Brevet FR2680281A1 — publié le 19930212

La présente invention concerne un élément de circuit pour des ondes hyperfréquences. Le domaine des ondes centimétriques et millimétriques est actuellement largement utilisé par la radioastronomie, les télécommunications et les radars. Les circuits réalisés mettent en jeu - des lignes de transmission constituées en général par des microrubans dans des configurations permettant de réaliser des dipôles, des quadripôles tels que des transformateurs d'impédance et des filtres, ainsi que des éléments plus complexes tels que des coupleurs et des diviseurs de puissance. Ces éléments sont en général fabriqués par photolithogravure de films métalliques déposés sur un substrat diélectrique; - des composants localisés passifs tels que des résistances, des capacités, des inductances, des ferrites et des résonateurs diélectriques ou actifs tels que des diodes ou des transistors que l'on fixe par collage ou par soudure aux circuits en films métalliques. Dans les circuits actifs, il est souvent nécessaire d'isoler les composantes continues des signaux entre différents étages. Aux fréquences usuelles, il suffit d'insérer une ou deux capacités le long du conducteur reliant ces étages. Certains circuits intégrés, par exemple les amplificateurs d'isolation, se servent d'un couplage inductif par transformateur ou d'un couplage capacitif à deux condensateurs pour assurer cette isolation. Le couplage capacitif peut être obtenu en coupant la ligne de transmission perpendiculairement à sa direction longitudinale de façon que les deux parties résultantes en vis à vis forment une capacité d'isolation. Sur des substrats traditionnels d'épaisseur voisine du millimètre, ces techniques sont limitées à quelques Gigahertz du fait des pertes, notamment diélectriques et par ondes de surface. A plus haute fréquence, l'épaisseur du subtrat doit être réduite. La technologie des couches minces utilise des épaisseurs beaucoup plus faibles. Une plaque isolante d'épaisseur de l'ordre de 100 à 200 J m sert de support mécanique rigide et les films métalliques ainsi que le diélectrique des lignes de transmission sont déposés par-dessus sur des épaisseurs inférieures au micron. Ces techniques sont utilisées jusqu'à plusieurs centaines de Gigahertz. Dans ce domaine de fréquences, les dimensions deviennent si faibles qu'il n'est plus envisageable de placer des composants rapportés. Par ailleurs, la résolution actuelle de la photolithogravure ne permet pas toujours d'appliquer aux circuits en couches minces les techniques de capacité d'isolation décrites ci-dessus et utilisées à des fréquences plus basses. En effet, une simple coupure de la ligne de transmission donnerait une capacité d'isolation qui serait beaucoup trop faible pour coupler efficacement les étages d'un circuit actif. La présente invention vise à pallier cet inconvénient en fournissant des éléments de circuit pour des ondes hyperfréquences permettant en particulier d'obtenir une double isolation en continu, cet élément de circuit étant notamment bien adapté à l'utilisation de résolutions standard dans les technologies en couches minces. A cet effet, l'invention a pour objet un élément de circuit pour hyperfréquences comprenant deux lignes couplées à microrubans, caractérisé par le fait qu'il comprend une couche diélectrique sur chaque face de laquelle sont disposés deux conducteurs, les quatre conducteurs étant sensiblement parallèles et disposés deux par deux en vis à vis, de part et d'autre de la couche diélectrique, des moyens pour appliquer un signal hyperfréquence entre une extrémité d'un premier conducteur et l'extrémité correspondante du conducteur situé de l'autre côté de la couche diélectrique et non en vis à vis du premier conducteur, et des moyens pour recueillir un signal hyperfréquence entre une des extrémités correspondantes de chacun des deux autres conducteurs. Par conducteur, on entend plus particulièrement des microrubans ou des ensembles de microrubans connectés en peignes. L'élément de circuit selon l'invention présente un certain nombre d'avantages par rapport aux structures connues dans lesquelles deux microrubans sont disposés côte à côte en vis à vis d'une masse commune. Tout d'abord le fait que les plans de masse de l'entrée de la sortie soient isolés donne une double isolation en continu. Par ailleurs, l'excitation "croisée" résultant du fait que les deux conducteurs de la ligne d'entrée ne sont pas en vis à vis mais décalés pour être respectivement en vis à vis des deux conducteurs de la sortie permet une excitation sélective des modes non utilisés jusqu'à présent. Plus particulièrement, alors que les structures connues ne font intervenir que les modes pair-impair et impairimpair, l'excitation croisée de l'élément de circuit de l'invention permet de faire également intervenir le mode impair-pair et d'obtenir en conséquence un couplage beaucoup plus efficace des deux lignes de transmission sans pour autant que celles-ci ne doivent se trouver à des distances inférieures à la résolution habituelle des technologies en couches minces. L'élément de circuit tel que décrit ci-dessus peut notamment être lui-même disposé entre deux couches isolantes qui peuvent être consituées par l'air ambiant mais, dans un mode de réalisation préféré de l'invention, l'ensemble de la structure est déposée notamment par des techniques en couches minces sur un substrat isolant. Les conducteurs peuvent être disposés symétriquement ou non par rapport à un plan perpendiculaire à la couche diélectrique ainsi éventuellement que symétriquement ou non par rapport au plan médian de la couche diélectrique. La présente invention a également pour objet l'utilisation d'un élément de circuit tel que décrit ci-dessus comme isolateur galvanique entre deux étages actifs d'un circuit hyperfréquences, comme coupleur, comme résonateur ou comme filtre réjecteur. On décrira maintenant, à titre d'exemple non limitatif, des modes de réalisation particuliers de l'invention, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une illustration schématique des deux lignes d'un élément de circuit selon l'invention - la figure 2 est une vue de dessus d'un mode de réalisation particulier d'un tel élément de circuit; - la figure 3 est une vue en coupe selon la ligne III III de la figure 2 - la figure 4 est une vue en coupe d'un autre mode de réalisation - les figures. 5a et 5b illustrent les résultats obtenus avec, respectivement une excitation croisée et un excitation parallèle de l'élément de circuit de la figure 4 - la figure 6 illustre des conducteurs selon l'invention agencés en peignes - la figure 7 montre l'utilisation de l'invention en coupleur trois ports - la figure 8 montre l'utilisation de invention en coupleur quatre ports - les figures 9 et 10 montrent deux dispositions de circuit selon l'invention disposés en série et - la figure 11 montre l'utilisation de deux circuits selon l'invention disposés en parallèle. La fig. 1 représente quatre microrubans 1, 2, 3, 4, disposés deux par deux de part et d'autre d'une couche diélectrique 5 représentée uniquement en traits mixtes pour une meilleure lisibilité du dessin. Les microrubans 1-4 sont parallèles entre eux, les microrubans 1 et 4 étant côte à côte de même que les microrubans 2 et 3 tandis que les microrubans 1 et 2 se font face de part et d'autre de la couche diélectrique 5 de même que les microrubans 3 et 4. Dans le cas présent, les microrubans ont une même largeur de sorte que la structure ainsi formée est symétrique à la fois par rapport à un plan vertical et par rapport à un plan horizontal. Conformément à l'invention, les microrubans 1 et 3 forment une des lignes de transmission de l'élément de circuit tandis que les microrubans 2 et 4 forment l'autre ligne de transmission. Les deux lignes de transmission 1, 3 et 2, 4 sont par conséquent "croisées". Si l'on se réfère maintenant aux figs. 2 et 3, on voit un élément de circuit selon l'invention comprenant deux lignes constituées par les microrubans conducteurs 1', 3', d'une part, et 2', 4', d'autre part disposés comme dans la fig. 1. Toutefois, dans ce cas, les microrubans 1' et 4', d'une part, ont une largeur différente des microrubans 2' et 3', d'autre part. Les microrubans 2' et 3' sont disposés entre la couche diélectrique 5' (non représentée à la fig. 2) et un substrat 6. Les extrémités 7 et 8 des microrubans 1' et 3', respectivement, situées longitudinalement du même côté de l'élément de circuit constituent les bornes d'entrée de cet élément de circuit tandis que les extrémités 9 et 10 des microrubans 4' et 2', respectivement, situées longitudinalement de l'autre côté de l'élément de circuit constituent les bornes de sortie. Les bornes 7 et 8 peuvent être raccordées à la sortie d'un étage actif amont du circuit et les bornes 9, 10 peuvent être raccordées à l'entrée d'un étage actif aval du circuit afin d'assurer une double isolation en continu de ces deux étages. Bien entendu, il serait également possible de prévoir les bornes d'entrée et de sortie de l'élément de circuit longitudinalement du même côté de cet élément de circuit. Le substrat 6 peut être réalisé par exemple en quartz ou en verre, les microrubans 1' - 4' en matériau conducteur ou supra conducteur et la couche diélectrique 5' en un oxyde tel que SiO2, SiO ou encore l'oxyde de tantale, l'oxyde d'aluminium ou l'oxyde de niobium. Les microrubans ainsi que la couche diélectrique 5' peuvent être déposés en utilisant les technologies en couches minces. L'homme de métier pourra, à partir des paramètres géométriques et des constantes diélectriques, déterminer les caractéristiques de cet élement de circuit. D'une manière générale, il est possible de calculer la matrice des capacités de Maxwell par une méthode variationnelle dans le domaine spectral discret dans le cadre d'une approximation quasi-TEM. Ensuite, une analyse modale de l'octopôle constituée par les quatre microrubans fournit les constantes de propagation et les impédances de modes. Enfin, les conditions de charge donnent la matrice S de répartition. On remarquera que dans le cas de la fig.2, les extrémités des lignes 1', 3' et 2',4' sont isolées mais il pourrait bien entendu en être autrement. La fig. 4 représente un élément de circuit selon l'invention, dans lequel on a désigné par h l'épaisseur de la couche diélectrique de permitivité relative h' l'épaisseur du substrat de permitivité relative w la largeur des microrubans, et s la distance séparant deux microrubans situés d'un même côté de la couche diélectrique. Les courbes des figs. 5a et 5b illustrant la variation en fonction de la frequence du coefficient S21 de la matrice de repartition, ont été obtenues avec - w/h = 1,26, s/h = 1,42, h'/h = 4,72 - r = 10,2, E 'r = 2,6 - et des conducteurs de 30 mm de longueur. On voit sur la fig. 5b qu'avec une excitation parallèle le couplage est très faible alors qu'il est au contraire excellent dans le cas de la fig. 5a obtenu avec une excitation "croisée" conforme à l'invention. Comme montré à la figure 6, deux au moins des conducteurs peuvent être agencés en peignes ce qui constitue un exemple d'association en parallèle de deux dispositifs représentés à la figure 3. Dans le cas présent, les conducteurs 11 et 12 sont ainsi agencés, l'entrée se faisant par exemple sur les conducteurs 11 et 13 et la sortie étant prise entre les conducteurs 12 et 14. La figure 11 montre un autre exemple d'association en parallèle de deux dispositifs 42 et 43 de la figure 3. Dans ce cas, l'entrée se fait par exemple entre les conducteurs 44 et 45 et la sortie est prise entre les conducteurs 46 et 47. L'élément de circuit selon l'invention a été decrit cidessus essentiellement comme isolateur galvanique mais il peut également être utilisé comme résonateur ou comme filtre réjecteur de fréquences, ou comme coupleur à trois ou quatre ports. En effet, cette structure est en fait un octopôle dont les conditions de charge en circuit ouvert sur quatre des huit pôles ne sont présentes que pour l'utilisation en tant qutisolateur. Des conditions de charge différentes, éventuellement imposées par un circuit extérieur, sont envisageables dans le cadre d'une utilisation en coupleur. Les figures 7 et 8 montrent de telles utilisations respectivement en coupleur trois ports et en coupleur quatre ports. Dans le cas de la figure 7, le conducteur 15 a été divisé en deux conducteurs 16 et 17, deux des lignes étant constituées par les conducteurs 16 et 18 d'une part, et 17 et 18 d'autre part, respectivement croisés, et la troisième ligne étant constituée par les conducteurs croisés 19 et 20. Dans le cas de la figure 8, le conducteur 21 a été divisé en deux conducteurs 22 et 23, et le conducteur 24, situé du même côté du diélectrique que le conducteur 21, a été divisé en deux conducteurs 25 et 26. Dans ce cas, deux des lignes sont constituées par les conducteurs 22 et 23 respectivement, associés au conducteur croisé 27 et les deux autres lignes sont constituées par les conducteurs 25 et 26 respectivement, associés au conducteur croisé 28. La figure 9 représente le cas où deux circuits 29 et 30, selon l'invention, sont disposés en série. Dans ce cas, l'entrée se fait par exemple entre les conducteurs 31 et 32 et la sortie est prise entre les conducteurs 33 et 34. La figure 10 représente un autre montage en série de deux circuits 35 et 36, un tronçon de ligne 37 etant intercalé entre ces deux circuits. Dans ce cas, l'entrée se fait par exemple entre les conducteurs 38 et 39 et la sortie est prise entre les conducteurs 40 et 41. Ces éléments de circuit procurent une isolation galvanique totale, possèdent une large bande passante et des pertes faibles et peuvent travailler jusqu'à plusieurs centaines de Gigahertz. Leur géométrie est très compacte, seule leur longueur étant imposée par la fréquence centrale de la bande passante. Leur largeur peut être aussi faible que le permet la photolithogravue et s'accomode des resolutions courantes 1 ou 2 o m. Ils sont particulièrement bien adaptés aux technologies en couches minces puisqu'ils ne nécessitent que trois masques pour leur réalisation. REVENDICATIONS 1. Elément de circuit pour hyperfréquences, comprenant deux lignes couplées à microrubans, caractérisé par le fait qu'il comprend une couche diélectrique (5') sur chaque face de laquelle sont disposés deux conducteurs (1', 4'), les quatre conducteurs etant sensiblement parallèles et disposés deux par deux en vis à vis de part et d'autre de la couche diélectrique, des moyens (7, 8) pour appliquer un signal hyperfréquence entre une extrémité d'un premier conducteur et l'extrémité correspondante du conducteur situé de l'autre côté de la couche diélectrique et non en vis à vis du premier conducteur, et des moyens (9, 10) pour recueillir un signal hyperfréquence entre une des extrémités correspondantes de chacun des deux autres conducteurs. 2. Elément de circuit selon la revendication 1, dans lequel la couche diélectrique est appliquée sur un substrat isolant (6). 3. Elément de circuit selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel les conducteurs sont disposés symétriquement par rapport à un plan perpendiculaire à la couche diélectrique. 4. Elément de circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les conducteurs sont disposés symétriquement par rapport au plan médian de la couche diélectrique. 5. Elément de circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, réalisé par dépôt de couches minces. 6. Elément de circuit réalisé par association serie et/ou parallèle d'éléments de circuits selon l'une quelconque des revendications 1 à 5. 7. Utilisation d'un élément de circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 pour l'isolation galvanique entre deux étages actifs d'un circuit hyperfréquence. 8. Utilisation d'un élément de circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 comme coupleur. 9. Utilisation d'un élément de circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 comme résonateur. 10. Utilisation d'un élément de circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 comme filtre réjecteur.