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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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Permittivité des matériaux3. Sélection de matériaux diélectriques
3.1 Permittivité relative réelle
Depuis la découverte du résonateur diélectrique en mode TE01δ ou TEM, la recherche de matériaux permet de disposer aujourd’hui d’une gamme de permittivités relatives comprises entre 10 et 100 (voir encadré « Historique des résonateurs »). En fonction des applications, du type de résonateur (métallisé ou non) et de la fréquence utilisée, on a :
-
résonateurs non métallisés, mode diélectrique
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: une permittivité relative entre 20 et 50 est optimale du point de vue des pertes et de l’intérêt pratique ; les premiers matériaux mis au point par les fabricants de matériaux et donc les premiers à avoir été utilisés dans les circuits ont des permittivités relatives de l’ordre de 37 à 40 (matériau à base de ZrO2 , SnO2 , TiO2 ou de BaO, TiO2). Ainsi, les dispositifs ont été développés à partir de ces matériaux, en particulier les oscillateurs pour la réception par satellite ou les systèmes de filtrage pour les stations de base de radiotéléphonie GSM, PCN, etc. ; -
résonateurs coaxiaux, mode TEM : ces modes sont utilisés dans le filtrage aux fréquences du GSM 900 MHz ; la permittivité relative recherchée est comprise entre 20 et 100. Une permittivité relative élevée permet de réduire les dimensions mais, pour obtenir des facteurs de qualité plus élevés, de l’ordre de 1 000, on est obligé d’augmenter le diamètre des résonateurs ; de ce fait, on fait apparaître des modes parasites [1]. On doit donc augmenter la longueur du résonateur ; pour garder la même fréquence, on diminue la permittivité relative ;
-
substrat pour lignes microruban, mode quasi TEM : l’habitude est d’utiliser des supports en alumine à constante diélectrique relative assez faible permettant une transmission plus rapide des signaux – la vitesse est divisée par la racine de la permittivité relative
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– donc les matériaux...
: une permittivité relative entre 20 et 50 est optimale du point de vue des pertes et de l’intérêt pratique ; les premiers matériaux mis au point par les fabricants de matériaux et donc les premiers à avoir été utilisés dans les circuits ont des permittivités relatives de l’ordre de 37 à 40 (matériau à base de ZrO2 , SnO2 , TiO2 ou de BaO, TiO2). Ainsi, les dispositifs ont été développés à partir de ces matériaux, en particulier les oscillateurs pour la réception par satellite ou les systèmes de filtrage pour les stations de base de radiotéléphonie GSM, PCN, etc. ;
– donc les matériaux...
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Sélection de matériaux diélectriques
ANNEXES
Le tableau indique le prix de résonateurs diélectriques de permittivité relative comprise entre 35 et 45 pour deux applications.
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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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