Brevet FR2625373A1 — publié le 19890630

LIGNE DE PROPAGATION HYPERFREQUENCE EN MICRORUBAN. La présente invention concerne une ligne de propagation hyperfréquence en microruban déposée sur un substrat en matériaux diélectriques multicouches, dont la face principale inférieure constitue un plan de masse. Cette ligne de propagation n'est pas conçue dans un seul plan, mals dans une pluralité de plans et elle passe du plan d'une couche à au moins un autre plan d'une autre couche du substrat multicouche, les tronçons de ligne i étant électriquement connectés entre eux au moyen de puits métallisés. Cette ligne microruban est à impédance variable si elle est de largeur constante, mais elle peut aussi etre adaptée à des fréquences variables si sa largeur varie, l'impédance étant alors fixe. te principe des lignes microrubans, connues également sous le vocable anglais microstrips, est bien connu, et ne sera rappeIé que pour mémoire. Il est representé en figure 1. Sur un substrat diélectrique, d'épaisseur H et de permittivité E est déposé un ruban 2 sous forme de métallisation. La face du substrat 1 opposée à celle qui porte le ruban 2, et qu'on conviendra d'appeler face inférieure, supporte une métallisation 3 qui constitue le plan de masse, celui-ci étant de beaucoup plus large que le microruban 2 de largeur W. Les flèches sur la figure 1 représentent les lignes de champ E dans l'alr et dans le diélectrique. Parmi les paramètres de cette ligne de propagation microruban, qui sont définis par des équations précises et connues depuis longtemps, seules sont intéressantes, par rapport à l'invention: - la définition de l'impédance caractéristique obtenue par les variaíions de l'épaisseur du substrat H, et de la largeur W du ruban, - la limite d'utilisation dans les gammes de fréquence.Pour les gammes de fréquences citées ci-dessous on utilise couramment les épaisseurs du substrat diélectrique suivantes 1 - 2 0Hz H = 1 mm 2 - 6 GHz H = 0,6 mm 6 - 18 0Hz H = 0,4 mm 18 - 40 0Hz H = 0,2 mm 40 - 100 0Hz H = 0,1 mm En ce qui concerne la largeur, pour une ligne d'impédance normalisée à 50 ohms qui est le cas le plus fréquemment rencontré, et pour un substrat en alumine, on constate qu'une largeur W de ligne égale à l'épaisseur H du substrat donne à très peu de chose près une impédance égale à 50 ohms. On peut donc selon l'invention, - soit réaliser une ligne microruban à impédance variable, en conservant une largeur de ruban constante, mais en faisant varier l'épaisseur de substrat qui supporte ce microruban, le plan de masse intermédiaire étant alors réparti, le long de l'axe du microruban entre plusieurs strates du substrat multicouche, - soit réaliser une ligne microruban adaptée en multifréquences, en faisant varier la largeur du ruban, et simultanément ltépalsseur du substrat sous le microruban, le plan de masse intermédiaire conservant la même structure en "escalier" que dans le cas précédent, et étant réparti entre plusieurs strates du substrat multicouches. De façon plus précise, l'invention concerne une ligne de propagation hyperfréquence en microruban supportée par un substrat composé d'une pluralité de couches de matériau diélectrique, et dont la face principale, opposée à celle qui supporte le microruban, porte une métallisation qui constitue un plan de masse principal, cette ligne de propagation étant caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un plan de masse intermédiaire, situé entre le microruban et le plan de masse principal, ce plan de masse intermédiaire étant constitué par une métallisation portée par une couche du substrat multicouche et étant réunie électriquement au plan de masse principal par au moins un trou métallisé. L'invention sera mieux comprlse par la description plus détaillée qui suit maintenant, et ses avantages ressortiront plus facilement, compte tenu de cette description et des figures jointes en annexe qui représentent - figure 1 : schéma de principe d'une ligne microruban, connu et qui a été précédement exploité - figure 2 : vue en plan d'une. ligne microruban adapteur d' impédance selon l'art connu - figure 3 : vue de trois quart dans l'espace d'un segment de ligne microruban à impédance variable selon l'invention - figure 4 : vue en coupe d'un segment de ligne microruban multifréquence selon l'invention - figure 5 vue en coupe d'un croisement entre lignes microrubans selon l'invention. La figure 2 a pour objet de rappeler comment, jusqu'à présent, on réalise une ligne microruban adapteur d'impédance. Cette figure représente une vue en plan, à la surface d'un substrat qui n'est pas dessiné, d'un dispositif semiconducteur tel qu'un transistor 4 dont au moins une électrode d'accès est reliée à une ligne microruban 5. On sait que l'impédance du transistor est définie par ses caractéristiques propres et l'impédance de la ligne microruban 5 doit être en correspondance, mais elle doit également évoluer en fonction du circuit externe. C'est pourquoi l'adaptation d'impédance se traduit dans la réalité par une ligne microruban composée de plusieurs tronçons de ligne 51-52-53-54 par exemple, dont la largueur de ligne WL varie pour chaque tronçon, ainsi l'impédance du tronçon varie en fonction de sa largeur.Mais si la largeur WL de la ligne est environ deux fois plus importante que la largeur WF du transitor, il y a rayonnement lorsque l'on atteint W plus grand que k /2, > Aétant la longueur d'ondes à la fréquence de fonctionnement. Ce rayonnement est néfaste au fonctionnement du reste du circuit, et accroît le niveau des pertes. C'est pourquoi il est Intéressant de disposer d'une ligne microruban à impédance variable dont la largeur ne soit pas supérieure à X /2 et de préférence constante ce qui facilite la réalisation des sorties. C'est ce que propose J 'invention pour laquelle la figure 3 représente un tronçon de ligne microonde à impédance variable. Cette ligne de propagation 6 est déposée sur un substrat 7 qui comporte une pluralité de strates de matériaux diélectriques. Soit 71 à 77 par exemple ces différentes couches ou strates de matériaux diélectriques, le nombre de couches n'étant pas limitatif de la portée de l'invention. On sait par ailleurs qu'une ligne microruban nécessite une métallisation 8 portée par la face du substrat qui est opposée à la face qui supporte la ligne au ruban 6, et que cette métallisation qui sert de plan de masse doit être beaucoup plus large que la largeur W du microruban 6. En fonction de ce qui a été dit précédement au sujet des rapports entre la largeur d'un microruban et l'épaisseur de diélectrique qui le sépare du plan de masse, l'invention consiste à déposer au moins un plan conducteur tel que 9 sur la face inférieure d'une couche de matériau diélectrique du substrat 7, et à relier le plan de masse intermédiaire, ainsi constitué par la métallisation 9, au plan de masse 8 porté par la face dite arrière du substrat 7 au moyen de trous métallisés tels que 10 à 14, disposés régulièrement pour assurer une continuité du plan de masse. La métallisation qui constitue le plan de masse intérmédiaire 9 est préférentiellement déposée sur la face inférieure de l'une des couches du substrat pour la simple raison que la face supérieure de la première couche comporte le microruban 6 et que la face inférieure de 'la dernière couche 77 supporte déjà le plan de masse 8, mais il est bien entendu que si- des raisons de commodité dans la fabrication l'imposent le ou les plans de masse intermédiaires tels que 9 et 15 peuvent être déposés sur les faces supérieures des couches intermédiaires de matériaux diélectriques. Dans la partie du microruban 6 qui correspond au plan de masse intermédiaire 9, l'impédance de la ligne de propagation est donc définie par la largeur W du microruban 6 et par l'épaisseur des couches qui le sépare du plan de masse intermédiaire 9 : cette impédance ntest donc pas la même que celle définie pour la même largeur W du ruban 6 par l'épaisseur totale du substrat 7. Sur la figure 3 est représenté un second plan de masse intermédiaire 15, qui est situé dans un plan différent du premier plan de masse intermédiaire 9. Ce second plan de masse intermédiaire 15 est limité par la section représentée par la ligne pointillée 16. L'épaisseur de substrat comprisse entre le microruban 6 et le premier plan de masse intermédiaire 9 est diffèrente de l'épaisseur de substrat comprise entre ce même microruban 6 et le second plan de masse intermédiaire 15, et par conséquent pour une largeur constante l'impédance du microruban est différente dans les deux cas. Dans tous les cas, et quelque soit le nombre de plans de masse intermédiaires situés à des niveaux différents, tous ces plans de masse intermédiaires sont réunis au plan de masse principal 8 au moyen de trous métallisés tels que 10 à 14. Si on maintient la même largeur de ligne W pour le microruban 6 mais que le long de celui-ci on déplace les plans intermédiaires tels que 9 et15 grace aux trous métallisés, on fait varier l'impédance de la ligne de propagation, puisque l'on fait varier la hauteur H de diélectrique située sous le microruban. A titre d'exemple et pour une largeur W = 0,4 mm, on aura H = 0,1 mm = 22 ohms = 0,2 mm Z = 30 ohms = 0,4 mm Z = 50 ohms = 0,6 mm Z = 60 ohms = 1 mm Z = 70 ohms On peut ainsi réaliser les transformateurs d'impédances nécessaires pour adapter les circuits entre eux, selon que les composants déposés sur les lignes imposent des réseaux à haute ou basse impédance.La particularité de ces transformateurs d'impédances, par rapport à celui qui est représenté en figure 2, est que la ligne microruban a une largeur W constante, mais que le plan de masse est plus ou moins enterré dans le substrat et se présente vu en coupe comme un escalier. Mais ce même principe d'un plan de masse réparti selon une pluralité de plans en surface de couches ou strates d'un substrat multicouches peut être également utilisé pour réaliser une ligne de propagation adaptée à uri usage multifréquence, telle que représentée en figure 4. Sur la figure 4 on a représenté côte à côte des segments d'une même ligne microruban, qui en fait sont alignés le long de cette ligne. Sur la face supérieure d'un substrat multicouche 7 est déposée une ligne mleroonde 6 dont différents segments ont des largeurs données à titre d'exemple de lmm, 0,6 mm, 0,4 mm, 0,2 mm, et 0,1 mm. Sous chaque segment est réalisé à une profondeur convenable un plan de masse intermédiaire tel que 17,18,19,20, si l?on admet que le plan de masse principal 8 correspond à la section e plus grande largeur 1 mm du microruban 6. - Chacun de ces plans de masse intermédiaires 17 à 20 est réuni électriquement au plan de masse principal 8 au moyen de trous métallisés 10 et 11. On sait que, au moins dans le cas le plus courant d'un substrat d'alumine, le rapport W/H = 1 pour une impédance standard de 50 ohms. Par conséquent il suffit de déposer le plan de masse intermédiaire 17 à 20, sous une épaisseur H d'alumine égale à la largeur du segment du microruban 6 auquel correspond ce plan de masse intermédiaire. CtF'est pourquoi il est nécessaire d'opérer avec le substrat multicouche, I'assemblage des feuilles permettant d'obtenir des substrats d'épaisseurs différents utilisables dans les gammes de fréquences variables. A titre d'exemple si les feuilles composant le substrat 7 ont chacune 0,1 mm d'épaisseur, une ligne microruban ayant 0,1 mm de largeur est utilisable dans la gamme de 40 à 100 Ghz, le segment de la ligne microruban ayant 0,2 mm d'épaisseur est utilisable dans la gamme de 18 à 40 Ghz, et ainsi de suite. Il suffit de changer la largeur du ruban pour rétablir le rapport W/H = 1. On peut donc sur un même substrat définir des zones d'utilisation à des fréquences spécifiques. Bien entendu si le substrat est un matériau différent de l'alumine, et que c'est par exemple un nitrure d'aluminium, le raisonnement reste le même, il faut seulement changer la valeur du W/H adapté au cas du nitrure d'aluminium. Cette propriété est exploitée dans les dispositifs qui utilisent plusieurs fréquences, tels que les mélangeurs de fréquence, les multiplicateurs de fréquence, les transposeurs de fréquence... etc. En ce qui concerne le substrat multicouche 7, celui ci peut être également utilisé selon l'usage courant qui est fait des substrats multicouches, et d'autres métallisations situées dans des plans différents et réunies entre elles par des trous métallisés peuvent coexister aux alentours des plans de masse intermédiaires 17. A titre d'exemple on a représenté une pluralité de pistes métallisées 21 qui peuvent participer à la commande des transistors. De la même façon les trous métallisés 10 à 14 peuvent être utilisés pour des éléments de connéctique continus. Ils peuvent amener la tension d'alimentation entre les divers niveaux du multicouche jusqu'au plan supérieur sur lequel se trouve déposé l'élément actif, diode, ou transistor à effet de champ. Mais les trous peuvent également assumer les éléments de connectique hyperfréquence, et le transfert de l'énergie hyperfréquence d'un niveau à l'autre, un exempt en est donné sur la figure 5 dans laquelle on a représenté en coupe le croisement entre deux lignes microrubans. Pour éviter des ponts 8 air, ou le dépot d'une couche de diélectrique qui isole entre elles les deux lignes microrubans 6 et 22 qui se croisent, la ligne 6 peut, selon I'invention, descendre en dessous de la ligne 22, à une profondeur commandée par la fréquence de travail, et passer dans les couches superficielles du substrat 7 par des plans de masse intermédiaires 9 et 15, réunis entre eux par des trous métallisés 10 à 13. Dans ce cas, la propagation de type microstrips subit une légère modification puisque le dielectrique supérieur qui était l'air dans le cas de la figure 1 devient la céramique d'une couche composant le substrat. L'impédance reste donc à redéfinir compte tenu du fait que les deux diélectriques au dessus et en dessous des lignes intermédiaires 9 et 15 sont les diélectriques de la céramique. La présente invention est essentiellement mise en oeuvre dans les circuits hybrides hyperfréquences, pour la réalisation des amplificateurs, multiplexeurs, diviseurs de fréquence ou autre produits assimilables fonctionnant depuis le continu jusqu'à des fréquences de 100 GHz. ILUiCATfONS I - Ligne de propagation hyperfréquence en microruban (6) supportée par un substrat (7) composé d'une pluralité de couches (71 à 77) de matériau diélectrique, et dont la face principale, opposée à celle qui supporte le microruban (6), porte une métallisation (8) qui constitue un plan de masse principal, cette ligne de propagation étant caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un plan de masse intermédiaire (9), situé entre le microruban (6) et le plan de masse principal (8), ce plan de masse intermédiaire étant constitué par une métallisation (9) portée par une couche (75) du substrat multicouche (7) et étant réunie électriquement au plan de masse principal (8) par au moins un trou métallisé (10). 2 - Ligné de propagation selon la revendication 1, caractérisée en ce que, son impédance étant une fonction de la largeur W du microruban (6) et de l'épaisseur H de substrat situé entre le microruban (6) et un plan de masse intermédiaire (9,15), une ligne à impédance variable est constituée par un microruban (6) de largeur W constante et par une pluralité de plans de masses intermédiaires (9,15), supportés par des couches (71,75) du substrat multicouches (7), l'épaisseur H de substrat entre chaque tronçon de microruban (6) et le plan de masse intermédiaire (15) qui lul correspond définissent l'impédance dudit tronçon de ligne microruban-. 3 - Ligne de propagation selon la revendication 1, caractérisée en ce que son impédance à une fréquence donnée étant une fonction du rapport W/H, W étant la largeur du mircoruban (6) et Il ltépalsseur de substrat situé entre le microruban (6) et un plan de masse intermédiaire (9,15), une ligne à impédance constante mais multifréquences est constituée par un microruban (6) de largeur W variable et par une pluralité de plans de masses intermédiaires 17 à 20, supportés par des couches du substrat multicouches (7), l'épaisseur H du substrat entre chaque tronçon de microruban (6), de largeur donnée, et le plan de masse intermédiaire (17 à 20) qui lui correspond étant choisie pour que le rapport W/H définisse une impédance constante à des fréquences variables. 4 - Ligne de propagation selon la revendication 1, caractérisée en ce que, les plans de masses intermédiaires (9,15,17 å 20) étant tous reliés par des trous métallisés (10 à 14) au plan de masse principal (8), le plan de masse de cette ligne de propagation est réparti dans une pluralité de plans situés à l'intérieur du substrat (7). 5 - Ligne de propagation selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que, dans le cas où le substrat (6) est en alumine, le rapport W/H 1 pour une impédance de 50 ohms, et la largeur W du microruban (6) est égale à l'épaisseur H du substrat qui la sépare du. plan de masse intermédiaire (15);