Brevet FR2129899A1 — publié le 19721103

L'invention concerne les coupleurs direotifs comprenant deux tronçons de lignes couplées, une entrée recevant l'énergie u.h.f. et trois sorties,réaliséa dans la technologie dite "microbande", ce terme étant la traduction du vocable nmicrostripn de la terminologie anglosaxonne. On utilisera dans ltexposé qui suit, le vocable smicrostrip " d'usage courant. Le but de l'invention ast de réaliser un coupleur capable dtob tenir un couplage de ltordre de trois décibels dans une large bande de fréquences, du domaine des hyperfréquences, en particulier des ondes centimétriques. Ce nombre exprime le rapport entre les puissances éleotromagné- tiques présentes à rentrée du coupleur et sur une sortie prédéterminée de oelui-oi. On sait que, dans la technologie "microstrip", une ligne est constituée par une bande conductrice gravée sur une face dgun substrat de faible épaisseur, portant sur la face opposée une métallisation oonstituant le plan de masse. Un coupleur à lignes couplées est réalisé en gravant cette à cette sur le substrat (face opposée au plan de masse) deux tronçons de bandes conductrices rapprochées do telle sorte qu'un transfert dlénergie s1 opère sur le premier tronçon de ligne lorsqu'on alimente le second en ondes électromagnétiques dans un domaine déterminé de fréquence et vice-versa.Ce transfert 8 t opère grdce aux capacités et induotances mutuelles réparties qui existent entre les deux tronçons de ligne. On comprend aisément que pour réaliser deux tronçons de lignes couplées présentant des impédances caractéristiques imposées par loi; conditions d'adaptation et de couplage, on doit rapprocher d'autant plus les bandes conductrices gravées sur une m8me face, que le couplage doit être plus serré. Rw particulier, pour des tronçons de lignes "quart d'onde", couplées à 3 dE on démontre que la distance entre les bandes doit autre inférieure à 10 microns, pour un substrat de l'ordre de 1 millimètre d1 épaisseur. Or, la gravure sur une longueur relativement importante (de ltordre du centimètre) de deux bandes conductrices distantes de moins de 10 microns avec une bonne régularité, ntest pratiquement pas possible avec les moyens technologiques actuels. En faitt on peut atteindre un couplage maximal de 8 dB. Pour obtenir un couplage de 3 dB on doit utiliser deux ooupleurs associés en tandem. Cette technique présente des inconvé- nients. En particulier, les systèmes obtenus sont coateux0 De plus les lignes étant nécessairement plus longues, les pertes dtinsertion sont importantes. L'invention permet de remédier à ces inoonvénients. Le coupleur directif pour lignes "microstrip" est du type nomportant deux tronçons de lignes "microstrip" couplées comportant deux bandes conductrices parallèles situées dans un meme plan. I1 est caractérisé en ce que, pour augmenter le couplage mutuel des deux tronçons de lignes, un conducteur, stétendant dans un plan parallèle à celui desdites bandes conductrices, disposé du cEté opposé à celles-ci par rapport au plan de masse, fait face auxdites bandes sur au moins une partie de leur longueur, des moyens étant prévus pour isoler ledit conducteur desdites bandes. L'invention sera neveux oomprise et d'autres caractéristiques apparnttront à laide de la description qui suit, en s'aidant des figures annexées parmi lesquelles 2 La figure 1 représente un schéma général de lignes couplées. La figure 2 represente, vue par dessus, une portion de substrat comportant un coupleur direotif de type connu réalisé en "microstrip" La figure 3 représente vu par dessus, un substrat portant quatro tronçons de lignes destinées à former une partie du coupleur suivant l'invention. Les figures 4 et 5 représentent deux faces dtun élément coupleur conforme à itinvention. Les figures 6 et 7 représentent vu par dessus et en coupe agrandie un coupleur conforme à l'invention. On a représenté figure 1 deux portions de ligne de propagation. Entre les bandes conductrices parallèles 1 et 2 et la masse, on trouve: -un premier tronçon de ligne 1 d'entrée A1, et de sortie A4 dont les tensions nhaute fréquencen entr conducteur l et masse sont resrespectivement E1 pour l'entrée A1 et E4 pour la sortie A4. - un deuxième tronçon de ligne 2 couplé à la première ligne présentant deux sorties A2 et A3 la sortie A2 étant la plus rappro chée de 1'entrée A1. Sur oe tronçon, les tensions, définies de façon semblable à celles du premier tronçon, sont respectivement 32 et 33. L'ensemble possède donc quatre accès, A1, A2, A3 et A4 chargés par une même résistance R équivalente à un tronçon do ligne de propagation supposé parfaitement adapté. En outre, ltensemble est alimenté par une source hyperfréquence 3 couplée à l'entrée A1, de force électromotrice 2 tl et de résistance interne égale à la charge S. De telles lignes réalisées en "microstrip" présentent deux milieux de propagation (lc diélectrique de constante relative & entre les deux bandes conductrices et làir au-dessus de des bandes), Le calcul théorique permet de s s'assurer que les ondes qui se propagent le long de ces lignes sont approximativement du type transversal "T.E.M." ou "transverse électromagnétic" en terminologie anglo saxonne Elles peuvent être considérées comme la superposition de deux ondes T.E.M. dites de mode pair et impair. Pour 1'onde de mode pair, les tensions et les courants le long des lignes sont égaux et en phase. Pour tonde de mode impair, les tensions et les courant le long des lignes sont égaux et en opposition de phase, Pour ces deux ondes, chacune des deux lignes couplées à deux impédances caractéristiques Zoe pour le mode pair, Zoo pour le mode impair. Ces impédances caractéristiques différent suivant que l'on considère 11 onde de mode pair (Zee) ou tonde de mode impair (z00). En admettant que les capacités linéiques mutuelles entre bandes nonduotrices soient respectivement Coe pour le mode pair et Coo pour le mode impair, ces impédances sont s (mode pair) (mode impair) Dans les formules ci-dessus v représente la vitesse de propagation de chaque mode.Dans la mesure où le milieu de propagation peut titre considéré comme homogène, ce qui ntest qutune approximatien dans le cas du "microstrip", les vitesses peuvent titre prises fagales antre elles et représentées par le même symbole v Pour obtenir à la fois une bonne adaptation des impédances, par exemple sur 50 Ohms (côté source et c8té charge), et un couplage éleré (par exemple de 3 dB), il est nécessaire dJaprès la théorie, de réaliser des capacités linéiques mutuelles élevées sur une longueur voisine du quart de la longueur d'onde. Dans le cas des lignes adaptées sur 50 ohms, on aboutit pratiquement à des distancestentre bandes inférieures à 10 microns pour obtenir des capacités mutuelles assez élevées, pour réaliser un cou pleur de l'ordre de gdB en lignes "micro6trip". 0 On démontre que l'on a un couplage directif de coefficient c (défini ci-après) pourvu que les impédances caractéristiques des tronçons de lignes A1, A4 et A2 5 soient s pour le mode T.E.M. pair pour le mode T0E.1. impair En outre, la longueur des tronçons doit être de l'ordre du quart de la longueur d'onde dans le domaine de fréquence considéré0 Le coefficient c est égal, dans ces conditions, au rapport des tensions E2 et E1. On a s En conséquence, P2 2 = o P1 En outreS le couplage est directif ce qui signifie que Enfin, le transfert d'énergie de ltacoè9 1 à l'accès 2 on égal à P2=c2 P1 Le reste de l'énergie soit (1-c) P1 est recueilli à l'accès 4. Le coupleur directif, représenté figure 2, est réalisé en tmi- crostrip" suivant la méthode connue de rapprochement do deux tron çons étroits de bandes conductrices 21 et 22. Ces deux tronçons sont disposés par exemple transversalement, alors que les bandes A1 et A4 (ligne 1) d'une part, A2 et A3 (ligne 2) sont disposées longitudina- liements constituant, en toute rigueur, quatre lignes "microstrip", étant entendu que la ligne émergeant du coupleur en A4 prolonge la ligne accèdant au coupleur en A1 (et de mgme pour A2 et A ). Bien 3 entendu d'autres formes peuvent être utilisées.En technologie habituelle, on sait réaliser des coupleurs de 9 décibels alors que le but du coupleur selon 11 invention est dZattindre 3 décibels. Ce résultat est obtenu par la disposition représentée figures 6 et 7, où l'on voit que lton a coiffé le coupleur de la figure 2 par une lame 25 portant une métallisation 41 augmentant le couplage entre les bandes transversale. En fait, le mode de réalisation préféré est un peu plus complexe mais facilite la mise en place par soudure de la lame 25. A cet effet, on interrompt les bandes A1, A2, A3 A4 respectivement aux bornes 31, 32, 33, 34 constituées respectivement par quatre portions rectangulaires destinées à titre soudées à des bandes conductrices portés par la lame 25.Le raccordement aux lignes de transmission s'opère soit à laide d1un étamage localisé à la sortie des bandes conductrices portées par la lame 25, soit à l'aide de pattes métalliques soudables, 51, 52, 53 et 54 figure 5. En effet, les bandes étroites 21 et 22 n1 existant plus dans le mode de réalisation ci-dessus, celles-ci deiveit entre remplacées par des bandes 42 et 43 déposées sur une face de la lame 25 (figure 5) portant sur la face opposée une métallisation 41 (figure 4) séten- dant en regard des bandes 42 st 43 et les recouvrant largement. on peut également, suivant une variante de 11 invention, choisir une largeur l se rapprochant sensiblement de la somme 2 TJ + s, W étant la largeur de la partie étroite des bandes 42 et 43, et s étant leur écartement. Pour réaliser un coupleur directif donnant un degré de coupla- ge de 3 dB, on dispose dono de paramètres tels que la longueur L (figure 5) des tronçons de lignes couplées, la largeur D de la la- me 25 et son épaisseur e (figure 7), l'épaisseur h du substrat 27 (figure 7) et les paramètres t s, W définis au paragraphe précédente En fait, un certain nombre de ces paramètres sont préalablement fixés, C'est ainsi que l'épaisseur h est imposée en technologie "microstrip" par lo domaine des fréquences d'utilisation (de l'ordre du millimètre en bande X). La longueur L est voisine du quart de la longueur d'onde ainsi quton l'a déjà mentionné. Enfin D est largement supérieur à t sans qu'un: choix préciR soit imposé.Pour la grandeur 1, on peut choisir par exemple I 20 + W Le calcul des caractéristiques de propagation du coupleur s'ef- fectuera donc à 11 aide d1un nombre de paramètr En pratique, le calcul des paramètres s, , W et o pour obtenir les conditions ci-dessus sera conduit par "tâtonnement", ou encore mieux au moyen dtun ordinateur. A titre d'exemple, pour des lignes de 50 Ohms, le substrat étant en alumine à 99,5 % de teneur on corps pur et la lame en corindon le couplage directif de 3 dB est atteint pour t 0,7 mm ) W = 0,3 mm ) (#=2W+s) e = s = 0,1 mm ) est Ainsi, lton voit que la distance s/de 11 ordre de 0,1 mm, ce qui constitue un des avantages recherchés par l'invention. Un très important avantage de l'invention résulte de la possibilité de réaliser l'élément de coupleur porté par la lame 25 mou nie de ses métallisations comme s'il stagissait d'un composant séparé; ce qui facilite la fabrication de série et 11 homogénéité des lots de production de coupleurs directifs. Un autre avantage de 11 invention est illustré par la comparait son diun coupleur 3 dB réalisé en technologie habituelle par mise en série dc deux coupleurs de 835dB. Chacun de ces deux oouplcurs comporterait des bandes conductrice plus rapprochées que dans le cas de l'invention et de plus, la mise en série nécessiterait deux croisements ou "ponts" de conductcurs avec isolement, ce qui intrô- duirait des discontinuités nuisibles au bon fonctionnement des lignes couplées. Ltinvention est applicable à tout dispositif de couplage entre lignes "microstrip" fonctionnant à des fréquences très élevées, du domaine des ondes décimétriques ct centimétriques. REVENDICATIONS 1. Coupleur directif caractérisé en ce qutil est constitué par un élément de couplage formé par une lame diélectrique de faible épaisseur portant sur une de ses faces deux bandes conduc- trices parallèles entre elles, et sur la face opposée une nétallisa- tien s'étendant en regard desdites bandes conductrices et les recouvrant largement. 2. Coupleur directif selon la revendication oaractérisé en ce que chacune desdites bandes conductrices de 11 élément de couplage est prolongée à chacune de ses extrémités par une sortie non couplée par effet de proximité aux trois autres sorties, ladite sortie entant constituée par une bande conductrice de largeur prédéterminée déposée sur la lame diélectrique et qui est étamable. 3. Coupleur directif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune desdites bandes conductrices de 1 t élément dc coupla- ge est prolongée à chacune de ses extrémités par une sortie non cou plbe par effet de proximité avec trois autres sorties, ladite sortie étant constituée par une bande conductrice de largeur prédéterminée fixée à ladite lame et la débordant- en constituant une patte métallique de raccordement0 4. Coupleur selon l'une des revendications 1, 2 et 3 caractérisé en ce que ledit élément de rouplage est destiné à être rapporté sur un cirez cuit "microstrip" entre les quatre extrémités de quatre lignes de transmission appartenant audit circuit, par soudure e directe des qua- tre sorties dudit élément de couplage sur les quatre extrémités desdites lignes, de façon à réaliser un couplage entre ces quatre li gnes selon les propriétés classiques des coupleurs directifs à lignes de transmission couplées par effet de proximité.