Brevet FR2628572A1 — publié le 19890915

LIGNE DE IRANSMISSIONHYPEREREQUENCE SUR SUBSTRAT DIEL'CflUQUE La présente invention concerne une ligne de transmission hyperfréquence sur substrat diélectrique. On connaît plusieurs types de ligne de transmission de ce genre, qui toutes présentent leurs caractéristiques et inconvénients propres. Ainsi, la ligne dite triplaque , qui est constituée par un conducteur plat formant âme de coaxial, pris en sandwich entre deux épaisseurs de diélectrique elles-mêmes recouvertes à leurs surfaces extérieures par des conducteurs situés au droit du conducteur central, alimentés en parallèle et donc équipotentiels, formant conducteurs périphériques de masse. Une telle ligne, outre la difficulté technologique de réalisation qui résulte de sa structure composite, pose toujours des problèmes délicats de prise de connexion avec le conducteur central, qui est par principe un conducteur enterré. En outre, les dissymétries de structure d'une telle ligne provoquent un champ électrique parasite de type TE pouvant se propager entre les deux conducteurs de masse et perturbant la propagation propre de la ligne. Une autre structure très couramment utilisée comme ligne de transmission est celle de la microbande, qui comporte un substrat diélectrique métallisé sur une étendue relativement large sur l'une de ses faces et recouvert d'un ruban métallique étroit sur l'autre. Une telle ligne rend la prise de connexion plus aisée que dans le cas de la ligne triplaque, puisque les conducteurs sont en surface du substrat, mais l'excitation à partir d'une face unique du substrat est rendue difficile du fait que, quelle que soit la face considérée, il faudra toujours traverser le substrat pour atteindre l'autre conducteur. En outre, du fait de la structure essentiellement dissymétrique, la propagation des ondes s'effectue par modes hybrides, avec génération de modes parasites de type TE. De plus, le fait que la propagation s'effectue pour partie dans le substrat et pour partie dans l'air engendre des pertes de transmission par rayonnement notables, ce qui impose généralement de choisir un substrat diélectrique ayant une permittivité relative er élevée (supérieure à 9, typiquement) afin d'y concentrer le champ électromagnétique et de réduire ainsi les pertes par rayonnement. On connaît enfin les lignes coplanaires qui présentent, sur une même face du substrat, trois bandes métalliques séparées par deux fentes, le conducteur central jouant le rôle de l'âme d'un coaxial et les deux conducteurs latéraux, qui sont alimentés en parallèle et donc équipotentiels, formant les demi-plans de masse ou conducteurs périphériques. Une structure voisine comparable est celle des lignes à fente, quoi sont formées de deux conducteurs déposés sur une même face du substrat. Ces deux dernières structures, bien qu'elles facilitent la prise de connexion du fait que tous les conducteurs se trouvent du même côté du substrat, ont cependant une structure essentiellement dissymétrique, génératrice des mêmes inconvénients que ceux de la ligne microbande (propagation TE parasite, pertes par rayonnement importantes à moins de choisir un substrat ayant une permittivité relative r élevée). L'un des buts de la présente invention est de proposer une nouvelle structure de ligne de transmission qui pallie les inconvénients précités des différentes structures connues et qui, en particulier, procure simultanément les avantages suivants - conducteurs tous apparents sur une même face donnée du substrat, ce qui facilite technologiquement la prise de connexion et l'excitation de la ligne - structure entièrement symétrique par rapport à son axe de propagation, ce qui permet d'éviter pratiquement toute propagation parasite de type TE; - lignes de champ essentiellement confinées à l'intérieur du substrat diélectrique, ce qui limite au minimum les pertes par rayonnement même si l'on emploie pour le substrat diélectrique des matériaux courants, de permitivité relativement faible. Un autre but de la présente invention est de proposer une structure de ligne de transmission offrant l'ensemble des avantages précités en dépit d'une technologie de réalisation simple, en ne faisant appel qu'à des techniques couramment utilisées dans la fabrication des circuits imprimés ou hybrides. Un autre but encore de la présente invention est de disposer d'une structure dé ligne qui permette, tout en conservant les avantages indiqués plus haut, d'assurer très simplement la liaison de deux lignes de même structure réalisées sur des substrats différents assemblés ensuite l'un avec l'autre pour former une configuration commune, tout particulièrement dans le cas de circuits multicouches formés par superposition d'une pluralité de substrats distincts portant chacun des motifs de métallisation propres. A cet effet, selon l'invention, la ligne de transmission comprend, disposés en vis-à-vis sur chacune des faces d'un substrat diélectrique, deux lignes coplanaires comprenant chacune un conducteur central formant âme de coaxial et deux conducteurs latéraux formant demi-plans de masse, disposés de part et d'autre du conducteur central, les deux lignes coplanaires étant sensiblement identiques et symétriques par rapport au plan médian du substrat, le conducteur central et les conducteurs latéraux de chaque ligne étant chacun reliés électriquement, au travers du substrat et à intervalles sur leur longueur, au conducteur homologue de la ligne coplanaire située sur la face opposée du substrat. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, la liaison au travers du substrat est réalisée au moyen d'une série de trous métallisés pratiqués le long de chacun des conducteurs. Selon un certain nombre de caractéristiques avantageuses: - le pas des trous métallisés est au plus égal au quart de la longueur d'onde de la fréquence maximale à transmettre par la ligne; - le diamètre des trous métallisés est compris entre environ 0,7 et 1 fois l'épaisseur du substrat diélectrique ; et - la permittivité relative Er du substrat diélectrique est comprise entre environ 2 et 3. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre d'un mode de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue perspective d'un substrat portant une ligne de transmission selon l'invention, et - la figure 2. est une coupe transversale agrandie de ce même substrat, montrant notamment la répartition des lignes de champ à l'intérieur du substrat. Sur les figures, le substrat diélectrique 1 comporte sur chacune de ses faces trois conducteurs en forme de rubans parallèles allongés, disposés suivant la configuration classique, mentionnée plus haut, d'une ligne coplanaire , c'est à dire avec un conducteur central 2 formant l'âme de la ligne de transmission, et deux conducteurs latéraux 3, 3 disposés de part et d'autre du conducteur central 2 et formant chacun demi-plan de masse. L'autre face du substrat reçoit une ligne coplanaire identique, avec un conducteur central 2' placé en vis-à-vis du conducteur central 2, et deux conducteurs latéraux 3', 3' placés en vis à vis des conducteurs latéraux 3, 3. Les quatre conducteurs périphériques 3, 3 et 3', 3' sont alimentés en parallèle de manière à être tous portés à un même potentiel commun. Les six rubans conducteurs ainsi disposés sont reliés deux à deux par des trous métallisés 4 (pour les conducteurs centraux 2, 2') et 5 (pour les paires de conducteurs latéraux 3, 3'). Cette disposition permet de réaliser une ligne de transmission ayant une impédance caractéristique donnée (par exemple 50 n, ou toute autre valeur). La valeur de l'impédance caractéristique dépend essentiellement de la distance bord à bord d en direction transversale entre les trous reliant les conducteurs centraux 2, 2' et ceux reliant les conducteurs latéraux 3, 3', ainsi que de l'épaisseur du substrat diélectrique 1 et de sa permittivité relative er;; l'épaisseur des métallisations-2, 2' et 3, 3' peut éventuellement intervenir, mais au second ordre seulement (cas de métallisations épaisses). Le pas p des trous en diréction longitudinale est sans influence sur les propriétés de la ligne, dès lors que ce pas est inférieur à A/4, X étant la longueur d'onde de la fréquence la plus élevée à transmettre par la ligne. Le respect de cette condition permet d'obtenir un mode de propagation quasi-TEM et évite l'apparition de phénomènes de résonance entre trous. de la même façon, il n'est pas indispensable que le pas des trous soit régulier, dès lors que la condition précitée reste remplie. Enfin, on a représenté sur la figure 2 la répartition des lignes de champ qui sont, comme on le voit, essentiellement confinées à l'intérieur du substrat du fait de la géométrie de la ligne de transmission, conduisant ainsi à de très faibles pertes par rayonnement même avec des substrats de permittivité relative modérée (typiquement, inférieure à 3). Exemple de réalisation On a réalisé une ligne de transmission présentant la structure ainsi décrite à partir d'une plaque de matériau de substrat diélectrique métallisée sur ses deux faces. On peut par exemple utiliser comme matériau de départ un stratifié de PTFE/verre pour applications hyperfréquences cuivré sur ses deux faces, tel que celui produit par 3M sous la référence commerciale CuClad 217. Bien que ce substrat ne présente qu'unie permittivité relative 4 de 2,17, on a pu réaliser une ligne de transmission de 50 n présentant d'excellentes caractéristiques de transmission. Des constantes diélectriques plus élevées procureront bien entendu des résultats encore meilleurs. En ce qui concerne l'épaisseur du substrat diélectrique, une valeur de 0,4 mm a permis de réaliser une ligne de transmission avec d'excellents résultats, et l'on a pu constater en faisant varier ce paramètre que les excellents résultats sont conservés sans variation notable sur une très large gamme d'épaisseurs (typiquement, de 0,1 à 1,14 mm) ; bien entendu, pour des valeurs différentes d'épaisseur de substrat, la géométrie de la ligne est modifiée en conséquence pour conserver la valeur d'impédance caractéristique de 50 n. Après gravure des faces cuivrées du substrat permettant de former les rubans des lignes coplanaires de part et d'autre du substrat, on perce les séries de trous 4 et 5 sur toute la longueur de chacun des rubans ; le diamètre de perçage est choisi de préférence un peu inférieur à l'épaisseur du substrat, par exemple entre 0,7 et 1 fois cette épaisseur. Une fois les trous percés, on procède à leur métallisation, par exemple par le procédé classique consistant à effectuer tout d'abord sur la paroi intérieure des trous un premier dépôt de cuivre chimique de faible épaisseur permettant ensuite de réaliser par galvanoplastie un dépôt plus épais de cuivre électrolytique. On peut enfin protéger la ligne de transmission par dépôt d'une couche superficielle de protection ou de passivation. La ligne de transmission ainsi réalisée est applicable à une très grande variété de circuits hyperfréquences monocouches ou multicouches. Grâce à la possibilité d'exciter cette ligne de transmission indifférement sur l'une ou l'autre face du substrat, la ligne de transmission de l'invention est particulièrement intéressante pour l'alimentation des éléments rayonnants hyperfréqtlences, qu'il s'agisse d'éléments rayonnants imprimés ou de guides d'ondes. REVENDICATIONS 1. Une ligne de transmission hyperfréquence sur substrat diélectrique, caractérisée en ce qu'elle comprend, disposés en vis-à-vis sur chacune des faces d'un substrat diélectrique (1), deux lignes coplanaires comprenant chacune un conducteur central (2 ; 2') formant âme de coaxial et deux conducteurs latéraux (3, 3 ; 3', 3') formant demi-plans de masse, disposés de part et d'autre du conducteur central, les deux lignes coplanaires étant sensiblement identiques et symétriques par rapport au plan médian du substrat, le conducteur central et les conducteurs latéraux de chaque ligne étant chacun reliés électriquement, au travers du substrat et à intervalles sur leur longueur, au conducteur homologue de la ligne coplanaire située sur la face opposée du substrat. 2. La ligne de transmission de la revendication 1, dans laquelle la liaison au travers du substrat est réalisée au moyen d'une série de trous métallisés pratiqués le long de chacun des conducteurs. 3. La ligne de transmission de la revendication 2, dans laquelle le pas (p) des trous métallisés est au plus égal au quart de la longueur d'onde de la fréquence maximale à transmettre par la ligne. 4. La ligne de transmission de l'une des revendications 2 et 3, dans laquelle le diamètre des trous métallisés est compris entre environ .0,7 et 1 fois l'épaisseur du substrat diélectrique. 5. La ligne de transmission de l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle la permittivité relative ex du substrat diélectrique est comprise entre environ 2 et 3.