Brevet FR3053162A1 — publié le 20171229

CIRCULATEUR HYPERFREQUENCE DOUBLE CELLULES A FAIBLE ENCOMBREMENT ET PROCEDE DE FABRICATION Le domaine de l'invention est celui des circulateurs hyperfréquences. Ces composants passifs magnétiques à faibles pertes fonctionnent typiquement à des fréquences de l'ordre de quelques Gigahertz à quelques dizaines de Gigahertz. De tels composants sont particulièrement 5 recherchés actuellement tant pour des applications civiles de télécommunications que pour des applications RADAR. Ce sont des composants essentiels car ils permettent d'isoler des réflexions parasites tout en présentant des pertes faibles pour transmettre des puissances importantes, et ce de manière complètement passive. La figure 1 illustre ce 10 type de composant, comprenant trois ports dont un est connecté à une charge 50 0 pour assurer l'isolation des réflexions parasites. Le fonctionnement de ces circulateurs hyperfréquences est basé sur l'effet non-réciproque d'un ferrite magnétiquement saturé. Ils sont fabriqués de manière conventionnelle en utilisant des technologies 15 d'assemblage coûteuses car le ferrite qui constitue le coeur du composant, un grenat ferrimagnétique, est une céramique frittée à haute température (> 1400°C). Ils sont volumineux et difficiles à intégrer avec d'autres composants employés dans les circuits de microélectronique parce qu'ils ne se présentent généralement pas comme des composants sous forme de puce 20 mais qu'ils sont fabriqués comme des dispositifs à ferrite indépendants. Aussi les sous-ensembles émetteur/récepteur hyperfréquences utilisés dans les radars et les applications de télécommunications ont tendance à éviter leur utilisation en les remplaçant par d'autres solutions : diodes, MEMS... Un circulateur est classiquement constitué d'une partie en ferrite, 25 le plus souvent un disque, d'un aimant permanent placé au plus près du ferrite et de pistes métalliques permettant la propagation de l'onde électromagnétique. Dans un circulateur à 3 ports, les pistes métalliques forment un Y pour respecter la symétrie à 120°. La figure 2 illustre un circulateur 3 ports avec une voie 1, une voie 2 et une voie 3 matérialisées 30 par des pistes métalliques Pi, le noyau en ferrite magnétique 10, couplé à un aimant 12. Pour augmenter les performances d'isolation, les fabricants proposent des composants dits à 2 cellules constitués de 2 circulateurs reliés 3053162 2 par un des ports. La figure 3a montre une telle configuration de deux cellules comprenant un noyau ferrite magnétique activées par des aimants 12. La première cellule comprend deux voies d'accès 1 et 2, la seconde cellule comportant deux voies d'accès 3 et 4, matérialisées par des pistes métalliques Pi, l'une de ces pistes métalliques assurant la liaison entre les deux cellules. Pour réduire la désaimantation de chaque cellule due à la proximité des aimants 12, il est préférable que chaque circulateur soit aimanté en sens inverse, comme illustré en figure 3b. La figure 4 illustre l'interconnexion d'un circulateur double cellule dans un module Radar d'émission-réception, l'émetteur comprenant un HPA pour « High Power Amplifier » et le récepteur comprenant un LNA pour « Low Noise Amplifier ». Dans cette configuration, sur l'un des ports, par exemple celui de la voie 2, une charge 50 S2 est connectée. De cette manière, l'isolation côté émetteur est renforcée ce qui permet un meilleur contrôle du signal d'émission. L'amélioration des performances d'isolation due à la présence d'une double cellule est cependant obtenue au détriment de la surface occupée par le composant qui est multipliée par deux. Dans ce contexte, et pour résoudre notamment le problème précité, la présente invention a pour objet une solution permettant de réduire l'encombrement des circulateurs et notamment la surface occupée par le composant sur les cartes hyperfréquences. Plus précisément la présente invention a pour objet un circulateur 25 hyperfréquence comprenant au moins : la superposition d'une première cellule et d'une seconde cellule, chaque cellule comportant : o un noyau de matériau ferrite entouré de matériau diélectrique ou faiblement magnétique ; 30 o au moins deux pistes d'accès et une piste de liaison jointes entre elles au niveau du noyau de matériau ferrite, sur une face active de la cellule ; au moins une connexion de cellules permettant de relier électriquement ladite piste de liaison de ladite première cellule à 35 ladite piste de liaison de ladite seconde cellule. 3053162 3 ladite superposition comprenant un plan de masse situé entre lesdites faces actives desdites cellules. Selon des variantes de l'invention, les cellules comprennent une ou des couches de matériau ferrite/matériau diélectrique ou faiblement 5 magnétique cofrittées. Selon des variantes de l'invention, les cellules comprennent un empilement des couches de matériau ferrite/matériau diélectrique ou faiblement magnétique cofrittées. Dans ce cas, chaque couche comprend un noyau de matériau ferrite, entouré de matériau diélectrique ou faiblement 10 magnétique. Selon des variantes de l'invention, ladite connexion de cellules comprend au moins un via conducteur principal traversant ladite première cellule et ladite seconde cellule. Selon des variantes de l'invention, le circulateur hyperfréquence 15 comporte une structure triplaque comprenant : - un plan de masse supérieur ; - une première cellule ; - une seconde cellule ; - un plan de masse inférieur. 20 Dans une configuration triplaque, la première cellule peut être recouverte par un ensemble comprenant un noyau de matériau ferrite entouré de matériau diélectrique ou faiblement magnétique, la seconde cellule étant recouverte par un ensemble comprenant un noyau de matériau ferrite entouré de matériau diélectrique. Ainsi les pistes d'accès et les pistes de liaison sont enterrées dans ladite structure triplaque. Selon des variantes de l'invention, lesdites cellules comprennent en outre des via conducteurs secondaires débouchant sur le ou les plan(s) de masse et répartis autour dudit via conducteur principal, permettant d'assurer un blindage autour de la connexion RF desdites cellules. Selon des variantes de l'invention, le circulateur hyperfréquence comprend au moins un aimant rapporté sur au moins une cellule ou sur un des plans de masse supérieur ou inférieur. Selon des variantes de l'invention, le matériau ferrite est de structure grenat. 3053162 4 Selon des variantes de l'invention, le matériau ferrite de structure grenat répond à la formule chimique suivante : YaTRbBibfecAldlneCafCugZrhViCoiSik012±y avec TR : une terre rare ou une combinaison de terres rares et : 5 -1 5. y 5 1 ; 3 (a+b+b'+c+d+e) + 2 (f+g+j) + 4 (h+k) + 5i = 24±2y ; 1 É a 5 3,5 ; 0 b 5 1,5 ; 0 REVENDICATIONS1. Circulateur hyperfréquence comprenant au moins : la superposition d'une première cellule et d'une seconde cellule, chaque cellule comportant : o un noyau de matériau ferrite entouré de matériau diélectrique ou faiblement magnétique ; o au moins deux pistes d'accès et une piste de liaison jointes entre elles au niveau du noyau de matériau ferrite, sur une face active de la cellule ; au moins une connexion de cellules permettant de relier électriquement ladite piste de liaison de ladite première cellule à ladite piste de liaison de ladite seconde cellule. - ladite superposition comprenant un plan de masse situé entre lesdites faces actives desdites cellules. 2. Circulateur hyperfréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cellules comprennent une ou des couches de matériau ferrite/matériau diélectrique ou faiblement magnétique cofrittées. 3. Circulateur hyperfréquence selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite connexion de cellules comprend au moins un via conducteur principal traversant ladite première cellule et ladite seconde cellule. 4. Circulateur hyperfréquence selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte une structure triplaque comprenant : un plan de masse supérieur ; - une première cellule ; - une seconde cellule ; un plan de masse inférieur. 5. Circulateur hyperfréquence selon la revendication 4, caractérisé en ce que la première cellule est recouverte par un ensemble 35 comprenant un noyau de matériau ferrite entouré de matériau diélectrique ou 3053162 15 faiblement magnétique, la seconde cellule étant recouverte par un ensemble comprenant un noyau de matériau ferrite entouré de matériau diélectrique 6. Circulateur hyperfréquence selon l'une des revendications 3 à 5 5, caractérisé en ce que lesdites cellules comprennent en outre des vias conducteurs secondaires débouchant sur le ou les plan(s) de masse et répartis autour dudit via conducteur principal. 7. Circulateur hyperfréquence selon l'une des revendications 10 précédentes, comprenant au moins un aimant rapporté sur au moins une cellule ou sur un des plans de masse supérieur ou inférieur. 8. Circulateur hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le matériau ferrite est de structure grenat. 15 9. Circulateur hyperfréquence selon la revendication 8, caractérisé en ce que le matériau ferrite de structure grenat répond à la formule chimique suivante : Yal-RbBibfecAldlneCafCugZrhViCoiSik012# 20 avec TR : une terre rare ou une combinaison de terres rares et : -1 5 y 5. 1 ; 3(a+b+b'+c+d+e) + 2 (f+g+j) + 4 (h+k) + 5i = 24±2y ; 15 a 5 3,5 ; 0 b É 1,5 ; 25 0 10. Circulateur hyperfréquence selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau diélectrique est un matériau de structure grenat à faible aimantation magnétique. 5 11. Circulateur hyperfréquence selon la revendication 10, caractérisé en ce que le matériau de structure grenat à faible aimantation magnétique répond à la formule chimique suivante : Yal-RbBibfecAldlneCafCugZrhViCoiSik012ty 10 avec TR : une terre rare ou une combinaison de terres rares et : -1 5 y É 1 ; 3 (a+b+b'+c+d+e) + 2 (f+g+j) + 4 (h+k) + 5i = 24±2y 1 É. a É. 3,5 ; 0 b 5 1,5 ; 15 0 12. Procédé de fabrication d'un circulateur hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 11 comprenant : - la réalisation d'une première structure comprenant un noyau de 30 matériau ferrite entouré de matériau diélectrique ou faiblement magnétique et d'une seconde structure comprenant un noyau de matériau ferrite entouré de matériau diélectrique ou faiblement magnétique ; 3053162 17 - la réalisation de pistes d'accès et de liaison sur l'une des faces dite active de ladite première structure et sur l'une des faces dite active de ladite seconde structure ; - la réalisation d'un plan de masse sur l'une des faces opposées 5 à l'une des faces actives desdites structures ; - l'assemblage de ladite première structure et de ladite seconde structure ; - la réalisation d'une connexion entre la piste de liaison de ladite première structure et la piste de liaison de ladite seconde 10 structure. 13. Procédé de fabrication d'un circulateur hyperfréquence selon la revendication 12, comprenant la réalisation d'au moins un via conducteur dans ledit assemblage pour obtenir ladite connexion entre la piste de liaison 15 de ladite première structure et la piste de liaison de ladite seconde structure. 14. Procédé de fabrication d'un circulateur hyperfréquence selon l'une des revendications 12 ou 13, dans lequel la réalisation d'une première structure comprenant un noyau de matériau ferrite entouré de matériau 20 diélectrique ou faiblement magnétique et d'une seconde structure comprenant un noyau de matériau ferrite entouré de matériau diélectrique ou faiblement magnétique est effectuée par assemblage de pièces usinées de matériau ferrite et de matériau diélectrique. 25 15. Procédé de fabrication d'un circulateur hyperfréquence selon l'une des revendications 12 ou 13, dans lequel la réalisation d'une première structure comprenant un noyau de matériau ferrite entouré de matériau diélectrique et d'une seconde structure comprenant un noyau de matériau ferrite entouré de matériau diélectrique ou faiblement magnétique est 30 effectuée par cofrittage d'un empilement multicouches, chacune des couches comprenant un noyau de matériau ferrite entouré de matériau diélectrique ou faiblement magnétique . 3053162 18 16. Procédé de fabrication d'un circulateur hyperfréquence selon la revendication 15 dans lequel le matériau diélectrique ou faiblement magnétique répond à la formule chimique suivante : Yal-RbabfecAldlneCaeugZrhViCoiSik012ty 5 avec TR : une terre rare ou une combinaison de terres rares et : -1 5 y 1 ; 3 (a+b+b4c+d+e) + 2 (f+g+j) + 4 (h+k) + 5i = 24±2y 1 5 a 5 3,5 ; 0 5 b 5 1,5 ; 10 0 17. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 15 ou 16 dans lequel le matériau ferrite est de structure grenat et peut répondre à la formule chimique suivante : 25 Yal-RbBibfecAldlneCafCugZrhViC0jSik0i2ty avec TR : une terre rare ou une combinaison de terres rares et : -1 5 y 5 1 ; 3(a+b+b'+c+d+e) + 2 (f+g+j) + 4 (h+k) + 5i = 24±2y ; 1 É a 5. 3,5 ; 30 0 b 5 1,5 ; 0 18. Procédé de fabrication d'un circulateur hyperfréquence selon l'une des revendications 15 à 17, comprenant les étapes suivantes : 10 - la réalisation de bandes de matériau ferrite et de matériau diélectrique ou faiblement magnétique par coulage ; - la découpe desdites bandes ; - la réalisation d'au moins un via ; - le remplissage d'au moins ledit via avec une encre métallique ; 15 - la réalisation de pistes d'accès et de liaison jointes entre elles au niveau du noyau de matériau ferrite sur un sous-ensemble de bandes et de plans de masse sur certaines autres bandes; - l'empilement desdites bandes par pressage à chaud ; - le cofrittage dudit empilement. 20 19. Circulateur hyperfréquence obtenu selon le procédé de fabrication d'une des revendications 12 à 18.