Brevet FR2473813A1 — publié le 19810717

L'invention concerne un répartiteur de puissance pour ondes radioélectriques. Elle concerne en particulier les variantes d'un tel répartiteur réalisées à l'état solide pour application aux hyper- fréquences. Elle concerne aussi les dispositifs utilisant un ou plu- sieurs de ces répartiteurs. Des circuits diviseurs et recombineurs de puissance sont utilisés chaque fois que l'on cherche par exemple à additionner les puissances de plusieurs amplificateurs indépendants, notamment lorsque l'on a besoin d'une puissance plus élevée que celle fournie par les amplificateurs existant. Les circuits proposés jusqu'ici ne répondent généralement pas à une condition considérée comme fondamentale, qui est celle de permettre un fonctionnement convenable, même en présence de désadaptations identiques sur les charges des différentes branches, ou voies, du diviseur, des transistors par exemple, dans les ampli- ficateurs distribués à haute fréquence; dans le cas de tels ampli- ficateurs on recherche toujours un fonctionnement dans une plage de fréquences aussi large que possible, plage dans laquelle de telles désadaptations se manifestent habituellement. Parmi ces désadaptations, il en est de deux sortes: les unes., comme il vient d'être dit, résultant de la variation de l'impédance de chaque amplificateur élémentaire, consécutive au déplacement de la fréquence de fonctionnement, les autres résultant, à fréquence donnée, des disparités entre amplificateurs d'un même lot. Dans le cadre de l'invention, on s'intéressera de façon majeure aux premières d'entre elles, les plus importantes de loin vis-à-vis de la dispersion naturelle des fabrications, dans l'état actuel de la technique. On traitera donc du cas des désadaptations en quelque sorte symétriques, o tous les composants chargeant les branches 24738 13 sont supposées à l'origine identiques, puis varier de la même façon en fonction de la fréquence, les variations entre éléments du lot étant considérées comme du second ordre par- rapport aux pré- cédentes. De façon générale, pour faire face à la désadaptation, on absorbe la puissance en excès, celle réfléchie par l'élément désa- dapté, dans un organe résistif monté entre les branches du répar- titeur. Dans les branches d'un diviseur, comme celui dont il a été question plus haut, ces résistances étaient dans l'art antérieur montées en parallèle sur chacune des branches du diviseur, comme on le précisera dans la description qui va suivre, et en quelque sorte de façon symétrique par rapport à ces branches; de sorte que l'ensemble, réglé pour un état initial à absorption nulle, n'assurait la fonction d!absorption recherchée qu'en cas de déséquilibre dis- symétrique des branches, c'est-à-dire notamment de désadaptations aléatoires des branches, comme celles provenant des dissemblances entre éléments amplificateurs. Une telle disposition n'était par contre pas adaptée à l'absorp- tion de puissance imposée par un déréglage symétrique des branches. L'invention a pour objet un répartiteur de puissance capable de rattraper, contrairement à ceux de l'art antérieur, les déséquilibres même symétriques de ses branches, notamment à l'occasion des variations d'impédance présentées par les éléments actifs qui char- gent celles-ci, lorsque la fréquence se déplace; un tel répartiteur peut a plus forte raison rattraper aussi les déséquilibres non symétriques pouvant se présenter. L'invention sera mieux comprise en se reportant à la des- cription qui suit et aux figures jointes qui représentent: - Figure 1: la forme générale, schématisée, d'un circuit diviseur de l'art antérieur; Figure 2: le schéma d'un circuit diviseur de l'invention; - Figures 3 et 4: des compléments au schéma de la figure précédente; 2 4 73 8 13 - Figure 5: une vue d'une réalisation en technologie micro- bandes d'un amplificateur utilisant le répartiteur de l'invention; Figure 6: une variante de la figure précédente; - Figure 7: une vue d'une autre réalisation dans la même technologie. - Figure 8: une vue d'un exemple d'utilisation du répartiteur de l'invention dans un amplificateur à plusieurs étages; - Figure 9: une vue schématique d'une autre forme de réalisation du répartiteur de l'invention. Tous les dispositifs diviseurs dont la figure I donne le schéma peuvent être considérés comme dérivant du montage de Wilkinson, au sujet duquel on se reportera à l'article de IRE Trans. MTT3, page 116, Janvier 1960. Le schéma représente le cas de la division de puissance à partir d'un générateur haute fréquence RG débitant sur N branches, chargées chacune par la même impédance d'utilisation au second ordre près, R s; chaque ligne comporte m tronçons d'impédances ZI, Z2..Zm' entre lesquels sont montés en parallèle, comme le montre le dessin, des éléments dissipatifs R01, R02.' Ror, Toutes ces branches sont volontairement représentées de constitution identique même si en réalité elles comportent quelques différences de peu d'importance entre elles. Dans le cas des hyperfréquences, les tronçons d'impédances Z1, Z2...Zm sont tout simplement des tronçons de lignes coaxiales,par exemple quart d'onde, c'est-à-dire dont la longueur est égale au quart de la longueur d'onde moyenne de l'onde haute fréquence de fonction- nement fournie par le générateur R. La bande de fréquence de fonctionnement du dispositif est d'autant plus large, toutes choses étant égales par ailleurs, que le nombre m est grand. Ceci étant, on procéde ci-dessous à une brève analyse du comportement du dispositif pour des désadaptations égales des charges Rs. Le dispositif étant prévu pour des conditions initiales données, conformément à ce qui précéde, c'est-à-dire avec N branches 24738 13 formées de m tronçon de lignes, toutes identiques entre elles, (mêmes impédances Zî***Zm mêmes éléments dissipatifs ROI, Rom et mêmes charges RS), et réglé de façon que les charges R s soient parfaitement adaptées, aucune puissance n'est réfléchie dans les branches, dans lesquelles les points situés à la même distance de la source, tels que L1, M1, N1, sont en phase sur toutes les lignes aucune énergie n'est alors dissipée dans les éléments résistifs placés en pont entre les lignes. Il n'en est plus de même si des adaptations inégales se produisent dans les branches, car alors cette concor-. dance de phase n'est plus conservée et un courant passe entre les points tels que L1, M1, N1, L2, M2, N2, etc. Par contre, en cas de désadaptations symétriques des charges Rs, toutes les lignes, identiques, subissent les mêmes perturbations et les points L1 M1 N1 se retrouvent en phase, ainsi que M2 N2 P2 etc, comme ils l'étaient au moment du réglage initial. Dans ces conditions, les puissances supplémentaires réfléchies par les charges désadaptées ne peuvent pas être absorbées par les résistances, aux bornes desquelles n'apparait aucune différence de potentiel. Il existe diverses variantes au montage de Wilkinson décrit ci- dessus sur lesquelles on ne s'étendra pas, toutes cesvariantes, qui relèvent du même principe, présentant les mêmes inconvénients. -On citera aussi Lange, IEEE Trans MTT 17, Décembre 69, page 1150,comme art antérieur de ces répartiteurs de puissance, ainsi que les brevets de Marvin H. White et de Gary H.Hoffmann délivrés aux Etats-Unis sous les numéros respectifs 3.593.174 et 3.963.993. Pour remédier à cet état de choses, l'invention prévoit une disposition dans laquelle est assuré, en permanence, c'est-à-dire quel que soit l'état des charges, un déphasage permettant l'absorption désirée. Selon l'invention le répartiteur comporte plusieurs diviseurs disposés en cascade, chacun d'eux étant relié par une branche de sortie au suivant; chacun d'eux comporte en outre, à sa sortie, un certain nombre de branches sur lesquelles sont montées les charges. Toutes ces branches, aussi bien celle servant à la liaison avec 24738 13 le diviseur suivant, que celles fermées sur les charges, seront dites branches secondaires, la première nommée étant la branche secon- daire principale. En outre, selon l'invention, cette branche est reliée à la branche d'entrée dans le diviseur suivant, dite branche primaire, à travers un déphaseur éventuellement; ce diviseur comporte lui aussi, comme le précédent, des branches secondaires, dont une principale reliée à la voie primaire du diviseur suivant, éventuel- lement à travers un déphaseur, etc. La figure 2 donne le schéma général du répartiteur de l'in- vention, limité à deux diviseurs, D(i - 1) et D (i), schéma sur lequel on retrouve les voies secondaires principales en B (i - 1) et B(i), les autres voies secondaires en C. (i - l)...Cm (i - 1) et C1 mi)...Cn Mi les voies primaires A (i - 1) et A (i) et les déphaseurs d1 (i -1) et 0 (i), désignés par la même lettre que le déphasage qu'ils introduisent sur la branche primaire sur laquelle ils sont montés. Un réseau d'éléments résistifs, représentés comme tels et laissés sans repère pour la clarté, est utilisé, en outre, comme dans l'art antérieur tel que décrit à propos de la figure 1. Ces éléments relient les voies secondaires à la voie secondaire principale, en étoile dans le cas de l'exemple, toute autre disposition étant possible dans le cadre de l'invention. Enfin chacun des diviseurs introduit lui-même un déphasage que l'on appellera Ci avec l'indice de rang i comme pour le reste des éléments ci-dessus. Les charges sont montées, comme on l'a dit, aux extrémités des branches secondaires, suivant la répartition jugée le mieux en rapport avec l'usage auquel est destiné le répartiteur. Dans l'exem- ple de la figure 2, ces charges sont réparties en nombre égal à la sortie des diviseurs; mais toute autre répartition pourrait être envisagée o l'indice m n'aurait pas la même valeur pour tous les diviseurs. En fonctionnement, le dispositif est d'abord réglé, y compris les déphaseurs c (i),de façon que, pour des réflexions pratiquement nulles dans les branches secondaires, l'absorption soit négligeable dans les éléments résistifs. Lorsque les charges sur lesquelles sont -2473Z13 fermées les branches secondaires C sont désadaptées, et sensi- blement toutes de la même quantité, les écarts de phase introduits entre les sorties des diviseurs successifs font que les ondes réflé- chies dans la voie secondaire principale B (i) et dans les différentes voies secondaires C (i) ne sont pas en phase; une différence de potentiel apparait alors entre le point a d'une part et des points b, c, d d'autre part, et une absortion de la puissance réfléchie dans les éléments résistifs est rendue possible. Des variations identiques de charge dans les branches du répartiteur sont ainsi possibles sans gêner le fonctionnement, contrairement a ce qui a lieu dans les dispositifs du même genre de l'art antérieur. La structure est terminée (i = n) en branchant la voie principale sur une charge. Deux montages sont possibles: ou bien l'on introduit un déphaseur 0 dû 0, préférentiellement comme dans ce qui précéde 0 = (2K+l)Yô entre A et la voie secondaire principale B du dernier diviseur, les autres branches secondaires étant toutes reliées à d'autres charges; ou bien toutes les branches secondaires du dernier diviseur, y compris la voie secondaire principale, sont reliées directement à des charges: voir figures 3 et 4 o toutes les autres voies secondaires sont désignées de façon indistincte par C. Le répartiteur de l'invention apparaît comme une structure progressive composée d'une succession de diviseurs en phase décalés les uns par rapport aux autres. On a parlé de phase dans ce qui précédé; on doit préciser bien entendu que, pour qu'en l'absence de réflexions dans les lignes, aucun courant ne circule dans les éléments résistifs, il faut aussi une relation d'amplitude entre les tensions apparaissant aux points d'insertion a, b, c, et d; cette relation est P0 Ro = P(i) R(i) (1) si R(i) et R0 désignent les impédances caractéristiques de la ligne secondaire principale et celle de toutes les autres lignes secon- daires, et P(i) et P0 les puissances haute fréquence dans ces lignes. On revient maintenant sur le déphasage. Le déphasage total entre une branche secondaire C (i) et une branche secondaire C (i - 1) est de 0 (i) + OD (i) avec les notations précédentes. 24735 13 Le déphasage ne sera évidemment effectif que si cette somme diffère de k puissance arrive dans le sens de la flêche. Cette caractéristique est particulièrement avantageuse dans le cas o les charges utiles sont des transistors utilisés à l'ampli- fication sur une large bande passante. On sait, en effet, que le gain d'un transistor décroît de 6 dB environ par octave en fonction de la fréquence. Aux fréquences les plus basses de la gamme on dispose donc d'un surplus de gain et il convient de réduire d'autant la puissance d'entrée. On obtient ce résultat soit en introduisant des pertes sélectives dans le circuit d'entrée, soit en désadaptant volontairement en bas de -bande. Cette dernière solution est la plus simple, mais il convient d'absorber la puissance ainsi réfléchie. La structure conforme à l'invention permet d'obtenir ce résultat d'une façon particulièrement simple même dans le cas d'un grand nombre de transistors et sur une large bande passante. Les désadaptations individuelles sont également absorbées au même titre que dans un diviseur en phase. On s'est principalement référé jusqu'ici à la structure de l'invention dans son utilisation comme diviseur de puissance. Bien entendu, la même structure peut être utilisée comme recombineur de puissances à condition que les différentes sources de puissance aient les phases relatives convenables. Cette condition peut être assurée, dans le cas d'un amplificateur, grâce à une distribution des puissances d'entrée par un diviseur de même type. On utilisera alors deux répartiteurs de l'invention, l'un agissant en diviseur et l'autre en recombineur. La figure 5 en montre un exemple de réalisation dans la technique microbandes. La vue représentée est une vue en 2 4 73 8 13 - plan de la partie utile du substrat isolant 10 sur lequel sont réalisées les lignes de transmission par des conducteurs linéaires appliqués sur ce substrat, revêtu de métal sur sa face opposée. Il s'agit d'un dispositif amplificateur pour hyperfréquences à quatre éléments actifs distribués consistant en quatre transistors T1, T2, T3 et T4. Ces éléments fabriqués séparément sont, dans l'exemple, rap- portés sur le substrat. L'exemple de la figure met en oeuvre deux répartiteurs de l'invention tels que décrit-plus haut, désignés dans leur ensemble par I et Il; le premier d'entre eux fonctionne en diviseur de puissance vers les quatre transistors T1 à T4 à partir d'une source non représentée, située à l'entrée de la partie I (flêche), et le second en recombineur des puissanes de sortie de ces quatre transistors. Chacun d'eux comporte trois diviseurs en phase, tels que D(i) des schémas précédents, à deux branches secondaires chacun, y compris la branche secondaire principale (m(i) des schémas précédents est donc ici égal à l),et une ligne terminale. Pour l'ensemble I, ces diviseurs portent des repères D comme dans ce qui précède et sont constitués des lignes (1,7), (2,6) -et (3,5) comme le montre le dessin; la ligne terminale 4 est chargée par le dernier transistor; le dessin montre l'emplacement des éléments résistifs sans repère. Des repères analogues sont affectés à l'en- semble Il, avec les changements nécessaires pour éviter toute confusion. La puissance recombinée sort dans la direction de la flêche. Le déphasage O(i) + OD (i), est choisi dans l'exemple égal à2 par l'emploi de lignes 1, 2, 3, 4 de longueurs égales à un quart d'onde pour la fréquence centrale; on à ici c5(i) = O car pour chaque diviseur le point B(i - 1) du schéma de la figure 2 est confondu avec le point A(i): points u, v, w sur la figure; les impédances caractéristiques de ces lignes sont toutes de 50 ohms; celles des lignes 5, 6 et 7 sont au contraire inégales entre elles et sont choisies respectivement de 50, 25 et 16,6 ohms pour satisfaire à la condition (1). 2 4 7 3 8 13 Il arrive souvent, toutefois, que les impédances des éléments actifs, tels que T1 T2 T3 T4, soient très basses (quelques ohms) et que l'adaptation à 50 ohms soit malaisée. La figure 6 donne une variante de la disposition de la figure précédente convenant parti- culièrement bien à ce cas, dans laquelle, dans chaque diviseur, un transformateur d'impédance est prévu sur la branche secondaire, comme le montre le dessin, o ces transformateurs portent les repères t1 t2 t3; chacun d'eux comporte une seconde ligne 01, 02, 03 couplée aux lignes secondaires 1, 2 et 3. La figure 7 montre, en technique micro-bandes également, un autre exemple d'application du répartiteur de l'invention, à l'addition des puissances de plusieurs diodes à résistance négative; la variante de la figure utilise des transformateurs d'impédance comme décrit à propos de la figure précédente. La puissance de sortie est receuillie dans la direction de la flêche sur une fréquence fixée par un signal de "locking" à l'aide d'un circulateur (flèche courbe), fréquence de l'ordre de 10 à 20 gigahertz par exemple. Sur la figure les diodes portent les repères d1 d2 d3 d4; ceux des autres éléments, sans désignation, se déduisent aisément des figures précédentes. On a décrit ci-dessus des réalisations appliquées à quatre éléments actifs; il va sans dire que ces exemples n'ont rien de limitatif, le nombre de ces éléments pouvant, dans le cadre de l'invention, dépasser cette valeur ou lui être inférieur. Une autre application du répartiteur de l'invention consiste dans l'emploi répété de diviseurs, recombineurs, Di R 1 D2...R3 montés en série. La figure 8 en montre un exemple particulièrement simple, o chacun des diviseurs et recombineurs ne comporte que deux branches, et o chaque recombineur et le diviseur qui le suit sont directement reliés entre eux. L'exemple montre un ampli- ficateur à trois étages à deux transistors chacun; le gain en décibels se trouve multiplié par le nombre d'étages entre l'entrée et la sortie (flèches). Un avantage de la structure représentée est de réduire au 247381 3 minimum les transformations d'impédance nécessaires. Dans les exemples de réalisation à l'état solide du répartiteur de l'invention donnés ci-dessus, des lignes ont été représentées sous forme de bandes déposées sur un substrat. On notera que ces lignes pourraient, dans le cadre de l'invention, être remplacées par des cellules à éléments localisés - self -inductances et capacités - type passe-bande, passe-bas ou passe-haut, comme le montre le schéma de la figure 9, o ces éléments ont été laissés sans repères; on a, par contre, reproduit sur cette figure les repères nécessaires pour permettre d'établir la correspondance entre celle-ci et le schéma de la figure 2.Chacune des cellules est un des diviseurs de cette figure. La partie de la figure à gauche du point A0 est un adaptateur d'impédance, et celle à droite du point B2 une ligne terminale. Toutes les lignes secondaires sont désignées par la même lettre C. En outre, il a été admis que dans une forme hybride les éléments actifs étaient des diodes ou des transistors rapportés sur le substrat; dans les limites de l'invention, ces éléments pourraient être intégrés au substrat. L'invention comprend aussi, au contraire, le cas de réalisations par des moyens conventionnels, autres que ceux de l'état solide, tant en ce qui concerne les éléments actifs que les éléments de trans- mission. 24738S 13 Il REVENDICATIONS 1. Répartiteur de puissance radioélectrique, pour la division de puissance entre une voie et plusieurs autres voies et la recombi- naison des puissances de plusieurs voies, dans une même voie dans une bande de fréquence de fonctionnement donnée, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs diviseurs, comportant chacun une voie unique se divisant en plusieurs voies dites voies secondaires, montés en cascade, reliés chacun au suivant par une de ces voies secon- daires, dite voie secondaire principale,et en ce que les autres voies secondaires sont reliées chacune par un élément dissipatif à un même point donné de la voie secondaire principale, le dit répartiteur assurant notamment la division d'une puissance radioélectrique ap- pliquée à la voie unique d'un premier diviseur en puissances par- tielles, en particulier sensiblement égales, recueillies dans des charges branchées aux extrémités des voies secondaires non prin- cipales, ou la recombinaison de puissances, en particulier sensi- blement égales, appliquées aux voies secondaires, en une puissance recueillie dans la voie unique du dernier diviseur. 2. Répartiteur de puissance radioélectrique suivant la reven- dication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un déphaseur monté dans la voie unique d'au moins un des diviseurs. 3. Dispositif radioélectrique pour la recombinaison des puis- sances de n générateurs, caractérisé en ce qu'il comporte un répartiteur suivant la revendication 1, comprenant n - 1 diviseurs à deux voies secondaires,le premier diviseur ayant l'une des voies secondaires reliée à l'un des générateurs à travers un déphaseur. 4. Dispositif radioélectrique pour la division d'une puissance en n puissances partielles, caractérisé en ce qu'il comporte un répar- titeur suivant la revendication 1, comprenant n - 1 diviseurs à deux voies secondaires, le dernier diviseur ayant l'une de ses voies secondaires reliée à l'une des charges à travers un déphaseur. 5. Dispositif radioélectrique pour la division de la puissance d'une source en puissances partielles alimentant les entrées de n 2473Q;13 amplificateurs, et pour la recombinaison des puissances de sortie de* ces n amplificateurs, caractérisé en ce qu'il comporte un premier répartiteur suivant la revendication 4, dont les charges sont cons- tituées par les entrées des amplificateurs, et en ce qu'il comporte un -5 second répartiteur suivant la revendication 3, dont les générateurs sont constitués par les sorties des amplificateurs. 6. Répartiteur de puissance radioélectrique suivant la reven- dication 4, notamment pour hyperfréquences, caractérisé en ce que, le dit répartiteur étant réalisé suivant la technologie micro-bandes, utilisant des conducteurs linéaires posés sur l'une des faces d'un substrat isolant revêtu de métal sur sa face opposée, les diviseurs consistent en des conducteurs en forme de U, alignés, le fond d'un U étant situé à hauteur de l'extrémité des branches du U précédent et sa branche supérieure dans le prolongement de la branche inférieure de ce dernier et en contact avec elle, ces branches ayant toutes une longueur sensiblement égale au quart de la longueur l'onde cor- respondant à la fréquence centrale de fonctionnement, et en ce que la branche inférieure du dernier diviseur est prolongée par une ligne terminale de longueur sensiblement égale au quart de cette longueur d'onde. 7. Répartiteur de puissance radioélectrique suivant la reven- dication 6, caractérisé en ce qu'il comporte des conducteurs liné- aires supplémentaires disposés parallèlement aux branches supé- rieures des U et de la ligne terminale, et dans leur voisinage, constituant avec elles des transformateurs d'impédance, et en ce que les charges sont connectées à ces conducteurs supplémentaires au niveau de l'extrémité des branches des U et de l'extrémité de la ligne terminale. 8. Amplificateur radioélectrique à plusieurs étages, carac- térisé en ce qu'il comporte, disposés en série, plusieurs dispositifs suivant la revendication 5.