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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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Gamme de céramiques hyperfréquences4. Permittivité des matériaux
4.1 Permittivité
La valeur de la permittivité aux hyperfréquences est due essentiellement à deux contributions (figure 4) :
-
la polarisabilité ionique, c’est-à-dire le déplacement des ions positifs et négatifs par rapport à leur position d’équilibre dans le réseau cristallin sous champ ;
-
la polarisabilité électronique, c’est-à-dire la déformation des couches électroniques à l’intérieur des atomes sous champ électrique.
La contribution ionique est la plus importante : aux hyperfréquences, c’est-à-dire dans la zone d’emploi des résonateurs diélectriques, la partie réelle de la permittivité est constante, tandis que la partie imaginaire et ainsi la tangente diélectrique traduisant les pertes augmentent linéairement avec la fréquence.
HAUT DE PAGE4.2 Pertes diélectriques en fonction de la fréquence, de la température et de la permittivité
La figure 5 montre qu’entre 3 et 100 GHz, la tangente augmente linéairement quand la fréquence augmente ; au-dessous de 3 GHz, les valeurs de la tangente se situent au-dessus de la droite théorique, mais ce phénomène est dû en grande partie à des défauts de type céramique liés à la plus grande taille des échantillons (dimensions inversement proportionnelles à la fréquence).
Le comportement de la tangente de pertes diélectriques en fonction de la fréquence et de la température s’explique par l’interaction de l’onde électromagnétique avec les vibrations des atomes du réseau cristallin dans la région des fréquences infrarouges [11]. On observe des résonances comme schématisé sur la figure 4 ; la théorie classique exprime le comportement de la permittivité en fonction de la fréquence par la relation de dispersion suivante :
avec :
- ω...
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Permittivité 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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