Brevet FR2112191A1 — publié le 19720616

La présente invention concerne un coupleur directionnel pour lignes de transmission hyper fréquence du type "en ruban". La miniaturisation des systèmes hyper-fréquence a nécessité la misB au point et l'emploi généralisé des lignes de transmission en ruban qui sont constituées d'un ruban conducteur étroit séparé d'un plan de masse unique et de grande dimension par une couche isolante à constante diélectrique élevée. Un type de telle ligne de transmission en ruban est couramment appelé ligne de transmission "microstrip". Ce type de ligne de transmission se prête à une fabrication économique par les techniques des circuits imprimés et l'emploi d'un isolant, à forte constante diélectrique permet d'obtenir des ensembles très compacts. Il est connu de réaliser des coupleurs directionnels pour de telles lignes "microstrip" en disposant très près l'un de l'autre dans une zone de couplage donnée deux rubans conducteurs étroits associés à un plan de masse commun. Il est relativement récent d'utiliser des matières ieolantes à forte constante diélectrique dans de tels coupleurs directionnels et cette application provient de la nécessité de, miniaturiser les composants et les systèmes hyper-fréquence. Lorsque des signaux électromagnétiques sont appliqués à l'un des rubans conducteurs d'un tel coupleur directionnel, la zone de couplage devient le siège de condition d'excitation en modes impair et pair. Dans un coupleur à lignes "microstrip", la fraction des signaux qui se propagenKen mode impair à l'extérieur du substrat à constante diélectrique relativement élevée, dans l'air ambiant, est plus impartante que celle des signaux qui se propagent en mode pair. Cette différence de propagation entre les signaux en modes pair et impair et la différence de constante diélectrique entre le substrat et 1'air ambiant font que la vitesse de phase des signaux qui se propagent en mode impair est différante de celle des signaux qui se propagent en mode pair. Lorsque l'on choisit une matière diélectrique à constante sensiblement plus élevée que celle de l'air ambiant, par exemple supérieure à cinq, pour réduire les dimensions du coupleur qt confiner les champs des signaux qui y sont appliqués, il apparaît une différence importante entre les vitesses de phase en mode impair et pair. 71 27699 2 2112191 Cette différence entraîne une détérioration sensible de la directivité du signal. La présente invention a donc pour objet un coupleur directionnel pour lignes de transmission en ruban caractérisé par une 5 directivité élevée et un substrat isolant à constante diélectrique relativement forte. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, un coupleur directionnel comprend deux rubans conducteurs séparés d'un plan de masse. Le premier et le second rubans conducteurs .10 sont disposés très près l'un de l'autre et du plan de masse commun de façon à réaliser une zone de couplage électromagnétique. L'application de signaux électromagnétiques aux lignes provoque une propagation en modes impair et pair le long de la zone de couplage. La séparation des rubans conducteurs du plan de masse commun est 15 assurée par un substrat dont la constante diélectrique est au moins égale à six, de sorte que la vitesse de phase des signaux qui se propagent en mode impair est sensiblement différente de celle des signaux qui se propagent en mode, pair. On perturbe suffisamment la propagation du mode impair pour rendre sa vitesse de phase égale 20 à celle du mode pair. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressor-tiront de la description détaillée qui suit et des dessins sur lesquels : La figure 1 est une vue en plan d'un coupleur directionnel 25 de type classique. La figure 2 est une coupe transversale du coupleur de la figure 1 illustrant la propagation du mode impair. La figure 3 est une coupe transversale du coupleur de la figure 1 illustrant la propagation du mode pair. 30 La figure 4 est une vue en plan d'un coupleur directionnel réalisé selon les principes de la présente invention. La figure 5 est une coupe transversale du coupleur de la figure 4 selon la ligne 5=5. La figure 6 est un graphique des variations du facteur de 35 couplage en fonction de la fréquence dans un coupleur directionnel réalisé selon les principes de l'invention. 71 27699 3 2112191 La figure 1 représente un coupleur directionnel "microstrip" 10 de type classique, à couplage latéral. Un tel coupleur comprend deux rubans conducteurs 13 et 15 fixés sur l'une des faces d'un substrat diélectrique 11. Un conducteur de plan de masse 12 est 5 fixé sur la face opposée du substrat 11. Les conducteurs 13 et 15 sont très proches l'un de l'autre dans une zone de couplage 17 qui représente généralement un quart de longueur d'onde à'la fréquence centrale de la bande de travail du coupleur. Les signaux électromagnétiques qui sont appliqués entre les conducteurs 13 et 12 se 10 propagent d'une extrémité d'entrée 16 à une extrémité de sortie 18, le long du conducteur 13. Dans la zone de couplage 17 où les conducteurs 13 et 15 sont très proches l'un de l'autre et du plan de masse 12, l'énergie du signal électromagnétique se propage en mode impair et pair. 15 La figure 2 représente la propagation du signal en mode impair, le potentiel de l'un des conducteurs 13 étant positif par rapport à celui du plan de masse 12 et le potentiel de l'autre conducteur 15 étant négatif par rapport au plan de masse 12. Le courant correspondant au mode impair, représenté par les symboles 20 19 et 21, a une première direction (entrant dans le papier de la figure 2) dans le conducteur 13 et la direction opposée (sortant du papier de la figure 2) dans le conducteur 15. De plus, comme indiqué par la flèche 22, un courant circule transversalement à la direction de propagation dans le plan de masse 12. Comme on le 25 voit sur la figure 2, le champ électrique de l'énergie du signal électromagnétique, indiqué par les flèches en tirets, est localisé entre les rubans conducteurs 13 et 15, une fraction importante de ce champ étant à l'extérieur du substst 11. La figure 3 illustre la propagation en mode pair, dans 30 laquelle les potentiels des conducteurs 13 et 15 sont tous deux positifs par rapport au plan de masse 12. les courants qui circulent dans les conducteurs 13 et 15, comme indiqué par les symboles 24 et 25, sont de même sens, c'est-à-dire qu'ils entrent dans le papier, alors que le courant 26 du plan de masse sort du papier, de sorte 35 qu'aucun courant transversal n'est associé à la propagation en mode pair. Le champ électrique qui est représenté par les flèches en tirets est de plus nri ncipalempnt 3ocalisé à l'intérieur du substrat 71 27699 2112191 Si la vitesse de phase est égale dans les modes impair et pair, l'énergie du signal électromagnétique se propageant dans le conducteur 13, de son entrée 16 à sa sortie 18, est couplée à une des extrémités 21 du conducteur 15. Le rapport de l'énergie couplée 5 à l'extrémité 21 du conducteur 15 à l'énergie couplée à l'autre extrémité 23 du conducteur 15 est appelée "directivité". L'obtention d'une directivité élevée dépend essentiellement de l'égalité des vitesses de phase des modes pair et impair. Si ces vitesses de phase sont sensiblement différentes, la directivité se détériore sensible-10 ment et diminue lorsque la différence des vitesses s'accroît. En examinant les figures 2 et 3 on constate qu'une proportion plus importante du champ électrique se trouve à l'extérieur du substrat-diélectrique 11, c'est-à-dire dans l'air ambiant, en mode impair qu'en mode pair. Lorsque la constante diélectrique du substrat 15 11 dépasse environ cinq, il apparaît une différence notable entre les vitesses de phase en mode impair et en mode pair, à cause de la différence importante des constantes diélectriques des milieux dans lesquels se propage le signal. De ce fait, la directivité de tels coupleurs est faible et devient encore plus mauvaise lorsque 20 1' on utilise des matières à haute constante diélectrique. Les figures.4 et 5'illustrent le coupleur 30 de la présente invention qui comprend un substrat diélectrique 31 portant sur l'une de ses faces un plan de masse commun 32 et sur son autre face des rubans conducteurs 33 et 35 disposés très près L'un de 25 J.»autre dans la zone de couplage 37. Les rubans conducteurs étroits 33 et 35 sont très rapprochés sur la langueur de la zone de couplage 37, c'est-à-dire approximativement sur un quart de langueur d'onde à la fréquence centrale de la bande de travail du coupleur. La présente invention consiste à découper dans le plan de 30 masse 32 une ouverture ovale 3B sous la zone de couplage 37, ladite ouverture étant allongée dans le sens des conducteurs étroits 33 et 35. Sur la coupe de la figure 5, an voit que l'ouverture ou encoche 38 est découpée dans le plan de masse 32 de façon à Être centrée par rapport à la zone de couplage 37. En revenant aux 35 figures 2 et 3 on constate que pour l'excitation du mode pair, il ne circule dans le plan de masse aucune composante de courant transversale par rapport à la propagation des signaux, alors COPY H 71 27699 5 2112191 qu'une telle composante existe pour l'excitation du mode impair. La présence de l'ouverture allongée symétrique 38 dans le plan de masse 32 supprime le courant transversâ. du mode impair (repré- _ senté par la flèche 22 sur la figure 2), mais ne modifie en rien 5 le courant du mode pair. Lorsque le courant transversal du mode impair est interrompu par l'ouverture allongée, comme illustré sur les figures 4 et 5, l'impédance inductive qui s'oppose à la propagation des signaux en mode impair augmente et se traduit par une diminution de la 10 vitesse de phase. En ajustant la largeur de l'ouverture 38 ou en découpant plusieurs ouvertures ou fentes parallèles allongées dans le plan de masse, on peut régler l'impédance inductive en mode impair de façon que les vitesses de phase soient sensiblement égales en modes pair et impair. En résumé, l'adaptation de la 15 largeur de l'ouverture 38 permet d'égaliser les vitesses de phase et d'accroître la directivité du coupleur. Dans la pratique, un coupleur à haute directivité réalisé selon les principes de l'invention illustrés figures 4 et 5, a fonctionné dans une bande de fréquences s'étendant de deux' à 20 six GHz-. Ces caractéristiques sont les suivantes : Largeur des rubans conducteurs étroits 33 et 35 î 0,363"mm en cuivre épais de 2 à 3 microns. Plan de masse 32 en cuivre épais de 2 à 3 microns. Zone de couplage 37 : longueur 7,4 mm, distance de couplage 25 entre les rubans 33 et 35 s 0,19 mm. Ouverture 38 : largeur 0,30 à 0,46 mm et longueur : 13,5 mm. 4 t Le substrat 31 est une cooche d'alumine à 99,5 %, constante diélectrique 10,4 et épaisseur 0,635 mm._ La figure 6 illustre les caractéristiques de directivité 30 du coupleur de l'invention pour des signaux de 2 à 6 GHz appliqués à la borne 39. Le graphique a de la figure 6 représente le facteur de couplage en décibels (dB) à la sortie utile 43, d'un signal qui est appliqué à l'entrée 39. La courbe b de la figure 6 illustre le facteur de couplage en décibels à la mauvaise sortie 35 45, du signal qui est appliqué à l'entrée 39. En examinant la courbe a, on voit que les signaux de 2 à 6 GHz appliqués à la borne 39 sont couplés à environ - 10 dB à la borne 43. En exa- COPY 71 27699 6 2112191 minant la courbB b, on voit que les signaux de 2 à 6 GHz appliqués à la borne 39 sont couplés à environ - 30 dB à la borne 45. La directivité du coupleur, qui est le rapport de la puissance recueillie à la borne 43 par rapport à la puissance recueillie 5 à la borne 45, est donc de 20 dB. Comparée aux performances du coupleur classique des figures 1, 2 et 3, cette valeur représente une amélioration de l'ordre de 10 à 15 dB dÛe à la présence de l'ouverture dans le plan de masse. Il va de soi que l'invention n*a été décrite qu'à titre 10 illustratif mais nullement limitatif et que l'on pourra y apporter to utes variantes ou modif ications entrant dans son cadre et dans son esprit. 71 27699 7 2112191 Revendications 1. Coupleur directionnel comprenant une paire de rubans conducteurs étroits adjacents à un substrat diélectrique, un plan de masse commun adjacent audit substrat diélectrique et 5 séparé des rubans conducteurs, lesdits rubans conducteurs étroits étant disposés très près l'un de l'autre dans une zone de couplage électromagnétique, de façon que des signaux électromagnétiques appliqués au coupleur se propagent en modes pair et impair le long de la paire de conducteurs, dans ladite zone 10 de couplage, la constante diélectrique du substrat étant supérieure à cinq, ce qui fait apparaître une différence importante entre les vitesses de phase des signaux qui se propagent en mode impair et en mode pair, ledit coupleur étant caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de perturber suffisamment la propagation 15 en mode impair pour rendre la vitesse de phase en mode impair égale à la vitesse de phase en mode pair. 2. Coupleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les courants qui circulent en mode impair transversalement par rapport à la propagation des signaux le long des rubans 20 conducteurs étroits, sont perturbés par lesdits moyens. 3. Coupleur selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que les deux rubans conducteurs étroits sont disposés sur une face du substrat, le plan de ïïîasse cnnductsur-étant disposé sur la face opposée du substrat. 25 4. Coupleur selon la revendication 3 caractérisé en ce que le plan de masse comprend une ouverture allongée disposée parallèlement et directement en face de la zone de couplage des rubans conducteurs, sur la face opposée du substrat. 5. Coupleur selon la revendication 4 caractérisé en ce 30 que l'ouverture allongée s'étend sur toute la longueur de la zone de couplage.