Ligne de transmission hyperfréquence de type symétrique et à deux conducteurs coplanaires

Abstract

 L'invention vise à augmenter principalement les fréquences de résonance de transmission hyperfréquence de lignes dites symétriques, comprenant deux rubans conducteurs étroits (11, 21) coplanaires et parallèles. Selon l'invention, une telle ligne comprend un plan conducteur large longitudinal (24) qui est parallèle à l'un (21) des rubans étroits à une distance suffisamment grande pour ne pas sensiblement perturber l'impédance caractéristique de la ligne symétrique initiale (11, 21), et qui est relié audit ruban (21) par des petits plans conducteurs extrémaux (22, 23). La cavité (25) ainsi formée offre une première fréquence de résonance nettement supérieure aux fréquences basses de résonance longitudinale de la ligne symétrique (11 + 21) et par suite permet une bande utile de signaux à transmettre plus élevée. Les plans extrémaux permettent des connexions de la ligne à des connecteurs coaxiaux. Selon d'autres réalisations, la cavité est partagée en plusieurs sous-cavités résonnantes afin d'élever la bande passante de la ligne.

Description

[0001] La présente invention concerne des perfectionnements aux lignes de transmission hyperfréquence comprenant deux rubans conducteurs plats parallèles et coplanaires.

[0002] De telles lignes de transmission couramment utilisées sont classées en deux types, celles dites lignes symétriques et celles dites lignes asymétriques. Une ligne symétrique est constituée par deux rubans métalliques linéaires ayant des largeurs égales W et disposés parallèlement l'un à l'autre à une distance prédéterminée G sur un substrat non conducteur. Une ligne asymétrique est constituée d'un premier conducteur sous la forme d'un ruban métallique plat étroit ayant une petite largeur W, et d'un second conducteur sous la forme d'un plan conducteur longitudinal large ayant une largeur 1 nettement plus grande que W et disposé parallèlement au ruban conducteur étroit à une distance G de celui-ci sur le même type de substrat.

[0003] Pour une impédance caractéristique de ligne donnée, la ligne symétrique nécessite un rapport W/G, largeur de ruban sur largeur de l'interstice entre conducteurs, supérieur à celui de la ligne asymétrique. Il en résulte que la ligne symétrique a des rubans plus larges que celui de la ligne asymétrique et/ou un interstice moins large que celui de la ligne asymétrique. Cette caractéristique dimensionnelle de la ligne symétrique est ainsi avantageuse en ce qu'elle met en oeuvre des rubans conducteurs moins résistants, tout en réduisant la largeur de ligne. La ligne symétrique est bien souvent choisie lorsqu'il est nécessaire d'assurer une symétrie des champs électriques et/ou magnétiques de l'onde hyperfréquence qui se propage dans la ligne.

[0004] Cependant, deux inconvénients majeurs inhérents à la connexion de la ligne et aux résonances propres de la ligne sont à considérer lors de l'utilisation d'une ligne symétrique.

[0005] En général, l'utilisation de la ligne symétrique exige des liaisons des extrémités de la ligne et des composants hyperfréquences extérieurs tels que source hyperfréquence, charge, sonde, par l'intermédiaire de connecteurs coaxiaux, miniatures ou subminiatures. Comme il est connu, un tel connecteur coaxial comprend un conducteur interne central longiligne ayant un faible diamètre et un conducteur externe cylindrique ayant un plus grand diamètre et, par conséquent, offre une structure de conducteur asymétrique. Les différences de formes géométriques du connecteur et de la ligne symétrique engendrent ainsi des difficultés de connexion. Ces difficultés sont en pratique résolues en prévoyant, à l'extrémité de la ligne à connecter, un petit plan conducteur extrémal sensiblement rectangulaire relié coplanairement à l'extrémité de l'un des rubans linéaires et constituant avec l'extrémité de l'autre ruban une portion de ligne asymétrique plane. Le plan conducteur extrémal est soudé latéralement au conducteur cylindrique externe du connecteur coaxial, et l'extrémité saillante du conducteur interne du connecteur est soudée sur l'extrémité dudit autre ruban de la ligne.

[0006] Le second inconvénient de la ligne symétrique consiste en l'apparition de fréquences parasites de résonance longitudinale relativement basses qui limitent la bande de fréquence utile de la ligne symétrique. Les résonances longitudinales sont par définition inférieures aux résonances transversales qui sont dans la gamme des très hautes fréquences. Une analyse expérimentale de la résonance montre qu'une partie de l'énergie hyperfréquence n'est ni transmise, ni réfléchie, mais est rayonnée. En effet, une ligne symétrique possède des fréquences naturelles pour lesquelles une onde stationnaire peut se former et constituer une source de rayonnement.

[0007] La présente invention vise à fournir une ligne de transmission hyperfréquence du type ligne symétrique à deux rubans étroits coplanaires et parallèles, offrant les avantages des lignes symétriques selon la technique antérieure sans les inconvénients de celles-ci particulièrement en ce qui concerne les limitations dues aux fréquences de résonance. En d'autres termes, une ligne selon l'invention offre une bande de fréquence utile nettement plus élevée qu'une ligne symétrique selon la technique antérieure, pour des dimensions identiques relatives aux rubans conducteurs.

[0008] A cette fin, une ligne de transmission hyperfréquence de type symétrique comprenant
    un premier conducteur sous la forme d'un premier ruban conducteur étroit plat s'étendant sur toute la longueur de la ligne et ayant des première et seconde extrémités, et
    un second conducteur plat coplanaire au premier conducteur, ledit second conducteur comprenant
    un second ruban conducteur étroit plat s'étendant parallèlement au premier ruban étroit entre les première et seconde extrémités du premier ruban étroit, et
    des premier et second conducteurs plans extrémaux sensiblement rectangulaires, reliés aux extrémités du second ruban étroit, et ayant des côtés sensiblement parallèles aux première et seconde extrémités du premier ruban étroit, respectivement,
    est caractérisée en ce que le second conducteur comprend un ruban conducteur plan large longitudinal s'étendant coplanairement et parallèlement aux premier et second rubans étroits sur toute la longueur de la ligne,
    ledit ruban conducteur large ayant des extrémités reliées aux premier et second conducteurs plans extrémaux respectivement afin de former dans le second conducteur plat une cavité résonnante délimitée par des côtés longitudinaux du second ruban étroit et du ruban large et par des côtés transversaux en regard des conducteurs plans extrémaux.

[0009] La constitution de la cavité résonnante par la présence du ruban conducteur large longitudinal reliant les extrémités du second ruban étroit à travers les petits conducteurs plans extrémaux permet d'offrir des fréquences de résonance longitudinale nettement supérieures à celles d'une ligne symétrique seulement à deux rubans étroits conducteurs. En effet, l'apparition d'ondes stationnaires à des fréquences de résonance petites de la ligne symétrique à deux rubans seulement est empêchée lorsque les dimensions de la cavité sont convenablement choisies.

[0010] En particulier, la distance entre le ruban large longitudinal et le second ruban étroit définissant la largeur de la cavité est choisie relativement grande par rapport aux caractéristiques géométriques de la ligne composée par les deux rubans étroits, savoir les largeurs des rubans étroits et la largeur de l'interstice entre ces deux rubans. Dans ces conditions, la présence du ruban conducteur large longitudinal ne perturbe l'impédance caractéristique de la ligne symétrique que de manière négligeable.

[0011] Si l'on désire élever la première fréquence de coupure de la ligne de transmission, la cavité est alors partagée en une ou plusieurs sous-­cavités par des rubans conducteurs intermédiaires reliés transversalement au second ruban étroit et au ruban large longitudinal.

[0012] Par ailleurs, les courts-circuits réalisés par les conducteurs plans extrémaux entre le second ruban étroit et le ruban large contribuent à réaliser avec les extrémités du premier ruban étroit, deux tronçons extrêmes de ligne asymétrique facilitant la connexion de la ligne de transmission à des connecteurs coaxiaux.

[0013] D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante de plusieurs lignes de transmission selon l'invention en référence aux dessins annexés correspondants dans lesquels :

- la Fig. 1 est une vue de dessus d'une ligne de transmission hyperfréquence ayant une longue cavité résonnante;

- la Fig. 2 est une vue de côté de la ligne de la Fig. 1;

- la Fig. 3 est une vue de dessus d'une extrémité de la ligne de la Fig. 1 reliée à un connecteur coaxial;

- la Fig. 4 est une vue de côté de l'extrémité de ligne et du connecteur coaxial;

- la Fig. 5 est une vue de dessus d'une seconde ligne de transmission hyperfréquence ayant plusieurs sous-cavités résonnantes; et

- la Fig. 6 est une vue de dessus d'une troisième ligne de transmission hyperfréquence ayant deux sous-cavités résonnantes et des dimensions de rubans plans conducteurs identiques à ceux de la ligne de la Fig. 1.

[0014] En référence aux Figs. 1 et 2, une ligne de transmission hyperfréquence comprend un premier conducteur plat 1 et un second conducteur plat 2 qui sont fixés coplanairement sur une plaquette en matériau non conducteur 3 telle que substrat diélectrique. Les conducteurs 1 et 2 sont par exemple des rubans conducteurs sérigraphiés sur la plaquette 3 et ayant la même épaisseur.

[0015] Le premier conducteur 1 est constitué uniquement d'un ruban étroit linéaire 11 ayant une largeur uniforme W₁.

[0016] Le second conducteur 2 est constitué d'un ruban étroit linéaire 21 qui a une largeur W₂ et qui est parallèle au ruban conducteur 11, de deux plans rectangulaires transversaux et extrémaux 22 et 23, et d'un plan rectangulaire longitudinal ou ruban large 24 parallèle aux rubans étroits 11 et 21. Les quatre éléments 21 à 24 composant le conducteur 2 sont délimités par des hachures dans la Fig. 1 afin de les différencier, bien qu'ils forment un conducteur monobloc.

[0017] Le ruban 21 s'étend ainsi parallèlement au ruban 11 sur la majeure partie L de la longueur de la ligne hyperfréquence, afin de former une ligne symétrique lorsque les largeurs W₁ et W₂ sont égales ou sensiblement égales. La distance G entre les deux rubans 11 et 21 est du même ordre de grandeur que les largeurs W₁ et W₂ et, en général, inférieure auxdites largeurs.

[0018] Les plans extrémaux 22 et 23 ont des petits côtés 221 et 231 sensiblement parallèles aux extrémités 12 et 13 du premier ruban 11 et séparés de celles-ci par des interstices ayant des largeurs g₂ et g₃ supérieures à la largeur G, si bien que les transitions entre le ruban 21 et les plans 22 et 23 offrent des décrochements 212 et 213. Les largeurs l₂ et l₃ des plans extrémaux 22 et 23 sont nettement plus grandes que celles W₁ et W₂ des rubans 11 et 12 afin de former des tronçons de ligne asymétrique aux extrémités de la ligne hyperfréquence. Ces deux tronçons permettent de connecter la ligne symétrique 11 + 21 à des raccords de connexion de lignes coaxiales. En particulier, les couples de dimensions g₂ et l₂, et g₃ et l₃ qui peuvent être différents, sont adaptés en fonction des impédances caractéristiques et donc des dimensions des lignes coaxiales à connecter respectivement.

[0019] Comme montré aux Figs. 3 et 4, un tel raccord 4 à connecter à l'extrémité de la ligne comprenant le plan 22, comporte classiquement un conducteur central métallique 41, un conducteur cylindrique externe métallique 42 qui est relié à la terre, et un isolant 43 emplissant l'intérieur du conducteur 42 autour du conducteur interne 41. Une extrémité 411 du conducteur interne 41 saille d'une face de base 44 du raccord 4 et est brasée colinéairement sur l'extrémité correspondante 12 du premier ruban 11. Un chant 222 du plan extrémal 22 perpendiculaire au ruban 11 est appliqué contre la face de raccord 4 et est soudé au conducteur externe 42 pour être mis à la terre.

[0020] Les rubans 11 et 21 et les plans conducteurs extrémaux 22 et 23, sans le plan conducteur 24, constituent ensemble une ligne hyperfréquence connue du type à rubans coplanaires symétriques (11 et 21) et extrémités asymétriques (11 et 22; 13 et 23).

[0021] Selon l'invention, la ligne hyperfréquence comprend également le plan conducteur rectangulaire large et longitudinal 24 ayant une largeur prédéterminée l₄. Le plan 24 a un grand côté 241 qui est parallèle et en vis-à-vis à un côté longitudinal 211 du second ruban étroit 21 et qui présente des extrémités 242 et 243 constituant des seconds petits côtés longitudinaux des plans conducteurs extrémaux 22 et 23. Ainsi, dans le conducteur de terre 2 apparaît une cavité plate rectangulaire 25 dont les grands côtés sont les côtés en vis-à-vis 211 et 241 du ruban 21 et du plan longitudinal 24 et dont les petits côtés sont des grands côtés en vis-à-vis 223 et 233 des plans extrémaux 22 et 23.

[0022] La longueur de la cavité 25 est égale à L, c'est-à-dire sensiblement inférieure à celle de la ligne hyperfréquence. La longueur L pour une largeur prédéterminée D de la cavité définit une fréquence de résonance longitudinale de la cavité qui inhibe toute fréquence d'onde stationnaire inférieure due à la résonance de ligne symétrique initiale 11 + 21. La cavité 25 se comporte ainsi comme un véritable filtre passe-­bas dont la fréquence de coupure est égale à la plus petite fréquence de résonance de la cavité.

[0023] Comme montré à la Fig. 5, si l'on désire augmenter la fréquence de coupure afin d'éliminer d'autres fréquences de résonance longitudinale de la ligne symétrique, la longueur de la cavité L est subdivisée en N sous-cavités de préférence identiques 25₁ à 25_N ayant chacun une longueur sensiblement égale à L/N. Entre deux sous-cavités adjacentes, par exemple 25_n et 25_n+1, où n est un indice variant de 1 à N, est prévue une "paroi" étroite intermédiaire constituée par un court ruban conducteur transversal 26_n qui est perpendiculaire aux ruban longitudinal étroit 21 et au ruban plan longitudinal 24 et relié à ceux-ci. Les N-1 rubans transversaux 26₁ à 26_N-1 de longueur D sont minces et ont une largeur t égale ou inférieure à celles W₁ et W₂ des rubans 11 et 12. Chaque ruban transversal joue un rôle analogue à une inductance shunt entre les conducteurs 21 et 24.

[0024] Le nombre N et les dimensions, longueur L/N et largeur D, des sous-­cavités 25₁ à 25_N sont choisis de manière à assurer le meilleur filtrage des fréquences basses de résonance, c'est-à-dire des résonances longitudinales parasites de la ligne symétrique. En pratique, pour une largeur D prédéterminée et une longueur L prédéterminée, on peut sélectionner le nombre entier N afin que la plus petite fréquence de résonance de chacune des sous-cavités soit supérieure à la fréquence maximale de la bande utile des signaux à transmettre.

[0025] Cependant, selon d'autres variantes, les longueurs des sous-cavités sont différentes, ou plus généralement les dimensions des sous-cavités sont différentes afin de sélectionner des fréquences de résonance et donc des fréquences de coupure prédéterminées. Par exemple, seulement avec une seule paroi 26₁ et deux sous-cavités 25₁ et 25₂ ayant des longueurs quelque peu différentes, la ligne hyperfréquence se comporte comme un filtre passe-bas ayant une fréquence de coupure égale à la plus petite des deux fréquences de résonance des deux sous-cavités 25₁ et 25₂ qui est associée à la plus longue des sous-cavités.

[0026] A titre d'exemple pratique sont présentés ci-après les résultats de mesures comparatives entre une ligne symétrique 11 + 21 + 22 +23 de type connu, d'une part, et deux lignes selon l'invention comprenant des éléments 11, 21, 22 et 23 identiques à celle de la ligne symétrique et un plan conducteur longitudinal de terre 24. L'une, L₁, des deux lignes selon l'invention ne comporte qu'une grande cavité 25 comme montré à la Fig. 1, tandis que la seconde ligne L₂ selon l'invention comporte un ruban mince intermédiaire 26₁ séparant la cavité 25 en N = 2 sous-­cavités identiques 25₁ et 25₂, comme montré à la Fig. 6. Le matériau diélectrique utilisé 3 était du niobate de lithium Li Nb O₃. L'impédance caractéristique de la ligne symétrique est égale à 50 Ohms. Les dimensions étaient les suivantes : L = 14 mm, W₁ = W₂ = 80 µm, G = 50 µm, g₂ = g₃ = 135 µm; D ≃ 1₂ = 1₃ = 1 mm; t = 30 µm; et l₄ = 1 mm. Les mesures ont été effectuées dans la bande de fréquence entre 10 MHz et 6 GHz.

[0027] Pour la ligne symétrique 11 + 21 + 22 + 23 selon la technique antérieure et sans plan de terre 24, la première résonance longitudinale apparaît vers 1 GHz.Pour la ligne L₁ selon l'invention, la première résonance longitudinale n'apparaît plus qu'à 2,5 GHz. La première résonance longitudinale de la ligne L₂ à deux sous-cavités est deux fois supérieure et est égale à environ 5 GHz.

Revendications

1 - Ligne de transmission hyperfréquence de type symétrique comprenant
      un premier conducteur (1) sous la forme d'un premier ruban conducteur étroit plat (11) s'étendant sur toute la longueur de la ligne et ayant des première et seconde extrémités (12, 13), et
      un second conducteur plat (2) coplanaire au premier conducteur (1), ledit second conducteur comprenant
      un second ruban conducteur étroit plat (21) s'étendant parallèlement au premier ruban étroit (11) entre les première et seconde extrémités (12, 13) du premier ruban étroit, et
      des premier et second conducteurs plans extrémaux (22, 23) sensiblement rectangulaires, reliés aux extrémités du second ruban étroit (21), et ayant des côtés (221, 211) sensiblement parallèles aux premiere et seconde extrémités (12, 13) du premier ruban étroit, respectivement,
      caractérisée en ce que le second conducteur (2) comprend un ruban conducteur plan large longitudinal (24) s'étendant coplanairement et parallèlement aux premier et second rubans étroits (11, 21) sur toute la longueur de la ligne,
      ledit ruban conducteur large (24) ayant des extrémités (242, 243) reliées aux premier et second conducteurs plans extrémaux (22, 23) respectivement afin de former dans le second conducteur plat une cavité résonnante (25) délimitée par des côtés longitudinaux (211, 249) du second ruban étroit (21) et du ruban large (24) et par des côtés transversaux en regard (223, 233) des conducteurs plans extrémaux (22, 23).

2 - Ligne de transmission hyperfréquence conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que le second conducteur plat (2) comprend un ruban conducteur intermédiaire (26₁) relié transversalement au second ruban étroit (21) et au ruban large (24) afin de partager ladite cavité (25) en deux sous-cavités résonnantes (25₁, 25₂).

3 - Ligne de transmission hyperfréquence conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que le second conducteur plat (2) comprend plusieurs rubans conducteurs intermédiaires (26₁ à 26_N-1) reliés transversalement au second ruban étroit (21) et au ruban large (24) afin de partager ladite cavité (25) en plusieurs sous-cavités résonnantes (25₁ à 25_N-1).

4 - Ligne de transmission hyperfréquence conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que la plus petite fréquence de résonance longitudinale de la cavité (25) est supérieure à la bande de fréquence utile de signaux à transmettre par ladite ligne.

5 - Ligne de transmission hyperfréquence conforme à la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que la plus petite fréquence de résonance longitudinale des sous-cavités (25₁ et 25₂; 25₁ à 25_N) est supérieure à la bande de fréquence utile des signaux à transmettre par ladite ligne.

6 - Ligne de transmission hyperfréquence conforme à l'une quelconque des revendications 2, 3 et 5, caractérisée en ce que les sous-cavités (25₁, 25₂; 25₁ à 25_N) sont identiques.

7 - Ligne de transmission hyperfréquence conforme à l'une quelconque des revendications 2, 3, 5 et 6, caractérisée en ce qu'un conducteur intermédiaire (26₁ à 26_N-1) a une largeur (t) inférieure aux largeurs (W₁, W₂) des premier et second rubans (11, 21).

8 - Ligne de transmission hyperfréquence conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le ruban large (24) et la cavité (25) ont des largeurs (l₄, D) sensiblement égales.

9 - Ligne de transmission hyperfréquence conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la largeur (G) de l'interstice longitudinal s'étendant entre les premier et second rubans étroits (11, 21) et les largeurs (W₁, W₂) des premier et second rubans étroits (11, 21) sont nettement inférieures à la largeur (D) de la cavité (25).

Dessins