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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 TE01δ. Cet article introduit les circuits résonants 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 multipôles ou la montée en fréquence, tels les modes TM, HEM, TEM, ou les modes de galerie.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Pierre FILHOL : Ingénieur études - EXXELIA TEMEX PESSAC France
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Arnaud NABOULET : Ingénieur R&D - EXXELIA PESSAC France
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Aubry MARTIN : Ingénieur R&D - EXXELIA PESSAC France
INTRODUCTION
Les résonateurs diélectriques sont des objets en matériau isolant, à base d’oxydes, sous forme de céramique nue ou métallisée, de disque, cylindre, cube, sphère, etc. 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 des cavités supraconductrices.
Même si, en pratique, le résonateur diélectrique est facile d’emploi, 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 calcul numérique 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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MOTS-CLÉS
VERSIONS
- Version archivée 1 de nov. 2004 par Pierre FILHOL
- Version archivée 2 de avr. 2016 par Pierre FILHOL
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Structures diélectriques périodiquesArticle inclus dans l'offre
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7. Modes de galerie
Plus la fréquence est élevée, plus les dimensions des résonateurs deviennent petites. Par exemple, à 30 GHz, le diamètre d’un résonateur de permittivité relative 9 comme le saphir est d’environ 3 mm. On utilise alors, avec des résonateurs cylindriques, des modes d’ordre supérieur au mode fondamental TE01δ, dits de galerie, parce que l’énergie est confinée à la périphérie du résonateur . Ils sont notés
pour whispering gallery mode ; les indices
,
,
représentent le nombre de longueurs d’onde (et non de demi-longueur d’onde comme pour les modes TE01δ ou HE11δ), respectivement pour la composante azimutale
, radiale
et axiale
...
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Modes de galerie
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - MAGE (J.C.), LABEYRIE (M.) - Les matériaux diélectriques pour résonateurs hyperfréquences. - In : L’onde électrique, 70, n° 5, p. 6-13 (1990).
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(2) - KAJFEZ (D.), GUILLON (P.) - Dielectric resonators (Les résonateurs diélectriques). - Artech House (1986).
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(3) - DURAND (J.M.), GUILLON (P.) - New method for complex permittivity measurement of dielectric materials. - In : Electronic Letters, 22, n° 2, p. 63-65 (1986).
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(4) - HENNINGS (D.), SCHNABEL (P.) - Dielectric characterization of Ba2Ti9O20 type ceramics at microwave frequencies. - In : Philips Journal of Research, vol. 38, n° 6, p. 295-311 (1983).
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(5) - FIEDZIUSZKO (S.J.) - Dual-mode dielectric resonator loaded cavity filters. - In : IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. MTT-30, n° 9, p. 1311-16 (1982).
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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 Résonateurs diélectriques – Matériaux et composants [E 1 922].
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