EP0446108B1 - Résonateur diélectrique à rubans métalliques micro-ondes et dispositif utilisant un tel résonateur - Google Patents
Résonateur diélectrique à rubans métalliques micro-ondes et dispositif utilisant un tel résonateur Download PDFInfo
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- EP0446108B1 EP0446108B1 EP91400558A EP91400558A EP0446108B1 EP 0446108 B1 EP0446108 B1 EP 0446108B1 EP 91400558 A EP91400558 A EP 91400558A EP 91400558 A EP91400558 A EP 91400558A EP 0446108 B1 EP0446108 B1 EP 0446108B1
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- H01P7/088—Tunable resonators
Definitions
- the invention relates to a dielectric resonator of the type described in the preamble of claim 1.
- Such a resonator is known from US Pat. No. 4,262,269.
- This document relates to an active microwave filter comprising a square C-shaped resonator deposited on a dielectric substrate and an inverting amplifier such as an amplifier of the type FET interposed between the ends of the half-wavelength resonator. Therefore, the gap between the ends is relatively large.
- This known device has the major drawbacks that its quality coefficient and the coupling are relatively low, that they cause unwanted couplings with adjacent components and that its dimensions are relatively large.
- the object of the present invention is to propose a dielectric resonator which does not have the drawbacks of the known resonator.
- the resonator according to the invention comprises the characteristics which are set out in the characterizing part of claim 1.
- Document US-A-4 816 788 discloses a high-frequency bandpass filter having a pattern of metal microwave ribbons in the shape of a comb, in which the ends of at least some teeth are capped with 'A feedback circuit comprising an amplifier and two portions of tape deposited on either side of the end of the tooth. But, because the resonator is of the line element type and the addition of energy is carried out at the free ends, that is to say at very limited areas, the coupling achieved is relatively weak.
- Figures 1 to 3 schematically show three embodiments of a dielectric resonator according to the invention, which are distinguished by the arrangement of the variable capacity element allowing the variation of the resonant frequency.
- FIGS. 4 and 5 are schematic representations respectively of stop and band pass filters, which comprise a dielectric resonator according to FIG. 3.
- Figure 6 is a sectional view along line VI-VI of Figure 4.
- Figure 7 is a sectional view along line VII-VII of Figure 4.
- the dielectric resonator according to FIGS. 1 to 3 comprises a pattern of metal microwave bands A of generally annular shape and split in 1.
- the pattern has a square shape comprising two elements of horizontal parallel ribbons 2 and two elements of vertical ribbons 3.
- the pattern is of the hairpin line type, that is to say comprising at the level of the slot 1 in the middle of the upper ribbon 2 two sections of metal strips or fingers 4 which are parallel and s 'extend in the direction of the center of the annular pattern, parallel to the ribbons 2. These strip sections have a predetermined length and constitute coupling lines.
- the circuit pattern could be established on a Duroid 5870 type substrate having a thickness of 0.503 mm and a dielectric constant of 2.32.
- This volume resonator structure is associated with a feedback circuit B formed by a metal microwave band, of the general shape of a C, the branches of which formed by band elements 6, 7 extend parallel to the microwave ribbons 3 of pattern A and are arranged very close to them.
- a feedback circuit B formed by a metal microwave band, of the general shape of a C, the branches of which formed by band elements 6, 7 extend parallel to the microwave ribbons 3 of pattern A and are arranged very close to them.
- an active electronic element such as a transistor indicated diagrammatically at 8.
- To the active element 8 can be associated, in the form of a discrete component, a phase rotation device. (not shown). However, this phase rotation function can also be performed by the strips (6, 7) of circuit 3 by giving them an appropriate length.
- the feedback circuit is designed so that it can inject energy into the resonator to compensate for losses.
- the active microwave resonator includes a device C for tuning in frequency.
- the embodiments represented in FIGS. 1 to 3 are distinguished by the embodiment of this tuning device C.
- the device C essentially comprises a variable capacity diode 11 mounted between the ends of the two coupling sections 4.
- the diode 11 is mounted between the end of one of the two sections 4 and the ground.
- the embodiment according to FIG. 3 comprises two variable capacitance diodes 11, each mounted between the end of a coupling section or finger 4 and the earth.
- the diodes can be controlled electronically in any manner known per se. They make the resonator tunable both in terms of its resonant frequency and its bandwidth.
- the parallel mounting of the diodes allows the use of so-called “vertical” diodes because they have the lowest stray capacitance. It is advantageous to use, for example, “vertical” diodes of the MESA type ensuring maximum variation of the impedance due to their very low parasitic capacity.
- the use of two diodes 11 in parallel increases the power handling and the frequency variation.
- the dielectric resonator according to the invention can be designed in a hybrid structure, but also in an integrated structure.
- the transistor 8 and the variable capacitance diode 11 can be produced in the form of an integrated circuit formed in the dielectric substrate of the resonator.
- Figures 4, 6, 7, on the one hand, and Figure 5 on the other hand, show two uses of a dielectric resonator according to Figure 3, namely a stop filter and a bandpass filter.
- the transmission microwave line indicated at 13 is continuous and extends parallel to the horizontal unsplit base side of the pattern A, at a low appropriate distance to ensure the desired coupling quality.
- the voltage allowing the variation of the capacitance of the diodes 11 is applied thereto via polarization inductors 14 and through corresponding microwave ribbons of the pattern A, the latter having at the base on each side. vertical 3 an interval 15 on which is mounted in parallel a localized capacity 16 which is however not compulsory.
- FIGS. 6 and 7 confirm that the stop filter is produced according to planar technology, the reference sign 18 designating the substrate made of dielectric material 17 on which the various metal microwave bands are deposited.
- the bandpass filter uses the same configuration of resonator as the stop filter of FIG. 4, the transmission line 13 however being interrupted at 19.
- the resonators according to the invention are of the high overvoltage type, they are tunable and achievable in micro-band techniques or fully integrable on a substrate. They are naturally stable as a function of temperature and have a very reduced overall volume compared to known technology. These resonators make it possible to produce various devices such as tunable filters, with zero losses, integrated tunable sources and radiating elements.
- the invention has numerous advantages over the state of the art.
- the coupling fingers 4 formed by two very close and parallel sections of microstrip line make it possible to reduce the length of the "resonant" ring by choosing a length of up to ⁇ / 10 or ⁇ / 8, where ⁇ represents the length d wave in the line of propagation, one brings back to the level of the resonator a higher input impedance than that due to the only capacity of the elements of lines and their couplings.
- the arrangement of the diodes in parallel allows the use of so-called “vertical” diodes, such as diodes of the MESA type, which are characterized by very low parasitic capacitances.
- the use of two parallel diodes increases the power handling and the frequency variation.
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Description
- L'invention concerne un résonateur diélectrique du type décrit dans le préambule de la revendication 1.
- Un tel résonateur est connu par le brevet US N° 4 262 269. Ce document concerne un filtre micro-ondes actif comprenant un résonateur en forme d'un C carré déposé sur un substrat diélectrique et un amplificateur inverseur tel qu'un amplificateur du type FET interposé entre les extrémités du résonateur de demi-longueur d'onde. Par conséquent, l'écart entre les extrémités est relativement important.
- Ce dispositif connu présente les inconvénients majeurs que son coefficient de qualité et le couplage sont relativement faibles, qu'ils occasionnent des couplages non désirés avec des composants adjacents et que ses dimensions sont relativement grandes.
- La présente invention a pour but de proposer un résonateur diélectrique qui ne présente pas les inconvénients du résonateur connu.
- Pour atteindre ce but, le résonateur selon l'invention comprend les caractéristiques qui sont énoncées dans la partie caractérisante de la revendication 1.
- On connaît, par le document US-A-4 816 788, un filtre passe-bande haute fréquence présentant un motif de rubans micro-ondes métalliques en forme d'un peigne, dans lequel les extrémités d'au moins certaines dents sont coiffées d'un circuit de contre-réaction comportant un amplificateur et deux portions de ruban déposées de part et d'autre de l'extrémité de la dent. Mais, du fait que le résonateur est du type en élément de ligne et l'ajout de l'énergie s'effectue aux extrémités libres, c'est-à-dire à des zones très limitées, le couplage réalisé est relativement faible.
- Par conséquent, la forme en anneau du résonateur selon l'invention, avec les extrémités rapprochées pour délimiter une fente de couplage, et la configuration du circuit de contre-réaction constituent des caractéristiques nouvelles qui ne découlent pas non plus de façon évidente du document US-A-4 816 788 puisque c'est grâce à elle que les inconvénients non seulement du dispositif décrit dans le document US-A-4 262 269 mais également du dispositif du document US-A-4 816 788 peuvent être éliminés. Ces caractéristiques constituent donc des différences fondamentales entre l'invention et l'état de la technique.
- D'autres caractéristiques avantageuses de l'invention sont décrites dans les revendications dépendentes 2 à 12.
- L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation, et dans lesquels.
- Les figures 1 à 3 montrent schématiquement trois modes de réalisation d'un résonateur diélectrique selon l'invention, qui se distinguent par la disposition de l'élément à capacité variable permettant la variation de la fréquence de résonance.
- Les figures 4 et 5 sont des représentations schématiques respectivement de filtres d'arrêt et passe bande, qui comportent un résonateur diélectrique selon la figure 3.
- La figure 6 est une vue en coupe selon la ligne VI-VI de la figure 4.
- La figure 7 est une vue en coupe selon la ligne VII-VII de la figure 4.
- Le résonateur diélectrique selon les figures 1 à 3 comprend un motif de bandes micro-ondes métalliques A de forme générale annulaire et fendu en 1. Dans l'exemple représenté, le motif présente une forme carrée comportant deux éléments de rubans parallèles horizontaux 2 et deux éléments de rubans verticaux 3. Le motif est du type ligne en épingle à cheveux, c'est-à-dire comportant au niveau de la fente 1 au milieu du ruban supérieur 2 deux tronçons de bandes ou doigts métalliques 4 qui sont parallèles et s'étendent en direction du centre du motif annulaire, parallèlement aux rubans 2. Ces tronçons de bande présentent une longueur prédéterminée et constituent des lignes de couplage. Le motif métallique représenté est déposé sur un support en un matériau diélectrique de forte permittivité relative tel que par exemple du silicium ou AGa intrinsèque ou diélectrique céramique et de façon générale des diélectriques stables en fonction de la température, tels que les matériaux commercialisés par la demanderesse sous les dénominations commerciales E 2036 et E 3036 ayant une valeur ε r = 37, selon tout procédé approprié connu, tel que par exemple par évaporation sous vide. Le motif de circuit pourrait être établi sur un substrat du type Duroid 5870 ayant une épaisseur de 0,503 mm et une constante diélectrique de 2,32.
- A cette structure de résonateur de volume est associé un circuit de contre-réaction B formé par une bande micro-onde métallique, de la forme générale d'un C, dont les branches formées par des éléments de bande 6, 7 s'étendent parallèles aux rubans micro-ondes 3 du motif A et sont disposées très près de ceux-ci. Au niveau de la base du circuit de contre-réaction est disposé un élément électronique actif tel qu'un transistor indiqué schématiquement en 8. A l'élément actif 8 peut être associé, sous forme d'un composant discret un dispositif de rotation de phase (non représenté). Cependant cette fonction de rotation de phase peut aussi être accomplie par les bandes (6, 7) du circuit 3 en leur donnant une longueur approprié. Le circuit de contre-réaction est conçu de telle façon qu'il puisse injecter de l'énergie dans le résonateur pour compenser les pertes.
- Le résonateur actif micro-onde comporte un dispositif C permettant de l'accorder en fréquence. Les modes de réalisation représentés aux figures 1 à 3 se distinguent par la réalisation de ce dispositif d'accord C. Dans le mode de réalisation selon la figure 1, le dispositif C comporte essentiellement une diode à capacité variable 11 montée entre les extrémités des deux tronçons de couplage 4. Dans le cas de la figure 2, la diode 11 est montée entre l'extrémité d'un des deux tronçons 4 et la masse. Le mode de réalisation selon la figure 3 comporte deux diodes à capacité variable 11, chacune montée entre l'extrémité d'un tronçon ou doigt de couplage 4 et la masse.
- Les diodes peuvent être commandées électroniquement, de toute manière connue en soi. Elles permettent de rendre le résonateur accordable aussi bien quant à sa fréquence de résonance qu'à sa largeur de bande. Le montage en parallèle des diodes permet l'emploi de diodes dites "verticales" car elles présentent la plus faible capacité parasite. Il est avantageux d'employer par exemple des diodes "verticales" du type MESA assurant un maximum de variation de l'impédance en raison de leur très faible capacité parasite. L'emploi de deux diodes 11 en parallèle augmente la tenue en puissance et la variation en fréquence.
- Il est à noter que le résonateur diélectrique selon l'invention peut être conçu en structure hybride, mais aussi en structure intégrée. Dans ce dernier cas, le transistor 8 et la diode à capacité variable 11 peuvent être réalisés sous forme de circuit intégré formé dans le substrat diélectrique du résonateur.
- Les figures 4, 6, 7, d'une part, et la figure 5 d'autre part, montrent deux utilisations d'un résonateur diélectrique selon la figure 3, à savoir un filtre d'arrêt et un filtre passe-bande.
- Dans le filtre d'arrêt selon la figure 4, la ligne de micro-onde de transmission indiquée en 13 est continue et s'étend parallèlement au côté de base horizontale non fendue du motif A, à une faible distance appropriée pour assurer la qualité de couplage souhaitée. La tension permettant la variation de la capacité des diodes 11 est appliquée à celle-ci par l'intermédiaire d'inductances de polarisation 14 et à travers des rubans micro-ondes correspondants du motif A, celui-ci présentant à la base de chaque côté vertical 3 un intervalle 15 sur lequel est monté en parallèle une capacité localisée 16 qui n'est cependant pas obligatoire.
- Les figures 6 et 7 confirment que le filtre d'arrêt est réalisé selon la technologie planar, le signe de référence 18 désignant le substrat en matériau diélectrique 17 sur lequel sont déposées les différentes bandes micro-ondes métalliques.
- En se reportant à la figure 5, on constate que le filtre passe-bande utilise la même configuration de résonateur que le filtre d'arrêt de la figure 4, la ligne de transmission 13 étant cependant interrompue en 19.
- Les résonateurs selon l'invention sont du type à haute surtension, ils sont accordables et réalisables en techniques micro-bandes ou entièrement intégrable sur un substrat. Ils sont naturellement stables en fonction de la température et présentent un volume global très réduit par rapport à la technologie connue. Ces résonateurs permettent de réaliser de divers dispositifs tels que des filtres accordables, à pertes nulles, des sources accordables intégrées et des éléments rayonnants.
- L'invention présente de nombreux avantages par rapport à l'état de !a technique. Les doigts de couplage 4 constitués par deux tronçons de ligne microbandes parallèles et très proches permettent de réduire la longueur de l'anneau "résonant" en choisissant une longueur allant jusqu'à λ/10 ou λ/8, où λ représente la longueur d'onde dans la ligne de propagation, on ramène au niveau du résonateur une impédance d'entrée plus élevée que celle due de la seule capacité des éléments de lignes et à leurs couplages. La disposition des diodes en parallèle permet l'emploi de diodes dites "verticales", telles que des diodes du type MESA, qui se caractérisent par des très faibles capacités parasites. L'emploi de deux diodes parallèles augmente la tenue en puissance et la variation en fréquence.
- Il s'est avéré que l'utilisation d'un résonateur selon l'invention permet d'obtenir des filtres d'arrêt ayant une rejection de 45 dB. Des filtres passe-bande sans pertes de transmission ont été construits, qui présentent des pertes de retour de 35 dB à une fréquence de 3,1 GHz. Pour réduire les pertes de couplage, !a technique de microbande à charge diélectrique peut être employée. En utilisant la technique de couche diélectrique de recouvrement, les couplages entre le résonateur et des lignes d'entrée et de sortie peuvent être augmentés. A une fréquence centrale de 3,1 GHz on a pu obtenir une gamme de fréquence d'accord de l'ordre de 47 MHz. Dans cette gamme, la largeur de bande de 3 dB a été réduite de 5,13 MHz à 3,17 MHz. Il apparait qu'une gamme d'accord plus large peut être obtenue par une réduction de la distance entre les lignes de couplages parallèles du résonateur en épingle à cheveux. De façon générale, en choisissant les dimensions des doigts de couplage de façon appropriée, c'est-à-dire leur largeur et la longueur, et par une disposition appropriée des diodes sur ces doigts de couplage, on peut maximaliser la variation de l'impédance ramenée au niveau du résonateur et ainsi maximaliser la gamme de fréquence d'accord.
- Bien entendu de nombreuses variations peuvent être apportées aux structures de résonateur et de circuits utilisant ces résonateur. Ainsi de diverses techniques connues pour la réalisation de circuits hybrides et intégrés et de dépôt des microbandes métalliques ainsi que des résonateurs non en épingle à cheveux peuvent être utilisés.
Claims (12)
- Résonateur diélectrique du type comprenant un motif de rubans micro-ondes (A) métalliques déposé sur un substrat diélectrique à forte permittivité relative et de forme générale annulaire ouverte et un élément actif (8) tel qu'un transistor assurant une contre-réaction et associé audit motif de rubans micro-ondes (A), caractérisé en ce que les extrémités du motif (A) de forme générale annulaire sont rapprochées pour délimiter une fente de couplage (1), que l'élément actif (8) fait partie d'un circuit de contre-réaction (B) comprenant des rubans métalliques micro-ondes (6, 7) qui sont disposés sur le substrat diélectrique (17) à une faible distance des rubans micro-ondes (3) du motif de rubans micro-ondes précité (A) sensiblement parallèlement à ceux-ci, de part et d'autre de ladite fente (1), pour assurer un couplage approprié.
- Résonateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un élément à capacité variable (11) monté sur le motif de bandes micro-ondes (A) au niveau de la fente (1) de celui-ci.
- Résonateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le motif de bandes micro-ondes (A) est du type en épingle à cheveux comportant au niveau de la fente deux tronçons de bandes micro-ondes (4) parallèles qui s'étendent vers le centre du motif.
- Résonateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément à capacité variable tel qu'une diode à capacité variable est monté entre l'extrémité d'un de ces tronçons (4) et la masse.
- Résonateur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une diode à capacité variable (11) est montée entre l'extrémité de chaque tronçon de couplage (4) et la masse.
- Résonateur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une diode à capacité variable (11) est montée entre les extrémités libres des tronçons de couplage (4).
- Résonateur selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que l'élément à capacité variable (11) est formé par une diode du type dit "vertical", telle q'une diode du type MESA.
- Résonateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit d'application de la tension de commande d'une diode à capacité variable (11) comporte une portion de circuit reliée à une partie des rubans micro-ondes (2, 4) du motif (A), une fente (15) ou une capacité localisée d'isolement étant prévue dans le motif.
- Résonateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que la première portion de circuit d'application de la tension de commande comporte une inductance de polarisation (14).
- Résonateur selon l'une des revendications 3 à 9, caractérisé en ce que le motif de bandes micro-ondes (A) présente une forme générale carrée et en ce que les bandes métalliques micro-ondes (6, 7) du circuit de contre-réaction (B) s'étendent au moins en partie parallèlement aux deux côtés parallèles (3) du motif (A) qui ne comporte pas la fente précitée (1), à une très faible distance de ceux-ci.
- Résonateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément actif (8), et le cas échéant, les éléments à capacité variable (11) sont réalisés sous forme de circuits intégrés à l'intérieur du substrat diélectrique (17) du résonateur.
- Filtre tel qu'un filtre coupe-bande ou un filtre passe-bande, caractérisé en ce qu'il comprend un résonateur diélectrique selon l'une des revendications 1 à 11 et en ce que la ligne de transmission (13) est disposée sur le substrat (17) du résonateur et s'étend parallèlement au ruban (2) du motif (A), qui est parallèle au ruban présentant la fente (1), à une très faible distance dudit ruban (2).
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