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RÉSUMÉ
Les résonateurs diélectriques sont des éléments de base pour les circuits hyperfréquences comprenant des filtres, des oscillateurs. Cet article présente la fabrication des résonateurs diélectriques en commençant par la caractérisation de la permittivité, du facteur de qualité et de la stabilité thermique, continuant avec le procédé d’élaboration céramique. Ensuite des critères de sélection sont donnés, ainsi que des références du marché. L’origine physique de la permittivité du matériau est introduite avec des listes de matériaux et diagrammes chimiques. Il se termine par la mise en œuvre du résonateur diélectrique utilisé dans le mode TE01d, et des exemples d’oscillateur et de filtres.
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Pierre FILHOL : Ingénieur matériaux céramiques hyperfréquences - Temex Components
INTRODUCTION
Dans une première partie Résonateurs diélectriques- Circuits micro-ondes a été présenté le résonateur comme élément de circuit en remplacement des guides d’ondes avec son mode de fonctionnement principal (mode TE01δ ). La manière de le coupler avec divers éléments (boucle, ligne microruban) au circuit extérieur a été exposée ainsi que d’autres modes de fonctionnement (résonateur coaxial, en technologie microruban, modes de galerie). Ensuite, la caractérisation du résonateur sous forme d’un élément de filtre a été reliée à la permittivité complexe du matériau du résonateur. Dans cette deuxième partie, la caractérisation de la permittivité complexe du matériau ainsi que celle de la dérive en température de la fréquence de résonance sont décrites, ainsi que quelques éléments sur l’origine physique de la permittivité, des pertes diélectriques et de la stabilité thermique des matériaux. Une gamme de matériaux est présentée. La mise en œuvre des résonateurs puis quelques exemples d’application sont exposés pour terminer.
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- Version courante de déc. 2016 par Pierre FILHOL
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Sélection de matériaux diélectriques2. Élaboration des matériaux
Les résonateurs sont élaborés par la technique céramique (figure 3) :
-
les oxydes et carbonates pulvérulents (taille de grain de l’ordre du micron) sont mélangés par voie sèche ou humide ;
-
si nécessaire, pour décomposer les carbonates et pour augmenter la densité de la poudre, le mélange est précalciné (chamotté) en dessous de la température finale de frittage pour former la phase et la structure du produit au moins partiellement ;
-
la poudre obtenue est broyée par voie humide afin de réduire la taille des particules à quelques microns et un liant organique est ajouté pour la mise en forme par pressage ;
-
la poudre est le plus souvent pressée suivant un axe ou de façon isostatique mais d’autres techniques peuvent être employées (extrusion, coulage en fonction des rapports de forme) ;
-
la pastille obtenue est « frittée » au cours d’un traitement thermique à haute température, pendant lequel interviennent les phénomènes de diffusion de la matière en volume, en surface, et par évaporation-condensation :
-
les grains de la poudre se soudent entre eux,
-
les vides entre grains se comblent,
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la pastille subit une réduction de ses dimensions de 10 à 20 %,
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la ou les phases se modifient chimiquement en fonction des constituants.
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Les dimensions peuvent être maîtrisées au pour-cent près environ ; des dimensions plus précises à ± 10 µm peuvent être obtenues par usinage. En général, il faut que le résonateur soit délivré à une fréquence précise de l’ordre de ± 0,5 % ; cette précision peut être obtenue par un contrôle poussé des opérations de pressage-frittage (densité de la poudre pressée, température de frittage, vitesse de frittage, etc.) ;
-
-
pour la réalisation des résonateurs coaxiaux pour le mode TEM, une encre à l’argent est déposée sur les surfaces interne et externe et frittée vers 900 oC ; l’épaisseur de la couche métallique est typiquement de 10 µm ;
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un ajustement en fréquence peut être réalisé...
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Élaboration des matériaux
ANNEXES
Le tableau indique le prix de résonateurs diélectriques de permittivité relative comprise entre 35 et 45 pour deux applications.
HAUT DE PAGE
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Références
MAGE (J.C.) - LABEYRIE (M.) - Les matériaux diélectriques pour résonateurs hyperfréquences. - L’onde électrique, 70, no 5, p. 6-13 (sept.-oct. 1990).
KAJFEZ (D.) - GUILLON (P.) - Dielectric Resonators (Les résonateurs diélectriques). - Artech House (1986).
DURAND (J.M.) - GUILLON (P.) - New Method For Complex Permittivity Measurement of Dielectric Materials. - Electronic Letters, 22, no 2, p. 63-65 (janv. 1986).
HEIDE (P.) - SCHUBERT (R.) - MAGORI (V.) - SCHWARTE (R.) - 24 GHz Low-Cost Doppler Sensor with Fundamental Frequency GaAs Pseudomorphic HEMT Oscillator Stabilized by Dielectric Resonator Operating in Higher- Orde Mode. - IEEE MTT-S Digest, p. 945-48 (1994).
CROS (D.) - GUILLON (P.) - Whispering Gallery Dielectric Resonator Modes for W-Band Devices. - IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 38, no 11,...
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