EP0044758B1 - Dispositif de terminaison d'une ligne de transmission, en hyperfréquence, à taux d'ondes stationnaires minimal - Google Patents

Dispositif de terminaison d'une ligne de transmission, en hyperfréquence, à taux d'ondes stationnaires minimal Download PDF

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EP0044758B1
EP0044758B1 EP81400958A EP81400958A EP0044758B1 EP 0044758 B1 EP0044758 B1 EP 0044758B1 EP 81400958 A EP81400958 A EP 81400958A EP 81400958 A EP81400958 A EP 81400958A EP 0044758 B1 EP0044758 B1 EP 0044758B1
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capacitors
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resistive layer
micro
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Sylviane Bitoune
Pierre Dufond
François Herrbach
Maurice Lecreff
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Thales SA
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/24—Terminating devices
    • H01P1/26—Dissipative terminations
    • H01P1/268—Strip line terminations

Definitions

  • the invention relates to a transmission line termination device in which it is sought to minimize the standing wave rate originating from the reflection of microwaves on a resistive load placed at the end of the line.
  • Fréquemmen is carried out t of such fillers re- sistives, value equal to the transmission line of the characteristic impedance module in the form of an engraved deposition on an insulator, in particular an alloy layer of nickel and of chromium deposited on an insulating ceramic.
  • the first condition is easy to achieve, in the case of charges deposited by etching using a conventional adjustment process which can be erosion by sandblasting or attack by laser beam.
  • the second condition is more difficult to achieve because we observe capacitive or inductive effects from the non-negligible surface and irregularities of the nickel-chromium layer.
  • This surface cannot be reduced either in width, in length or in two dimensions without observing certain drawbacks.
  • a thinner layer of nickel-chromium, and of smaller surface, therefore more resistive cannot withstand certain thermal dissipations, which limits the power withstand of the device;
  • a layer of normal thickness but for example, narrower and longer, to present the same surface would give a discontinuity, and therefore an energy reflection, producing undesirable standing waves, at the transition point between the conductor of the microstrip line and the resistive layer.
  • the invention aims to remedy these drawbacks by seeking to correct the impedance of the resistive load, either by modifying its shape, or by adding a capacitance thereto, or finally by combining the two aforementioned means.
  • a microstrip line element comprises a dielectric substrate 1, for example made of pure alumina, in the form of an elongated and flat parallelepiped having two large faces: one of these faces is entirely metallized and constitutes the ground plane 2. The other n 'is metallized only over part of its width and constitutes a strip 3 which is none other than the upper conductor of the microstrip line.
  • This strip is produced for example by depositing successive layers of chromium, copper and gold. She is connects along a transverse straight line 11 to a layer 4 of resistive alloy constituting a termination charge.
  • This layer 4 is itself connected along a transverse straight line 12 to a metallization 5 forming a ground electrode and connected to the ground plane by a connection of negligible ohmic resistance.
  • the connection to the ground plane can be carried out either by etching a metal layer deposited on the terminal face 6 of the substrate, or by welding a flexible metal strip, not shown, or even by a metallized hole (not shown) between metallizations 5 and 2.
  • Layer 4 is constituted for example by a deposit of nickel and chromium alloy, carried out by evaporation under vacuum and reaching a few hundred angstroms (a few dezames of nancreters). It is known to obtain a layer resistance of 25 ohms per square by this method. To obtain a resistance of 50 ohms between lines 11 and 12, a deposit twice as long as wide is then carried out, that is to say in the case of an alumina substrate 0.4 mm thick, with a strip 3 of 0.35 mm in width giving substantially a microstrip line of 50 ohms, a layer 4 of 0.7 mm in length.
  • the deposit of nickel and chromium alloy can advantageously be carried out over a longer length than is necessary so that the useful length can then be easily adjusted by depositing a layer of gold on the parts. to short-circuit, by protecting, during the gilding operation, the useful part of the load using a resin layer obtained by photomasking.
  • the standing wave rate observed for a frequency of 18 GHz, is greater than 3. This is due in particular to the fact that at such frequency, the wavelength in the propagation medium (l alumina of the substrate) is 6.5 mm, length before which that of a resistive layer of 0.7 mm is by no means negligible. The resistance therefore does not act as a localized constant, which partly explains the importance of the standing wave rate observed.
  • layer 4 is given in the form of a trapezoid, the large base of which is the connection line 11 and the small base MN is connected to the metallization 5 over a length as small as possible while obtaining good return contact. mass is about 0.03 mm.
  • R (ohms) of the load is given by the formula: in which R o denotes the resistance per square (in ohms) of the resistive layer 4, h is the height of the trapezoid formed by this layer, and "In" means that we take a natural logarithm of the ratio a / b. For example, if we have: a 50 ohm load is obtained and a standing wave rate of the order of 1.7 for a frequency of 18 GHz.
  • a transverse conductive strip 30 is inserted, closer to the microstrip 3 than to the metallized layer 5, leading to two metallizations 31 and 32, which constitute the armatures of capacitors, the other armature of which is the ground plane.
  • the two metallizations measure 100 microns in width by 300 microns in length and are connected together by a band 30 of width equal to one hundred microns, distant about 200 microns from line 11.
  • the standing wave rate observed is for example 1.6 to 18 GHz.
  • the preceding characteristics are combined.
  • a standing wave rate of 1.3 is observed for a frequency of 18 GHz.
  • the invention also applies to lines of the "stripline" type where two ground planes are separated from a single central strip by two dielectric substrates.
  • the strip can be engraved on one of the substrates according to the same characteristics as those shown in fig. 2 to 5.
  • FIG. 6 one end of such a line, comprising, on a substrate 1, visible only between the metallizations, a conductive strip 3 deposited by etching between two lateral strips 61 and 62 deposited at the same time as the strip 3 and connected together by a deposit 60 of the same kind, constituting a mass return.
  • a resistive layer 4 of trapezoidal shape is deposited so as to be connected to the strip 3 on the one hand and to the deposit 60 on the other hand.
  • Capacities 63 and 64 consist of insulating deposits on the strips 61 and 62, deposits then covered with a conductive layer connected to layer 4 by connections 65 and 66, connected to layer 4 by two small pads 67 and 68 constituted by deposit of gold.
  • capacitors 63 and 64 It is also possible to use bare pads of ceramic capacitors to form the capacitors 63 and 64.

Landscapes

  • Non-Reversible Transmitting Devices (AREA)
  • Waveguides (AREA)

Description

  • L'invention concerne un dispositif de terminaison de ligne de transmission dans lequel on cherche à rendre minimal le taux d'ondes stationnaires provenant de la réflexion des micro- ondes sur une charge résistive placée en bout de ligne.
  • On réalise fréquemment de telles charges ré- sistives, de valeur égale au module de l'impédance caractéristique de la ligne de transmission, sous la forme d'un dépôt gravé sur un isolant, notamment d'une couche d'alliage de nickel et de chrome déposée sur une céramique isolante.
  • Cette technique est particulièrement intéressante dans le cas de lignes du type »microbande« (de l'anglais »microstrip«) par exemple dans la fabrication des coupleurs directifs dans lesquels il existe une voie dite »découplée« où toute l'énergie hyperfréquence doit être absorbée, et cela même dans des bandes de fréquences s'élevant jusqu'à 20 GHz.
  • Elle est applicable également aux lignes d'un type analogue à deux plans de masse (en anglais »stripline«) et aux lignes coplanaires.
  • Dans tous les cas la charge absorbante doit répondre à deux exigences:
    • 1° / avoir une impédance dont la partie réelle est égale à l'impédance caractéristique de la ligne;
    • 2° avoir une partie imaginaire aussi voisine que possible de zéro.
  • La première condition est facile à réaliser, dans le cas des charges déposées par gravure en utilisant un procédé classique d'ajustage qui peut être l'érosion au jet de sable ou l'attaque par rayon laser.
  • La deuxième condition est plus difficile à réaliser car on observe des effets capacitifs ou inductifs provenant de la surface non négligeable et des irrégularités de la couche de nickel-chrome. On ne peut diminuer cette surface soit en largeur, soit en longueur, soit dans les deux dimensions sans observer certains inconvénients. D'une part, en effet, une couche plus mince de nickel-chrome, et de moindre surface, donc plus résistive, ne peut supporter certaines dissipations thermiques, ce qui limite la tenue puissance du dispositif; d'autre part, une couche d'épaisseur normale mais par exemple, plus étroite et plus longue, pour présenter la même surface, donnerait une discontinuité, et donc une réflexion d'énergie, produisant des ondes stationnaires indésirables, au point de transition entre le conducteur de la ligne microbande et la couche résistive.
  • Il est connu du brevet US-A-3 582 833 un dispositif de terminaison de ligne, dans la technologie à deux plans de masse, dans lequel la ligne microbande, située dans un plan entre les deux plans de masse, est prolongée par un dépôt résistif rectangulaire, de même largeur que la ligne microbande. Une liaison électrique est établie entre ce dépôt résistif et au moins un plan de masse au moyen d'une lame de ressort, dorée en surface et inclinée par rapport aux plans de la ligne et de masse. A l'effet de peau de la couche d'or s'ajoute un effet capacitif distribué le long de la lame de ressort, qui réunit ainsi la terminaison de la ligne à la masse. Cette solution n'est pas applicable à des circuits plans, c'est-à-dire de types hybrides ou intégrés.
  • L'invention vise à remédier à ces inconvénients en cherchant à corriger l'impédance de la charge résistive, soit en modifiant sa forme, soit en lui adjoignant une capacité, soit enfin en combinant les deux moyens précités.
  • De façon plus précise, l'invention consiste en un dispositif de charge, adapté à l'impédance caractéristique d'une ligne de transmission hyperfréquence, à structure plane, comportant une ligne microbande déposée sur un substrat isolant et une électrode de masse dont une partie au moins est située dans le plan de la ligne microbande, du côté de son extrémité recevant le dispositif de charge, celui-ci étant caractérisé en ce qu'il comporte:
    • - une couche résistive, réunissant l'extrémité de la ligne microbande à l'électrode de masse, la couche résistive ayant une forme de trapèze dont la grande base est raccordée à la ligne microbande et dont la petite base est raccordée à l'électrode de masse,
    • - deux condensateurs, découplant la résistance de charge à la masse, sont situés de part et d'autre de la couche résistive, sur la même face du substrat isolant, et sont réunis à ladite couche par une liaison électrique en un point plus proche de la grande base du trapèze que de l'électrode de masse.
  • L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques apparaitront, au moyen de la description qui suit, et des dessins qui l'accompagnent, parmi lesquels:
    • la fig. 1 est une vue en perspective d'une ligne microbande terminée par une charge gravée, selon l'art connu,
    • les fig. 2 à 6 représentent schématiquement des caractéristiques de diverses réalisations de l'invention.
  • Un élément de ligne microbande, fig. 1, comporte un substrat diélectrique 1, par exemple en alumine pure, sous la forme d'un parallépipède allongé et plat comportant deux grandes faces: l'une de ces faces est entièrement métallisée et constitue le plan de masse 2. L'autre n'est métallisée que sur une partie de sa largeur et constitue une bande 3 qui n'est autre que le conducteur supérieur de la ligne microbande. Cette bande est fabriquée par exemple par dépôt de couches successives de chrome, de cuivre et d'or. Elle se raccorde suivant une ligne droite transversale 11 à une couche 4 d'alliage résistif constituant une charge de terminaison. Cette couche 4 est elle-même raccordée suivant une ligne droite transversale 12 à une métallisation 5 formant électrode de masse et reliée au plan de masse par une connexion de résistance ohmique négligeable. Le raccordement au plan de masse peut s'effectuer soit par gravure d'une couche métallique déposée sur la face terminale 6 du substrat, soit par soudure d'une bande métallique souple, non représentée, soit même par un trou métallisé (non représenté) entre les métallisations 5 et 2.
  • La couche 4 est constituée par exemple par un dépôt d'alliage de nickel et de chrome, effectué par évaporation sous vide et atteignant quelques centaines d'angstrôms (quelques dezames de nancrètres). On sait obtenir par cette méthode une résistance de couche de 25 ohms par carré. Pour obtenir une résistance de 50 ohms entre les lignes 11 et 12 on réalise alors un dépôt deux fois plus long que large, soit dans le cas d'un substrat d'alumine de 0,4 mm d'épaisseur, avec une bande 3 de 0,35 mm de largeur donnant sensiblement une ligne microbande de 50 ohms, une couche 4 de 0,7 mm de longueur.
  • Le dépôt d'alliage de nickel et de chrome peut être effectué avantageusement sur une plus grande longueur qu'il n'est nécessaire de telle sorte que l'on puisse ensuite ajuster facilement la longueur utile en déposant une couche d'or sur les parties à court-circuiter, en protégeant, pendant l'opération de dorure, la partie utile de la charge à l'aide d'une couche de résine obtenue par photomasquage.
  • Dans l'exemple choisi, le taux d'onde stationnaire constaté, pour une fréquence de 18 GHz, est supérieur à 3. Ceci est dû notamment au fait qu'à telle fréquence, la longueur d'onde dans le milieu de propagation (l'alumine du substrat) est de 6,5 mm, longueur devant laquelle celle d'une couche résistive de 0,7 mm n'est nullement négligeable. La résistance n'agit donc pas comme une constante localisée, ce qui explique en partie l'importance du taux d'ondes stationnaires observé.
  • Selon une des caractéristiques de l'invention, schématisée à la fig. 2, on donne à la couche 4 la forme d'un trapèze dont la grande base est la ligne de raccordement 11 et la petite base MN se raccorde à la métallisation 5 sur une longueur aussi petite que possible tout en obtenant un bon contact de retour de masse soit environ 0,03 mm. Si l'on appelle a et b les longueurs respectives de la ligne 11 et de la base MN, la résistance R (ohms) de la charge est donnée par la formule:
    Figure imgb0001
    dans laquelle Ro désigne la résistance par carré (en ohms) de la couche résistive 4, h est la hauteur du trapèze formé par cette couche, et »In« signifie que l'on prend de logarithme népérien du rapport a/b. A titre d'exemple, si l'on a:
    Figure imgb0002
    on obtient une charge de 50 ohms et un taux d'ondes stationnaires de l'ordre de 1,7 pour une fréquence de 18 GHz.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention schématisée à la fig. 3, (dans laquelle on est revenu à une forme rectangulaire pour la couche 4, de même largeur que la bande 3), on intercale une bande conductrice transversale 30, plus proche de la microbande 3 que de la couche métallisée 5, conduisant à deux métallisations 31 et 32, lesquelles constituent les armatures de condensateurs dont l'autre armature est le plan de masse. A titre d'exemple les deux métallisations mesurent 100 microns de largeur sur 300 microns de longueur et sont reliées entre elles par une bande 30 de largeur égale à cent microns, distante d'environ 200 microns de la ligne 11. Pour une largeur de bande 3 de 350 microns, le taux d'ondes stationnaires observé est par exemple de 1,6 à 18 GHz.
  • Dans un mode de réalisation, schématisé à la fig. 4, on conjugue les caractéristiques précédentes. Pour une bande 30 située à 50 microns de la ligne 11 et des armatures de dimensions 100 x 150 microns on observe un taux d'ondes stationnaires de 1,3 pour une fréquence de 18 GHz.
  • On peut aussi constituer la charge résistive par une bande de largeur décroissante suivant une loi de décroissance non linéaire. Selon la caractéristique illustrée par la fig. 5, la décroissance de largeur est d'autant plus faible pour la bande 4 que l'on s'éloigne de la ligne 11 séparant la bande 3 de la charge résistive.
  • L'invention s'applique également aux lignes du type »stripline« où deux plans de masse sont séparés d'une bande centrale unique par deux substrats diélectriques. La bande peut être gravée sur un des substrats selon les mêmes caractéristi- quesquecellesquel'ontrouveauxfig. 2à5.
  • L'invention s'applique également aux lignes coplanaires. A titre d'exemple on a représenté à la fig. 6 une extrémité d'une telle ligne, comportant, sur un substrat 1, visible uniquement entre les métallisations, une bande conductrice 3 déposée par gravure entre deux bandes latérales 61 et 62 déposées en même temps que la bande 3 et raccordées entre elles par un dépôt 60 de même nature, constituant un retour de masse. Une couche résistive 4 de forme trapézoïdale est déposée de façon à se raccorder à la bande 3 d'une part et au dépôt 60 d'autre part. Des capacités 63 et 64 sont constituées par des dépôts isolants sur les bandes 61 et 62, dépôts recouverts ensuite d'une couche conductrice reliée à la couche 4 par des connexions 65 et 66, raccordées à la couche 4 par deux petites plages 67 et 68 constituées par dépôt d'or.
  • On peut aussi utiliser des pastilles nues de condensateurs céramiques pour constituer les capacités 63 et 64.

Claims (5)

1. Dispositif de terminaison d'une ligne de transmission hyperfréquence, à structure plane, adapté à l'impédance caractéristique de ladite ligne, comportant une ligne microbande (3) déposée sur un substrat isolant (1) et une électrode de masse dont une partie au moins est constituée par une couche métallisée (5, 60), située dans le plan de la ligne microbande (3), du coté de son extrémité recevant le dispositif de terminaison, celui-ci étant caractérisé en ce qu'il comporte:
- une résistance de charge constituée par une couche résistive (4) réunissant l'extrémité de la ligne microbande (3) à la couche métallisée (5, 60), la couche résistive (4) ayant une forme de trapèze dont la grande base (11) est raccordée à la ligne microbande (3) et dont la petite base est raccordée à la couche métallisée (5),
- deux condensateurs, découplant la résistance de charge de la masse, si-tués de part et d'autre de la couche résistive (4), du même côté du substrat isolant (1), et réunis à ladite couche par une liaison électrique (30, 65, 66) en un point de ladite couche plus proche de la grande base (11) du trapèze que de sa petite base en contact avec la couche métallisée (5, 60).
2. Dispositif de charge selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux condensateurs sont formés par deux métallisations (31, 32) déposées sur la face du substrat (1) qui porte la ligne microbande (3), et par le plan de masse (2) déposé sur l'autre face du substrat (1), le matériau du substrat (1) étant le diélectrique de ces condensateurs, et en ce que la liaison électrique (30) entre condensateurs et couche résistive (4) est constituée par une bande conductrice déposée sur le substrat (1) en même temps que les métallisations (31,32).
3. Dispositif de charge selon la revendication 1 caractérisé en ce que, la ligne de transmission étant de type coplanaire avec son plan de masse (60 + 61 + 62) les deux condensateurs sont formés par deux dépôts de matériau isolant, recouverts par deux dépôts métalliques, formant deux condensateurs discrets (63, 64), rapportés sur les parties (61, 62) du plan de masse proches de son extrémité recevant le dispositif de charge, et en ce que la liaison électrique entre condensateurs et couche résistive (4) est constituée par deux fils métalliques (65, 66) soudés sur les condensateurs (63, 64) et sur la couche résistive (4).
4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche résistive (4) a une largeur décroissant, depuis la ligne microbande (3) vers la couche métallisée (5), selon une loi de décroissance linéaire (côtés du trapèze rectilignes).
5. Dispositif de charge selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche résistive (4) a une largeur décroissant, depuis la ligne microbande (3) vers la couche métallisée (5), selon une loi de décroissance non linéaire (côtés du trapèze curvilignes).
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