Brevet FR2659499A1 — publié le 19910913

L'invention concerne un système de transmission d'énergie électrique, aux hyperfréquences, à effet gyromagnétique, tel que circulateur, isolateur ou filtre, du type comprenant un dispositif gyrateur qui comporte au moins une pastille, avantageusement en forme d'un disque, en un matériau gyromagnétique tel que du matériau ferrite, dont une face est mise à un potentiel de référence tel qu'un plan métallique pouvant être relié ou non à la masse du système et au moins deux réseaux d'accord comportant chacun une inductance disposée sur l'autre face de ladite pastille et dont une extrémité est mise à la masse du dispositif gyrateur tandis que l'autre est reliée à une borne d'entrée du système de transmission, le dispositif gyrateur étant soumis à un champ magnétostatique homogène d'excitation du gyrateur. Les limites d'utilisation des systèmes de transmission de ce type, qui sont connus, sont imposées par la fréquence de résonance naturelle du gyrateur, c'est-à-dire par la fréquence déterminée par des capacités parasites inhérentes à la configuration des éléments constitutifs et de la structure de l'ensemble. Une deuxième limite apparaît lorsqu'on désire faire transiter de la puissance au travers du système D'une manière générale, la puissance transmise est proportionnelle au diamètre de la pastille gyromagnétique utilisée et inversement proportionnelle aux pertes de transmission Or, l'augmentation des dimensions du dispositif gyrateur augmente la capacité parasite et s'accompagne ainsi d'une réduction de la fréquence de résonance naturelle On sait en outre que les pertes de transmission peuvent être minimisées par un choix approprié des paramètres magnétiques appropriés ainsi d'un coefficient de couplage optimum, c'est-à-dire voisin de 1 Un tel coefficient de couplage s'obtient en augmentant le nombre de brins conducteurs qui constitue l'inductance Or l'augmentation du nombre des brins entraîne à nouveau une augmentation de la capacité parasite et par conséquent une réduction de la fréquence de résonance naturelle. La présente invention a pour objectif de proposer un système de transmission du type énoncé plus haut, qui permet au moins de diminuer fortement cette capacité parasite de façon à augmenter la fréquence naturelle et que les autres paramètres du système tels que les dimensions géométriques du dispositif gyrateur, le nombre de brins conducteurs des inductances et le coefficient de couplage puissent être choisis de façon avantageuse sans que cela soit préjudiciable à la fréquence de résonance naturelle. Pour atteindre ce but, un système de transmission selon l'invention est caractérisé en ce qu'une couche en un matériau électriquement isolant et de faible permittivité est disposée entre les inductances et la pastille en matériau gyromagnétique. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la couche isolante est constituée par superposition de plusieurs plaquettes en un matériau électriquement isolant de faible permittivité, qui sont interposées entre les inductances précitées en isolant électriquement les inductances les unes des autres. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, une inductance précitée est réalisée sous forme d'un certain nombre de brins conducteurs reliés à une extrémité à la masse du dispositif gyrateur et montés en parallèle, tels qu'un nombre compris entre 2 à 10. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels: la figure 1 est une vue en perspective et éclatée d'un système de transmission d'énergie électrique selon la présente invention; la figure 2 est une vue en coupe selon un plan vertical passant par la ligne II-II de la figure 1, à l'état assemblé et à plus grande échelle; la figure 3 est une vue en perspective et éclatée d'un premier mode de réalisation du dispositif gyrateur 1 selon la figure 1; la figure 4 est une vue en perspective et éclatée d'un deuxième mode de réalisation du dispositif gyrateur 1 de la figure 1; la figure 5 est un troisième mode de réalisation du dispositif gyrateur selon la figure 1; et les figures 6 et 7 représentent des courbes définissant la relation respectivement entre la fréquence limite d'une part et la puissance admissible et d'autre part, le diamètre de la pastille gyromagnétique. En se reportant aux figures 1 et 2, on constate qu'un système de transmission d'énergie électrique, aux hyperfréquences, à effet gyromagnétique comporte essentiellement un dispositif gyrateur 1 susceptible d'être monté sur une plaquette à circuit imprimé 2 disposé entre des platines supérieure et inférieure respectivement 3 et 4 en métal ou un alliage non magnétique, par exemple en aluminium, chacune pourvue d'un perçage central 5 destiné à recevoir une pièce polaire 7 par exemple en acier et un aimant 8 Une plaque de fermeture magnétique supérieure 10 et une plaque de fermeture magnétique inférieure 11 sont disposées respectivement sur les surfaces extérieures libres des aimants supérieur et inférieur 8 L'ensemble est entouré d'une ceinture 12 se composant de plusieurs éléments 13, 14, 15 et reliant magnétiquement les plaques de fermeture supérieure et inférieure 10 et 11 pour fermer le circuit magnétique La ceinture comporte trois connecteurs 16 qui sont fixés à trois côtés des platines 3 et 4 à l'état assemblé du système. La plaquette à circuit imprimé 2 présente dans son centre un évidement 17 adapté pour recevoir le dispositif gyrateur 1 La plaquette 2 porte sur sa surface supérieure un motif de bandes et de zones électriquement conductrices, à savoir trois bandes sensiblement radiales 19 qui s'étendent du bord de l'évidement 17 jusqu'au bord de la plaquette et sont destinées à être électriquement reliées chacune au conducteur 18 (figure 2) d'un des connecteurs 16, et trois zones 20 qui sont électriquement isolées en 21 des bandes 19 et sont destinées à être en contact électrique avec la platine supérieure 3 qui prend appui sur chaque zone 20 par un picot 22 et constitue une électrode de masse. Il est à noter que chaque bande 19 est en général relié au conducteur 18 correspondant par l'intermédiaire d'un réseau d'adaptation non représenté et comportant des cellules de type LC, de façon connue en soi. En se reportant aux figures 3 à 5, on décrira ci-après trois modes de réalisation d'un dispositif gyrateur 1 selon la présente invention. Selon un premier mode de réalisation, représenté à la figure 3, le dispositif gyrateur 1 comporte une configuration de trois inductances 23, 24, chacune comportant deux brins conducteurs 27, 28 disposés dans un même plan qui sont parallèles et reliés à leurs extrémités indiquées en 29 et 30 Ces extrémités sont réalisées sous forme de pattes de raccordement électrique dont l'une, par exemple la patte 29 est reliée à l'une des zones de masse 20 du circuit imprimé sur la plaquette 2 et du dispositif gyrateur tandis que l'autre patte portant la référence 30 sera reliée électriquement à l'une des bandes conductrices 19 du circuit imprimé. Ces inductances 23 à 25 peuvent être réalisées en tout métal conducteur approprié et présentent une structure auto-porteuse Les inductances sont isolées électriquement les unes des autres par interposition d'un isolant approprié Les inductances sont arrangées de façon à être angulairement décalées de 1200. Deux disques 32, 33, de forme circulaire dans l'exemple représenté, en un matériau électriquement isolant et d'une faible permittivité sont disposés de part et d'autre de la configuration des trois inductances 23 à 25 Ces disques pourraient être des disques en Téflon ou en une matière diélectrique telle que de la céramique Sur chaque disque 32, 33 est posé un disque respectivement 34, 35 en un matériau gyromagnétique, tel que du matériau ferrite La face externe de chaque disque gyromagnétique est donc, à l'état assemblé du système, au contact d'un plan métallique pouvant être relié ou non à la masse du système Comme il ressort de la figure 1, les différentes pattes de raccordement 29, 30 font radialement saillie de l'ensemble formé par l'empilement des disques 32 à 35 sur la configuration centrale des inductances 24, 25, pour pouvoir être électriquement reliées au circuit imprimé de la plaquette 2. La figure 4 montre un mode de réalisation du dispositif gyrateur 1 dans lequel la couche isolante, de faible permittivité est formée par quatre disques ou plaquettes de plus faible épaisseur 37 à 40 qui sont empilés entre les disques gyromagnétiques supérieur et inférieur 34, 35 Les trois inductances 23 à 25 sont disposées chacune entre deux disques isolants voisins, en étant angulairement décalés de 1200, comme le montre la figure 3 Dans ce mode de réalisation chaque inductance comporte dix brins parallèles Chaque inductance peut être réalisée de façon à présenter une structure auto-porteuse ou être posée, sous forme d'un circuit imprimé sur une surface d'un des disques 37 à 40, en prévoyant bien entendu un support pour les pattes de raccordement 29, 30 Dans ce mode de réalisation, les disques 37 à 40 sont avantageusement réalisés en un matériau diélectrique tel que de la céramique. Dans le mode de réalisation selon la figure 5 la couche isolante de faible permittivité est formée par sept disques 42 à 48 qui sont empilés entre les disques gyromagnétiques 34, 35 en prenant en sandwich entre eux les inductances Dans ce mode de réalisation chaque inductance est divisée en deux moitiés qui, dans l'ensemble du gyrateur sont juxtaposées et électriquement reliées en parallèle Par exemple l'inductance 23 des figures 3 et 4 est maintenant formée par les deux demi-inductances 23 a et 23 b, interposées respectivement entre les disques 43, 44 et 46, 47, c'est-à-dire entre deux paires de disques différentes De la même manière les inductances 24 et 25 sont formées respectivement par les demi-inductances 24 a, 24 b et 25 a, 25 b et disposées entre deux paires de disques différentes, comme cela ressort de la figure 5. On décrira ci-après le fonctionnement d'un système selon la présente invention, qui vient d'être décrit à titre d'exemple en se reportant aux figures. La structure générale d'un tel système de transmission est connue en soi et n'a donc pas besoin d'être décrite plus en détail Les disques en un matériau gyromagnétique 34, 35 sont plongés dans le champ magnétique statique engendré par les aimants 8, comme il ressort clairement des figures 1 et 2 Le circuit magnétique se ferme par les plaquettes de fermeture supérieure 10 et inférieure 11 et la ceinture 12 Par l'intermédiaire des connecteurs 16, on applique au matériau gyromagnétique un champ hyperfréquence perpendiculaire, la longueur d'onde de ce champ étant très grande devant la longueur des axes des disques gyromagnétiques, de sorte que le champ soit uniforme dans le volume de ceux-ci. L'interposition d'une couche isolante, de faible permittivité entre la configuration des inductances et chaque disque en matériau gyromagnétique permet de réduire considérablement, la capacité parasite due aux dimensions des bandes conductrices, des inductances et de leur nombre de brins et de l'épaisseur du matériau gyromagnétique La forte réduction de cette capacité parasite permet d'augmenter la fréquence de résonance naturelle du système gyrateur qui est donnée par l'équation F = l 21 ( 3 L O C' Jeff)I / 2 o L O est la valeur pour la valeur d'une inductance pour une perméabilité Peff = 1 et C' la somme des capacités parasites. Il devient ainsi évident qu'on peut augmenter la fréquence naturelle, c'est-à-dire du fonctionnement du dispositif gyrateur 1 en diminuant la capacité parasite C' Cette fréquence de fonctionnement constitue la fréquence limite du système En effet, la fréquence à laquelle sera accordée le système est déterminée par la mise en parallèle sur chaque entrée ou accès du dispositif gyrateur 1 d'une capacité (non représentée) et la bande passante relative ainsi que la résistance peuvent être modifiées au moyen de cellules du type LC insérées à l'entrée du dispositif gyrateur. En disposant la couche isolante de faible permittivité, sous forme d'un ou de plusieurs disques, entre les deux disques gyromagnétiques 34, 35 du dispositif 1, on introduit une capacité C" qui peut s'écrire sous la forme: Cil" O =îr *S e O Eo,4 r, e et S désignent respectivement la permittivité du vide, la permittivité relative de l'isolant, l'épaisseur et la surface de la couche isolante. Cette capacité C" peut être supposée être en série avec la capacité parasite C' et en choisissant un (r le plus faible possible et une épaisseur la plus grande possible, la capacité introduite C" prend une valeur tellement faible que la capacité totale se trouve fortement diminuée A titre d'exemple du Téflon présente un Er = 2 Concernant l'épaisseur de la couche isolante, dans le mode de réalisation selon la figure 5, chaque disque de Téflon pourrait avoir une épaisseur de 0,1 mm, ce qui donne une épaisseur totale de l'isolant de 0,7 mm. De façon générale, l'épaisseur maximale est fonction de l'épaisseur des disques gyromagnétiques et est déterminée, grossièrement, par le terme E = 2 H max - 3 o H est l'épaisseur du disque gyromagnétique. Il s'est avéré que la fréquence limite F d'un gyrateur selon l'invention est multipliée par v K par rapport à un gyrateur classique si K est le coefficient par lequel la capacité parasite a été diminuée en prévoyant les couches isolantes de faible permittivité, comme cela vient d'être décrit. L'adjonction de l'isolant de faible permittivité et d'épaisseur relativement élevée de 1 à plusieurs dizièmes de millimètres permet également d'augmenter les dimensions des disques de matériau gyromagnétique et le nombre de brins constituant les inductances et d'améliorer ainsi le coefficient de couplage La puissance admissible peut être multipliée par deux ou trois compte tenu de la résistance thermique plus faible, des surfaces d'échange thermique plus grande et d'une meilleure répartition de l'énergie à l'intérieur du matériau gyromagnétique Grâce aux mesures qui viennent d'être indiquées, on peut diminuer les pertes et augmenter la bande de fréquence relative. Les figures 6 et 7 qui montrent respectivement la fréquence limite F (en M Hz) et la puissance admissible Fa (en Watts), en fonction du diamètre D du disque en matériau gyromagnétique, tel que du matériau ferrite, (en cm) confirment ce qui vient d'être dit Dans chaque figure, la courbe A donne les valeurs d'un système typique de la technique classique, tandis que la courbe B donne les valeurs qui ont été mesurées, dans les mêmes conditions que pour la courbe A, d'un système selon l'invention, c'est-à- dire comportant un isolant de faible permittivité et d'une épaisseur élevée entre la configuration des inductances et les disques de ferrite gyromagnétique. Il s'est en outre avéré que les bandes de fréquence passantes relatives d'un système selon l'invention peuvent avoir une largeur qui est deux fois celle d'un système connu dans la zone de basse fréquence de 30 M Hz. Les améliorations qui viennent d'être énoncées peuvent s'appliquer sur divers types de systèmes, en particulier tous ceux qui nécessitent un couplage réciproque ou non, tel que des circulateurs, isolateurs et filtres. L'invention telle que décrite en se reportant aux figures peut être modifiée de diverses manières sans sortir du cadre de l'invention Les techniques de mise en oeuvre de l'invention peuvent être diverses La couche ajoutée pour réduire la capacité parasite peut être un isolant du type adhésif ou non, un diélectrique tel que de la céramique de faible permittivité, ou analogue Les circuits imprimés peuvent être simples ou double face ou du type multicouche La forme des pastilles en matériau gyromagnétique peut avoir toute autre forme appropriée connue Il est de même en ce qui concerne la couche isolante 8 et les inductances Le nombre des pastilles et des couches isolantes peut varier L'invention est également applicable à une structure de système utilisant qu'une seule pastille gyromagnétique sur laquelle sera posée la configuration des inductances, avec interposition d'au moins une couche isolante de faible permittivité Bien entendu, le nombre des raccords d'accès peut être différent et varier entre deux et un nombre plus élevé. il R E V E N D I C A T I O N S 1 Système de transmission d'énergie électrique, aux hyperfréquences, à effet gyromagnétique, tel que circulateur, isolateur ou filtre, du type comprenant un dispositif gyrateur qui comporte au moins une pastille avantageusement en forme d'un disque, en un matériau gyromagnétique tel que du matériau ferrite, dont une face est mise à un potentiel de référence, et au moins deux réseaux d'accord comportant chacun une inductance disposée sur l'autre face de ladite pastille et dont une extrémité est mise à la masse du dispositif gyrateur tandis que l'autre est reliée à une borne d'entrée du système de transmission, le dispositif gyrateur étant soumis à un champ magnétostatique homogène d'excitation du gyrateur, caractérisé en ce qu'une couche en un matériau électriquement isolant et de faible permittivité ( 32, 33 37 à 40; 42 à 48) est disposée entre les inductances ( 23 à 25) et la pastille en matériau gyromagnétique ( 34 ou ). 2 Système selon la revendication 1 comportant deux pastilles en matériau gyromagnétique de part et d'autre des inductances, caractérisé en ce que la couche isolante est formée par superposition de plusieurs plaquettes ( 37 à 40; 42 à 48) en un matériau électriquement isolant de faible permittivité, qui sont interposées entre les inductances ( 23 à 25) en les isolant électriquement les unes des autres. 3 Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que les inductances ( 23 à 25) sont réalisées sous forme d'éléments de circuit plats ayant un certain nombre de brins conducteurs parallèles disposés dans un même plan et reliés à leurs extrémités connectées respectivement à la masse et à l'entrée du système. 4 Système selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une inductance ( 23 à 25) est formée par deux parties parallèles ( 23 a, 23 b à 25 a, 25 b) et chaque partie d'inductance est disposée entre deux paires de plaquettes ( 42 à 48) différentes. Système selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé qu'en ce qu'une inductance ( 23 à 25) ou partie d'inductance ( 23 a, 23 b à 25 a, 25 b) est réalisée sous forme d'un circuit imprimé sur une face d'une plaquette isolante ( 37 à 40; 42 à 48). 6 Système selon l'une des revendications précédente, caractérisé en ce que la couche isolante de faible permittivité ( 32, 33; 37 à 40; 42 à 48) constitue un moyen pour la réduction de la capacité parasite du dispositif gyrateur ( 1). 7 Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que la réduction de la capacité parasite précitée diminue avec l'augmentation de l'épaisseur de la couche isolante et avec une diminution de la permittivité relative. 8 Système selon l'iune des revendications 3 à 7, caractérisé en ce qu'une inductance ( 23 à 25) comporte un certain nombre de brins conducteurs, avantageusement compris entre 2 et 10. 9 Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend trois inductances angulairement décalées de 1200.