Brevet FR2628893A1 — publié le 19890922

(i RÉPUBLIQUE FRAN AISE Q N de publication 2 628 893 (à n'utiliser que pour les INSTITUT NATIONAL commandes de reproduction) DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE N' d'enregistrement ational 88 03525 O) N d'enregistrament n'ational: 88 035255 PARIS Q Int Cl4: H 01 P 1/10, O DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1 Date de dépôt: 18 mars 1988. Q Demandeur(s): Société dite: THOMSON-CSF. FR. Priorité: ( Inventeur(s) Gérard Cachier, Thomson-CSF. SCPI. Date de la mise à disposition du public de la demande: BOPI " Brevets " n 38 du 22 septembre 1989. ) Références à d'autres documents nationaux appa- rentés ( Titulaire(s) ( Mandataire(s) Claude Albert, Thomson-CSF, SCPI. ( Interrupteur hyperfréquence. () Cet interrupteur comprend un tronçon de ligne de trans- mission 1, se séparant en deux branches 2, 3, dont l'une au A moins peut passer d'un état normal à un état supraconducteur. ' à une température critique To. une jonction 32 réunissant les deux branches en un second tronçon 4 de ligne de transmis-, sion hyperfréquence et des moyens pour commander l'état, normal ou supraconducteur. de l'une ou des branches 1, 2. La différence de longueur des deux branches est choisie sensible- ment égale à un multiple impair de demi-longueurs d'onde de manière que l'interrupteur soit bloqué ou passant lorsque les l deux branches sont respectivement dans le même état, normal 1 23 2 32 4 I ou supraconducteur, ou dans un état différent. L'état des branches peut être commandé par un champ magnétique A faisant varier la température critique. oe L'invention s'applique aux interrupteurs hyperfréquence. N CO N UL D Vente des fascicules à I'IMPRIMERIE NATIONALE. 27. rue de la Convention - 75732 PARIS CEDEX 15 INTERRUPTEUR I]YPERFREQUENCE L'invention a pour objet un interrupteur hyper-- fréquence comportant un dispositif d'interférence dont l'une et/ou l'autre branche est susceptible de subir une transition réversible d'un état normal vers un état supraconducteur, la position de l'interrupteur étant fonction de l'état (normal ou supraconducteur) respectif des deux branches. Un tel inter- rupteur peut être avantageusement appliqué à la réalisation de duplexeurs de systèmes radars, de déphaseurs hyperfréquence et d'atténuateurs hyperfréquence. Les caractéristiques d'un interrupteur hyperfréquence sont notamment: - sa fréquence (ou sa longueur d'ondcle) de fonctionnement - la largeur de la bande passante encadrant la fréquence de fonctionnement; - la nature et l'importance des pertes dues à sa présence le long d'une ligne hyperfréquence, cette présence étant susceptible d'introduire une réflexion partielle (mesurée par un T.O.S.), des pertes par. rayonnement et/ou thermiques, une déviation partielle de l'énergie transmise le long de la ligne - son temps de commutation entre un état "passant" (correspondant à une fermeture de l'interrupteur) et un état "bloqué" (correspondant A une ouverture de l'interrupteur), et réciproquement; - sa tenue en puissance - ses dimensions, sa fiabilité, sa consommation, et son coût de fabrication. Il est connu d'utiliser une diode PIN (notoirement adaptée aux signaux hyperfréquence) comme interrupteur hyperfréquence: soumise à une polarisation directe, elle se comporte comme un interrupteur passant, et lorsqu'on lui applique une polarisation inverse, elle est analogue à un interrupteur bloqué. Cependant, ainsi qu'il est connu, le temps de commutation d'une telle diode est limité inférieurement par le temps nécessaire à l'évacuation des porteurs minoritaires (qui sont les porteurs contribuant]e plus largement au passage d'un courant hyperfréquence lorsque la diode est polarisée dans le sens direct). En outre, une diode PIN montée sur une ligne hyperfréquence, introduit une résistance en série parasite (phénomène connu par l'homme du mlétier). Enfin,]e tenue en puissance d'une telle diode est limitée supérieurement par la valeur de la tension d'avalanche de la diode. Il est également connu d'uti]iser comme interrupteur, hyperfréquence un tube dit "TR" (ce qualificatif étant une abréviation de l'épithète anglais "Transmit-Receive", ce type de tube étant en effet fréquemment utilisé au sein d'une antenne radar pour isoler le récepteur à l'émission et empêcher la propagation de signaux vers l'émetteur A la réception). Le temps de commutation de tels tubes est malheureusement limité inférieurement par le temps nécessaire. à l'évacuation et/ou à l'élimination d'atomes ionisés et d'électrons. En outre ce phénomène de relaxation, ainsi qu'il est connu, n'est que partiel l'ionisation résiduelle du gaz contenu dans le tube nuit à la fiabilité dudit interrupteur. L'invention concerne un interrupteur hyperfréquence comportant un tronçon de ligne hyperfréquence se séparant en deux branches de longueurs différentes, ces deux branches se réunissant ensuite en un second tronçon; la différence de longueur des deux branches est sensiblement égale à un nombre impair de demi-longueurs d'oncle de fonctionnement de l'interrupteur; l'une au moins des deux branches est susceptible de passer de façon réversible et commandée d'un état normal dans un état supraconducteur; l'interrupteur est ouvert (c'est-à-dire dans l'état bloqué) lorsque les deux branches sont dans le même état, et fermé (c'està-dire dans l'état passant) sinon. L'invention a plus précisément pour objet un interrupteur hyperfréquence caractérisé en ce qu'il comporte - un premier tronçon de ligne hyperfréquence - une bifurcation du premier tronçon, une première ou les deux branches de ligne hyperfréquence obtenues étant susceptible(s) de passer de façon réversible d'un état normal dans un état supraconducteur, à une température critique; - une réunion en un second tronçon de ligne hyperfréquence, des deux branches, ces deux branches ayant des Iongueurs différentes, la différence de longueur correspondante étant sensiblement égale à un nombre.impair de demi-longueurs d'onde de fonctionnement de l'interrupteur; - des moyens de commande de l'état de la première ou de chacune des deux branches une identité et une différence d'état entre les deux branches assurant respectivement l'ouverture et la fermeture de l'interrupteur. Des précisions, des particularités et des modes de réalisation de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit, à l'aide des figures annexées, qui représentent - la figure 1, une vue de dessus partielle drun interrupteur hyperfréquence selon un mode de réalis.ation de l'invention - la figure 2, une coupe schématique de l'interrupteur hyperfréquence de la figure 1. Sur ces deux figures, d'une part l'échelle réelle et les proportions des différents éléments n'ont pas été respectées, et d'autre part les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments. La figure 1 représente une vue de dessus partielle d'un interrupteur, selon un mode de réalisation de l'invention, fabriqué à partir de lignes microrubans 1, 2, 3, et 4 ayant un substrat diélectrique commun (non représenté ur la figure 1) et un plan de masse commun (non représenté sur la figure 1). Une première ligne microruban 1 (appelée premier tronçon dans ce qui suit) se sépare en deux lignes microruban 2 et 3 (appelées branches 2 et 3 dans ce qui suit) au niveau d'une bifurcation 23; les deux branches 2 et 3 se rejoignent au niveau d'une réunion 32 pour reformer une ligne microruban unique 4 (appelée tronçon 4 dans ce qui suit). La longueur de la branche 3 est supérieure à celle de]a branche 2 et la différence de longueur entre ces deux branches est sensiblement égale à un nombre impair de demi-longueurs d'onde de fonctionnement de l'interrupteur. Les conducteurs centraux respectifs des tronçons 1 et 4 et des branches 2 et 3 sont fabriqués dans un même matériau supraconducteur dont la température critique T (c'est-à-dire c la température de transition réversible entre un état "normal" et un état "supraconducteur" dudit matériau) est de préférence supérieure à 30 K; à titre d'exemple, on connaît des matériaux supraconducteurs dont la température critique T est comprise c entre 30 1 Le fonctionnement de l'interrupteur (exposé dans ce qui suit) ne fait Intervenir la supraconductivité que d'une seule des deux branches 2 ou 3, mais les conducteurs centraux des quatre tronçons 1 et 4 ou branches 2 et 3 sont réalisés à partir du même matériau pour éviter l'apparition de pertes, notamment par réflexion au niveau de jonctions entre matériaux différents, et pour simplifier la réalisation industrielle de. l'interrupteur objet de la présente invention. Le plan de masse commun (non représenté sur la figure 1) est de préférence réalisé dans le même matériau que les conducteurs centraux, et ce pour plus de commodité lors de la fabrication de l'interrupteur présentement décrit. Le choix du matériau constitutif du plan de masse commun est de toute façon du ressort de l'homme du métier qualifié dans à la fois le domaine des lignes hyperfréquence et dans celui de 'la supraconductivité. L'interrupteur présentement décrit est en outre muni de moyens de commande de l'.tat (normal ou supraconducteur) du matériau constituant le conducteur central de la branche 2 et/ou (selon le mode de fonctionnement désiré, les différents modes de fonctionnement de l'interrupteur étant décrits dans ce qui suit) de celui de la branche 3; lorsque l'état de chacune des deux branches 2 et 3 est susceptible d'être commandé, les moyens de commande de l'état de chacune de ces deux branches sont indépendants. Dans le cas o]e plan de masse commun est réalisé lui aussi dans un matériau supraconducteur, les mêmes moyens de commande contrôlent l'état (normal ou supraconducteur) de la portion du plan de masse située sensiblement en regard du conducteur central de la branche 2 et/ou (comme cela a été expliqué précédemment) de celui de la branche 3. Selon un premier mode de fonctionnement de l'interrupteur présentement décrit, on réalise l'ouverture de l'interrupteur (c'est-à-dire on place l'interrupteur dans un état bloqué) en rendant à la fois la branche 2 et la branche 3 supraconductrices (c'est-à-dire en mettant les conducteurs centraux respectifs des branches 2 et 3, et éventuellement les portions du plan de masse commun situées en regard de ces branches, dans un état supraconducteur): en effet, un signal hyperfréquence se propageant le long du tronçon 1 vers la bifurcation 23 donne naissance à deux signaux, se propageant respectivement le long des branches 2 et 3, qui se retrouvent au niveau de la réunion 32 en opposition de phase; moyennant une adaptation adéquate des impédances respectives des branches 2 et 3 (une telle adaptation est facilement réalisable par l'homme du métier: elle vise en particulier à obtenir une division de la puissance en deux parties sensiblement égales à l'endroit de- la bifurcation (23); elle est schématisée sur la figure 1 par le fait que le conducteur central de la ligne 2 est plus étroit que celui -de la ligne 3), lesdits deux signaux se retrouvent au niveau de la réunion 32 avec en outre des amplitudes sensiblement égales; les phases et les amplitudes relatives de ces deux signaux empêchent toute propagation d'un signal le long du tronçon 4 en s'éloignant de la réunion 32: l'interrupteur est bien ouvert. Pour fermer l'interrupteur (c'est-à-dire pour le placer dans un état passant), on fait passer l'une des branches 2 ou 3, par exemple la branche 2, dans un état normal (en manipulant les moyens de commande mentionnés dans ce qui précède et décrits dans ce qui suit): la branche 3 ("supraconductrlce") court-circuite alors la branche 2 ("normale"); plus précisément un signal hyperfréquence se propageant le long du tronçon I vers la bifurcation 23, passe sensiblement Intégralement dans la branche 3, se propage le long de cette branche 3, passe par la réunion 32, puis se propage le long du tronçon 4 en s'éloignant de cette réunion 32 l'interrupteur est bien fermé. Selon un second mode de fonctionnement de l'interrupteur présentement décrit, l'interrupteur est ouvert lorsque les branches 2 et 3 sont toutes les deux normales l'interrupteur se comporte alors sensiblement de la même façon que lorsque les branches 2 et 3 sont chacune supraconductrices (ce qui correspond au premier mode de fonctionnement, précédemment décrit) , moyennant une adaptation des impédances respectives des branches 2 et 3 plus importante A cause- de pertes plus élevées le long des branches 2 et 3. Pour fermer l'interrupteur, on fait passer l'une des branches 2 ou 3, par exemple la branche 3, dans un état supraconducteur, cette branche 3 court-circuitant alors la branche 2. La figure 2, qui est une coupe schématique, selon la ligne AA de la figure 1, de l'interrupteur hyperfréquence de cette figure 1, illustre un mode de réalisation des moyens de commande de l'état (normal ou supraconducteur) de la branche 2 et/ou de la branche 3. Ces moyens comportent deux électro-aimants 13 et 14, qui sont indépendants (c'est-à- dire qui sont alimentés indépendamment l'un de l'autre). Ainsi qu'il est connu, l'électro-aimant 13 (respectivement 14) comporte un barreau de fer doux 7 (respectivement 8), recourbé de façon à former une boucle non fermée dont les extrémités 15 et 16 (respectivement 17 et 18), sont entourées respectivement par des bobines 11 et 9 (respectivement 12 et 10) , et sont situées autour de la branche 3 (respectivement 2); autrement dit, la branche 3 (respectivement 2) est située dans l'entrefer 19 (respectivement 20) de l'électro-aimant 13 (respectivement 14). Sur cette figure 2 sont on outre représentés le plan de masse commun 6 et le substrat diélectrique commun 5 mentionnés dans la description de la figure 1. Les électro-aimants 13 et 14 permettent d'appliquer dans la région respectivement des branches 3 et 2 un champ magnétique sensiblement uniforme et susceptible de varier dans le temps, c'est-à-dire non constant; la variation de ce champ magnétique produit une variation de la température critique Tc de chacune des branches 3 et 2. Il est ainsi possible d'abaisser la température critique Tc d'une branche donnée en dessous de la température T à Iaquelle fonctionne l'interrupteur (qui peut par exemple être celle de l'azole liquide) et de rendre ainsi la branche "normale"; inversement on peut faire monter la température critique Tc d'une branche donnée au-dessus de la température T A laquelle se trouve l'interrupteur et rendre ainsi la branche "supraconductrice". Au lieu de faire varier T autour de T, comme cela a été expliqué dans le paragraphe précédent, on peut aussi faire varier T autour de T (ce qui est plus simple du point de vue c du concept, mais plus compliqué à réaliser en pratique, ainsi qu'il est connu par l'homme du métier): ce moyen de commande de l'état (normal ou supraconducteur) de l'une et/ou de l'autre branche rentre dans le cadre de l'invention. L'invention couvre également un interrupteur analogue à celui décrit dans ce qui précède, mais fabriqué à partir de guides d'ondes, de ligne coaxiale, ou de tout autre type de ligne hyperfréquence à constantes réparties ou à constantes localisées (et non plus A partir de lignes microrubans). Des guides d'ondes comportant des parois intérieures recouvertes d'un matériau supraconducteur sont en effet connus: selon l'état, normal ou supraconducteur, dudit matériau, les guides sont eux aussi dits anormaux" ou. "supraconducteurs" vis-A-vis de la propagation d'un signal hyperfréquence. Un tel interrupteur comporte par exemple -un premier guide d'ondes (constituant ledit premier tronçQon 1); - une première jonction en T parallèle (constituant ladite bifurcation 23); deux portions de guides d'ondes (constituant respectivement lesdites branches 2 et 3); - une seconde jonction en T parallèle (constituant ladite réunion 32); - un second guide d'onde (constituant ledit second tronçon 4). Naturellement, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits; en particulier elle englobe l'utilisation de tout type de jonction introduisant ou non des déphasages supplémentaires. REVENDICATIONS 1. Interrupteur hyperfréquence caractérisé en ce qu'il comporte - un premier tronçon (1) de ligne hyperfréquence - une bifurcation (23) du premier tronçon (1), une première ou les deux branches (2; 3; 2, 3) de ligne hyperfréquence obtenues étant susceptible(s) de passer de façon réversible d'un état normal dans un état supraconducteur, à une température critique (To) c - une réunion (32) en un second tronçon (4) de ligne hyperfréquence, des deux branches (2, 3), ces deux branches (2, 3) ayant. des longueurs différentes, la différence de longueur correspondante étant sensiblement égale à un nombre impair de demi- longueurs d'onde de fonctionnement de l'interrupteur; - des moyens de commande (13, 14) de l'état de la première ou de chacune des deux branches; une identité et une différence d'état entre les deux branches assurant respectivement l'ouverture et la fermeture de l'interrupteur. 2. Interrupteur hyperfréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande sont susceptibles de provoquer une variation de la température critique (T e) de la première ou de chacune des deux branches au moyen d'une application d'un champ magnétique variable, ladite variation assurant ledit passage réversible d'un état normal dans un état supraconducteur de la première ou de chacune des deux branches sans variation de la température de celle (s)ci. 3. Interrupteur hyperfréquence selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande comportent deux électro-aimnants (13, 14) indépendants dont les entrefers respectifs sont situés respectivement autour des deux branches (2, 3). 4. Interrupteur hyperfréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande assurent une variation de la température de la première ou de chacune des deux branches, autour de la température critique (Te), sans variation de celle-ci. 5. Interrupteur hyperfréquence selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est ouvert lorsque les deux dites branches (2, 3) sont dans un état normal. 6. Interrupteur hyperfréquence selon l'une des revendications 1 A 4, caractérisé en ce qu'il est ouvert lorsque les deux dites branches (2, 3) sont dans un état supraconducteur. 7. Interrupteur hyperfréquence selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits tronçons (1, 4) et branches (2, 3) de lignes hyperfréquence sont des lignes microrubans. 8. Interrupteur hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que: - lesdits tronçons (1, 4) et branches (2, 3) de lignes hyperfréquence sont des guides d'ondes - ladite bifurcation (23) et ladite réunion (32) sont des jonctions en T parallèle. 9. Interrupteur hyperfréquence selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les impédances respectives des branches (2) et (3) sont choisies pour assurer lorsque l'interrupteur est ouvert -une division de la puissance en deux parties sensiblement égales à l'endroit de la bifurcation (23); - un coefficient de réflexion faible à l'entrée dudit interrupteur - sensiblement une égalité des amplitudes des signaux provenant de chacune des deux branches (2, 3) à l'endroit de la réunion (32); - sensiblement une opposition de phase desdits signaux à l'endroit de ladite réunion (32). 6-Bl X -L f' L. l". -9DI L/t. ú688Z93