Titre : Composant micro-ondes non réciproque

DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention concerne un composant micro-ondes non réciproque comprenant au moins trois guides d'ondes et un résonateur central. L'invention s'applique au domaine des composants micro-ondes, notamment à base de lignes de transmission micro-ondes.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

Parmi les composants micro-ondes, les composants non-réciproques assurent des fonctions incontournables telles qu'une fonction de circulateur ou une fonction d'isolateur, et ce afin d'assurer un aiguillage des signaux radiofréquences.

De façon classique, de tels composants non-réciproques comportent un élément en céramique ferromagnétique magnétisé permettant un tel aiguillage.

Par exemple, il est connu de réaliser un circulateur comprenant trois guides d'ondes s'étendant à 120° les uns des autres et connectés à un même résonateur central à ferrite qui confère au circulateur sa non-réciprocité. Un tel résonateur est, classiquement, un résonateur d'Okada comportant deux éléments en ferrite empilés dans une direction orthogonale à un plan dans lequel s'étendent les guides d'ondes. Plus précisément, chaque élément en ferrite est collé à une paroi respective parmi deux parois électriquement conductrices du résonateur en regard l'une de l'autre, les deux éléments en ferrite étant espacés par un diélectrique, généralement une lame d'air (ou du vide pour les applications spatiales). Une telle topologie de circulateur confère un fonctionnement large bande.

Néanmoins, un tel circulateur ne donne pas entière satisfaction.

En effet, dans le cadre d'applications aérospatiales, et du fait de la présence de ladite lame d'air entre les deux éléments en ferrite, un tel composant subit généralement deux effets destructifs, à savoir l'effet corona et l'effet dit « multipactor », qui ont des conséquences préjudiciables sur la tenue en puissance dudit composant.

L'effet corona se produit naturellement du fait que l'air n'est pas un isolant parfait. Au contraire, il contient, dans des conditions normales, de nombreux électrons et ions libres. Par conséquent, lorsqu'un champ électrique est établi dans l'air entre deux conducteurs, les ions libres et les électrons dans l'air subissent une force qui les déplace et les accélère. Les particules chargées lors de leur mouvement se heurtent les unes aux autres et également avec des molécules non chargées qui se déplacent lentement. Ainsi, le nombre de particules chargées augmente rapidement. Si le champ électrique est suffisamment fort, une rupture d'air diélectrique se produit et un arc se forme entre les conducteurs.

Ce phénomène est courant dans les dispositifs hyper-fréquences opérant pendant le lancement des satellites, quand la pression est trop faible, transformant l'air en plasma.

L'effet multipactor est un effet de résonance électronique qui se produit lorsque des champs radiofréquences accélèrent des électrons dans le vide et les font entrer en collision avec une surface, ce qui, en fonction de leur énergie cinétique, libère un ou plusieurs électrons dans le vide. Ces électrons peuvent à leur tour être accélérés par les champs radiofréquences et entrer en collision avec la même surface ou une autre surface. Lorsque les énergies d'impact, le nombre d'électrons libérés et la synchronisation des impacts sont tels qu'il se produit une multiplication durable du nombre d'électrons, le phénomène s'accroît de manière exponentielle et est susceptible de causer des problèmes opérationnels.

Dans les systèmes spatiaux radiofréquences, l'effet multipactor provoque une perte et/ou une distorsion du signal radiofréquence (augmentation du facteur de bruit ou du taux d'erreur sur les bits transmis) et est susceptible d'endommager les composants ou les sous-systèmes radiofréquences en raison de l'excès de puissance radiofréquence réfléchi ou dissipé par le système.

Un but de l'invention est donc de proposer un composant micro-ondes non réciproque qui soit moins sensible aux effets corona et multipactor, tout en présentant une bande-passante satisfaisante.

EXPOSÉ DE L'INVENTION

A cet effet, l'invention a pour objet un composant micro-ondes non réciproque comprenant au moins trois guides d'ondes et un résonateur central, caractérisé en ce que le résonateur central comprend un substrat supérieur et un substrat inférieur s'étendant de part et d'autre d'un volume de résonance pour la propagation d'ondes électromagnétiques, chacun parmi le substrat supérieur et le substrat inférieur comprenant une couche diélectrique présentant une face extérieure et une face intérieure à l'opposé l'une de l'autre, la face extérieure étant recouverte par une couche conductrice extérieure et la face intérieure étant recouverte par une couche conductrice intérieure, la face intérieure de la couche diélectrique du substrat inférieur étant orientée vers la face intérieure de la couche diélectrique du substrat supérieur, le substrat supérieur comprenant, en outre, une pluralité de vias s'étendant, à travers la couche diélectrique associée, entre la couche conductrice extérieure et la couche conductrice intérieure correspondantes, et étant en contact électrique avec lesdites couche conductrice extérieure et couche conductrice intérieure en des points de connexion, les points de connexion de la couche conductrice intérieure ceignant une surface libre de la face intérieure de la couche diélectrique, la surface libre n'étant pas recouverte par la couche conductrice intérieure, un unique élément en céramique ferromagnétique magnétisée étant agencé entre la surface libre du substrat supérieur et le substrat inférieur, chaque guide d'ondes s'étendant suivant un axe de propagation respectif, chaque guide d'ondes comprenant une zone de propagation pour la propagation d'ondes électromagnétiques, le résonateur central et chaque guide d'ondes étant agencés de sorte que des ondes électromagnétiques puissent circuler entre le volume de résonance du résonateur central et la zone de propagation de chaque guide d'ondes.

Grâce à l'invention, on obtient un composant micro-ondes non réciproque qui est moins sensible aux effets corona et multipactor que d'autres composants connus, tout en présentant une bande-passante satisfaisante.

Suivant d'autres aspects avantageux de l'invention, le composant micro ondes non réciproque comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :

Selon une caractéristique préférée, le substrat inférieur comprend également une pluralité de vias s'étendant, à travers la couche diélectrique associée, entre la couche conductrice extérieure et la couche conductrice intérieure correspondantes, et étant en contact électrique avec lesdites couche conductrice extérieure et couche conductrice intérieure en des points de connexion, les points de connexion de la couche conductrice intérieure ceignant une surface libre de la face intérieure de la couche diélectrique, la surface libre n'étant pas recouverte par la couche conductrice intérieure, la surface libre du substrat inférieur étant en regard de la surface libre du substrat supérieur, l'élément en céramique ferromagnétique magnétisé étant agencé entre la surface libre du substrat inférieur et la surface libre du substrat supérieur.

Selon une caractéristique préférée, les vias du substrat supérieur, respectivement du substrat inférieur, ceignent une cavité supérieure, respectivement une cavité inférieure, au niveau de la couche diélectrique correspondante, la cavité supérieure et la cavité inférieure présentant des formes différentes et/ou recevant des matériaux diélectriques différents.

Selon une caractéristique préférée, l'élément en céramique ferromagnétique magnétisé s'étend de la surface libre de la couche diélectrique du substrat supérieur jusqu'au substrat inférieur.

Selon une caractéristique préférée, l'élément en céramique ferromagnétique magnétisé est entouré radialement, par rapport à un axe orthogonal à la surface libre du substrat supérieur, par au moins un enrobage annulaire d'adaptation d'impédance réalisé dans un matériau diélectrique ou ferromagnétique. Selon une caractéristique préférée, l'élément en céramique ferromagnétique magnétisé est réalisé en ferrite, et est magnétisé par un aimant de polarisation externe.

Selon une caractéristique préférée, l'élément en céramique ferromagnétique magnétisé est réalisé dans un matériau anisotrope, de préférence un ferrite hexagonal.

Selon une caractéristique préférée, la variation thermique de la permittivité du matériau diélectrique formant la cavité supérieure et/ou la cavité inférieure agit de manière opposée à la variation thermique du composant micro-ondes non réciproque.

Selon une caractéristique préférée, le composant micro-ondes non réciproque comporte, en outre, un substrat additionnel s'étendant parallèlement au substrat supérieur, le substrat additionnel comprenant une couche diélectrique présentant une face intérieure au contact de la couche conductrice extérieure du substrat supérieur, et une face extérieure, opposée à la face intérieure, et recouverte par une couche conductrice extérieure, les vias du substrat supérieur s'étendant, à travers la couche diélectrique du substrat additionnel, jusqu'à la couche conductrice extérieure dudit substrat additionnel, en étant en contact électrique avec ladite couche conductrice extérieure du substrat additionnel, et ceignant une surface de transition à l'interface entre le substrat supérieur et le substrat additionnel, la surface de transition n'étant pas recouverte par la couche conductrice extérieure du substrat supérieur.

Selon une caractéristique préférée, la couche diélectrique du substrat supérieur et la couche diélectrique du substrat additionnel sont réalisées dans des matériaux diélectriques différents.

En outre, l'invention a pour objet un système radiofréquence embarqué comprenant au moins un composant micro-ondes non réciproque tel que précédemment présenté. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels :

[Fig. 1] est une vue éclatée et en perspective d'un premier mode de réalisation d'un composant micro-ondes non réciproque selon l'invention ;

[Fig. 2] est une vue en section du composant micro-ondes de la figure 1, selon un plan de section orthogonal à un plan dans lequel s'étendent des guides d'ondes dudit composant micro-ondes ;

[Fig. 3] est une vue en section, analogue à celle de la figure 2, d'un deuxième mode de réalisation d'un composant micro-ondes non réciproque selon l'invention ;

[Fig. 4] est une vue en section, analogue à celle de la figure 2, d'un troisième mode de réalisation d'un composant micro-ondes non réciproque selon l'invention ;

[Fig. 5] est un graphique illustrant l'évolution fréquentielle du coefficient de réflexion Su d'un composant micro-ondes non réciproque de l'état de la technique, à trois températures différentes ; et

- la figure 6 est un graphique illustrant l'évolution fréquentielle du coefficient de réflexion Su du composant micro-ondes non réciproque de la figure 4, aux mêmes températures que celles de la figure 5.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE

Un composant micro-ondes non réciproque 2 (par la suite appelé « composant 2 ») selon l'invention est schématiquement illustré par les figures 1 et 2.

Un tel composant 2 est, notamment, destiné à assurer une fonction de circulateur, ou encore une fonction d'isolateur.

Le composant 2 est destiné à être intégré dans un système radiofréquence embarqué, notamment embarqué à bord d'un engin spatial (non représenté).

Le composant 2 comprend au moins trois guides d'ondes 4 et un résonateur central 6.

Chaque guide d'onde 4 s'étend suivant un axe de propagation X-X respectif, et comprend une zone de propagation 8 respective pour la propagation d'ondes électromagnétiques.

Comme cela apparaît sur la figure 1, les guides d'ondes 4 sont agencés autour du résonateur central 6, leurs axes de propagation X-X respectifs s'étendant radialement à partir du résonateur central 6, par exemple à 120° les uns des autres.

Le résonateur central 6 et les guides d'ondes 4 sont agencés de sorte que des ondes électromagnétiques puissent circuler entre un volume de résonance 10 du résonateur central 6 et la zone de propagation 8 de chaque guide d'ondes.

Le résonateur central 6 comprend un substrat supérieur 12, un substrat inférieur 14 et un élément 15 en céramique ferromagnétique magnétisée agencé entre le substrat supérieur 12 et le substrat inférieur 14.

Le substrat supérieur 12 et le substrat inférieur 14 ont un rôle d'adaptation d'impédance entre le résonateur et les guides d'onde 4. En outre, l'élément en céramique ferromagnétique magnétisée 15 confère au composant 2 sa non- réciprocité.

Le substrat supérieur 12 et le substrat inférieur 14 s'étendent de part et d'autre du volume de résonance 10 destiné à la propagation d'ondes électromagnétiques.

Chacun parmi le substrat supérieur 12 et le substrat inférieur 14 comprend une couche diélectrique 16 présentant une face extérieure 18 et une face intérieure 20 à l'opposé l'une de l'autre. En outre, la face intérieure 20 de la couche diélectrique 16 du substrat supérieur 12 est orientée vers la face intérieure 20 de la couche diélectrique 16 du substrat inférieur 14.

La couche diélectrique 16 est réalisée dans un unique matériau diélectrique. En variante, la couche diélectrique 16 comprend un empilement d'au moins deux strates réalisées dans des matériaux diélectriques différents.

La face extérieure 18 est recouverte par une couche conductrice extérieure 22. En outre, la face intérieure 20 est recouverte par une couche conductrice intérieure 24. La couche conductrice intérieure 24 du substrat supérieur 12 et la couche conductrice intérieure 24 du substrat inférieur 14 sont à distance l'une de l'autre, en particulier séparées par une couche isolante diélectrique 25, par exemple de l'air ou du vide.

Chacun parmi le substrat supérieur 12 et le substrat inférieur 14 comprend, en outre, une pluralité de vias 26. De tels vias sont électriquement conducteurs.

Pour chacun du substrat supérieur 12 et du substrat inférieur 14, les vias 26 respectifs s'étendent, à travers la couche diélectrique 16 associée, entre la couche conductrice extérieure 22 et la couche conductrice intérieure 24 correspondantes. En outre, pour chaque substrat 12, 14, les vias 26 associés sont en contact électrique avec la couche conductrice extérieure 22 et couche conductrice intérieure 24 correspondantes en des points de connexion 28.

Au niveau de la couche conductrice intérieure 24 de chaque substrat supérieur 12 et inférieur 14, les points de connexion 28 correspondants ceignent une surface libre 30 de la face intérieure 20 de la couche diélectrique 16 associée, cette surface libre 30 n'étant pas recouverte par la couche conductrice intérieure 24.

De préférence, la surface libre 30 du substrat inférieur 14 est en regard de la surface libre 30 du substrat supérieur 12.

En outre, au niveau de la couche diélectrique 16 du substrat supérieur 12, respectivement du substrat inférieur 14, les vias 26 correspondants ceignent une cavité supérieure 32, respectivement une cavité inférieure 34. Les cavités 32 et 34 et l'élément en céramique ferromagnétique magnétisée 15 sont couplés du fait que les surfaces libres 30 ne sont pas recouvertes par la couche conductrice intérieure 24.

En fonction des caractéristiques recherchées du composant 2, les formes de la cavité supérieure 32 et la cavité inférieure 34 sont susceptibles d'être différentes. En outre, la cavité supérieure 32 et la cavité inférieure 34 sont susceptibles de recevoir des matériaux diélectriques différents, et ce en vue de conférer au composant 2 des caractéristiques souhaitées. En particulier, ces formes et matériaux sont choisis pour réaliser une adaptation d'impédance satisfaisante entre les guides d'ondes 4 et le résonateur central 6.

Comme indiqué précédemment, l'élément en céramique ferromagnétique magnétisée 15 confère au composant 2 sa non-réciprocité.

Cet élément en céramique ferromagnétique magnétisée 15 est susceptible de présenter toute forme conduisant à des performances souhaitées du composant 2, en particulier une adaptation d'impédance satisfaisante entre le résonateur central 6 et les guides d'ondes 4, ou encore des coefficients de réflexion et/ou de transmission dont les valeurs respectives appartiennent à des plages de travail souhaitées. Par exemple, l'élément en céramique ferromagnétique magnétisée 15 présente une forme de cylindre, de prisme, de sphère, etc.

Comme cela a déjà été décrit, l'élément en céramique ferromagnétique magnétisée 15 est agencé entre le substrat supérieur 12 et le substrat inférieur 14, et plus précisément entre la surface libre 30 du substrat supérieur 12 et le substrat inférieur 14, en particulier entre la surface libre 30 du substrat supérieur 12 et la surface libre 30 du substrat inférieur 14.

Cet élément en céramique ferromagnétique magnétisée 15 est unique, c'est-à-dire qu'il n'existe qu'un seul élément en céramique ferromagnétique dans le résonateur centrale 6, disposé entre le substrat supérieur 12 et le substrat inférieur 14.

L"élément en céramique ferromagnétique magnétisée 15 est réalisé dans un matériau magnétique doux, de préférence ferrite doux, magnétisé avec un aimant permanent externe. De préférence, l'élément en céramique ferromagnétique magnétisée 15 est réalisé en ferrite de forte anisotropie, par exemple un ferrite hexagonal, communément appelé « hexaferrite ». Le recours à un tel matériau est avantageux dans la mesure où il rend superflue l'application, lors du fonctionnement du composant 2, d'un champ magnétique externe destiné à polariser l'élément en céramique ferromagnétique magnétisée 15. En effet, un élément en céramique ferromagnétique fortement anisotrope, notamment en hexaferrite, présente la propriété de conserver son aimantation une fois soumis à un champ magnétique.

Il est à noter que l'élément 15 peut être un assemblage de plusieurs étages d'éléments céramiques ferromagnétiques. Avantageusement, l'élément en céramique ferromagnétique magnétisée 15 s'étend de la surface libre 30 de la face intérieure 20 du substrat supérieur 12 jusqu'à la surface libre 30 de la face intérieure 20 du substrat inférieur 14, en étant au contact de chacune de ces deux surfaces libres 30. Cela supprime tout gap d'air entre la surface libre 30 de la face intérieure 20 du substrat supérieur 12 et la surface libre 30 de la face intérieure 20 du substrat inférieur 14. Ainsi, les tenues aux effets corona et multipactor sont augmentées car il n'y a pas d'air ou vide dans la jonction composée des cavités 32 et 34 et de l'élément en céramique ferromagnétique magnétisée 15.

Avantageusement encore, l'élément en céramique ferromagnétique magnétisée 15 est entouré radialement, par rapport à un axe Z-Z orthogonal à la surface libre 30 du substrat supérieur 12, par au moins un enrobage annulaire 36 d'adaptation d'impédance réalisé dans un matériau diélectrique ou ferromagnétique.

Une variante 102 de composant micro-ondes non réciproque selon l'invention est illustrée par la figure 3.

Le composant 102 de la figure 3 diffère du composant 2 des figures 1 et 2 uniquement en ce qu'il comporte, en outre, au moins un substrat additionnel. Par exemple, le composant 102 comporte un substrat additionnel supérieur 112.

Le substrat additionnel supérieur 112 s'étend parallèlement au substrat supérieur 12. Ce substrat additionnel supérieur 112 comprend une couche diélectrique 116 présentant une face extérieure 118 et une face intérieure 120 à l'opposé l'une de l'autre.

La face intérieure 120 du substrat additionnel supérieur 112 est au contact de la couche conductrice extérieure 22 du substrat supérieur 12. En outre, la face extérieure 118 du substrat additionnel supérieur 112 est recouverte par une couche conductrice extérieure 124.

Dans ce cas, les vias 26 du substrat supérieur 12 s'étendent, à travers la couche diélectrique 116 du substrat additionnel supérieur 112, jusqu'à la couche conductrice extérieure 124 dudit substrat additionnel supérieur 112, et sont en contact électrique avec la couche conductrice extérieure 124 du substrat additionnel supérieur Comme cela apparaît sur la figure 3, les vias 26 ceignent une surface de transition 130 à l'interface entre le substrat supérieur 12 et le substrat additionnel supérieur 112. Cette surface de transition 130 n'est pas recouverte par la couche conductrice extérieure 22 du substrat supérieur 12. De cette façon, le volume radialement délimité par les vias 26 s'étendant de la surface libre 30 du substrat supérieur 12 à la couche conductrice extérieure 124 du substrat additionnel supérieur 112 forme une cavité diélectrique 132.

Comme précédemment, l'élément en céramique ferromagnétique magnétisée 15 est agencé entre le substrat supérieur 12 et le substrat inférieur 14.

De préférence, la couche diélectrique 16 du substrat supérieur 12 et la couche diélectrique 116 du substrat additionnel supérieur 112 sont réalisées dans des matériaux diélectriques différents.

Cette configuration permet de créer des formes géométriques plus complexes sur l'axe Z-Z, cela ajoute un degré de liberté supplémentaire pour l'adaptation d'impédance.

Le substrat inférieur 14 est également susceptible de recevoir un substrat additionnel inférieur respectif. Dans ce cas, l'agencement du substrat additionnel inférieur relativement au substrat inférieur 14 est similaire à ce qui a été décrit relativement au substrat additionnel supérieur 112 et au substrat supérieur 12.

Une variante 202 de composant micro-ondes non réciproque selon l'invention est illustrée par la figure 4.

Le composant 202 de la figure 4 diffère du composant 2 des figures 1 et 2 uniquement en ce que le substrat inférieur 14 est dépourvu de surface libre. En d'autres termes, en regard de la surface libre 30 du substrat supérieur 12 se trouve une portion conductrice de la couche conductrice intérieure 24 du substrat inférieur 14.

Avantageusement, dans ce cas, l'élément en céramique ferromagnétique magnétisée 15 agencé dans le résonateur central 6 est directement au contact de la couche conductrice intérieure 24 du substrat inférieur 14. Ceci est avantageux, dans la mesure où, dans cette configuration, le substrat inférieur 14 joue le rôle de dissipateur thermique, la couche conductrice intérieure 24 du substrat inférieur 14 étant susceptible d'être optimisée pour réaliser un transfert thermique vers un drain thermique.

Un tel effet est avantageux, car la magnétisation de saturation de l'élément en céramique ferromagnétique magnétisée 15 évolue avec son échauffement, ce qui est potentiellement préjudiciable pour les performances du composant micro ondes non réciproque.

La figure 5 illustre l'évolution fréquentielle du coefficient de réflexion Su d'un composant micro-ondes non réciproque de l'état de la technique, à trois températures différentes : 100°C ; 20°C et -50°C.

On constate qu'une variation de température se traduit par un décalage en fréquence. Cela est dû à la variation thermique de la perméabilité effective de l'élément en céramique ferromagnétique magnétisé.

La figure 6 illustre l'évolution fréquentielle du coefficient de réflexion Su du composant micro-ondes non réciproque selon la présente invention, aux mêmes températures que celles de la figure 5.

On constate une stabilisation thermique du composant micro-ondes non réciproque. Cette stabilisation thermique est obtenue en sélectionnant un matériau diélectrique ou un assemblage de matériaux diélectriques formant la cavité 32 au-dessus et/ou la cavité 34 au-dessous de l'élément en céramique ferromagnétique magnétisée 15, de telle façon que la variation thermique de la permittivité du matériau de la cavité 32 et/ou 34 agisse de manière opposée à la variation thermique du composant micro-ondes non réciproque.