Brevet FR2676599A1 — publié le 19921120

COUPLEUR LARGE BANDE EN TECHNOLOGIE COUCHE EPAISSE ET PROCEDE DE REALISATION L'invention concerne un coupleur hyperfréquence à microrubans réalisable en particulier sur des circuits imprimés dits couche épaisse et à un procédé de réalisation d'un tel coupleur. Des coupleurs à microrubans sont des éléments de circuit intégré à hyperfréquences à 4 accès utilisés pour diriger de l'énergie sous forme de micro-ondes. Un coupleur à microrubans comprend deux lignes de transmission à microrubans parallèles, ayant un plan de masse commun. Les extrémités de l'un des microrubans comprennent un accès incident et un accès direct. Les extrémités de l'autre microruban comprennent un accès couplé et un accès isolé, l'accès couplé étant proche de l'accès incident. De façon idéale, l'énergie hyperfréquence, appliquée à l'accès incident, est dirigée vers l'accès direct et l'accès couplé, uniquement. En pratique, une certaine énergie, est aussi transmise par couplage à l'accès isolé.La quantité relative de puissance ou d'énergie disponible à l'accès couplé peut être caractérisée par une perte d'insertion de l'accès couplé exprimée en décibel, ainsi une perte de 10 dB signifie que le niveau de l'accès couplé se situe 10 dB en dessous du niveau d'entrée à l'accès incident. Dans ce cas en négligeant les pertes, l'accès couplé reçoit 1/10 de l'énergie arrivant à l'accès incident, l'accès direct en reçoit 9/10. Un coupleur important est le coupleur à 3 dB qui divise la puissance incidente de manière qu'une moitié soit disponible à l'accès direct et que l'autre moitié le soit à l'accès couplé. Le réglage du couplage entre l'accès incident et l'accès couplé se fait en réglant ltécartement entre les microrubans ainsi que leur largeur dans la zone de couplage. L'un des coupleurs les plus employés en technologie couche mince est le coupleur dit de LANGE présenté au Symposium International de DALLAS en mai 1969 et rapporté dans un article de "IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques" de décembre 1969 Pages 1150 et 1151. En technologie couche épaisse la réalisation la plus proche de l'invention est décrite dans le brevet FR 2.637.128 et représenté en vue de dessus et en coupe figures 6 et 7 de ce brevet. Cette réalisation est relative à un coupleur comportant deux lignes 118 et 119, chacune des lignes comportant deux tronçons, disposés symétriquement. L'une des lignes est située sous une face d'une couche de diélectrique, l'autre ligne est située sur l'autre face. Les extrémités des deux tronçons formant la ligne 118 sont reliées entre elles par une bande conductrice formée elle-même de deux doigts villa, 111b raccordés chacun d'une part à l'extrémité des tronçons de la ligne 118 et d'autre part entre eux par une partie courte et moins large lllc. Les extrémités de la ligne 119 sont raccordées de la même façon par des doigts 115a, 115b raccordés entre eux par une partie courte 115c. Les doigts 111-115 sont situés de part et d'autre de la couche de diélectrique séparant les lignes 118 et 119.Les doigts alla, lllb, 115a, 115b ont une largeur W et leur front avant sont séparés longitudinalement d'une valeur S pouvant être négative, une valeur de S négative signifiant que les doigts 111 et 115 sont au moins partiellement l'un au-dessus de l'autre de part et d'autre de la couche de diélectrique. Le couplage est réglé en jouant sur les valeurs de S et W. Le but de la présente invention est de produire un coupleur ayant une bande passante plus large. La bande passante est dans ce cas, dite plus large si la valeur du couplage entre l'entrée incidente et chacune des sorties couplée et directe reste constante sur une bande de fréquence plus large. Ce résultat est atteint paradoxalement en supprimant la liaison centrale sur les doigts de couplage ce qui simplifie la réalisation. L'invention est donc relative à un coupleur à microrubans pour ondes hyperfréquences, large bande, de longueur d'onde centrale g, comportant sur un substrat une première et une seconde ligne conductrice, chacune des lignes étant dans une zone dite de couplage composée de deux tronçons d'extrémités al, a2 pour la première b1, b2 pour la seconde les extrémités a1 et b1 étant situées longitudinalement sensiblement dans le prolongement l'une de l'autre, de même que les extrémités a2 et bl, transversalement à une distance électrique égale à un quart de la longueur d'onde centrale, les extrémités a1, a2 - b1, b2 étant de part et d'autre d'une couche de matériau diélectrique, caractérisé en ce que les extrémités a1, a2 bl, b2 de chacun des deux tronçons de lignes sont liés entre eux par deux doigts conducteurs situés de part et d'autre de la couche de diélectrique chacun des doigts ayant un bord avant et un bord arrière les quatre bords étant parallèles entre eux situés perpendiculairement aux extrémités des lignes et de longueur égale. Dans la suite de l'exposé l'accès de ligne terminée par l'extrémité a1 sera considéré comme l'accès incident celui terminé par l'extrémité a2 comme accès direct, b1 correspond à l'accès couplé et b2 à l'accès isolé. Le couplage entre l'accès incident et l'accès couplé est réglé en jouant sur l'écartement ou le recouvrement des doigts de jonction des extrémité a1, a2 et bi, b2 et en agissant également sur leur largeur. Le mode général de réalisation de l'invention un mode préféré de réalisation et des courbes illustrant les résultats obtenus seront maintenant décrit en référence aux dessins annexés dans lesquels. Les figures 1 et 2 représentent le mode général de réalisation de l'invention en vue de dessus et en coupe. La figure 3 représente un mode de réalisation des lignes au-delà de la zone de couplage. La figure 4 représente les courbes de résultat pour un coupleur 3dB selon l'invention. La figure 1 représente en vue de dessus une première ligne conductrice 1 et une seconde ligne conductrice 2. Ces lignes sont chacune formées de deux tronçons ayant chacun une extrémité a1, a2 pour la ligne 1 et b1, b2 pour la ligne 2 située dans une zone dite de couplage. Cette zone est matérialisée de façon large par le pourtour d'une zone 3 comportant un matériaux diélectrique. Les conducteurs 1 et 2 sont disposés sur un substrat 4 par exemple de l'alumine, les extrémités a1, a2 sont sur le substrat ; dans la zone de couplage ces extrémités sont parallèles et situées à une distance électrique égale à X g/4, elles sont reliées par un doigt conducteur 5 de largeur W perpendiculaire aux extrémités a1, a2 de la ligne 1. Les bords extérieurs 7 du conducteur 1 sont reliés au doigt 5 par un chanfrein à 450. Les bords intérieurs 9 du conducteur 1 forment un angle de 900 avec les bords du doigt 5. Le conducteur 1 et le doigt 5 sont recouverts d'une couche de diélectrique 3. Le dessus de cette couche de diélectrique comportent les extrémités b1, b2 de la ligne 2. Sur la vue de dessus l'extrémité b1 est, dans la zone de couplage, située longitudinalement dans le prolongement du tronçon de la ligne 1 terminé par l'extrémité al, de même l'extrémité de l'autre tronçon de la ligne 2, b2 est située longitudinalement dans le prolongement du tronçon de ligne 1 terminée par l'extrémité a2. Les extrémités bl, b sont 1 > 2 situés à une distance électrique égale à X g/4. Elles sont reliées entre elles par un doigt 6 de largeur W, perpendiculaire aux extrémités de la ligne 2. Les bords extérieurs 8 du conducteur 2 sont reliés au doigt 6 par un chanfrein à 450. les bords intérieurs 10 forment un angle de 900 avec les bords du doigt 6. Les extrémités b1, b2 et le doigt 6 sont situés au dessus de la couche de diélectrique.Les positions respectives en épaisseur des conducteurs 1 et 2, des doigts 5 et 6 et du diélectrique 3, telle qu'elles viennent d'être décrites sont matérialisés sur la figure 2 qui est une coupe effectuée selon AA de la figure 1. La largeur W des doigts étant fixée la valeur du couplage dépend du recouvrement des doigts 5 et 6. Pour définir ce recouvrement on considère sur la figure 1 un axe XX' qui est colinéaire dans le plan du substrat 4 avec la ligne que formeraient les bords avant 11, 12 des doigts 5 et 6 si ces bords avant étaient sur une même ligne. Par bord avant on entend sur la figure telle que représentée, pour le doigt 6, le bord 12 le plus à droite et pour le doigt 5 le bord 11 le plus à gauche. L'axe XX' constitue donc la ligne où ces deux bords se touchent. Le recouvrement des doigts 5 et 6 peut être définit par la distance algébrique des bords avants 11 et 12 de ces doigts. Les courbes représentés figure 4 et suivantes pour représenter les résultats acquis utiliseront ces distances algébriques pour définir l'éloignement ou le recouvrement des doigts 5 et 6. Un mode préférentiel de réalisation d'un coupleur à 3dB sur substrat alumine consiste à mettre dans la zone de couplage les doigts en recouvrement de quelques dizaines de microns. Dans cette zone leur largeur est comprise entre 20 et 40% de celle des lignes d'accès. Un exemple de réalisation sera maintenant décrit en référence à la figure 3. Cette figure représente en vue de dessus le dessin des conducteurs 1 et 2 dans la zone de couplage 3 et au delà. Dans la zone de couplage représentée par le pourtour du diélectrique 3 les conducteurs et les doigts 5 et 6 sont disposés conformément à ce qui a été décrit pour la figure 1. Pour cette réalisation on s'intéresse à la forme des conducteurs 1 et 2 en dehors de la zone de couplage. Dans la zone de couplage les extrémités a1, a, bl b2 des tronçons de ligne 1 et 2 doivent être distant de X g/4. Par contre en dehors de cette zone l'écartement est commandé par la nature des circuits qui seront placés en amont et en aval. Il est en général nécessaire d'écarter les conducteurs. Dans cet exemple de réalisation les conducteurs présentent une symétrie d'une part par rapport à l'axe XX' et d'autre part par rapport à la médiatrice des doigts 5 et 6. L'ensemble de la position des conducteurs sera donc définie par la position d'un seul tronçon de conducteur. On définira donc la géométrie du tronçon de conducteur 1 terminée par l'extrémité a1. La ligne médiane du conducteur 1 est constituée de deux huitième de cercle formant une ligne continue, le premier cercle a pour centre un point de l'axe XX' situé en dehors de la zone de couplage, l'autre cercle est de même rayon que le premier et son centre est situé à l'intersection de la médiatrice des doigts 5 et 6 et d'une droite faisant avec l'axe XX' un angle de 450. Après cette portion courbe le conducteur reprend une direction perpendiculaire à XX'. Les rayons des cercles seront fonction des dispositifs que l'on souhaite placer sur la ligne. Un procédé de fabrication de l'invention sera maintenant indiqué. Les différentes couches sont déposées sur le substrat diélectrique sous une forme de pâte à travers un écran à maillage très fin, dont les ouvertures correspondent à la géométrie du circuit que l'on veut réaliser, tendu sur un cadre rigide. Le conducteur (repère 1 sur la figure 1 et le doigt 5 sont d'abord déposés directement sur le substrat diélectrique. Après séchage au moyen d'infrarouges, pour éliminer les solvants, la couche imprimée est cuite à haute température (vers 800#9000 C). On obtient ainsi un dépôt conducteur de grande conductivité électrique d'épaisseur 10 Crm environ. On dépose ensuite dans la zone de couplage (repère 3 de la figure 1) au moins une couche d'encre diélectrique, de constante diélectrique proche de celle du substrat. Après séchage et cuisson de la couche de diélectrique, on dépose le conducteur 2 et le doigt 6 dans les mêmes conditions que le premier conducteur. La figure 4 montre les performances d'un coupleur large bande 3dB ainsi réalisé. On a porté sur cette figure, en fonction de la fréquence, les valeurs mesurées en ligne continue Sl1 du coefficient de réflexion et S21, S31 et S41 des coefficients de transmission respectivement des voies isolée, directe et couplée, ainsi que les valeurs correspondantes en pointfflé S'11, S 21 > S 31 et S'41 initialement obtenues par calcul. Comme on peut le voir, si l'on inclut les perturbations introduites par les organes de test, les performances mesurées correspondent sensiblement aux performances calculées. La largeur de bande du dispositif est sensiblement de 2 octaves. REVENDICATIONS 1. Coupleur à microrubans pour ondes hyperfréquences, large bande de longueur d'onde centrale g comportant sur un substrat une première et une seconde ligne conductrice (1, 2) chacune des lignes étant dans une zone dite de couplage composée de deux tronçons d'extrémités al, a2 pour la première bl, b2 pour la seconde les extrémités a1 et b1 étant situées longitudinalement sensiblement dans le prolongement l'une de l'autre de même que les extrémité a2 et ba, transversalement à une distance électrique égale à un quart de la longueur d'onde centrale, les extrémités al, a2 - b1, b2 étant de part et d'autre d'une couche de matériau diélectrique (3), caractérisé en ce que les extrémités ai, a2 - bi, b2 de chacune des deux lignes (1, 2) sont liées entre elles par deux doigts (5, 6) conducteurs situés de part et d'autre de la couche de diélectrique (3) chacun des doigts (5, 6) ayant un bord avant (11, 12) et un bord arrière, les quatre bords étant parallèles entre eux situés perpendiculairement aux extrémités des lignes et de longueur égale. 2. Coupleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat peut être tout substrat diélectrique compatible avec les dépôts de diélectrique et de conducteurs dans la technologie couche épaisse. 3. Coupleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le substrat est de l'alumine. 4. Coupleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bords extérieurs (7, 8) des conducteurs (1, 2) sont raccordés aux doigts (5, 6) par un chanfrein à 450. 5. Coupleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les bords intérieurs (9, 10) des conducteurs (1, 2) sont raccordés aux doigts (5, 6) par un angle à 900. 6. Coupleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que chacun des quatre tronçons de ligne conductrice (1, 2) arrivant dans la zone de couplage (3) comporte une ligne médiane formant une ligne continue composée de deux parties la première est le huitième d'un cercle centré sur une demi-droite se situant dans le prolongement des doigts (5, 6) la seconde est le huitième d'un cercle dont le centre se trouve à l'intersection de la médiatrice des doigts (5, 6) et d'une droite passant par le centre du premier cercle et faisant avec la médiatrice un angle de 450. 7. Coupleur selon la revendication 3 caractérisé en ce que la largeur des doigts de couplage (5, 6) est comprise entre 20 et 40 % de la largeur des lignes conductrices (1, 2). 8. Procédé de réalisation du coupleur selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que 1) On dépose sur un substrat un premier conducteur sous forme de pâte à travers un écran à maillage très fin comportant des ouvertures correspondant à la géométrie du circuit que l'on veut réaliser 2) On sèche cette pâte à l'infrarouge 3) On cuit la couche imprimée entre 800 et 9000C 4) On dépose dans une zone de couplage une ou plusieurs couches d'encre diélectrique; 5) On sèche et on cuit le diélectrique 6) On dépose le second conducteur dans les mêmes conditions que le premier.