DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention concerne un composant micro-ondes non réciproque comportant au moins trois guides d'ondes et un résonateur central, le résonateur central comportant une paroi supérieure et une paroi inférieure s'étendant de part et d'autre d'un volume de résonance pour la propagation d'ondes électromagnétiques, chaque guide d'ondes s'étendant suivant un axe de propagation respectif, chaque guide d'ondes comportant 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.

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 qui, une fois magnétisé, permet un tel aiguillage.

Par exemple, il est connu de réaliser un circulateur comportant trois guides d'ondes s'étendant à 120° les uns des autres et connectés, suivant une jonction en Y, 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 identiques 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 un plot métallique respectif agencé entre ledit élément en ferrite et une paroi correspondante parmi deux parois électriquement conductrices du résonateur en regard l'une de l'autre. Dans ce cas, les deux éléments en ferrite sont espacés par une couche diélectrique. Ces plots métalliques jouent le rôle d'un transformateur d'impédance quart d'onde, ce qui confère au circulateur une large bande-passante.

Néanmoins, un tel circulateur ne donne pas entière satisfaction.

En effet, le recours à de tels plots métalliques contraint à maintenir une épaisseur minimale entre les parois conductrices en regard du composant. Il en résulte qu'une telle architecture limite fortement les possibilités de miniaturisation de tels composants, ce qui est préjudiciable pour les applications spatiales, notamment, où la miniaturisation des composants ou des sous-systèmes radiofréquences constitue un enjeu capital.

Un but de l'invention est donc de proposer un composant micro-ondes non réciproque qui puisse être facilement miniaturisé, 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 du type précité, dans lequel la paroi supérieure, respectivement la paroi inférieure, comporte une surface conductrice supérieure, respectivement une surface conductrice inférieure, orientée vers le volume de résonance, la surface conductrice supérieure s'étendant en regard de la surface conductrice inférieure, le résonateur central comportant, en outre, un premier élément ferromagnétique et un deuxième élément ferromagnétique ou diélectrique, le premier élément ferromagnétique et le deuxième élément ferromagnétique ou diélectrique étant agencés dans le volume de résonance, et étant étagés suivant une direction orthogonale à la paroi supérieure en étant séparés par une couche diélectrique, le premier élément ferromagnétique étant au contact de la surface conductrice supérieure et le deuxième élément ferromagnétique ou diélectrique étant au contact de la surface conductrice inférieure.

Grâce à l'invention, il est possible de fabriquer un composant micro ondes non réciproque de manière économique et rapide. En outre, le composant micro ondes non réciproque selon l'invention présente un gain en volume et de hautes performances par rapport à l'état de l'art. En particulier, l'absence de plot métallique permet d'obtenir une structure à faible épaisseur pour le composant.

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 :

- le premier élément et le deuxième élément diffèrent par leurs formes et/ou par les matériaux dans lesquels ils sont réalisés.

- la paroi supérieure et/ou la paroi inférieure est un substrat comportant une face métallisée, la face métallisée formant la surface conductrice correspondante parmi la surface conductrice supérieure et la surface conductrice inférieure.

- le premier élément ferromagnétique et/ou le deuxième élément lorsqu'il est ferromagnétique est réalisé en ferrite, par exemple un ferrite hexagonal.

- le premier élément ferromagnétique et/ou le deuxième élément lorsqu'il est ferromagnétique est réalisé dans un matériau anisotrope, de préférence un ferrite hexagonal.

- la couche diélectrique est une couche de gaz ou de vide ou une couche solide.

En outre, l'invention a pour objet un système radiofréquence embarqué comportant 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 un graphique illustrant l'évolution du coefficient de transmission S21 du composant micro-ondes non réciproque selon l'invention, en fonction de la fréquence ;

[Fig. 4] est un graphique illustrant l'évolution du coefficient de réflexion Su du composant micro-ondes non réciproque selon l'invention, en fonction de la fréquence ; et

[Fig. 5] est un graphique illustrant l'évolution du coefficient d'isolation S12 du composant micro-ondes non-réciproque selon l'invention, en fonction de la fréquence.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE

Un composant micro-ondes non réciproque 2 (par la suite appelé « composant 2 ») selon un mode de réalisation de 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 comporte au moins trois guides d'ondes 4 et un résonateur 6 central.

Chaque guide d'onde 4 s'étend suivant un axe de propagation X-X respectif et comporte 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° (jonction Y) ou 90 ° (jonction T) 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 comporte une paroi supérieure 12 et une paroi inférieure 14.

Le résonateur central 6 comporte, en outre, un premier élément ferromagnétique 15A et un deuxième élément ferromagnétique ou diélectrique 15B agencés entre la paroi supérieure 12 et la paroi inférieure 14, comme cela sera décrit par la suite. Lorsque le deuxième élément 15B est ferromagnétique, il s'agit de préférence d'un ferrite.

Le premier élément ferromagnétique 15A confère au composant 2 sa non-réciprocité. Le deuxième élément ferromagnétique ou diélectrique 15B autorise une adaptation d'impédance entre le résonateur central 6 et les guides d'onde 4, ce qui confère au composant 2 une large bande-passante.

La paroi supérieure 12 et la paroi inférieure 14 s'étendent de part et d'autre du volume de résonance 10 destiné à la propagation d'ondes électromagnétiques.

Chacune parmi la paroi supérieure 12 et la paroi inférieure 14 comporte une surface conductrice 24 respective, apte à conduire de l'électricité. La surface conductrice de la paroi supérieure est appelée « surface conductrice supérieure 26 » et la surface conductrice de la paroi inférieure est appelée « surface conductrice inférieure 28 ».

La surface conductrice supérieure 26 s'étend en regard de la surface conductrice inférieure 28, les surfaces conductrices supérieure 26 et inférieure 28 étant agencées à distance l'une de l'autre, et étant chacune orientées vers le volume de résonance 10. Par exemple, les surfaces conductrices supérieure 26 et inférieure 28 sont séparées par une épaisseur isolante 25 diélectrique, par exemple de l'air ou du vide.

A titre d'exemple, l'une au moins parmi la paroi supérieure 12 et la paroi inférieure 14 est un substrat classiquement utilisé en électronique. De façon connue, un tel substrat comporte une plaque diélectrique 16, réalisée dans au moins un matériau diélectrique. En outre, comme cela apparaît sur la figure 2, une telle plaque diélectrique 16 présente une face intérieure 20 recouverte par une couche conductrice qui forme la surface de conductrice 24.

De tels substrats sont également susceptibles d'être utilisés pour réaliser les guides d'ondes 4, selon les principes connus des composants SIW (d'après l'anglais « Substrate Integrated Waveguide », ou guide d'ondes intégré au substrat) ou la technologie AFSIW (d'après l'anglais « Air-Filled Substrat Integrated waveguide ») ou la technologie ESIW (d'après l'anglais « Empty Substart Integrated Waveguide »). Par exemple :

- le guide d'ondes 4 est délimité, suivant une direction Z-Z orthogonale aux parois 12, 14, par les surfaces conductrices 24, et, suivant une direction orthogonale à la direction Z-Z et à l'axe de propagation X-X, par des vias métalliques s'étendant entre lesdites surfaces conductrices, à travers des substrats additionnels disposés entre les surfaces conductrices 24 ; ou

- le guide d'ondes 4 est délimité, suivant la direction Z-Z orthogonale, par les surfaces conductrices 24, et, suivant la direction orthogonale à la direction Z-Z et à l'axe de propagation X-X, par des tranches métallisées de substrats additionnels disposés entre les surfaces conductrices 24.

Alternativement, l'une au moins parmi la paroi supérieure 12 et la paroi inférieure 14 est intégralement réalisée dans un matériau électriquement conducteur, par exemple usiné pour présenter les dimensions désirées.

Comme indiqué précédemment, le premier élément ferromagnétique 15A confère au composant 2 sa non-réciprocité, une fois qu'il a été magnétisé. En outre, l'élément ferromagnétique ou diélectrique 15B permet de réaliser une adaptation d'impédance entre les guides d'ondes 4 et le résonateur central 6.

Le premier élément ferromagnétique 15A et le deuxième élément ferromagnétique ou diélectrique 15B sont agencés dans le volume de résonance 10, et sont étagés suivant une direction Z-Z orthogonale aux parois 12, 14, le premier élément ferromagnétique 15A et le deuxième élément ferromagnétique ou diélectrique 15B étant séparés par une couche diélectrique 30. La couche diélectrique 30 est une couche de gaz ou de vide ou une couche solide telle qu'un substrat organique ou une céramique.

En outre, le premier élément ferromagnétique 15A est au contact de la surface conductrice supérieure 26, et le deuxième élément ferromagnétique ou diélectrique 15B est au contact la surface conductrice inférieure 28.

Ces premier et deuxième éléments 15A et 15B diffèrent l'un de l'autre. Avantageusement, le premier élément ferromagnétique 15A et le deuxième élément ferromagnétique ou diélectrique 15B diffèrent par leurs formes et/ou par les matériaux dans lesquels ils sont réalisés.

En fonction des caractéristiques recherchées du composant 2, les formes respectives des éléments 15A et 15B sont susceptibles d'être ajustées. Plus précisément, chaque élément 15A ou 15B 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, chaque élément 15A ou 15B présente une forme de cylindre, de prisme, de sphère, etc.

En outre, les éléments 15A et 15B sont susceptibles d'être réalisés des matériaux 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.

De préférence, l'élément ferromagnétique 15A, et l'élément 15B lorsqu'il est ferromagnétique sont réalisés dans un matériau anisotrope, tel qu'un matériau magnétique doux, par exemple un ferrite doux magnétisé au moyen d'un aimant permanent externe.

De préférence encore, l'élément ferromagnétique 15A, et l'élément 15B lorsqu'il est ferromagnétique sont réalisés 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 lesdits éléments ferromagnétiques. 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. En variante, l'élément 15B est un diélectrique.

Les figures 3, 4 et 5 illustrent un exemple d'évolution du coefficient de transmission S21, du coefficient de réflexion Su et du coefficient d'isolation S12, respectivement, du composant micro-ondes non réciproque selon l'invention, en fonction de la fréquence. Le composant micro-ondes non réciproque a de bonnes performances électromagnétiques sur une large bande de fréquences.

Dans la bande de fréquence comprise entre 13 et 25 GHz, on constate que le coefficient de transmission S21 est sensiblement constant entre les fréquences 17,3 GHz et 21,5 GHz.

Entre ces mêmes fréquences 17,3 GHz et 21,5 GHz, le coefficient de réflexion Su et le coefficient d'isolation S12 ont des valeurs minimales.