Brevet FR2689327A1 — publié le 19931001

CONNEXION HYPERFREQUENCE ENTRE UN CONNECTEUR COAXIAL ET DES ELEMENTS DISPOSES SUR UN SUBSTRAT DIELECTRIQUE La présente invention concerne une connexion hyperfréquence entre un connecteur coaxial et des éIéments disposés sur un substrat diélectrique. Elle s'applique notamment pour la connexion entre des connecteurs coaxiaux, équipant des boîtiers de circuits intégrés hyperfréquence, et des substrats diélectriques supportant des lignes microbandes et contenus dans ces boîtiers. Plus généralement, elle s'applique à toutes connexions entre un connecteur coaxial et un élément hyperfréquence disposé sur un substrat diélectrique, ces connexions étant soumises par ailleurs à des contraintes climato-mécaniques sévères tout en présentant un encombrement le plus réduit possible. Les liaisons entre lignes coaxiales et lignes microbandes sont couramment utilisées dans les circuits intégrés hyperfréquence. Les lignes coaxiales servent particulièrement à relier différents boîtiers de circuits intégrés hyperfréquence entre eux. Les circuits à microbandes sont généralement contenus dans des boîtiers hermétiques équipés de connecteurs coaxiaux assurant par exemple une transmission hyperfréquence avec d'autres circuits, avec une source ou une charge hyperfréquence par exemple. Les liaisons entre lignes coaxiales et lignes microbandes, connues, assurent la continuité électrique des liaisons hyperfréquences. Les lignes coaxiales sont constituées d'un conducteur central et d'un conducteur extérieur, séparés par un milieu diélectrique uniforme. Le mode de propagation des ondes électromagnétiques à l'intérieur de ces lignes, dit TEM, est simple et bien deEini. Le champ électrique est radial et le champ magnétique est tangent à des circonférences concentriques aux conducteurs. Les lignes à microbande se composent d'un ruban métallique et d'une plaque métallique parallèle séparés par un substrat diélectrique. Le champ électrique entre le ruban conducteur et le plan de masse n?est pas contenu totalement dans le substrat diélectrique, car la microbande comporte un interface diélectrique important entre le substrat et l'air. La distribution détaillée des lignes de champ est assez compliquée à définir. Néanmoins la plus grande part de l'énergie est transmise le long de la microbande avec une dispersion des champs électrique et magnétique qui ressemble d'assez près au mode dit TEM, ce qui favorise la liaison directe de ces lignes à microbandes avec des connecteurs coaxiaux. Cependant, par suite des discontinuités d'impédance qui se produisent inévitablement au point de jonction d'un connecteur coaxial et d'une ligne à microbande, par exemple, des réflexions de l'onde transmise risquent de provoquer une altération inadmissible des signaux de fréquences élevées. La région de transition de la structure cylindrique d'un connecteur coaxial à une microbande plane ne doit donc pas présenter de discontinuités, notamment mécaniques et électriques, trop importantes. Plusieurs solutions connues permettent d'obtenir ce résultat mais ne résistent pas à des contraintes climato-mécaniques, ces dernières provoquant notamment la rupture des contacts. Ces ruptures peuvent être par exemple occasionnées par des matériaux dont les coefficients de dilatation évoluent différemment en fonction de la température. Le brevet délivré aux Etats-Unis sous le nO 4.806.892 propose une méthode permettant la réalisation d'une liaison hyperfréquence entre deux plans de niveaux différents supportant des contraintes climato-mécaniques. Cette méthode utilise un substrat flexible préformé présentant deux plans, chacun au niveau d'un point à relier, ces deux plans étant reliés par un autre plan incliné, l'ensemble rappelant une piste de ski. Ce substrat préformé est recouvert sur l'une de ses faces d'une ligne conductrice à microbande et est recouvert sur son autre face d'une couche conductrice. Cette dernière et la ligne à microbande sont reliées à des lignes conductrices interconnectant des composants ou de liaisons hyperfréquence. Les variations de niveau relatif entre les plans à relier sont compensées par la variation de position des deux plans extrêmes du substrat grâce à la flexibilité de ce dernier. L'inconvénient de cette méthode est que, le substrat présentant trois plans d'inclinaison différents, la jonction entre ces plans est anguleuse par suite du pliage du substrat et risque gravement de causer la rupture, d'une part de la ligne à microbande et, d'autre part de la couche conductrice. Par ailleurs, pour être reliée à un autre plan conducteur, tel qu'un côté de boîtier relié au conducteur extérieur d'un connecteur coaxial par exemple, la connexion proposée par ce brevet nécessite d'étendre le substrat par des pattes, appelées "tab" dans la terminologie anglo-saxonne, recouvertes d'une microbande ou d'une couche conductrice et de plier ces pattes pour les braser par exemple sur le plan conducteur. Ces pliages augmentent encore les risques de rupture des liaisons conductrices. De plus le pliage du substrat diélectrique comprime son épaisseur aux endroits de pliage, l'impédance caractéristique de la liaison étant parmi d'autres paramètres fonction de l'épaisseur du substrat diélectrique, il en résulte une modification de l'impédance caractéristique susceptible d'altérer la qualité de la transmission. Une autre solution permettant d'éviter de plier les microbandes ou les couches conductrices consiste à utiliser des rubans flexibles conducteurs en forme de boucle dont les extrémités sont par exemple brasées sur les parties à relier. I1 s'agit d'une bonne solution mécanique mais d'une médiocre solution électrique, notamment à des fréquences élevées, à cause de l'inductance ajoutée aux circuits et qu'il est difficile de compenser. Enfin, l'utilisation d'un câble coaxial semi-rigide entre un connecteur et un substrat diélectrique reste une solution satisfaisante du point de vue mécanique et électrique mais se prête mal aux conditions d'encombrement imposées par la miniaturisation des circuits intégrés hyperfréquence. Le but de l'invention est de pallier les inconvénients précités notamment en permettant d'obtenir une interconnexion résistante aux contraintes climato-mécaniques, très peu inductive et ne nécessitant pas le pliage des couches conductrices, à microbande notamment, qu'elle met en jeu. A cet effet, l'invention a pour objet une connexion hyperfréquence entre un connecteur coaxial et des éléments disposés sur un substrat diélectrique caractérisé en ce qu'elle est constituée d'un substrat diélectrique souple supportant sur une face une ligne conductrice microbande reliant deux de ses extrémités opposées et recouvert sur son autre face d'une couche conductrice, le substrat diélectrique souple étant posé et fixé à l'une de ses extrémités sur un méplat solidaire électriquement et mécaniquement du conducteur extérieur du connecteur coaxiaux, la couche conductrice étant au contact du méplat et la ligne conductrice microbande étant au contact du conducteur central du connecteur coaxial, l'autre extrémité opposée du substrat diélectrique souple étant reliée au substrat diélectrique. L'invention a pour principaux avantages qu'elle permet à la connexion d'occuper un encombrement très réduit, quelle est simple à mettre en oeuvre et qu'elle est économique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard des dessins annexés qui représentent - les figures la et lb, des exemples de connexion hyperfréquence, selon l'art antérieur - les figures 2a à 2d, des exemples de connexion hyperfréquence possible selon l'invention entre un connecteur coaxial et un substrat diélectrique; - la figure 3a, une terminaison de connecteur coaxial possible utilisé dans une connexion selon l'invention; - la figure 3b, des trous métallisés assurant une continuité électrique entre plans conducteurs. - la figure 4, plusieurs connexions réalisées selon l'invention. Les figures la et lb, présentent deux exemples de connexion entre un connecteur coaxial 1 et un élément disposé sur un substrat diélectrique 2 selon l'art antérieur. Le connecteur coaxial 1 traverse la paroi d'un boîtier 3. Dans le cas de la figure la, le contact du conducteur central 4 du connecteur sur une ligne microbande du substrat 2 est effectué au moyen d'une brasure ou d'une colle époxy conductrice 5. Ce contact est facile à réaliser mais résiste peu à des contraintes climato-mécaniques sévères. Dans le cas de la figure lb, un câble coaxial semi-rigide 6 assure la liaison entre le connecteur coaxial 1 et le substrat diélectrique 2. Cette solution satisfaisante tant du point de vue électrique que mécanique est médiocre du point de vue de l'encombrement à cause du relativement grand rayon de courbure du câble. Les figures 2a et 2b, présentent un exemple de connexion possible selon l'invention entre un connecteur coaxial 1 traversant la paroi d'un boîtier 3 vu en coupe et un élément, une ligne microbande 7 par exemple, disposée sur un substrat diélectrique 2 fixé par exemple sur le fond du boîtier 3. La figure 2a, propose une vue d'ensemble de la connexion alors que la figure 2b propose une vue de côté. La figure 2c montre de quelle façon le corps du connecteur peut etre également porté par un matériau isolant et la figure 2d montre un autre moyen de raccordement des substrats sur le boîtier. Le substrat diélectrique 2 est recouvert sur sa face supérieure d'une ligne conductrice microbande 7 et sur sa face inférieure d'un plan conducteur ou plan métallique de masse en contact direct avec le fond du boîtier 3. Le passage des signaux hyperfréquence entre le connecteur coaxial 1 d'une part et la ligne microbande 7 et le plan conducteur recouvrant le substrat diélectrique 2 d'autre part, est assuré par des pistes conductrices disposées sur un substrat diélectrique souple 10. Le substrat diélectrique souple 10 supporte par exemple sur sa face supérieure une ligne microbande 12 reliant deux de ses extrémités opposées et est recouvert sur sa face inférieure d'une couche conductrice dorénavant appelée plan conducteur 11. La souplesse de ce substrat diélectrique 10 de raccordement doit être suffisante pour permettre de supporter les contraintes mécaniques ou climatiques faisant varier les positions relatives des éléments à relieur, le connecteur coaxial 1 et le substrat diélectrique 2 par exemple. Pour éviter tout pliage au niveau du connecteur coaxial 1, notamment du plan conducteur 11, l'extrémité du substrat diélectrique souple 10 repose sur un méplat 8 solidaire électriquement et mécaniquement du conducteur extérieur 9 du connecteur coaxial, sur lequel a été aménagée une surface d'accueil, plane, du substrat diélectrique souple 10. Le plan conducteur 11 est au contact du méplat 8, assurant ainsi la continuité électrique avec le conducteur extérieur 9 du connecteur coaxial 1. Le plan conducteur 11 peut être brasé ou collé sur le méplat 8 par exemple. La ligne microbande 12 située sur le substrat diélectrique souple est en contact avec le conducteur central 4 du connecteur coaxial 1, maintenu par brasure ou collage par exemple. Il est possible à ce niveau de prévoir aussi un contact par pression. La figure 3a illustre un type de terminaison possible d'un connecteur coaxial 1 utilisé pour la connexion hyperfréquence selon l'invention. Le conducteur central 4 est séparé du conducteur extérieur 9 par un diélectrique 14, en téflon par exemple. Sur sa partie inférieure, le conducteur extérieur 9 est prolongé, sa prolongation formant un méplat 8 dont la surface supérieure, plane, accueille et supporte le substrat diélectrique souple 10, dont le conducteur l1 de la face inférieure est par exemple brasé ou collé sur le méplat 8. Plusieurs solutions sont possibles pour relier le substrat diélectrique souple 10 au substrat diélectrique 2 fixé sur le boîtier 3, notamment les lignes microbandes 7, 12 entre elles, ainsi que les plans conducteurs entre eux. L'extrémité du substrat diélectrique souple 12 peut être posée et fixée sur le substrat diélectrique 2 par exemple, comme le montrent les figures 2a, 2b et 2c. Les substrats peuvent être en regard, avec mise à niveau ou non du substrat souple à l'aide d'une cale métallique 18 placée entre le substrat souple 10 et le fond du boîtier 3, comme le montre la figure 2d. Il est en particulier important d'assurer un bon contact de masse entre le plan conducteur 11 du diélectrique souple 10 et le fond du boîtier 3 ou la face inférieure du substrat diélectrique 2 qui lui est fixé. Une solution efficace électriquement consiste à utiliser à cet effet des trous métallisés 13. Dans le cas où le substrat diélectrique souple 10 est posé sur le substrat diélectrique 2, la figure 3b montre une structure possible de ces trous métallisés 13 pour réaliser le contact de masse entre le plan conducteur 11 de la face inférieure du substrat diélectrique souple 10 et la face inférieure 15 du substrat diélectrique 2 en contact avec le boîtier 3. La couche métallique recouvrant la face intérieure des trous métallisés 13 se prolonge sur la face supérieure du substrat diélectrique 2 pour créer une plage d'accueil 16 de la face inférieure du substrat diélectrique souple 10 recouverte du plan conducteur 11. Ce dernier peut par exemple être brasé sur la plage d'accueil 16, la brasure maintenant le substrat souple 10 et assurant la continuité électrique. La face intérieure des trous métallisés étant par ailleurs en contact avec la face inférieure 15 du substrat 2 et le fond du boîtier, le contact de masse est ainsi assuré entre le plan conducteur 11, donc le conducteur extérieur 9 du connecteur coaxial 1 et le fond du boîtier. Le connecteur coaxial peut ne pas être porté directement par le boîtier. Il suffit pour cela d'intercaler entre le boîtier 3 et le connecteur coaxial 1 un matériau isolant 19, en polymère par exemple, comme le montre la figure 2c. La réactance créée par les trous métallisés 13 est pratiquement indépendante de la fréquence ; le plan effectif de court-circuit reste ainsi stationnaire sur un large domaine de fréquence. S'il n'est pas possible de déposer une couche métallique sur la paroi intérieure de ces trous, ces derniers peuvent par exemple contenir une tige métallique assurant la continuité électrique. Dans la région de raccordement des lignes microbandes 7, 12, l'extrémité du substrat diélectrique souple 10 étant posée et brasée sur le substrat diélectrique 2 par exemple, pour éviter tout pliage des pistes conductrices, il en résulte un dénivelé entre les microbandes 7, 12 provoquant une discontinuité dans la ligne de transmission hyperfréquence créée par la connexion. Une autre discontinuité est due à la différence de largeur entre les lignes microbandes 7, 12 à relier, elle-même due aux différences d'épaisseur et de constante diélectrique possibles des deux substrats 2, 10. En effet, les lignes de transmission à microbande ont une impédance caractéristique notamment fonction du rapport entre la largeur des microbandes et l'épaisseur des substrats diélectriques qui les supportent et de la constante diélectrique du matériau diélectrique. Cette impédance caractéristique devant rester sensiblement constante, égale généralement à 50 su , sur toutes les lignes de transmission des signaux hyperfréquences, les lignes microbandes 2, 10 à raccorder ne sont généralement pas de même largeur. Ces discontinuités engendrent des capacités et des inductances parasites dont les réactances sont importantes dans le domaine des signaux hyperfréquences. Selon l'invention, les effets de ces discontinuités peuvent être compensés par l'emploi d'un ruban conducteur 17 d'interconnexion des microbandes 7, 12 à relier, de largeur appropriée, généralement supérieure à la largeur des microbandes 7, 12 à relier. Ce ruban d'interconnexion 17, souple, a une extrémité brasée, collée ou thermocompressée sur la microbande 12 du substrat diélectrique souple 10 et son autre extrémité brasée, collée ou thermocompressée sur la microbande 7 du substrat diélectrique 2. Dans le cas où les lignes microbandes 7, 12 à relier sont en regard, le ruban d'interconnexion 17 sert aussi à relier v ces dernières. Le substrat diélectrique souple 10 peut être par exemple en polytétrafluoroéthylène, renforcé de microfibres de verre ou de céramique spécialement conçues pour stabiliser le substrat 10 dimensionnellement et permettre ainsi des applications de haute fiabilité. Plus généralement tout matériau conférant au substrat diélectrique une souplesse suffisante peut être utilisé. Le matériau constituant le substrat diélectrique souple 10, peut être plaqué de cuivre électrolytique ou de cuivre laminé, dans ce dernier cas pour des applications nécessitant des pertes encore plus faibles. Il peut être facilement coupé, cisaillé ou fraisé. Son épaisseur peut être de l'ordre de 0,254 mm par exemple, tous autres ordres d'épaisseur étant possibles. Sa constante diélectrique peut varier par exemple d'environ 2 à 10. Néanmoins, plus la constante diélectrique augmente, plus le matériau perd de sa souplesse. Bien que les figures 2a et 2d aient présenté une connexion entre un connecteur coaxial et un substrat diélectrique supportant une ligne microbande, le principe de l'invention reste valable pour le raccordement à d'autres types d'éléments hyperfréquences, passifs ou actifs. Néanmoins, dans la plupart des cas, ce raccordemet se fait par l'intermédiaire d'une ligne microbande déposée sur le substrat, d'où l'intérêt de l'exemple d'application des figures 2a et 2d. Toutes les dimensions de connecteurs coaxiaux sont compatibles de connexions selon l'invention, particulièrement ceux de dimensions tres réduites, qu'ils fassent ou non partie de connecteurs multicontacts. Enfin, il est possible de réaliser à l'aide d'un même substrat diélectrique souple, plusieurs connexions comme l'illustre la figure 4 où deux lignes de transmission 1, 1', 4, 4 > 4', 12, 12', 17, 17', 7, 7' ont été représentées. REVENDICATIONS 1. Connexion hyperfréquence entre un connecteur coaxial (1) et des éléments disposés sur un substrat diélectrique (2,) caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un substrat diélectrique souple (10) supportant sur une face une ligne conductrice microbande (12) reliant deux de ses extrémités opposées et recouvert sur son autre face d'une couche conductrice (11), le substrat diélectrique souple (10) étant posé et fixé à l'une de ses extrémités sur un méplat (8) solidaire électriquement et mécaniquement du conducteur extérieur (9) du connecteur coaxial (1), la couche conductrice (11) étant au contact du méplat (8) et la ligne conductrice microbande (12) étant au contact du conducteur central (4) du connecteur coaxial (1), l'autre extrémité opposée du substrat diélectrique souple (10) étant reliée au substrat diélectrique (2). 2. Connexion hyperfréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'autre extrémité opposée du substrat diélectrique souple (10) est posée et fixée sur le substrat diélectrique (2). 3. Connexion hyperfréquence selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couche conductrice (11) est brasée sur le substrat diélectrique (2). 4. Connexion hyperfréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche conductrice (11) est brasée directement sur un fond de boîtier (3). 5. Connexion hyperfréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche métallique (11) est brasée sur une cale métallique (18) fixée sur un fond de boîtier (3). 6. Connexion hyperfréquence selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le méplat (8) est une prolongation de la partie inférieure du connecteur coaxial (9). 7. Connexion hyperfréquence selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la couche conductrice (11) est brasée sur le méplat (8). 8. Connexion hyperfréquence selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le conducteur central (4) est brasé sur la ligne conductrice microbande (12). 9. Connexion hyperfréquence selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 6, 7 ou 8, caractérisée en ce que la couche conductrice (11) est brasée sur une plage d'accueil (16) disposée sur la face supérieure du substrat diélectrique (2), la plage d'accueil (16) étant reliée électriquement à la face opposée du substrat diélectrique (2) par des trous métallisés (13). 10. Connexion hyperfréquence selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que, le substrat diélectrique (2) supportant une ligne conductrice microbande (7), cette dernière est reliée à la ligne microbande (12) du substrat diélectrique souple (10) par un ruban conducteur souple (17). 11. Connexion hyperfréquence selon la revendication 10, caractérisée en ce que la largeur du ruban conducteur (17) est supérieure à la largeur des lignes microbandes (7, 12) qu'il relie. 12. Connexion hyperfréquence selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le substrat diélectrique souple (10) est à base de polytétrafluoroéthylène.