Cavités résonantes
Résonateurs diélectriques - Circuits micro-ondes

Les résonateurs diélectriques sont des objets en céramique polycristalline nue ou métallisée, ou monocristallins, utilisés comme circuits résonants de base pour la réalisation de filtres et d’oscillateurs hyperfréquences, entre quelques dizaines de mégahertz et quelques dizaines de gigahertz.

Les filtres permettent la sélection d’une bande de fréquence et peuvent servir au multiplexage des fréquences comme dans les stations de base des radiotéléphones, la séparation des voies d’émission et réception de téléphones portables, etc. Ces dispositifs sont utilisés dans les applications GSM (Global System Mobile), UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) et GPS (Global Positioning System).

Les oscillateurs comprennent, outre le résonateur, un circuit intégré actif. Le circuit résonant sert à stabiliser la fréquence d’émission de l’oscillateur. Un exemple d’application des plus courants est le cas de la réception directe de télévision par satellite (« television reception oscillator » : TVRO) ; l’oscillateur local émet à une fréquence proche de la fréquence reçue du satellite et permet, par différence, de convertir à des fréquences plus basses utilisables dans les appareils de télévision. Ces dispositifs sont employés dans les antennes paraboliques de réception de télévision par satellite.

Les résonateurs diélectriques non métallisés sont logés dans des boîtiers métalliques. Ils fonctionnent sur des modes diélectriques qui concentrent l’énergie dans le résonateur. Le mode fondamental est le mode en coordonnée cylindrique TE_01δ , le diamètre du résonateur étant de l’ordre de grandeur de la longueur d’onde dans le résonateur. D’autres modes sont utilisés (hybrides, de galerie, etc.).

Pour les résonateurs métallisés en mode TEM, la longueur du résonateur est le quart de la longueur d’onde dans le résonateur (figure 1).

Les caractéristiques des dispositifs résonants à résonateur diélectrique dépendent des caractéristiques du résonateur diélectrique (tableau 1).

Les résonateurs remplacent les cavités métalliques ; comme elles, ils présentent :

• des modes de résonance dont les fréquences sont déterminées par les dimensions ;

• des coefficients de qualité Q élevés.

En outre, ils présentent les avantages suivants :

• dimensions réduites du fait de la permittivité ε supérieure à celle de l'air ;

• grande stabilité en température de la fréquence (τ _f ) ;

• simplicité de mise en œuvre.

L’emploi du résonateur diélectrique permet de réduire les dimensions des cavités d’un facteur égal à la racine de la permittivité relative ε_r = ε / ε₀ .

La dérive relative de la fréquence en température τ_f des cavités métalliques est opposée à la dilatation thermique ; dans le cas de cavités en aluminium, le coefficient de la dilatation thermique est de l’ordre de 20 · 10 ^–6/K (ou 20 ppm /K), valeur trop élevée dans les applications, et qui oblige à utiliser un alliage, l’Invar, plus coûteux ; le développement de compositions diélectriques dont le coefficient de variation thermique de la permittivité est de l’ordre du ppm par kelvin, a permis de réaliser avec les résonateurs diélectriques des dérives du même ordre que celles obtenues avec des cavités en Invar.

Enfin, le résonateur diélectrique est posé directement à proximité des éléments du circuit sans avoir besoin d’utiliser de connecteurs et/ou de liaisons complexes.

Les résonateurs diélectriques sont cependant limités par leur facteur de qualité : aux basses températures, notamment à 77 K, température de liquéfaction de l’azote, des composants à base de matériau supraconducteur, et des diélectriques monocristallins comme le saphir, sont préférés pour atteindre des facteurs de qualité des circuits de plus d’un ordre de grandeur supérieurs.

Les matériaux dans lesquels sont fabriqués les résonateurs diélectriques sont essentiellement à base d’oxyde de titane (TiO₂ ) ou à base d’oxyde de tantale (Ta₂O₅ ), ces derniers offrant des facteurs de qualité plus élevés.

On trouve les caractéristiques suivantes :

• permittivité diélectrique relative ε_r variable de 10 à 100 ;

• coefficient de qualité Q entre 10³ et quelques 10⁴ à 10 GHz ;

• coefficient de stabilité thermique de la fréquence de résonance τ_f compris entre 0 et + 20 ppm/K garanti dans des plages les plus resserrées possibles (± 2 à ± 0,05 ppm/K).

Le choix du matériau découle de deux propriétés générales des matériaux diélectriques, à savoir que le coefficient de qualité décroît quand la fréquence ou la permittivité augmentent. Comme les dimensions des circuits sont inversement proportionnelles à la fréquence et à la racine de la permittivité, on peut utiliser des résonateurs avec des permittivités d’autant plus faibles que la fréquence est élevée (par exemple, ε_r = 80 vers 1 GHz et ε_r = 37 vers 10 GHz avec le même facteur de qualité de 5 000).

Ce premier article présente le résonateur diélectrique comme élément de circuit en remplacement des guides d’ondes, avec son mode de fonctionnement principal (mode TE_01δ ). La manière de le coupler avec divers éléments (boucle, ligne microruban) au circuit extérieur est exposée ; d’autres modes de fonctionnement sont aussi présentés (résonateur coaxial, en technologie microruban, modes de galerie). La caractérisation du résonateur sous forme d’un élément de filtre permet de remonter aux pertes diélectriques du matériau. Le deuxième article Résonateurs diélectriques- Matériaux et composants décrit la caractérisation de la permittivité complexe du matériau ainsi que celle de la dérive en température de la fréquence de résonance, et donne le procédé général céramique de fabrication. L’origine physique de la permittivité, des pertes diélectriques et de la stabilité thermique des matériaux est introduite. Une gamme de matériaux est proposée. La mise en œuvre des résonateurs puis quelques exemples d’applications sont aussi donnés.