CA 022~376~ 1998-12-07 .
I
TRANSITION ENTRE UN GUIDE D'ONDES
ET UNE LIGNE COPLANAIRE
La présente invention a pour objet une transition entre un guide d'ondes et une 5 ligne coplanaire.
L'invention concerne le domaine des circuits hyperfréquences ou micro-ondes.
Plus précisément, elle concerne les transitions entre divers types de conducteurs hyperfréquences ou micro-ondes, à savoir les transitions entre les lignes coplanaires et les guides d'ondes. On appelle "transition" un composant hyperfréquence passif 10 permettant de passer d'un support de propagation du signal à un autre.
Divers types de transitions ont déjà été proposées. Un article de W. Grabherr, B.
Huder et W. Menzel, Microstrip to waveguide transition compatible with MM-wave integrated circuits, EEE Short papers 1994, décrit une transition entre une ligne micro-ruban et un guide d'ondes. Cette transition repose sur le principe d'une antenne formée 15 d'une fente dans le plan de masse de la ligne micro-ruban, qui émet dans le guide d'onde. L'énergie est couplée depuis la ligne micro-ruban à travers la fente dans le plan de masse, vers un élément radiant ou "patch" situé dans le guide d'onde sur un substrat additionnel. Cette technique ne s'applique pas directement à des liaisons coplanaires;
en outre, elle nécessite deux substrats, et un montage du substrat portant le patch dans 20 le guide d'ondes.
Une autre solution connue est celle des guides d'ondes à crête (en anglais "ridged waveguides). Ces guides d'ondes, pour permettre un couplage avec une ligne coplanaire ou une ligne micro-ruban, présentent une crête mécanique permettant un contact avec la ligne coplanaire, ou avec un circuit micro-ruban suspendu. Un exemple 25 de guide d'ondes à crêtes est donné dans la demande de brevet français déposée au nom de la demanderesse le 01.10.96 sous le numéro 9611941, sous le titre "Transition entre un guide d'ondes à crête et un circuit planaire".
Ce type de transition présente l'inconvénient de nécessiter un usinage complexe du guide d'onde pour former la crête; il implique aussi un montage compliqué de la 30 liaison. La solution présentée dans la demande de brevet précitée pallie ce dernier inconvénient; elle ne permet pas de s'affranchir de la contrainte d'usinage de la crête du guide d'ondes.
Il a aussi été proposé des transitions à constantes localisées, présentant une dimension inférieure à la longueur d'ondes guidée. De telles transitions sont 35 habituellement formées d'une sonde pénétrant dans le guide d'ondes, perpendiculairement à la direction d'extension de ce guide d'ondes et raccordée à un circuit planaire. La sonde peut être constituée de l'âme d'un circuit coaxial ou de l'extrémité d'une ligne métallique gravée sur un substrat dont l'autre extrémité est CA 022~376~ 1998-12-07 Iocalement démétallisée. L'inconvénient de ce type de transition est qu'elle nécessite un changement de direction de 90~ du signal hyperfréquence, et que l'encombrement de la transition est important. Ces transitions sont difficiles à mettre en oeuvre et ne présentent pas une large bande d'adaptation. Enfin, ces transitions sont d'un montage 5 délicat, et comprennent toujours un couvercle avec un creux ou un élément analogue permettant le bouclage du circuit.
Divers exemples de telles transitions formées de sondes sont décrits dans un article de Yi-Chi Shi et autres, Waveguide to microstrip transition for millimeter-wave applications, EEE MTT-S Digest, 1988, pages 473475.
Enfin, US-A-5,043,683 décrit une transition entre une ligne micro-ruban et un guide d'ondes destiné à recevoir des polarisations orthogonales. Dans ce document, il est suggéré que le plan de masse de deux lignes micro-ruban s'arrête à la paroi du guide d'onde, tandis que les extrémités de deux lignes micro-ruban traversent la paroi du guide d'onde et sont couplées capacitivement en bout par un espacement série sur les côtés adjacents d'un patch carré se trouvant dans le guide d'onde. Pratiquement, la paroi du guide d'ondes présente une épaisseur d'un quart de longueur d'ondes, desorte à être transparente pour les signaux la traversant, et les extrémités affinées des lignes micro-ruban sont proches mais distinctes des arêtes du patch carré. Cettesolution implique notamment de fermer le guide d'onde par un couvercle agissant comme court-circuit. Ce document propose une solution pour une transition entre deux lignes micro-ruban et un guide d'ondes à polarisation circulaire, mais ne propose aucune suggestion pour une ligne coplanaire ou un guide d'onde classique. Dans cette transition, le court circuit qui ferme l'extrémité du guide d'onde agit comme plan de masse du patch.
L'invention propose une transition entre une ligne coplanaire et un guide d'onde, qui soit d'une mise en oeuvre simple, et qui notamment n'implique pas d'usinage complexe de pièces mécaniques et puisse être assemblée facilement. L'invention rend possible l'utilisation d'un substrat unique, et fournit ainsi une solution d'un coût réduit.
Plus précisément, I'invention propose une transition entre au moins une ligne coplanaire et un guide d'ondes, la ligne coplanaire comprenant une ligne et un plan de masse disposés sur une face d'un substrat, caractérisée en ce qu'elle comprend un patch disposé sur la face du substrat opposée à la ligne, de sorte à être couplé électro-magnétiquement à la ligne, et en ce que est le patch est entouré par le guide d'ondes.
Dans un mode de réalisation, Ie guide d'ondes présente une section circulaire, carré ou rectangulaire.
Dans un mode de réalisation, le patch est carré ou circulaire.
.. , . . ~ . , .
- CA 022~376~ 1998-12-07 Avantageusement. Ia transition comprend une deuxième ligne sur la même face du substrat que la dite ligne, qui s'étend perpendiculairement à la dite ligne.
Dans ce cas, i] est préférable que le patch présente une forme carrée, que la dite ligne s'étende sensibJement en regard d'un côté du patch, et que la deuxième ligne S s'étende sensiblement en regard d'un côté adjacent du patch.
De préférence, le substrat est en un matériau herrnétique aux gaz et à l'eau, tel la céramique, le saphir ou le quartz.
L'invention a aussi pour objet un substrat présentant sur une de ses faces au moins une ligne coplanaire avec une ligne et un plarl de masse, et sur son autre face un patch couplé électro-magnétiquement avec la ligne.
Avantageusement, le patch est carré ou circulaire.
Dans un mode de réalisation, le substrat comprend une deuxième ligne sur la même face du substrat que la dite ligne, et qui s'étend perpendiculairement à la dite ligne.
lS Dans ce cas, le patch présente de préférence une forme carrée, la dite ligne s'étend sensiblement en regard d'un côté du patch, et la deuxième ligne s'étend sensiblement en regard d'un côté adjacent du patch.
Avantageusement, le substrat est en un matériau hermétique aux gaz et à l'eau, tel la céramique, le saphir ou le quartz.
L'invention a enfin pour objet un procédé de transmission vers un guide d'onde d'un signal hyperfréquence depuis une ligne coplanaire comprenant une ligne et un plan de masse disposés sur une face d'un substrat, comprenant - la transmission du signal depuis la ligne vers un patch situé du coté du substrat opposé à la ligne, par couplage capacitif à travers le substrat;
- le couplage du signal depuis le patch par rayonnement dans le dit guide d'ondes .
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparâîtront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation de l'invention, donnée à titre d'exemple et en référence aux figures qui montrent:
- figure 1, une vue schématique de dessus d'une transition selon l'invention entre une ligne coplanaire et un guide d'onde;
- figure 2, une vue schématique en coupe de la transition de la figure 1;
- figure 3, une vue schématique d'un autre mode de réalisation d'une transition selon I 'invention.
La figure 1 montre une vue schématique de dessus d'une transition selon l'invention, entre une ligne coplanaire et un guide d'onde. On voit sur la figure la ligne - 1 entourée par son plan de masse 2. Au voisinage de son extrémité, la ligne coplanaire I est couplée électro-magnétiquement à travers le substrat 3 à un patch 5 disposé dans CA 022~376~ 1998-12-07 le guide d'onde 6; dans l'exemple de la figure 1~ le guide d'ondes 6 présente une section rectangulaire, mais ceci n'est en aucun cas nécessaire à la mise en oeuvre de l'invention. Le guide d'onde pourrait aussi présenter une section circulaire ou carrée.
Dans ]'exemple de la figure, le patch est carré; il pourrait aussi être circulaire.
La figure 2 montre une vue en coupe de la transition de la figure 1. dans le plan II-II de la figure l; on reconnaît sur la figure 2 les parois 7 et 8 du guide d'ondes 6; les extrémités des parois du guide d'onde sont adjacentes ou fixées au substrat 3, par des moyens de fixation classiques. Sur la face inférieure du substrat 3 dirigée vers le guide d'ondes 6 est ménagé le patch; sur la face opposée au guide d'ondes 6, on reconnaît le plan de masse 2 et la ligne coplanaire 1.
Le fonctionnement du dispositif des figures I et 2 est le suivant. Le signal hyperfréquence transmis sur la ligne coplanaire est couplé électro-magnétiquement au patch 5, à travers le substrat 3. Le patch S agit comme antenne, et rayonne le signal dans le guide d'ondes; le plan de masse du patch est constitué par le plan de masse de la ligne coplanaire.
Dans l'exemple des figures I et 2, la ligne coplanaire s'étend en regard d'un côté
du patch. sur la face opposée du substrat, sur environ un quart de la dimension du patch dan~s une direction longitudinale de la ligne; il s'agit là d'une valeur qui s'avère appropriée, notamment pour le montage de la figure 3. Il est toutefois clair que le couplage capacitif entre le patch et la ligne coplanaire n'exige pas cette position relative de ces deux éléments, et que la ligne pourrait ne pas s'étendre au dessus du patch, ou encore le traverser complètement; le choix de la position relative exacte du patch et de la ligne peut être déterminé dans chaque application par l'homme du métier, en fonction des contraintes rencontrées, par exemple avec l'aide de logiciels de simulation connus en soi.
Dans la transition de l'invention, le plan de masse du patch est formé du plan de masse de la ligne coplanaire. L'invention assure ainsi un grande simplicité de fabrication et d'assemblage de la liaison; elle assure aussi le confinement électro-magnétique de l'onde; elle n'implique notamment pas de fabriquer une pièce mécanique de court-circuit pour arriver à assurer la fermeture du guide d'ondes 6 et à ramener un maximum de champ électrique sur une sonde.
Le couplage entre la ligne coplanaire et la patch dépend de la permittivité
diélectrique relative du substrat; la largeur de bande de la transition dépend dans cette mesure de la nature du substrat choisi. Ceci n'est pas un facteur limitant dans la mesure où la gamme de substrat existant permet de trouver pour les différentes valeurs possibles de la largeur de bande une valeur adaptée de la permittivité.
L'invention des figures I et 2 permet ainsi un couplage simple et efficace d'uneligne coplanaire dans un guide d'onde; ce couplage est d'une fabrication aisée, et d'un .. . . . ~ .
CA 022~376~ 1998-12-07 montage facile. Il ne nécessite aucune pièce mécanique. La transition est hermétique ou étanche si le substrat ne permet pas le passage des gaz ou de l'eau, ce qui est notamment le cas pour un substrat en céramique, en quartz ou en saphir.
La figure 3 montre une vue schématique d'un autre mode de réalisation d'une S transition selon l'invention. Le mode de réalisation de l'invention permet de coupler dans un guide d'ondes deux polarisations orthogonales, grâce à deux lignes coplanaires perpendiculaires distinctes. Le dispositif de la figure 3 est identique à celui de la figure 1, à cela près qu'il présente une deuxième ligne coplanaire 10, perpendiculaire à la ligne 2, et qui vient se coupler électro-magnétiquement au patch 5 10 sur une face de celui-ci adjacente à la face sur laquelle vient se coupler la ligne 2. En outre, le guide d'ondes de la figure 3 présente une section carrée; il pourrait aussi présenter une section circulaire.
Le fonctionnement du dispositif de la figure 3 est le suivant; les lignes 1, 10 transportent des signaux qui rayonnent dans le guide d'onde avec des polarisations 15 orthogonales dans des plans contenant respectivement le plan de chacune des lignes.
On assure ainsi un couplage dans le guide d'ondes de polarisations orthogonales. On peut assurer une polarisation circulaire droite ou gauche dans un guide d'onde en envoyant sur chacune des lignes des signaux déphasés de 90~.
La solution de la figure 3 évite les dispositifs mécaniques complexes, et permet20 un couplage direct sur deux polarisations orthogonales dans le guide d'ondes.Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux exemples et modes de réalisation décrits et représentés, mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art. Ainsi, I'invention s'applique à tous les types de guides d'ondes, et pas seulement à ceux représentés aux figures 1, 2 et 3; on peut ainsi faire 25 varier la section du guide d'ondes et la forme comme la taille du patch en fonction des contraintes propres à chaque application de l'invention, et notamment de la fréquence voulue. Il est par ailleurs clair que la transition de l'invention peut être utilisée pour passer d'un support de propagation autre qu'une ligne coplanaire vers un guide d'ondes, via une ligne cop]anaire; on peut ainsi passer classiquement d'une ligne 30 micro-ruban à une ligne coplanaire, puis utiliser la transition selon l'invention pour passer dans un guide d'ondes. On peut utiliser pour le substrat un autre matériau, par exemple un substrat organique; dans ce cas, la transition n'est pas nécessairement hermétique. CA 022 ~ 376 ~ 1998-12-07 .
I
TRANSITION BETWEEN A WAVEGUIDE
AND A COPLANAR LINE
The subject of the present invention is a transition between a waveguide and a 5 coplanar line.
The invention relates to the field of microwave or microwave circuits.
More specifically, it concerns the transitions between various types of conductors microwave or microwave, namely the transitions between the coplanar lines and waveguides. A passive microwave component is called "transition"
10 allowing to pass from one signal propagation medium to another.
Various types of transitions have already been proposed. An article by W. Grabherr, B.
Huder and W. Menzel, Microstrip to waveguide transition compatible with MM-wave integrated circuits, EEE Short papers 1994, describes a transition between a micro line ribbon and a waveguide. This transition is based on the principle of a formed antenna 15 of a slot in the ground plane of the microstrip line, which emits in the guide wave. Energy is coupled from the microstrip line through the slit in the plane mass, to a radiant element or "patch" located in the waveguide on a substrate additional. This technique does not apply directly to coplanar links;
in addition, it requires two substrates, and an assembly of the substrate carrying the patch in 20 the waveguide.
Another known solution is that of the ridged waveguides (in English "ridged waveguides). These waveguides, to allow coupling with a line coplanar or a micro-ribbon line, have a mechanical crest allowing a contact with the coplanar line, or with a suspended micro-ribbon circuit. An example 25 of crested waveguide is given in the French patent application filed at applicant's name on 01.10.96 under number 9611941, under the title "Transition between a crest waveguide and a planar circuit ".
This type of transition has the disadvantage of requiring complex machining waveguide to form the ridge; it also involves a complicated assembly of the 30 liaison. The solution presented in the aforementioned patent application overcomes the latter disadvantage; it does not overcome the machining constraint of the crest of the waveguide.
Transitions with localized constants have also been proposed, presenting a dimension smaller than the guided wavelength. Such transitions are 35 usually formed by a probe penetrating the waveguide, perpendicular to the direction of extension of this waveguide and connected to a planar circuit. The probe may consist of the core of a coaxial circuit or of the end of a metal line etched on a substrate whose other end is CA 022 ~ 376 ~ 1998-12-07 Locally demetallized. The disadvantage of this type of transition is that it requires a change of direction of 90 ~ of the microwave signal, and that the size of the transition is important. These transitions are difficult to implement and do not do not have a wide adaptation band. Finally, these transitions are of a montage 5 delicate, and always include a cover with a hollow or the like allowing looping of the circuit.
Various examples of such transitions consisting of probes are described in a article by Yi-Chi Shi and others, Waveguide to microstrip transition for millimeter-wave applications, EEE MTT-S Digest, 1988, pages 473475.
Finally, US-A-5,043,683 describes a transition between a microstrip line and a waveguide intended to receive orthogonal polarizations. In this document, he it is suggested that the ground plane of two microstrip lines stop at the wall of the waveguide, while the ends of two microstrip lines cross the wall of the waveguide and are capacitively coupled at the end by a series spacing on the adjacent sides of a square patch in the waveguide. In practice, the wall of the waveguide has a thickness of a quarter wavelength, desorte to be transparent for the signals passing through, and the refined ends of the micro-ribbon lines are close but distinct from the edges of the square patch. This solution notably involves closing the waveguide with an active cover as a short circuit. This document proposes a solution for a transition between two micro-ribbon lines and a circularly polarized waveguide, but does not offer no suggestion for a coplanar line or a classic waveguide. In this transition, the short circuit which closes the end of the waveguide acts as a plane of mass of the patch.
The invention proposes a transition between a coplanar line and a waveguide, which is simple to implement, and which in particular does not involve machining complex of mechanical parts and can be assembled easily. The invention makes possible the use of a single substrate, and thus provides a costly solution reduced.
More specifically, the invention proposes a transition between at least one line coplanar and a waveguide, the coplanar line comprising a line and a plane of mass arranged on one face of a substrate, characterized in that it comprises a patch arranged on the face of the substrate opposite the line, so as to be electronically coupled magnetically on the line, and in that is the patch is surrounded by the waveguide.
In one embodiment, the waveguide has a circular section, square or rectangular.
In one embodiment, the patch is square or circular.
..,. . ~. ,.
- CA 022 ~ 376 ~ 1998-12-07 Advantageously. The transition includes a second line on the same side of the substrate as said line, which extends perpendicular to said line.
In this case, i] is preferable that the patch has a square shape, than the so-called line extends sensibly to one side of the patch, and the second line S extends substantially opposite an adjacent side of the patch.
Preferably, the substrate is made of a material herrnetic to gases and water, such as ceramic, sapphire or quartz.
The invention also relates to a substrate having on one of its faces at minus a coplanar line with a line and a mass plarl, and on its other face a patch electro-magnetically coupled with the line.
Advantageously, the patch is square or circular.
In one embodiment, the substrate comprises a second line on the same face of the substrate as the said line, and which extends perpendicular to the said line.
lS In this case, the patch preferably has a square shape, the so-called line extends substantially opposite one side of the patch, and the second line extends substantially opposite an adjacent side of the patch.
Advantageously, the substrate is made of a gas and water tight material, such as ceramic, sapphire or quartz.
The invention finally relates to a method of transmission to a waveguide of a microwave signal from a coplanar line comprising a line and a ground plane arranged on one face of a substrate, comprising - signal transmission from the line to a patch located on the side of the substrate opposite the line, by capacitive coupling through the substrate;
- the coupling of the signal from the patch by radiation in the said guide waves.
Other characteristics and advantages of the invention will appear on reading the description which follows of an embodiment of the invention, given by way of example and with reference to the figures which show:
- Figure 1, a schematic top view of a transition according to the invention between a coplanar line and a waveguide;
- Figure 2, a schematic sectional view of the transition of Figure 1;
- Figure 3, a schematic view of another embodiment of a transition according to The invention.
Figure 1 shows a schematic top view of a transition along the invention, between a coplanar line and a waveguide. We see in the figure the line - 1 surrounded by its ground plane 2. In the vicinity of its end, the coplanar line I is electromagnetically coupled through the substrate 3 to a patch 5 arranged in CA 022 ~ 376 ~ 1998-12-07 wave guide 6; in the example of Figure 1 ~ the waveguide 6 has a rectangular section, but this is in no way necessary for the implementation of the invention. The waveguide could also have a circular or square section.
In the example of the figure, the patch is square; it could also be circular.
Figure 2 shows a sectional view of the transition from Figure 1. in the plane II-II of Figure l; we recognize in Figure 2 the walls 7 and 8 of the waveguide 6; the ends of the walls of the waveguide are adjacent or fixed to the substrate 3, by conventional fixing means. On the underside of the substrate 3 facing the guide wave 6 is provided the patch; on the face opposite to waveguide 6, we recognize the ground plane 2 and the coplanar line 1.
The operation of the device of Figures I and 2 is as follows. The signal microwave transmitted on the coplanar line is electromagnetically coupled to the patch 5, through substrate 3. Patch S acts as an antenna, and radiates the signal in the waveguide; the patch's ground plan is made up of the ground plan of the coplanar line.
In the example of Figures I and 2, the coplanar line extends opposite one side of the patch. on the opposite side of the substrate, over about a quarter of the dimension of the patch dan ~ s a longitudinal direction of the line; this is a value that turns out suitable, especially for the assembly of FIG. 3. It is however clear that the capacitive coupling between the patch and the coplanar line does not require this relative position of these two elements, and the line may not extend above the patch, or still cross it completely; the choice of the exact relative position of the patch and the line can be determined in each application by the skilled person, depending constraints encountered, for example with the help of known simulation software in itself.
In the transition of the invention, the ground plane of the patch is formed of the plane of mass of the coplanar line. The invention thus ensures great simplicity of fabrication and assembly of the link; it also provides electro-magnetic wave; in particular, it does not involve manufacturing a mechanical part short-circuit to achieve closure of the waveguide 6 and to bring a maximum electric field on a probe.
The coupling between the coplanar line and the patch depends on the permittivity relative dielectric of the substrate; the bandwidth of the transition depends in this measurement of the nature of the substrate chosen. This is not a limiting factor in the measurement where the range of existing substrate makes it possible to find for the different values possible bandwidth a suitable value of the permittivity.
The invention of Figures I and 2 thus allows simple and efficient coupling of a coplanar line in a waveguide; this coupling is easy to manufacture, and ... . . ~.
CA 022 ~ 376 ~ 1998-12-07 easy assembly. It does not require any mechanical parts. The transition is sealed or waterproof if the substrate does not allow the passage of gases or water, which is in particular the case for a ceramic, quartz or sapphire substrate.
Figure 3 shows a schematic view of another embodiment of a S transition according to the invention. The embodiment of the invention makes it possible to couple in a waveguide two orthogonal polarizations, thanks to two lines distinct perpendicular coplanar. The device of Figure 3 is identical to that in FIG. 1, except that it has a second coplanar line 10, perpendicular to line 2, and which electromagnetically couples to patch 5 10 on a face thereof adjacent to the face on which the line 2 is coupled.
in addition, the waveguide of Figure 3 has a square section; he could also present a circular section.
The operation of the device of Figure 3 is as follows; lines 1, 10 carry signals which radiate in the waveguide with polarizations 15 orthogonal in planes respectively containing the plane of each of the lines.
This ensures coupling in the waveguide of orthogonal polarizations. We can provide right or left circular polarization in a waveguide sending 90 ~ phase shifted signals on each of the lines.
The solution of FIG. 3 avoids complex mechanical devices, and allows direct coupling on two orthogonal polarizations in the waveguide. Of course, the present invention is not limited to the examples and modes of realization described and represented, but it is susceptible of numerous variants accessible to those skilled in the art. Thus, the invention applies to all types of guides waves, and not only those shown in Figures 1, 2 and 3; so we can do 25 vary the section of the waveguide and the shape and size of the patch depending on the constraints specific to each application of the invention, and in particular the frequency wanted. It is also clear that the transition of the invention can be used to move from a propagation medium other than a coplanar line to a guide waves, via a cop] anary line; we can thus pass classically from one line 30 micro-ribbon to a coplanar line, then use the transition according to the invention to go through a waveguide. Another material can be used for the substrate, for example example an organic substrate; in this case the transition is not necessarily hermetic.