Brevet FR2879828A1 — publié le 20060623

CIRCULATEUR HYPERFREQUENCE A PLOTS DE CONNEXION Le domaine de l'invention est celui de la connexion des composants électroniques et plus précisément, des composants électroniques hyperfréquence utilisés notamment pour réaliser des isolateurs ou des circulateurs électroniques. Dans un système hyperfréquence, les circulateurs sont des systèmes à trois ports permettant de guider le signal d'un premier port vers l'un des deux autres ports de façon privilégiée comme illustré en figures 1 et 2. Sur la figure 1, le signal émis E symbolisé par un premier arc de flèche venant du port 1 du circulateur 10 est ainsi guidé vers le port 2. A l'inverse, le signal reçu R symbolisé par un second arc de flèche venant du port 2 est guidé vers le port 3. On sépare ainsi, ;sans pertes excessives, le signal émis E du signal reçu R. Plusieurs solutions sont possibles pour réaliser le guidage des signaux. Généralement, la séparation est réalisée par effet non réciproque. Il est connu que certains effets physiques comme l'effet Faraday ne respectent pas la réversibilité du temps, c'est-à-dire qu'une onde électromagnétique n'a pas le même comportement suivant son sens de propagation. Les matériaux magnétiques de type ferromagnétique ont leur susceptibilité qui présente cette particularité . La valeur de la susceptibilité dépend du sens de propagation de l'onde. On peut également dire que la susceptibilité est différente suivant que l'onde est polarisée circulairement gauche ou circulairement droite. C'est cet effet que l'on utilise pour obtenir des circulateurs performants. On peut alors séparer sans pertes importantes les signaux émis et reçus qui sont nécessairement de sens différent. Classiquement, un circulateur 10 comprend essentiellement, comme il est indiqué sur la figure 3: É' Une cavité électromagnétique 9 résonnante qui est un volume rempli d'un matériau diélectrique 12 limité par des parois de type électrique ou magnétique. En règle générale, pour les applications aux circulateurs, la cavité se présente sous la forme d'un disque circulaire plat, ladite cavité comprenant: o Un circuit électronique central 13 comprenant essentiellement: o des lignes coplanaiires; o des pistes de connexion du circuit hyperfréquence situées à 120 degrés l'une de l'autre et qui dépassent de la cavité ; o Deux éléments en ferrite 14 situés au dessus et en dessous du circuit électronique central 13; o Deux plans de masse 15 situés au dessus et en dessous des éléments en ferrite; o L'ensemble constitué d'un premier plan de masse, d'une première ferrite, du circuit électronique, de la seconde ferrite et du second plan de masse étant monté entre deux aimants permanents 16; o D'autres éléments, non représentés sur la figure 3, permettent d'assurer l'homogénéité des champs au moyen de pièces polaires ou les compensations thermiques ou le maintien mécanique. É Un boîtier mécanique 11 de protection. La miniaturisation sans cesse croissante des cartes de circuits imprimés a entraîné l'apparition de composants de taille de plus en plus réduite. Ainsi, un circulateur est monté dans un boîtier dont les dimensions sont de l'ordre de 1 à 2 centimètres. ILe report de tels composants sur les circuits imprimés fait alors appel à des techniques automatisées qui nécessitent d'avoir des composants dont la géométrie soit définie avec une grande précision. Compte tenu des fréquences auxquelles fonctionne le circuit d'un circulateur, tout écart dans le positionnernent des points de connexion du circulateur vis-à-vis des pistes du circuit sur lequel il est monté se traduit par: É des risques de fragilisation de la soudure qui nuisent à la 35 fiabilité de l'assemblage; 10 15 20 É des risques de cours-circuit entre les pistes actives et la masse électrique; É des ruptures d'impédance qui se traduisent par des pertes importantes dans le circuit. De plus, les éléments de piste de connexion qui dépassent à l'extérieur de la carcasse métallique sont fragiles. Ces éléments peuvent en particulier se recourber, se plier ou se casser pendant les différentes manipulations du circulateur avant son montage définitif sur son circuit imprimé, menant à la perte du composant. De nombreuses solutions techniques ont été essayées: É Des solutions mixtes faisant appel à des embases diélectriques de formes diverses, et É Des éléments de connexion à base de circuits imprimés. Cependant, ces solutions ne permettent pas de réaliser simplement un câblage automatique à montage en surface du circulateur. En particulier, lors du report par soudure du composant sur les circuits imprimés, le passage en température se traduit dans le cas des assemblages comportant des circuits imprimés par des dilatations différentielles entraînant une mise sous contrainte excessive du dispositif. L'invention se propose de remédier à ces problèmes. Le circulateur selon l'invention comporte des aides au positionnement mécanique intégrées aux plots de connexion électriques, permettant de minimiser les problèmes de montage et d'obtenir une meilleure reproductibilité entre circulateurs. Dans le circulateur selon l'invention, la partie électronique du circulateur est montée en contrainte clans son boîtier. On obtient ainsi un boîtier clipsé d'un coût réduit par rapport aux boîtiers traditionnels dont l'assemblage est réalisé au moyen de pièces de maintien nécessitant des usinages spécifiques tels que des filetages ou des taraudages. De plus, les traversées coaxiales de cette nouvelles solution permettent d'obtenir un composant plus facilement manipulable et transportable sans précautions particulières. On augmente ainsi la fiabilité du composant tout en diminuant son coût. Bien entendu, les dispositifs selon l'invention ne sont pas limités au domaine des composants hyperfréquence de type circulateur et peuvent s'appliquer à tout composant électronique à montage en surface nécessitant des précisions de positionnement cle la connectique électronique importantes. Plus précisément, l'invention a pour objet un composant électronique comprenant un boîtier mécanique et un ensemble électronique comportant au moins un circuit électronique, et au moins deux plots de connexion électrique destinés à assurer l'interconnexion électrique du composant avec un circuit imprimé externe, caractérisé en ce que les plots de connexion électrique comportent des moyens mécaniques permettant d'assurer leur positionnement précis dans le boîtier. Avantageusement, chaque plot comprend une âme centrale conductrice reliée au circuit électronique, un isolateur électrique entourant ladite âme centrale et un centreur mécanique comportant des moyens de positionnement. De plus, l'âme centrale a une forme sensiblement cylindrique, l'isolateur électrique est un manchon annulaire de forme sensiblement cylindrique et le centreur mécanique est également un manchon annulaire de forme sensiblement cylindrique, les axes de révolution des différents cylindres étant confondus. Avantageusement, le centreur mécanique comporte au moins une rainure dont l'axe est parallèle à celui des différentes pièces cylindriques composant le plot et le boîtier comporte au moins une glissière dans laquelle la rainure se loge. Avantageusement, le boîtier mécanique comprend essentiellement une partie inférieure et une partie supérieure, la partie supérieure étant clipsée dans la partie inférieure, l'ensemble électronique étant maintenu en contrainte entre ces deux parties, les parties inférieure et supérieure du boîtier étant réalisées en tôle pliée. L'ensemble électronique fonctionne notamment dans la gamme des hyperfréquences, le composant peut être un circulateur ou un isolateur hyperfréquence. Avantageusement, l'âme, l'isolateur et le centreur mécanique du 35 plot sont agencés de façon à assurer une continuité d'impédance entre les 5; lignes coplanaires du circuit électronique et les lignes conductrices du circuit imprimé externe. De plus, si sr est la permittivité électrique de l'isolateur, D son diamètre externe et d son diamètre interne, alors l'impédance Zc du plot de connexion vaut sensiblement: Zc = 138.Log d V r J Ainsi, pour assurer une impédance de 50 ohms dans la gamme des hyperfréquences, avec un isolateur en téflon, le rapport du diamètre externe D de l'isolateur électrique sur son diamètre interne d vaut sensiblement 3, le diamètre externe D est compris entre 1.5 millimètre et 5 millimètres et le diamètre interne d est compris entre 0.45 millimètre et 1.5 millimètre. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles: É les figures 1 et 2 représentent le principe de fonctionnement d'un circulateur hyperfréquence; É la figure 3 représente une vue en coupe simplifiée d'un circulateur; É la figure 4 représente une vue éclatée d'un circulateur selon l'invention; É la figure 5 représente une vue éclatée du montage d'un plot de connexion; É les figures 6 et 7 représentent respectivement une vue de dessus et une vue de côté de la cavité 9 montée dans la partie inférieure du boîtier; É les figures 8 et 9 représentent, en vues de côté, le montage de la partie supérieure du boîtier dans sa partie inférieure. A titre d'exemple non limitatif, la figure 4 représente une vue éclatée d'un circulateur 10 selon l'invention. Il comprend essentiellement: É une cavité électromagnétique 9; É un boîtier mécanique 11 comprenant essentiellement une partie inférieure 110 et une partie supérieure 111. La cavité 9 est composée de: É Un circuit électronique central 13 comprenant essentiellement: o des lignes coplanaires 134 terminées par; o des zones de connexions 135 du circuit hyperfréquence situées à 120 degrés l'une de l'autre et qui dépassent de la cavité ; Deux éléments en ferrite 14 situés au-dessus et en dessous du circuit électronique central 13; É Deux plans de masse 15 situés au dessus et en dessous des éléments en ferrite 14; É L'ensemble constitué d'un premier plan de masse 15, d'une première ferrite 14, du circuit électronique 13, de la seconde ferrite 14 et du second plan de masse 15 étant montés entre deux ensembles magnétiques comprenant des pièces polaires 17 et des aimants permanents 16. Les pièces polaires permettent de rendre homogène les champs magnétiques des aimants permanents; É Une première pièce mécanique 18 permet d'assurer la compensation thermique de la cavité ; É Une seconde pièce mécanique 19 assure la mise sous contrainte mécanique de la cavité dans son boîtier; É Trois plots 130 assurent la connexion entre les pistes de connexion du circuit électronique et le circuit imprimé sur lequel est monté le circulateur. Les plots de connexion 130 permettent d'assurer une connexion 25 électrique précise et reproductible des lignes coplanaires 134 du circulateur sur un circuit imprimé. La figure 5 représente une vue éclatée d'un plot de connexion. Il comprend: É une âme centrale conductrice 131 reliée à une des zones de connexion 135 du circuit électronique 13, É un isolateur électrique 132 entourant ladite âme centrale et, É un centreur mécanique 133 comportant des moyens de positionnement 136. A titre d'exemple et comme illustré sur la figure 5, l'âme centrale 131 a une forme sensiblement cylindrique, l'isolateur électrique 132 est un manchon annulaire de forme sensiblement cylindrique et le centreur mécanique 133 est également un manchon annulaire de forme sensiblement cylindrique, les axes de révolution des, différents cylindres étant confondus, l'âme 131 se logeant dans le manchon 132, ledit manchon 132 se logeant dans le centreur mécanique 133. Le contact électrique entre le plot 130 et une ligne coplanaire 134 est réalisé par l'intermédiaire de l'âme conductrice 131 dont une des extrémités vient prendre place dans un embrèvement ou un orifice réalisé dans la zone de connexion 135 de la ligne coaxiale 134 comme indiqué sur la figure 5, l'autre extrémité étant bloquée par le manchon isolant 132 emprisonné dans le centreur 133. Pour assurer la stabilité de la structure lors de son report sur le circuit imprimé par soudure, il est irnportant que l'assemblage de l'âme métallique dans la zone de connexion soit réalisé au moyen de brasures à haut point de fusion. A titre d'exemple, on peut utiliser une brasure électrique métal/métal sans apport de soudure, de type acier/acier dont le point de fusion est situé vers 1200 degrés ou laiton/laiton dont le point de fusion est situé vers 600 degrés. Cette méthode assure un assemblage sur le circuit imprimé de grande fiabilité dans la mesure où les risques de rupture de ces brasures au moment du câblage dans le four à passage sont très réduits. Le centreur mécanique 133 comporte deux rainures 136 dont l'axe est parallèle à celui des différentes pièces cylindriques composant le plot. Lesdites rainures 136 viennent prendre place dans des glissières 113 ménagées dans la partie basse 110 du boîtier métallique. Cette disposition permet de positionner les plots de connexion 130 avec précision dans le plan du circuit imprimé. Les dimensions de l'âme métallique, de l'isolant et de son centreur faisant office de blindage de masse sont optimisées de façon à éviter une rupture d'impédance entre les lignes conductrices hyperfréquences situées sur le circuit imprimé récepteur et les lignes coplanaires constituant la partie conductrice du circulateur. L'impédance de la traversée coaxiale dépend essentiellement de 35 trois paramètres principaux qui sont: É la permittivité électrique Er de l'isolateur électrique 132; É le diamètre externe D de l'isolateur électrique; É le diamètre interne d de l'isolateur électrique. Dans le domaine des fréquences comprises entre quelques 5 centaines de mégahertz et 20 gigahertz, on démontre qu'en première approximation, l'impédance Zc du plot de connexion vaut: 138 D1 Zc = .Log- dJ Ainsi, si l'isolateur électrique est réalisé en téflon, dont la permittivité électrique Er vaut environ 2.1, pour obtenir une impédance Zc 10 voisine de 50 ohms, le rapport D/d doit être voisin de 3. Pour des fréquences de quelques centaines de mégahertz, d et D valent sensiblement 1.5 millimètre et 5 millimètres, pour des fréquences de quelques gigahertz, d et D valent sensiblement 0.9 millimètre et 3 millimètres, enfin pour des fréquences égales ou supérieures à 10 gigahertz, d et D valent sensiblement 0,45 millimètre et 1.5 millimètre. Cette conception des plots 130 permet de raccorder les pistes de sortie horizontales disposées parallèlement au plan du circuit imprimé et le circuit lui même. Le boîtier mécanique 11 comprend essentiellement une partie inférieure 110 et une partie supérieure 111. Il assure à la fois: É le positionnement et le maintien en position du circuit 25 hyperfréquence, encore appelé en terminologie anglo-saxonne strip line ; É le positionnement et maintien en position des ferrites 14 du circulateur; É Le positionnement et le maintien en position des pièces polaires 17 30 et des aimants permanents 113; É Le positionnement et le maintien en position du compensateur thermique 19 destinés à assurer la stabilité du composant; É La fonction de capotage mécanique du composant avec bouclage des lignes de champ magnétique. Les figures 6 et 7 représentent respectivement une vue de dessus et une vue de côté de la cavité 9 montée dans la partie inférieure 110 du boîtier. Les lignes coplanaires 134 sont reliées aux âmes 131 des plots de connexion 130 au moyen des zones de connexion 135. Les âmes 131 sont isolées des centreurs mécaniques 133 par les isolateurs 132. Les centreurs 133 sont positionnés dans les différentes glissières 113 de la partie inférieure 110 du boîtier. La hauteur de la cavité 9 dépasse légèrement du plan PP représenté par une ligne en pointillés sur la figure 7 correspondant à la hauteur de la partie inférieure 110 du boîtier de façon qu'elle soit maintenue en compression lorsque la partie supérieure 111 est montée dans la partie inférieure 110. La structure retenue pour le boîtier métallique 11 est une structure à base de tôles mécaniques pré-formées enclipsables qui évitent ainsi l'utilisation de vis, ce qui permet de limiter les coûts d'assemblage. La réalisation en tôles pliée permet également une substantielle économie par rapport à un boîtier acier rainuré par usinage. Les figures 8 et 9 montrent le principe de l'enclipsage de la partie supérieure 111 du boîtier dans la partie inférieure 110. La partie inférieure possède un fond et des premiers rebords 112. La partie supérieure 111 possède un couvercle et des parties latérales ayant des seconds rebords 113 qui viennent se loger sous les premiers rebords 112. comme montré sur la vue de détail cerclée de la figure 9. La partie 111 est alors maintenue en compression entre les rebords 112 et la cavité 9 comme indiqué par les flèches blanches de la figure 9. Les parties latérales de la partie supérieure 111 sont amincies en leur centre de façon que la partie supérieure 111 ait une flexibilité suffisante pour s'enclipser facilement dans la partie inférieure 110. REVENDICATIONS 1. Composant électronique (10) comprenant un boîtier mécanique (Il) et un ensemble électronique (9) comportant au moins un circuit électronique (13), et au moins deux plots de connexion électrique (130) destinés à assurer l'interconnexion électrique du composant (10) avec un circuit imprimé externe, caractérisé en ce que les plots de connexion électrique (130) comportent des moyens mécaniques (133) permettant d'assurer leur positionnement précis dans le boîtier (11). 2. Composant électronique (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque plot (130) comprend une âme centrale (131) conductrice reliée au circuit électronique, un isolateur électrique (132) entourant ladite âme centrale (131) et un centreur mécanique (133) comportant des moyens de positionnement (136). 3. Composant électronique (10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'âme centrale (131) a une forme sensiblement cylindrique, l'isolateur électrique (132) est un manchon annulaire de forme sensiblement cylindrique et que le centreur mécanique (133) est également un manchon annulaire de forme sensiblement cylindrique, les axes de révolution des différents cylindres étant confondus. 4. Composant électronique selon la revendication 3, caractérisé en ce que le centreur mécanique (133) comporte au moins une rainure (136) dont l'axe est parallèle à celui des différentes pièces cylindriques composant le plot (130) et que le boîtier (11) comporte au moins une glissière (113) dans laquelle la rainure se loge. 5. Composant électronique (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le boîtier mécanique (11) comprend 35 essentiellement une partie inférieure (110) et une partie supérieure (111) , la 1'1 partie supérieure étant clipsée dans la partie inférieure par des moyens d'accouplement (112, 113), l'ensemble électronique (9) étant maintenu en contrainte entre ces deux parties. 6. Composant électronique (10) selon la revendication 5, caractérisé en ce que les parties inférieure (110) et supérieure (111) du boîtier sont réalisées en tôle pliée. 7. Composant électronique (10) selon l'une des revendications 10 précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble électronique (9) fonctionne dans la gamme des hyperfréquences. 8. Composant électronique (10) selon la revendication 7, caractérisé en ce que le composant est un circulateur ou un isolateur 15 hyperfréquence. 9. Composant électronique (10) selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que l'âme (131), l'isolateur (132) et le centreur mécanique (133) du plot (130) sont agencés de façon à assurer une continuité d'impédance entre les lignes coplanaires du circuit électronique et les lignes conductrices du circuit imprimé externe. 10. Composant électronique selon la revendication 9, caractérisé en ce que, si Er est la permittivité électrique de l'isolateur (132), D son 25 diamètre externe, d son diamètre interne, alors l'impédance Zc du plot de 138 iD connexion (130) vaut sensiblement: Z(. = - Log \ d 11. Composant électronique selon la revendication 10, caractérisé en ce que le rapport du diamètre externe D de l'isolateur électrique (132) sur son diamètre interne d vaut sensiblement 3 et que ledit diamètre externe D est compris entre 1.5 millimètre et 5 millimètres et ledit diamètre interne d est compris entre 0.45 millimètre et 1.5 millimètre.