Brevet FR2101207A1 — publié le 19720331

Cette invention concerne le domaine des circuits coupleurs micro-onde et plus particulièrement les circuits transformateurs d'impédance à large bande. Les circuits hybrides en quadratu-5 re à quatre branches sont énormément utilisés dans le domaine des micro-ondes et ont trouvé une application particulière dans les circuits de division de puissance et de combinaison de puissance, un certain nombre de ces coupleurs hybrides étant connectés en branches binaires. Dans ces applications le coupleur hybride en quadrature à 10 quatre branches fournit une grande' isolation de la source pour les ondes identiques réfléchies à ses sorties, les ondes réfléchies étant dérivées vers une résistance "d'absorption" branchée aux bornes de sa branche inutilisée. 1'extraordinairement faible taux 15 d'onde stationnaire (T.O.S.) d'entrée qu'on peut ainsi obtenir a pour résultat effectif de donner un module d'amplification à résistance constante, et de permettre par conséquent de brancher des étages séparés en cascade sans avoir pratiquement d'interactions. Malheureusement cependant, beaucoup 20 de problèmes pratiques se posent dans la réalisation des coupleurs hybrides à quatre branches. le couplage 3-db serré nécessaire entre lignes de transmission parallèles conduit à utiliser,soit des techniques de circuits à deux côtés nécessitant des lignes qui se 25 recouvrent, soit des circuits multi-couches pour placer une plaque de couplage de mode impair au-dessus de la région de couplage, la conception de base est difficile dans les deux cas et des tolérances de circuit extrêmement serrées sont nécessaires pour obtenir des perforations satisfaisantes et il en résulte par suite un coût 30 relativement élevé, l'invention a pour but de remédier à ces inconvénients. A cet effet, l'invention concerne un circuit à trois branches qui donne l'équivalent d'un coupleur hybride en quatrature à quatre branches, ce circuit pouvant être réalisé 35 sous la forme d'un circuit imprimé planaire simple et ne nécessit-tant pas l'utilisation de résistances d'absorption mises à la terre. Sous sa forme de base le circuit de la présente invention est un coupleur hybride à trois branches classiques muni d'un déphaseur différentiel de 90° à quatre bran-40 ches couplé à ses branches appariées, le circuit peut être utilisé 71 28471 2 2101207 pour obtenir une transformation d'impédance de charge dans une grande bande de fréquence sans augmentation de la complexité du circuit, des largeurs de bande de plusieurs octaves pouvant être atteintes, en augmentant convenablement la complexité du coupleur -5 hybride à trois branches et du déphaseur différentiel tout en conservant la configuration d'un circuit planaire. La fabrication du circuit de la présente invention à l'aide de techniques de circuits imprimés classiques à bas prix ne nécessite pas de tolérances de circuit 10 extrêmement serrées et sa conception est relativement simple. Comme il n'est pas nécessaire d'utiliser des résistances d'absorption mises à la terre, les prix de revient sont encore réduits et la fiabilité est augmentée. Du fait du déphasage de 90° entre 15 les deux branches de sortie, les ondes réfléchies vers la branche d'entrée et venant de charges de sortie également désadaptées reviennent à la borne d'entrée avec une différence de phase totale de 180°, cette annulation des ondes réfléchies ayant pour résultat de donner à la borne d'entrée une isolation pour des charges identique-20 ment désadaptées. - La figure 1 est le schéma de principe d'un circuit hybride à trois branches idéal ; - la figure 2 est le schéma par blocs d'un coupleur hybride eh quadrature à trois branches corres- 25 pondant à la présente invention ; - la figure 3 est le schéma de principe d'un circuit hybride en quadrature à trois branches, à bande relativement étroite ; - la figure 4 est le schéma de 30 principe d'un circuit hybride en quadrature à trois branches à large bande ; et - la figure 5 est une vue en plan d'une réalisation en circuit imprimé du circuit de la figure 4. En se reportant maintenant aux des-35 sins, on trouve sur la figure 1 un circuit hybride à trois branches idéal, dont une analyse des paramètres de dispersion fournit la base du développement de la circuiterie de la présente invention. Un coupleur hybride à trois branches est illustré comme ayant une borne d'entrée 1 et des bornes de sortie appariées 2 et 3, la borne 40 d'entrée étant excitée par une source comprenant un générateur de 71 28471 3 2101207 tension Y d'impédance interne-^, et les bornes appariées se terminant par des impédances de charge 2. 2 ^es flèches indiquent les tensions des ondes incidentes a^, a2 et a^, et les tensions des ondes réfléchies b1 -, b2 et b^, les indices numériques correspondant 5 aux numéros des bornes respectives. Dans l'analyse des paramètres de dispersion le terme se réfère au coefficient de réflexion d'entrée à la borne 1 (et il est égal à b^/a^), le terme S.j2 se réfère au coefficient de transmission en tension de la borne 1 à la 10 borne 2 (et il est égal à b^/ag), le terme S21 se référant au coefficient de transmission en tension de la borne 2 à la borne 1 (et étant égal à b2/a^), etc. Comme nous avons affaire à un circuit linéaire passif et = S32* 15 Comme on désire que le circuit hybride en quadrature à trois branches idéal de la présente invention présente les caractéristiques suivantes : I. Que claque borne présente un taux d'onde stationnaire en tension (TOS) unité, les autres bornes 20 se terminant par des charges adaptées ; II. Que les bornes de sortie soient parfaitement isolées l'une de l'autre ; III. Qu'on obtienne une division de puissance (ou une combinaison de sources cohérentes) sans pertes j 25 IV. Que la borne d'entrée soit complètement découplée de deux charges identiquement désadaptées ; Il faut par suite que les paramètres de dispersion du circuit idéal satisfassent les relations : S11 = S22 S33 ^ 30 S12 = S21 = "Vi1-- (2) S13 = S31 -Hf5" (5) s23 = S32 = o (4) 35 dans lesquelles î 0=0 pour un coupleur hybride classique 0 = i ~ pour un coupleur hybride en quadrature. o 1'équation (1) indique que toutes les bornes sont adaptées, les équations (2) et (3) indiquent 40 qu'il y a une division de puissance de 4db. ( /S se rapportant à un 71 28471 4 2101207 déphasage quelconque ai radians et 0 se rapportant à la différence de déphasage en radians), et. l'équation (4) indiquant une isolation infinie entre les bornes de sortie (pas de couplage direct entre elles). 5 Par substitution dans les équa tions (1), (2), (3) et (4) un ensemble de trois équations simultanées caractérisant le réseau peuiL se simplifier comme suit : -j/S -j( fi +0) bi = S11 ai + S12 a2 + S13 a^ = 0 a2 + a3 (5) 10 "J/5 b2 = S21 a1 + S22 a2 + S25 a^ = + 0 + 0 (6) e-i(/3 +0) b^ = Sj2 a^ + S^2 a2 + ^33 a3 = ———— a^ + O + 0 (7) 15 le coupleur hybride idéal peut maintenant s'analyser facilement dans le cas du fonctionnement avec des charges désadaptées : r~ x- e $ 20 a2 ~ 2 b2 = r 2 ^ a _ - -j(/» +0) 3 ~ ^ 3 3 ~ f" 3 a1 '9) 25 En substituant les équations (8) et (9) dans l'équation (5) on obtient le résultat suivant pour le coefficient de réflexion à l'entrée : _ = h1 e "3 2 (S e -32fi 3 20 P entrée ——'- = |2 + 3 30 ' 1 2 2 e "3 ipd = «-TS ( p2 + f 3 e - (10) Si 0 = o on a alors le coupleur hybride à trois branches classique, ■z c 6"t 35 e -i2fi f entrée = Cependant si 0 = —on a le coupleur hybride à trois branches en quatradure, et 71 28471 5 2101207 e 2/V ( entrée = ~ * ( 2 ~ ' 5 ^ (12) « Les équations (6), (7) et (12) per-5 mettent de connaître les performances du coupleur hybride. Dans chaque cas, si une borne de sortie est adaptée et l'autre désadaptée, fdésadapt* ) 10 ( Terrée } S (13 ) D'autre part si les deux bornes de sortie se terminent par des dé-sadaptations identiques on a alors : 15 (rentrée > = ( f déeaUpt.' sour le 00u!,l8ur ^ide 3 tranches classique (14) ^ f sntrée) = o pour le coupleur hybride 3 branches en quadratu -re (15) 20 De plus, on obtient dans chaque cas une division ou une combinaison de puissance parfaite comme on peut le voir d'après les équations (6) et (7). Dans le cas pratique ou 0 = -3?- +£., la grandeur du coefficient de réflexion à l'entrée pour les deux bornes de sortie terminées par des 'désadaptatiôns 25 identiques ( f désadapt) est ^ Centrée ^ ~ ^ désadapt^ es^ où. peuvent être utilisés pour définir l'isolation de l'onde réfléchie du coupleur hybride I (db) = isolation de l'onde réfléchie en db. 35 - 10 logio —Ar sin é. L'équation (17) donne ainsi une excellente représentation des caractéristiques d'isolation d'un coupleur hybride en quadrature non idéal. 40 Dans les équations (10) à (16) 71 28471 6 2101207 le coefficient de réflexion à l'entrée - entrée* es^ moyen~ ne des amplitudes des coefficients de réflexion à la chargé. Ainsi dans l'équation (11), on voit que si les coefficients de réflexion à la charge sont égaux ( (~ 2 ~ ^-e coefficient de réflexion 5 à l'entrée est alors égal à zéro. l'avantage souhaitable du cas du déphasage de 90° (coupleur hybride en quadrature), devient alors immédiatement apparent comme on le voit plus loin dans les équations (13), (14) et (15). 10 l'annulation finale des ondes réfléchies venant de charges, identiquement désadaptées, comme cela est indiqué par l'équation (15), rend le coupleur hybride à trois branches en quadrature particulièrement bien adapté aux cas de larges bandes. 15 D'après l'analyse du circuit idéal qui précède il devient relativement simple de synthétiser les réalisations pratiques de coupleurs hybride trois branches en quadrature . Fondamentalement la seule chose à faire est de mettre en cascade un coupleur hybride trois branches classique avec un déphaseur dif-20 férentiel de 90° à quatre branches comme cela est illustré sur la figure 2. Le schéma des hybrides à trois branches et des réseaux déphaseurs différentiels micro-onde est bien connu de la technique et ne sera donc pas discuté en détail sauf pour citer des publications particulières dans lesquelles, on peut trouver des types 25 de schémas détaillés. Un type de schéma détaillé d'hybride à trois branches a été publié, dans le cas d'impédances d'entrée et de Bortie égales, dans un article de S.B. Cohn inutilisé " une classe d'hybrides à mode TEM à trois branches à large bande 'paru dans le "IEEE transactions On Microwave Theory and Techniques " Vol. MTT-30 16, N°2, de février 1968. Ce schéma peut facilement être étendu pour couvrir le domaine des transformations d'impédance. Un type de schéma détaillé pour réseaux déphaseurs différentiels micro-onde peut se trouver dans le "IRE Transactions On Microwave Theory and Techniques" d'avril 1958 dans l'article de B.M. Schiffman inutilisé". 35 A New class of Broad-Band Micrôwave 90-Degre Phase-Shifters". Dans la figure 2, les différents paramètres de dispersion sont indiqués à côté des flèches représentatives. Dans les équations des O paramètres de dispersion 0 ) 90° + S. avec éû 4$. 5° pour une largeur de bande d'un octave en utilisant un réseau de Schiffman type-A pour le déphaseur différentiel 90° à quatre branches, fi re40 71 28471 7 2101207 présente un déphasage initial quelconque à travers les branches de l'hybride, le déphasage se produisant dans le déphaseur diffé rentiel, et ^ de déphasage total à travers le système. la complexité des circuits peut 5 varier dans de grandes proportions suivant la largeur de bande désirée. le circuit à bande relativement étroite le plus simple est représenté sur la figure 3, ce circuit ayant une impédance d'entrée à la borne 1 et des impédances de sortie égales le coupleur hybride à trois bran-15 ches est du type à large bande comme on l'a discuté dans l'article indiqué ci-dessus de S.B. Cohn et il comporte une impédance de pont, H , entre ses bornes appariées, fî étant égale à 2ifo/R. les P X' impédances des branches de coupleur hybride trois branches sont indiquées par les caractères de référence B et C, ces impédances 20 étant également formées par des tronçons de ligne de transmission de longueur /4 et d'impédance caractéristique £■» ^ ~^\ /&• La figure 4 représente un circuit à large bande capable1de couvrir un octave avec des rapports de transformation d'impédance atteignant 5 % 1 c'est-à-dire R = 5. 25 Comme dans la figure 3, l'impédance d'entrée à la borne 1 est désignée par ^ Q et les impédances de sortie aux bornes 2 et 3 sont désignées par2T0/R. Le déphasage différentiel de 90° désiré à la fréquence centrale est obtenu à l'aide d'un tronçon de ligne de transmission introduisant un déphasage 3 Q , avec $ = 90° à la 30 fréquence centrale, branché à la borne 2 et un tronçon de ligne repliée branché à la borne 3? Chaque branche du tronçon de ligne repliée introduit un déphasage de B , un couplage d'environ -6 à -7 db existant entre les branches, l'impédance caractéristique de la ligne 3 $ est 71 28471 8 2101207 du tronçon replié, oe / Les impédances du coupleur hybride 5 à trois branches ^ ^ et Z. g introduisent toutes un déphasage de leurs valeurs d'impédance ainsi que les valeurs des impédances de pont R,| et Rg étant conformes aux critères du schéma décrit dans l'article cité en référence de S.B. Cohn. Différentes autres combinaisons et complexités de circuit peuvent être citées dans des 10 techniques de conception connues, suivant la largeur de bande voulue. Sur la figure 5, on a représenté une réalisation à ligne de transmission micro-bande du circuit de la figure 4, destinée à fonctionner dans la bande de fréquence 1,5 -15 3 GHz et pour un rapport d'impédance 2 : 1 .( 2?0= 50 ohms, 2T0 /® = 25 ohms). Le circuit était fabriqué sur un substrat en céramique de 0,050 mm d'épaisseur possédant une constante diélectrique de 9, en utilisant les techniques de circuits imprimés standard. Ce circuit de la présente invention peut remplacer son équivalent dans 20 la technique antérieure consistant en un coupleur à quatre branches à onde arrière 3db possédant des transformateurs d'impédance quart d'onde, en deux tronçons, 50 ohm - à - 25 ohm à chaque borne de sortie, tout en étant plus simple et plus économique à fabriquer et en nécessitant encore moins de surface planaire. 25 On peut trouver encore une autre application pratique du coupleur hybride en quadrature, transformateur d'impédance à trois branches de la présente invention,dans le premier étage du circuit à branches hybride binaire transformateur d'impédance décrit dans ma demande de brevet en cours (ID - 366). 30 Bien que le circuit hybride à branches binaire de la demande de brevet en cours fournisse théoriquement une adaptation d'impédance parfaite dans une gamme de fréquence définie, la perfection théorique est difficile à atteindre à cause des discontinuités et des tolérances de dimensions etc ..., et la caractéristique d'annulation 35 d'onde réfléchie de la présente invention peut être facilement ajoutée en insérant simplement un tronçon de ligne de transmission quart d'onde en série avec toute autre borne du premier étage du circuit à branches. Bien entendu, l'invention n'est 40 pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et repré 71 28471 9 2101207 sentes, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. « Par exemple, bien qu'on ait trouvé plus pratique dans le cas présent d'utiliser des tronçons de ligne de transmission pour les impédances concernant les pieds de l'hybride et les déphaseurs différentiels, il est possible théoriquement d'utiliser n'importe quel type d'impédance de valeur désirée et de caractéristiques de déphasage. 71 28471 10 2101207 REVENDICATIONS 1°) Circuit coupleur hybride en quadrature à trois branches, circuit caractérisé en ce qu'il comporte m coupleur hybride à trois branches muni d'un déphaseur dif-5 férentiel de 90° à quatre branches couplé à travers ses branches appariées. 2°) Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le déphaseur est branché directement aux bornes appariées du coupleur hybride à trois branches. 10 3°) Circuit selon la revendica tion 1, caractérisé en ce que le coupleur hybride à trois branches est du type à large bande. 4°) Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le déphaseur différentiel de 90° est 15 du type à large bande. 5°) Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'hybride à trois branches et le déphaseur différentiel de 90° sont tous les deux du type à large bande. 20 6°) Circuit selon la revendica tion 1, caractérisé en ce qu'il est construit sous la forme d'un circuit imprimé microbande. 7°) Circuit micro-onde transformateur d'impédance à trois branches selon la revendication 1 possè-25 dant une borne d'entrée et deux bornes de sortie appariées, caractérisé en ce que la borne d'entrée est isolée pour deux charges de sortie identiquement désadaptées.