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Résonateurs diélectriques - Circuits micro-ondes

| Réf : E1922 v2

Résonateurs diélectriques - Matériaux et composants

Auteur(s) : Pierre FILHOL

Date de publication : 10 déc. 2016

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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 TE₀₁_d , et des exemples d’oscillateur et de filtres.

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ABSTRACT

Dielectric resonators. Materials and components

Dielectric resonators are essential elements for microwave circuitry, including filters and oscillators. This article presents the fabrication of dielectric resonators, beginning with the characterization of the permittivity, the quality factor and the thermal stability, continuing with the ceramic manufacturing process. Then selection criteria are given, and market references. The physical origin of permittivity is introduced with some material lists and chemical diagrams. Its ends with the operating way of dielectric resonator used in the TE₀₁_d modes, and examples of oscillator and filters

Auteur(s)

Pierre FILHOL : Ingénieur ESPCI - Exxelia Temex, Pessac, France

INTRODUCTION

Dans l’article [E1920], les résonateurs diélectriques ont été présentés en remplacement des cavités métalliques dans les circuits micro-ondes, comme éléments résonnants. Ils entrent dans la réalisation d’oscillateurs ou de filtres et sont employés suivant divers modes électromagnétiques de type TE, TM, TEM. Dans cet article, la caractérisation des propriétés des résonateurs diélectriques est donnée. Effectuée par le fabricant, elle lui permet d’améliorer ces propriétés au bénéfice de l’utilisateur, soit : permittivité élevée pour une plus grande miniaturisation, facteur de qualité élevé pour l’obtention d’une haute pureté spectrale d’un oscillateur ou un minimum de pertes d’insertion d’un filtre, coefficient de température ajustable. Cela se fait par l’étude des compositions chimiques et du procédé céramique comprenant le mélange intime des éléments, matières premières, oxydes ou carbonates pulvérulents, cela en général par voie liquide, puis les conditions de frittage, dont les températures et l’atmosphère oxydante. Les formulations qui sont présentées ont été déterminées à partir d’oxydes simples comme l’alumine Al₂O₃ ou l’oxyde de titane TiO₂ de permittivité respectivement ~10 et ~100, et d’autres oxydes de baryum, zirconium, étain, tantale, niobium, terres rares comme le samarium, le néodyme, etc. Ces formulations non triviales permettent d’avoir un bon compromis entre une stabilité thermique en fréquence améliorée, de quelques 10^–6/K, et des pertes diélectriques suffisamment faibles, inférieures à 10^–3 ou, en équivalence, des facteurs de qualité supérieurs à 1 000 jusqu’à des dizaines de milliers. Quelques éléments de mise en œuvre dans les circuits sont donnés.

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MOTS-CLÉS

hyperfréquences | céramiques | résonateurs titanates tantalates

KEYWORDS

microwaves | ceramics | resonators titanates tantalates

VERSIONS

Il existe des versions antérieures de cet article :

Version archivée 1 de nov. 2004 par Pierre FILHOL

PERMALIEN

https://www.techniques-ingenieur.fr/base-documentaire/electronique-photonique-th13/materiaux-pour-l-electronique-et-dispositifs-associes-42271210/resonateurs-dielectriques-e1922/

RÉFÉRENCE BIBLIOGRAPHIQUE

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BIBLIOGRAPHIE

(1) - HAKKI (B.W.), COLEMAN (P.D.) - A dielectric resonator method of measuring inductive capacities. - IRE Trans MTT, no 8, p. 402-10, juil. 1960.
(2) - COURTNEY (W.E.) - Analysis and evaluation of a method of measuring the complex permittivity and permeability of microwave insulators. - IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, MTT-18, no 8, août 1970.
(3) - KOBAYASHI (Y.), KATOH (M.) - Microwave measurement of dielectric properties of low-loss materials by the dielectric rod resonator method. - IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, MTT-33, no 7, p. 586-592, juil. 1985.
(4) - KOBAYASHI (Y.), TAMURA (H.) - Round robin test on a dielectric resonator method for measuring complex permittivity at microwave frequency. - IEICE TRANS. ELECTRON., n° E77-C. 6 June, p.882-886 (1994).
(5) - PLOURDE (J.K.), LINN (D.F.), O’BRIAN (H.M.), THOMSON (J.) - Ba₂Ti₉O₂0 as a microwave dielectric resonator. - J. Am. Ceram. Soc. 58, n° 9-10,...

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Sommaire
Sommaire détaillé

INTRODUCTION

1 - CARACTÉRISATION

1.1 - Mesure de la permittivité
1.2 - Mesure des pertes diélectriques
1.3 - Mesure de la stabilité en température

2 - ÉLABORATION DES MATÉRIAUX

3 - SÉLECTION DE MATÉRIAUX DIÉLECTRIQUES

3.1 - Coefficient de stabilité thermique de la fréquence
3.2 - Permittivité relative réelle et facteur de qualité

4 - PERMITTIVITÉ DES MATÉRIAUX ET PERTES DIÉLECTRIQUES

4.1 - Permittivité
4.2 - Pertes diélectriques en fonction de la fréquence, de la température et de la permittivité

5 - GAMME DE MATÉRIAUX CÉRAMIQUES HYPERFRÉQUENCES

5.1 - Titanates de base ZrTiO4
5.2 - Titanates du diagramme CaTiO3-NdAlO3
5.3 - Titanates du diagramme SrTiO3-LaAlO3
5.4 - Tantalates des diagrammes BaO-ZnO-Ta2O5 et BaO-MgO-Ta2O5 : matériaux BZT et BMT
5.5 - Titanates des diagrammes BaO-Sm2O3-TiO2 et BaO-Nd2O3-TiO2 : matériaux BST et BNT