Bibliographie & annexes
Présentation
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RÉSUMÉ
Les résonateurs diélectriques sont des pièces en céramique isolante à forte permittivité, utilisés pour remplacer les cavités micro-ondes et réduire leur volume. Comme elles, ils confinent les ondes électromagnétiques jusqu’à 95% de l’énergie dans la pièce avec le mode de résonance TE01d. Cet article introduit les circuits résonnants RLC, les cavités hyperfréquences, le passage aux résonateurs avec les modes de couplage. Le facteur de qualité des cavités et des résonateurs diélectriques est obtenu à partir de mesures de largeur de raie de résonance de filtres en transmission ou en absorption. D’autres modes de cavités chargées de diélectrique permettent la réduction de volume des filtres multi-pôles ou la montée en fréquence, tels les modes TM, HEM, TEM, ou les modes de galerie.
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Pierre FILHOL : Ingénieur études - EXXELIA TEMEX PESSAC FRANCE
INTRODUCTION
Les résonateurs diélectriques sont des objets en matériau isolant, à base d’oxydes, sous forme de céramique nue ou métallisée, disque cylindre, cube, sphère… Ils servent comme résonateurs (composants) dans la réalisation de filtres, d’oscillateurs, d’antennes, aux hyperfréquences (comprises entre quelques dizaines de mégahertz (106 Hz) et quelques dizaines de gigahertz (109 Hz).
Le résonateur diélectrique remplace les cavités résonantes vides (air seulement) et, comme elles, confine l’énergie électromagnétique, grâce à sa permittivité élevée (entre 10 et 100). Il présente des fréquences propres de résonance (modes), avec les avantages suivants sur les cavités résonantes :
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réduction de la taille du composant dans le rapport de la racine carrée de la permittivité,
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coefficient de stabilité thermique de la fréquence de résonance ajustable et avoisinant 10–6/°C permettant de s’adapter à son environnement,
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facilité de mise en œuvre.
Suivant la composition du matériau et l’environnement, le facteur de qualité peut être supérieur à celui d’une cavité métallique, à l’exception de celui d’une cavité supraconductrice.
Même si, en pratique, le résonateur diélectrique est facile d’emploi, néanmoins la détermination théorique de la fréquence de résonance ou du facteur de qualité du composant est plus complexe que celle d‘une cavité métallique. L’apport des techniques de calculs numériques permet de surseoir la difficulté.
Cet article expose le concept du résonateur dans le mode transverse électrique TE01δ, ainsi que ses caractérisations effectuées par les fabricants de matériaux. La manière de le coupler au circuit extérieur avec divers éléments (boucle, ligne micro-ruban) est exposée. La caractérisation du résonateur sous forme d’un élément de filtre permet de remonter aux pertes diélectriques du matériau. Les matériaux pour résonateurs diélectriques sont aussi utilisés dans des modes différents (hybride, transverse magnétique TM, transverse électromagnétique TEM, etc.). Ces derniers modes concernent le cas de filtres (spatial, radiotéléphonie mobile) : il s’agit généralement de réaliser un compromis entre le facteur de qualité le plus élevé possible et le volume ou la masse minimum du résonateur.
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- Version archivée 1 de nov. 2004 par Pierre FILHOL
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9. Conclusion
Le résonateur diélectrique confine l’énergie électromagnétique à 95 % selon le mode de résonance TE01δ. La caractérisation selon ce mode, comme une cavité résonante en fréquence de résonance et en coefficient de qualité, est une méthode pour remonter à la valeur de la tangente diélectrique du matériau. Des valeurs faibles, inférieures à 10–4, peuvent être mesurées, ce pour des permittivités diélectriques supérieures à 20 typiquement, d’une manière pratique et peu onéreuse. Dans l’article [E1922], on détaille la caractérisation des autres propriétés du matériau, permittivité, stabilité thermique, ainsi que la tangente diélectrique de pertes pour des permittivités inférieures à 20.
D’autres modes voisins du mode TE01δ, de type hybrides ou TM, dits de cavités chargées, sont intéressants pour réduire le volume comme les modes duaux, ou améliorer les parasites, ou encore les plages d’accord de fréquence. Il y a toujours un compromis entre volume et coefficient de qualité. On passe de facteurs de qualité de plus de 10 000 à des facteurs de qualités de 1 000 ou moins en réduisant les volumes. De même, on passe ainsi du mode TE01δ ou équivalent H11, TM01δ au mode TM010 puis TEM. La plupart du temps, on dose une quantité pas trop importante de diélectrique dans la structure, lorsque l’on veut augmenter le facteur Q.
Le mode TE01δ peut aussi être utilisé en mode triple avec des formes cubiques ou sphériques pour diminuer le volume des filtres.
Enfin, la montée en fréquence oblige à utiliser des modes de galerie pour plus de commodité.
Des structures à bande interdite pour des antennes ou des filtres, des métamatériaux, peuvent utiliser des matériaux diélectriques stables en température.
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - MAGE (J.C.), LABEYRIE (M.) - Les matériaux diélectriques pour résonateurs hyperfréquences. – - L’onde électrique, 70, no 5, p. 6-13 (sept.-oct. 1990).
-
(2) - KAJFEZ (D.), GUILLON (P.) - Dielectric Resonators (Les résonateurs diélectriques). – - Artech House (1986).
-
(3) - DURAND (J.M.), GUILLON (P.) - New Method For Complex Permittivity Measurement of Dielectric Materials. – - Electronic Letters, 22, no 2, p. 63-65 (janv. 1986).
-
(4) - HENNINGS (D.), SCHNABEL (P.) - Dielectric Characterization of Ba2Ti9O20 type Ceramics at Microwave Frequencies, - Philips Journal of Research Vol. 38, N° 6, 1983, pp. 295-311, 4 tabl., 8 Fig., bibl. (7 réf.).
-
(5) - FIEDZIUSZKO (S.J.) - Dual-Mode Dielectric Resonator Loaded Cavity Filters, - IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. MTT-30, n° 9, pp. 1311-16, Septembre 1982, 1 tabl.,10 fig.,...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Université de Limoges-XLIM – http://www.xlim.fr/minacom
Université de LEEDS – Faculty of Engineering – http://www.leeds.ac.uk
HAUT DE PAGE2 Données statistiques et économiques
Les applications principales sont les filtres à résonateurs diélectriques pour les applications des stations de base du radio téléphone, les oscillateurs pour les alarmes, la réception directe de télévision par satellite, les télécommunications en général militaires ou spatiales. Les chiffres sont indiqués dans l’article [E1922].
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