligne symétrique initiale 11 + 21. La cavité 25 se comporte ainsi comme un véritable filtre passe-bas dont la fréquence de coupure est égale à la plus petite fréquence de résonance de la cavité. Comme montré à la Fig. 5, si l'on désire augmenter la fréquence de coupure afin d'éliminer d'autres fréquences de résonance de la ligne o0 symétrique, la longueur de la cavité L est subdivisée en N sous-cavités de préférence identiques 25, à 25N ayant chacun une longueur sensiblement égale à L/N. Entre deux sous-cavités adjacentes, par exemple 25, et 25,,-, o n est un indice variant de 1 à N, est- prévue une "paroi" étroite intermédiaire constituée par un ruban conducteur 26, perpendiculaire aux ruban 21 et plan 24 longitudinaux et reliés à ceux- ci. Les N-1 rubans transversaux 26, à 26N-î de longueur D sont minces et ont une largeur t égale ou inférieure à celles V1 et V2 des rubans 11 et 12. Chaque ruban transversal joue un rôle analogue à une inductance shunt entre les conducteurs 21 et 24. Le nombre N et les dimensions, longueur L/N et largeur D, des sous- cavités 256 à 25N sont choisis de manière à assurer le meilleur filtrage des fréquences de résonance de la ligne symétrique. En pratique, pour une largeur D prédéterminée et une longueur L prédéterminée, on peut sélectionner le nombre entier N afin que la plus petite fréquence de résonance de chacune des sous-cavités soit supérieure à la fréquence maximale de la bande utile des signaux à transmettre. -7- Cependant, selon d'autres variantes, les longueurs des sous-cavités sont différentes, ou plus généralement les dimensions des sous-cavités sont différentes afin de sélectionner des fréquences de résonance et donc de coupure prédéterminée. Par exemple, avec une seule paroi 26. et deux sous-cavités 251 et 252 ayant des longueurs quelque peu différentes, la ligne hyperfréquence se comporte comme un filtre passe- bas avec une fréquence de coupure égale à la plus petite des deux fréquences de résonance des deux sous-cavités 25. et 252 associée à la plus longue des cavités. A titre d'exemple pratique sont présentés ci-après les résultats de mesures comparatives entre une ligne symétrique 11 + 21 + 22 +23 de type connu, d'une part, et deux lignes selon l'invention comprenant des éléments 11, 21, 22 et 23 identiques à celle de la ligne et un plan conducteur longitudinal de terre 24. L'une, Li. des deux lignes selon l'invention ne comporte qu'une grande cavité 25 comme montré à la Fig. 1, tandis que la seconde ligne L2 selon l'invention comporte un ruban mince intermédiaire 26, séparant la cavité 25 en N = 2 sous-cavités 25, et 25= comme montré à la Fig. 6. Le matériau diélectrique utilisé 3 était du niobate de lithium Li Nb 03. L'impédance caractéristique de la zo20 ligne symétrique est égale à 50 Ohms. Les dimensions étaient les suivantes: L = 14 mm, V1 = V2 = 80 um, G = 50 um, g2 = ga = 135 ym; D = 12 = la = 1 mm; t = 30 gm; et le = 1 mm. Les mesures ont été effectuées dans la bande de fréquence entre 10]EHz et 6 GHz. Pour la ligne symétrique selon la technique antérieure 11 + 21 + 22 + 23, et sans plan de terre 24, la première résonance apparaît vers 1 GHz.Pour la ligne Li selon l'invention, la première rénonance n'apparaît plus qu'à 2,5 GHz. La première résonance de la ligne L2 à deux sous- cavités est deux fois supérieure et est égale à environ 5 GHz. -8- R e v e n d i c a t i o n S. 1 - Ligne de transmission hyperfréquence comprenant un premier conducteur (1) sous la forme d'un premier ruban conducteur plat (11) s'étendant sur toute la longueur de la ligne et ayant des première et seconde extrémités (12, 13), et un second conducteur plan (2) coplanaire au premier conducteur (1), ledit second conducteur comprenant un second ruban conducteur plat (21) s'étendant parallèlement au premier ruban (11) entre les première et seconde extrémités (12, 13) du premier ruban, et des premier et second plans conducteurs extrémaux (22, 23) sensiblement rectangulaires reliés aux extrémités du second ruban (21), et ayant des côtés (221, 211) parallèles aux premiere et seconde extrémités (12, 13) du premier ruban et, le cas échéant, sensiblement en retrait du second ruban par rapport au premier ruban, respectivement, caractérisée en ce que le second conducteur (2) comprend un plan conducteur longitudinal (24) s'étendant sur toute la longueur de la ligne parallèlement aux premier et second rubans (11, 21), ledit plan conducteur longitudinal ayant des extrémités (242, 243) reliées aux premier et second plans extrémaux (22, 23) respectivement afin de former dans le second conducteur. une cavité résonnante (25) délimitée par des côtés longitudinaux (211, 249) du second ruban (21) et du plan longitudinal (24) et des côtés transversaux en regard (223, 233) des plans extrémaux (22, 23). 2 - Ligne de transmission hyperfréquence conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que le second conducteur (2) comprend un ruban conducteur intermédiaire (26,) relié transversalement au second ruban (21) et au plan longitudinal (24) afin de partager ladite cavité (25) en deux sous-cavités résonnantes (25,, 252). 3 - Ligne de transmission hyperfréquence conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que le second conducteur (2) comprend plusieurs rubans conducteurs intermédiaires (26, à 26N-,) reliés transversalement au second ruban (21) et au plan longitudinal (24) afin de partager ladite cavité (25) en plusieurs sous-cavités résonnantes (25. à 25N-1). 4 - Ligne de transmission hyperfréquence conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que la plus petite fréquence de résonance de la cavité (25) est supérieure à la bande de fréquence utile de signaux à transmettre par ladite ligne. - Ligne de transmission hyperfréquence conforme à la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que la plus petite fréquence de résonance des souscavités (25, et 252; 25, à 25N) est supérieure à la bande de fréquence utile des signaux à transmettre par ladite ligne. 6 - Ligne de transmission hyperfréquence conforme à l'une quelconque des revendications 2, 3 et 5, caractérisée en ce que les sous-cavités (25,, 252; 25, à 25N) sont identiques. 7 - Ligne de transmission hyperfréquence conforme à l'une quelconque des revendications 2, 3, 5 et 6, caractérisée en ce qu'un conducteur intermédiaire (26, à 26N-1) a une largeur (t) inférieure à celles (VW, W2) des premier et second rubans (11, 21). 8 - Ligne de transmission hyperfréquence conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le plan longitudinal (24) et la cavité (25) ont des largeurs (14, D) sensiblement égales. 9 - Ligne de transmission hyperfréquence conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la largeur (G) de l'interstice longitudinal s'étendant entre les premier et second rubans (11, 21) et les largeurs (WV, W-) des premier et second rubans (11, 21) sônt nettement inférieures à la largeur (D) de la cavité (25).