Brevet FR2032301A1 — publié le 19701127

i 2032301 La présente invention est relative à des coupleùrs directionnels et se rapporte plus particulièrement à ion coupleur à lignes à rubans entfcelacés et en quadrature . Un couleur directionnel en quadrature est une jonction hy-5 perfréquence à quatre extrémités ayant des propriétés telles qu'une onde arrivant à 1'extrémité.un couple l'énergie aux ex -trémités deux et trois mais ne la couple pas à l'extrémité quatre .De même, l'énergie arrivant à l'extrémité quatre est couplée aux extrémités deux et trois mais ne lrest pas à l'extrémité un . 10 Ainsi, les extrémités un et quatre ne sont pas couplées . Une onde arrivant à l'extrémité deux ou trois couple, l'énergie aux extrémités un et quatre seulement et ainsi les extrémités deux et trois en sont pas couplées .Si trois des quatre extrémités se terminent pur des charges adaptées , la quatrième extrémité 15 apparaît terminée sur une charge adaptée et une onde arrivant à cette extrémité n'est pas réfléchie . Dans une application, on utilise des coupleurs directionnels pour diviser l'énergie entre deux amplificateurs afin:de réduire le taux d'onde stationnaire (TOS) aux bornes et augmenter la sou-20 plesse de conception du circuit .Théoriquement, un coupleur doit être sans perte avec une division d'énergie d'exactement 5 dB dans la bande .Jusqu'à maintenant, il était difficile de réaliser un coupleur à lignes à rubans/^8 dB à faible perte et à faoble TOS aux bornes en raison de l'espacement des lignes et des tolé-25 rances de fabrication . Le coupleur à lignes de\ branchement et le coupleur non entrelacé et à couplage par les, bords sont parmi ceux qui sont difficiles à fabriquer en raison des tolérances, de fabrication . De plus, les coupleurs à lignes de branchement ne sont pas capables de satisfaire simultanément aux conditions 30 courantes de couplage de TOS aux bornes et de bande passante dans un nombre raisonnable de sections .Le coupleur en"bandes présente également des limitations sévères et de plus ses dimensions sont relativement importantes . En outre, ces deux configurations présentent une bande passante étroite et nécessitent un substrat ' 35 beaucoup plus grand que les coupleurs à lignes couplées et à section unique . Un couplage serré a été obtenu dans les coupleurs directionnels destinés aux circuits intégrés hyperfréquence au moyen de sections -à couplage large et rentrantes .Ces deux configurations 40 nécessitent toutefois des circuits à plusieurs couches ce qui 69 33304 2 2032301 est très difficile à obtenir sur des matériaux céramiques et pratiquement impossible dans le cas des circuits intégrés monolithiques . En conséquence, l'invention a pour but de fournir : ^ -un coupleur en quadrature à faible perte ; . -un coupleur en quadrature large à-bande passante ; -un coupleur en quadrature présentant des tolérances de fabrication raisonnables ; -un coupleur'en quadrature comportant des parties de lignes 10 à ruban intercalées . Suivant l'invention, plusieurs parties de lignes à ruban sont formées sur un substrat , suivant une configuration entre^ lacée. Les parties de lignes alternées sont reliées par des fils volants qui leur sont liés -.La longueur effective de chaque par-15 tie de ligne est d-e l'ordre d'un quart de longueur d'onde à la fréquence centrale de la bande passante . La conception des extrémités d'entrée est symétrique pour les parties de ligne entrelacées , ce qui augmente les caractéristiques de couplage . Suivant un mode de réalisation particulier de l'invention, 20 les extrémités un et trois d'un coupleur de 3 dB à lignes entrelacées sont formées solidairement des parties de ligne individuelles . Ces parties sont interconnectées par des fils de liaison multiples afin de réduire l'inductance parasite. . Les extrémités deux et quatre sont interconnectées par une partie 25 quart d'onde unique et sont formées d'une seule pièce avec une partie de ligne d'une longueur d'un quart de longueur d'onde . Des fils de liaison multiplesinterconnectent les parties de lignes courtes à la partie quart d'onde comprise entre les extrémités deux et quatre .Les parties de ligne sont fabriquées sui-30 vant une configuration entrelacée par un procédé de dépôt en phase vapeur . D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante , donnée à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, dans les-35 quels : la Fig.l est un schéma de principe d'un amplificateur utilisant des coupleurs en quadrature à l'entrée et à la sortie .; la Fig.2 est un schéma d'un étage d'amplification unique pour l'amplificateur de la Fig.l ; 40 la Fig.3 représente un coupleur directionnel en cascade 69 33304 3 2032301 à trois section du type rencontré dans la technique antérieure ; la Fig.4 représente un coup-leur en quadrature à lignes entrelacées suivant l'invention ; la Fig.5 est un graphique ée l'amplitude de transmission en 5 dB en fonction de la fréquence en glgahertz pour le coupleur de la Fig.4 ; la Fig.6 représente une variante de coupleur entrelacé suivant l'invention . En se référant aux dessins, il est représenté à la Fig.l , 10 un amplificateur complet comportant deux coupleurs en quadrature de 3dB et deux modules de gain . Un coupleur d'entrée comportant quatre extrémités a son extrémité un connectée à une borne d'entrée 12, son extrémité quatre connectée à la masse par l'intermédiaire d'une résistance 14 et les extrémités 2 et 3 couplées 15 à des modules de gain 16 et l8 respectivement .Un coupleur de sortie 20 ayant également quatre extrémités, a ses extrémités deux et trois connectées à la sortie des modules de gain 16 et 18 respectivement , son extrémité un connectée à la masse par l'intermédiaire d'une résistance 22 et l'extrémité quatre connectée à 20 une borne de sortie 24. Les modules de gain peuvent utiliser trois ou quatre étages d'amplification pour satisfaire aux impératifs d'amplification imposés . En se référant à la Fig.2,_ il est représenté schématiquement 25 un étage amplificateur du type utilisé dans les modules de gain 16 et 18 . Une borne d'entrée 26 est connectée à une extrémité du coupleur d'entrée 10 ou à un étage d'amplification précédent .Un condensateur de liaison 28 connecte la borne d'entrée à l'électrode de base d'un transistor 30 qui est également connectée à 30 une bobine de polarisation 32. La bobine 32 est connectée à la masse par l'intermédiaire d'un condensateur 34 et à une source de courant continu (non représenté) qui est connectée à une borne 36. Le transistor 30 comporte également une électrode d'émetteur connectée à une source de courant continu ( non représentée) à une 35 borne 38 par l'intermédiaire d'une résistance 40. L'électrode d'émetteur du transistor 30 e.st connectée également à la masse par l'intermédiaire d'un condensateur 42. Le circuit de sortie de l'amplificateur comprend un transformateur 44 à section en L connecté à l'électrode de collecteur du transistor 30 et à un conden-40 sateur 46. Le transformateur 44 est connecté à la borné de sortie 33304 4 2032301 48 ainsi qu'à une bobine de polarisation 50. De préférence, chaque étage amplificateur- des modules de gain 16 et "18 est fabriqué au moyen des techniques de lignes à ruban. Les bobines 32 et 50 sont des lignes en méandres dont chacune à 5 une longueur égale à un quart de longueur d'onde à. la fréquence centrale de la bande passante . Le transistor 30 peut être fabriqué sar une pastille et être intercalé dans le circuit à lignes à ruban . Il a été mis au point des techniques pour fabriquer des éta-10 ges amplificateurs du type représenté à la Fig.2, telles que chaque élément ne nécessite qu 'un espace minimal .Toutefois, les coupleurs de la technique antérieure, du type représenté à la Fig. 3, nécessitent un espace beaucoup plus considérable . De plus, les coupleurs de la technique antérieure du type représenté sont 15 difficiles à fabriquer en raison de l'espacement des lignes et des tolérances de fabrication . Le coupleur de la Fig.3 comprend deux sections de sortie 52 et §4 formant une région de couplage lâche et ayant chacune une longueur d'un quart de longueur d'onde. Les deux sections externes 52 et 54 présentent par exemple un 20 couplage de 17,2 dB qui peut être réalisé avec des lignes à couplage par les bords de 203 microns de large et écartées de 406 microns sur un substrat de 508 microns en matière céramique .Si les deux sections externes ont un couplage de 17,2 dB , une section centrale 56 nécessite alors.un couplage de 1*76 dB pour pro-25 duire un coupleur global de 3dB .La section centrale 56 à couplage serré a de nouveau une longueur égale à un quart de longueur d'onde .Comme représenté, la section 56 comporte ..deuxii-gnes espacées pour le couplage par les bords .La largeur et l'é-cartement de ces lignes sont difficiles à calculer et presque 30 impossibles à réaliser .Pour essayer d'utiliser des coupleurs du type représenté à la Fig.3, on a envisagé un couplage large pour la section 56. Toutefois, des problèmes sérieux ont été rencontrés lorsqu'on a essayé de maintenir les lignes en recouvrement sur toute la longueur quart d'onde et pour déposer la couche très 35 mince de matière céramique destinée à espacer les lignes . Avec un coupleur entrelacé du type représenté à la Fig.4,1a superficie totale du coupleur peut être réduite à un tiers de celle représentée à la Fig.3 et les procédés de fabrication sont alors simplifiés de façon considérable .En se référant à la Fig.4, 40 une première partie de ligne 58 se termine à une extrémité 60 69 33304 5 2032301 et une seconde partie de ligne 62 se termine à une extrémité 64 (extrémité 3) • Les extrémités 1 et 3 sont donc similaites et symétriques .Une troisième partie de ligne 66 se termine à un bout par une extrémité 68 ( extrémité 2} et à l'autre par l'ex-5 trémité JO (extrémité 4.) . Les extrémités 68 et 70 sont également solidaires des parties de ligne 72 et 74 respectivement qui ont une longueur égale à la moitié de celle de la partie 66. Ainsi, les extrémités 68 et 70 sont symétriques et le coupleur entier est symétrique . Dans un coupleur du type représenté, la symétrie 10 améliore la qualité du couplage en réduisant les pertes . Les parties de ligne 58,62,66,72 et 74 forment une configuration entrelacée. Les parties de ligne alternées sont interconnectées par des fils de croisement .Ainsi, la partie 58 est connectée à la partie 62 au moyen d'un groupe de trois fils de croisement 15 76 au niveau de l'extrémité 60 et d'un groupe de trois conducteurs de croisement 78 au niveau de l'orifice 64.La partie de ligne 66 est connectée à la partie de ligne 72 par un groupe de trois fils de croisement 80 àt à la partie de ligne 74 au moyen d'un groupe de trois fils de croisement $2. Des fils multiples 20 de liaison s'utilisent plus facilement que des fils uniques et réduisent, l'inductance parasite laquelle ils donnent naissance. Un modèle du coupleur représenté à la Fig.4 a été fabriqué sur un substrat de 1^,05 mm d'épaisseur en alumine (AlgO^) avec un plan de terre recouvrant une surface . De l'alumine non vi-25 trifiée a été placée dans une chambre à vide et une pellicule mince d'or a été déposée sur la face opposée au plan de masse. Au moyen des techniques de masques photographiques et de décapage , un premier masque a été formé sur la pellicule mince d'or pour définir les parties de lignes à ruban . La pellicule en 20 surplus a été ensuite éliminée par décapage et un second masque a été formé sur le substrat afin de définir une partie de ligne à ruban et les zones d'extrémité .De l'or a été déposé ensuite sur les zones de pellicule d'or à découvert à travers le second masque suivant une épaisseur désirée . Dans un modèle de labo-35 ratoire de coupleur entrelacé, les parties de ligne à ruban ont une largeur de 112,5 microns et sont écartées de 75 microns . Il est clair que le coupleur entrelacé de l'invention peut être utilisé avec des circuits à deux plans âe masse avec une ou deux couches de diélectrique . 33304 6 2032301 En se référant à la Fig.5 , il est représenté un graphique de l'amplitude de transmission en dB eç fonction de la fréquence en GHz pour le modèle décrit ci-dessus .Une entrée $tant couplée à 1 ' extrémité .l,lf énergie est .trahsmise à l'ex-^ trémifcé 3 avec un affaiblissement d'environ 3 dB , comme représenté par la courbe 86.La même entrée étant connectée à l'extrémité 1 l'énergie est transmise à l'extrémité 2 avec un affaiblissement d'environ 3,6 dB comme indiqué par la courbe 88. Ces deux courbes correspondent à une gamme de fréquences de 20 2 GHz à 4 GHz .Entre l'extrémité 1 et l'extrémité 4,une très faible quantité d':éiergie est transmise, comme indiqué par la courbe 90 qui est située aux environs de 3Q dB. On notera que les courbes de la Fig.5 ne sont pas destinées à indiquer le fonctionnement de pointe du coupleur de la Fig.4. Ces courbes ont été tracées ave& dés données obtenues à partir d'expériences de laboratoire . Le t^leau montre la réponse complète d'un coupleur entrelacé de 3 dB suivant l'invention entre 2 GHz et 4 GHz . Outre les données à partir desquelles les courbes de la Fig.5 2q ont été tracées, le tableau 1 indique également la iperte d'insertion et le déséquilibre à la sortie .De nouveau, ces âSïlôées ne sont pas destinées à indiquer le fonctionnement de pointe d'y. coupleur,mais sont des données obtenues à partir d'expériences de laboratoire . o* -o u> LU UJ TABLEAU O jfc. REPONSE DU COUPLEUR ENTRELACE DE 3dB Fréquence Sortie Sortie Direotivité Perte d'insertion Déséquilibre de (GHz) Directe Couplée ^ iq i2 sortie 1S1^ 1S12l2 1S1412 (dB) p + 1S1912/ (dB) (dB) IS.,1 (dB) 2 P (dB) 2,0 2,6 4,0 31,0 0,32 1,40 2,2 2,8 5,8 30,5 0,28 0,97 2,4 2,95 3,45 30,0 0,20 0,50 2,6' 3,1 ' 3,5 30,3 0,30 0,45 2,8 . 5,2 3,4 30,8 0,27 0,23 ' 3,0 3,2 3,3 31,4 0.,§4' 0,08 2,2 3,2 3,2 • 30,5 0,20 0,05 3,4 3,1 3,3 30,4 0,21 0,22 5,8 2,8 3,5 31,1 0,15 0,70 4,0 2,65 3,65 31,9 0,15 0,98 ~ K> O LU K> CU O 69 33304 8 2032301 En se référant à 1a. Fig.6, il est représenté un autre mode de réalisation de coupleur entrelacé suivant l'invention. Des lignes à rubans 92 et 94 sont formés solidairement d'une extrémité 96(extrémité 3) • Ces lignes à ruban sont connectées à une extrémité 98 ( extrémité 2) au moyen d'un fil de croisement 100 -lié aux lignes à ruban et à l'extrémité .Une ligne à ruban 102 est formée solidairement de l'extrémité 104 (extrémité 4) et de l'extrémité 10g ( extrémité l) .L'extrémité 104 est également fermée solidairement d'une ligne à ruban 10$ 10 entrelacée avec les lignes à ruban 92 et 94 et connectée à l'extrémité 106 au moyen d'un fil de croisement 110. Les lignes à ruban 92,94, 102 et 108 ont une longueur égale à un quart de longueur d'onde 'à la fréquence centrale de la bande passante . Un coupleur entrelacé en quadrature de 3 dB suivant la configuration de la Fig.6 a été fabriqué sur un substrat en alumine de 1 mm d'épaisseur . Ce mode de réalisation se compose de quatre lignes à ruban entrelacées ayant chacune une largeur de 112,5 microns et espacées de 75 microns . Des essais effectués 20 sur un modèle montrent que les pertes sont inférieures à 0,25 dB dans la gamme de fréquences de 2 GHz à 4 GHz. L'isolation est de 40 dB à 2 GHz et décroît régulièrement pour atteindre 2,5 dB à 4 GHz . Outre le fait d'être utilisé en coupleur d'entrée et de 2R sortie d'un amplificateur , te coupleur de l'invention peut également être utilisé dans des ponts d'impédance pour des mesures aux hyperfréquences et le contrôle d'énergie .Par exemple^ si un émetteur radar est connecté à l'extrémité 1» une antenne à l'extrémité deux, un détecteur hyperfréquence à l'extrémité ■jq trois et une charge adaptée à l'extrémité 4 , l'énergie reçue à l'extrémité trois est proportionnelle à celle circulant entre l'émetteur et l'antenne dans le sens direct. Comme l'onde réfléchie par l'antenne, si elle existe, n'est pas couplée à l'extrémité trois, le détecteur surveille la puissance de sor-tie de l'émetteur . Le coupleur suivant l'invention peut également être utilisé comme dispositif de couplage afin de connecter un oscillateur local à un circuit mélangeur .Par exemple, dans un circuit mélangeur équilibré à lignes à ruban, il faut un moyen pour ap-40 pliquer le signal de l'oscillateur local au circuit mélangeur . 69 33304 9 2032301 Un coupleur du type guide d'onde ou ligne coaxiale ne peut naturellement pas être utilisé dans une application de ce type du fait de 1'incompatibilité entre la conception de guide d'onde ou de ligne coaxiale et celle de ligne à ruban . Jusqu'à maintenant 5 dans les circuits mélangeurs équilibrés du type à lignes à ruban, le dispositif de couplage du type représenté à la Fig.3 était p.lus grand que le mélangeur lui-même .Avec le coupleur de l'invention, on conserve l'avantage de la dimension réduite . 69 33304 10 2032301 REVEHDICAT-IO HS ■ - ■ 1-Coupleur en quadrature, comprenant, une série de lignes a ruban sur un substrat isolant, chaque éxtrémité du coupleur étant solidaire d'au moins l'une des lignes-à "ruban,ledit - 5 pleur étant caractérisé en ce que les lignes à ruban constituent un réseau entrelacé (74,58,66,62,72) et en ce que des lignes à rubans alternées de ce réseau entrelacé sont électriquement connectées lés unes aux autres . 2-Coupleur suivant la revendication T, caractérisé en ce 10 que chaqué ligne à ruban a jine longueur effective dans ledit réseau entrelacé , égale à un quart de longueur d'onde de la fréquence centrale de la bande passante « 3-Coupleur suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les lignes à ruban sont interconnectées au 15 moyen de fils qui passent par dessus les lignes à ruban intermédiaires . ,4-Coupleur suivant l'une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat est constitué, d'une manière en soi .connue,, en un matériau diélectrique. . 20 5-Coupleur suivant l'une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé en ce que les lignes à ruban sont fixées de manière adhésive à la surface dudit substrat . 6-Coupleur suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le substrat diélectrique est en alumine non vitrifiée . 25 ,7-Coupleur formant un quadripôle ,suivant une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une première ligne à ruban (58) est venue de matière avec une première extrémité (60) du coupleur, une seconde ligne à ruban (62) étant venue de matière avec une troisième extrémité (64) du coupleur , 30 unetroisième ligne à ruban (66) étant venue de matière avec les extrémités deux (68) et quatre (70) ,et une quatrième ligne à ruban ayant une première partie (62) et une seconde partie (74), la première étant venue de matière avec la seconde extrémité et l'autre étant venue de matière avec la quatrième extrémité ,les 35 quatre lignes à ruban étant de plus agencées en un réseau entrelacé . 8-Coupleur suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les lignes à ruban sont disposées côte à cote dans l'ordre suivant : 69 33304 11 2032301 première partie (72) de la quatrième ligne à ruban ; seconde ligne à ruban (62) ; troisième ligne à ruban (66) ; première ligne à ruban (58) et 5 seconde partie (74) de la quatrième ligne à ruban . 9-Coupleur formant un quadripôle suivant l'une ou plusieurs des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que deux extrémités (96,104) sont venues de matière avec deux lignes "à ruban, branchées en fourchette et entrelacées^ une troisième extrémité (106) 10 étant venue de matière avec une branche (102) de la ligne à ruban (104) et une quatrième extrémité étant venue de matière avec une ligne à ruban (98).voisine de ladite branché (102) . 10-Coupleur suivant l'une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque ligne à ruban dudit 15 réseau entrelacé a une largeur de l'ordre de 114 Ja et en ce que lès lignes à ruban sont espacées les unes des autres dans le réseau entrelacé d'environ 76 p. 11-Coupleur suivant l'une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé en ce que, ledit substrat a une épais- 20 seur d'environ 1 mm.