Brevet FR2531287A1 — publié le 19840203

Dispositif combinateur de puissance micro-onde par cavité. La présente invention concerne un dispositif combinateur de puissance micro-onde du type comprenant une pluralité d'éléments actifs couplés à une sortie commune par l'intermédiaire d'une cavité. L'invention est utilisable notamment pour la réalisation d'oscillateurs ou d'amplificateurs de puis- sance travaillant dans le domaine des micro-ondes. Dans les dispositifs connus du type indiqué plus haut, les éléments actifs sont généralement couplés au moyen d'une cavité métallique On connait par exemple un combinateur de puissance comprenant une cavité métal- lique sur le pourtour intérieur de laquelle sont dispo- sis des tronçons de lignes coaxiales qui s'étendent cha- cun parallèlement à l'axe de la cavité entre un élément actif et une charge absorbante Un tel combinateur est décrit par exemple dans le document FR-A-2 292 370. Avec ces dispositifs connus, il est générale- ment difficile, voire impossible de régler de façon fixe la distance entre éléments actifs et cavité En outre, ces dispositifs ont une utilisation limitée au couplage de dipôles actifs tels que diodes à effet Gunn ou diodes à avalanche par exemple. La présente invention a pour but de fournir un dispositif combinateur de puissance dans lequel les ré- glages fins continus des distances entre éléments actifs et cavité sont réalisables facilement. La présente invention a aussi pour but de four- nir un dispositif combinateur de puissance dont l'utili- sation n'est pas limitée aux dipôles mais s'étend aussi aux quadripôles tels que transistors bipolaires ou à effet de champ. Ces buts sont atteints grâce à un dispositif combinateur comprenant plusieurs éléments actifs couplés à une sortie commune par l'inter médiaire d'une cavité à la périphérie de laquelle sont disposés des tronçons de ligne parallèles à l'axe de la cavité et reliés chacun à un élément actif respectif, dispositif dans lequel, con- formémnent à l'invention, le couplage entre éléments ac- tifs est réalisé par au moins une cavité diélectrique, les tronçons de ligne sont disposés sur une surface d-'un support entourant la cavité diélectrique et la position relative de la cavité diélectrique et du support est ré- glable en translation parallèlement à l'axe de la cavité. Différents types de lignes peuvent être utili- sés pour réaliser les tronçons de ligne reliés aux élé- ments actifs, par exemple des lignes de type micro-ruban, coplanaire, "fin-line', triplaque ou coaxial Toutefois, il est tout à fait préférable d'utiliser des lignes de type "plan", c'est-à-dire micro-ruban, coplanaire ou "fin -ine" afin d'éviter les discontinuités que consti- tuent les ouvertures à réaliser dans les lignes de type triplaque ou coaxial pour le couplage à la cavité. Selon un mode particulier de mise en oeuvre de l'invention, les éléments actifs sont de type quadripô- le avec chacun une première borne reliée à un premier tronçon de ligne et une deuxième borne reliée à un deu- xième tronçon de ligne, les couplages des éléments actifs à leurs premières bornes et à leurs deuxièmes bornes étant réalisés par au moins une cavité diélectrique Ces couplages peuvent être réalisés au moyen de deux cavi- tés diélectriques distinctes avec, de préférence, des moyens de réglage indépendants des distances entre cha- que cavité diélectrique et le support portant les tron- çons de ligne correspondants En variante, ces couplages peuvent être réalisés au moyen d'une même cavité diélectrique. Selon une autre particularité du dispositif conforme A l'invention, il comporte un élément de régla- ge du couplage entre éléments actifs et cavité-'diélec- trique, élément de réglage réalisé par exemple sous for- me d'une bague de même axe que la cavité, disposée entre celle-ci et les tronçons de ligne et dont la position re- lative par rapport a la cavité ou aux éléments actifs est réglable en translation parallèlement a laxe de la cavité. Dans les dispositifs selon l'invention, on pourra utiliser des cavités de forme cylindre, parallélé- pipédique ou même sphérique résonant sur un mode TM ou même TE, voire hybride (EH) Par ailleurs, le couplage entre cavité diélectrique et tronçons de ligne reliés aux éléments actifs peut être du type magnétique ou électrique. D'autres particularités ou avantages du dispo- sitif selon l'invention ressortiront -à la lecture de la description faite ci-après, A titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un premier mode de réalisation d'un dispositif combinateur selon l'invention, pour le couplage de di- pôles; les figures 2 à 4 sont des vues en coupe sui- vant les lignes II-II, I 111-I et IV-IV de la figure 1; la figure 5 est un schéma équivalent du dis- positif de la figure; la figure 6 est une vue schématique en coupe axiale d'une variante de réalisation du dispositif com- binateur de la figure 1; la figure 7 est une vue schématique en coupe axiale d'un second mode de réalisation d'un dispositif combinateur selon-l'invention, pour le couplage de di- pôles avec accord parallèle, la figure 8 est un schéma équivalent du dis- 2531287. positif de la figure 7; la figure 9 est une vue schématique en coupe axiale d'un troisième mode de réalisation d'un dispositif combinateur selon l'invention, pour le couplage de qua- dripôles (transistors); la figure 10 est un schéma équivalent du dis- positif de la figure 9; la figure 11 est une vue schématique en cou- pe axiale d'un quatrième mode de réalisation d'un dispo- sitif combinateur selon l'invention, pour le couplage de quadripôles, et la figure 12 est un schéma équivalent du dis- positif de la figure 11. Dans la description qui suit, on envisage, à titre non limitatif, le cas d'un couplage de type magné- tique entre éléments actifs et cavité résonant en mode TM. Les figures 1 à 4 illustrent un dispositif com- binateur d'éléments actifs 10 au moyen d'une cavité di- électrique Les éléments actifs 10 sont des dipôles (ou des quadripôles montés en dipôles) présentant, de façon classique, une résistance négative dans des conditions de polarisation appropriées, par exemple des diodes à effet Gunn ou des diodes à avalanche Les éléments 10 sont dis- posés en couronne, à intervalles réguliers, sur la sur- face intérieure 12 a d'un logement cylindrique 12 formé dans une partie tubulaire 11 d'un support métallique 13. Chaque élément actif est porté par une pièce 14 vissée dans un orifice radial 15 formé dans la partie tubulaire 12 (figure 2). A chaque élément actif 10 est relié un tronçon de ligne 30 de type micro-ruban soudé sur la surface 12 a. Le tronçon de ligne 30 s'étend parallèlement à l'axe du logement 12 et comprend un substrat céramique 31 en for- me de ruban portant, sur une face, une métallisation 32 formant masse et soudée sur la surface 12 a et, sur l'au- tre face tournée vers le centre du logement 12, une mé- tallisation 33 Comme on peut le voir sur la figure 1, les éléments 10 sont disposés au voisinage d'une extré- mité du logement 12 et les tronçons de ligne 30 s'éten- dent presque sur toute la longueur de ce logement A son extrémité 30 a opposée à celle reliée à un élément actif , chaque tronçon de ligne 30 est relié à la masse par l'intermédiaire d'une capacité de découplage Cd, formée par une interruption de la métallisation 33, et une ré- sistance anti-parasites Rap En outre, pour la polarisa- tion de chaque élément actif, le tronçon de ligne asso- cié 30 est relié à l'extérieur du logement 12 par une liaison comprenant un conducteur 16 passant à travers un. orifice 17 de la partie tubulaire il et relié au tron- çon de ligne 30, au voisinage de son extrémité 30 a par l'intermédiaire d'une self 18 (figure 3) Une capacité de découplage peut être branchée entre le conducteur 16 et la masse formée par la surface intérieure du logement 12. Le couplage entre les éléments actifs 10 est réalisé par la cavité diélectrique 40 de forme cylindri- que, ou, plus exactement, tubulaire et de même axe que le logement 12 La cavité 40 est reliée, à une extrémité a, à une tige axiale 41 en matériau isolant, par exem- ple en verre, par l'intermédiaire d'une pièce de liaison isolante 42 dans laquelle est enchâssée la partie d'ex- trémité 40 a de la cavité 40 La pièce 42 a un diamètre extérieur égal au diamètre intérieur du logement 12 et présente, à sa périphérie, des encoches 43 pour ne pas interférer avec les tronçons de ligne 30 et les éléments actifs 10 (figure 4) La tige 41 se prolonge jusqu'à l'extérieur du support 12 pour permettre de déplacer la cavité 40 en translation axiale dans le logement 12 grâ- ce au guidage de la pièce de liaison 42 le long de:la surface 12 a. La liaison avec une charge d'utilisation est réalisée au moyen d'une ligne 20 par exemple de type co- axial, dont l'extrémité pénètre axialement dans le loge- ment 12 du côté 12 b opposé à celui qui est traversé par la tige 41 et à proximité duquel se trouvent les éléments actifs 10 La ligne 20 est par exemple guidée à travers un trou 19 formé dans une partie 21 du support 13 fer- mant le côté 12 b du logement 12. La figure 5 montre le schema équivalent du dispositif (seulement deux élments actifs 10 sont re- présentés pour ne pas alourdir le dessin) 1 et 52 dé- signent les coefficients de couplage entre la cavité diélectricque 40 et les éléments actifs 10 et entre cavi- té diélectrique et charge d'utilisation ZO En agissant sur la tige 41, il es; possible de régler de façon fine et continue la distance L 1 entre éléments actifs 10 et la cavité 40 Bien entendu, le logement 12 doit posséder une fréquence de résonarnce propre située en dehors de la bande de fréquences dans laquelle le dispositif travaille. A titre indicatif, un dispositif tel qu' illustré par la figure 1 a été utilisé pour coupler quatre diodes à ef- fet Gunn Les tronçons de ligne 30 comportaient un subs- trat d'alumine 31 d'épaisseur 0,4 me et de largeur 2 xal avec une ligne gravée 33 de largeur 0,4 mm Au moyen d'une cavité diélectrique de diamètre intérieur 2 mm, de diamètre extérieur 15 m et de longueur 4 mm, disposée dans un logement 12 de diamètre 17 ira, il a été possible d'obtenir un rendement de combinaison égal à 70 % pour une puissance de sortie de 1 W à 1 l G Hz. Une variante de réalisation du dispositif de la figure 1 est illustrée par la figure 6 Le dispositif de la figure 6 diffère essentiellement de celui de la fi- gure 1 en ce qu'une bague diélectrique 50 est disposée dans le logement 12 entre la cavité 40 et les tronçons de ligne 30 De ce fait, la liaison entre la tige 41 et 2531287. la cavité 40 est réalisée par une pièce 42 ' réalisée par exemple simplement sous forme d'un disque isolant collé à l'extrémité 40 a de la cavitéo Deux tiges iso- lantes 51, par exemple en verre, sont fixées au-bord d'extrémité de la bague 50 tourné vers le côté 12 b du logement Les tiges 41, 51 sont guidées dans des trous 22, 23 formes dans une partie 24 du support 13 et font saillie à l'extérieur de ce support Par action sur les tiges 51, il est possible de déplacer la bague 50 en translation axiale par rapport aux éléments actifs 10 et à la cavité 40 En plus du réglage de la distance entre éléments actifs et cavité diélectrique, il est donc pos- sible au moyen de la bague 50 de réaliser un réglage fin et continu du couplage entre éléments actifs et cavité diélectrique. Différents autres modes de-réalisation d'un dispositif combinateur conforme à l'invention seront main= tenant décrits en référence auk figures 7 à 12 o Pour plus de simplicité, les moyens de montages et de polariî sation des éléments actifs, le montage des cavités di- électriques et de la ligne de sortie commune et l Outili- sation éventuelle d'une bague de réglage de couplage ne sont pas représentés Ils pourront être réalisés comme décrit plus haut en référence aux figures 1 et 6. La figure 7 montre des dipô 161 es 70 disposes à intervalles réguliers et en couronne sur le pourtour de la surface intérieure d'un logement cylindrique 71 Les dipôles 70 sont situés sensiblement dans la partie mé- diane du logement 71 et sont reliés chacun à deux tron- çons de lignes 72, 73 de type micro-ruban soudés sur la surface intérieure du logement 71 et parallèles à l'axe de celui-ci Le tronçon de ligne 72 s'étend depuis l'é- lément actif vers une extrémité 71 b du logement tandis que le tronçon de ligne 73 s'étend depuis l'élément ac- tif vers l'autre extrémité 71 c du logement 71 Une pre- mière cavité diélectrique 74 est disposée dans le loge- ment 71 en regard des tronçons de ligne 72 et une cavi- té diélectrique 75 est disposée dans le logement 71 en regard des tronçons de ligne 73 Cette disposition per- S met par la cavité diélectrique 75 de coupler à une char- ge d'utilisation des dipôles 70 en accord parallèle gr&- ce à la cavité diélectrique 74 Les positions relatives des cavités 74, 75 par rapport aux éléments actifs 70 sont réglables indépendamment l'une de l'autre par translation axiale. Le schéma équivalent du dispositif de la figu- re 7 est visible sur la figure 8 Seul un élément actif est-représenté pour la clarté du dessin a désigne le coefficient de couplage entre éléments actifs et la ca- vité diélectrique 74 O et O désignent les coefficients de couplage entre éléments actifs et la cavité diélectri- que 75 et entre celle-ci et la charge d'utilisation Z 0. Les distances L 3 et L 4 entre -éléments actifs et la cavi- té 75 et entre éléments actifs et la cavité 74 peuvent être ajustées de façon fine et continue. La figure 9 illustre un dispositif combinateur de puissance avec couplage d'éléments actifs formés par des quadripôles, par exemple des transistors à effet de champ 90 Les transistors 90 sont disposés à intervalles réguliers et en couronne sur le pourtour de la surface intérieure d'un logement cylindrique 91 Chaque transis- tor 90 a une borne, par-exemple la source reliée à un tronçon de ligne 92 de type micro-ruban et une autre bor- ne, par exemple le drain reliée à un autre tronçon de ligne 93 de type micro-ruban Les tronçons de lignes 92 et 93 sont soudées sur la' surface intérieure du logement 91 et sont parallèles et l'axe de celui-ci Le tronçon de ligne 92 s'étend depuis le transistor 90 vers une ex- trémité 91 b du logement 91 tandis que le tronçon deli- gne 93 s'étend depuis le transistor 90 vers l'autre ex- 2531287. trémité 91 c du logement 910 Une cavité diélectrique 94 est disposée dans le logement 91 en regard des tronçons de ligne 92 tandis qu'une seconde cavité diélectrique est disposée dans le logement 91 en regard des tron- çons de ligne 93 Ainsi, on réalise par la cavité 94 un accord collectif des transistors 90 par l'une de leurs bornes et un couplage de ces transistors à une charge d'utilisationpar une de leurs bornes, au moyen de la cavité 95 Les positions axiales des cavités 94 et 95 sont réglables indépendamment l'une de l'autre. La figure 10 montre le schéma équivalent du dispositif de la figure 9, deux transistors 90 étant seuls représentés 05 désigne le coefficient de couplage entre les éléments actifs et la cavité diélectrique 940 et 07 désignent les coefficients de couplage entre les élé- ments actifs et la cavité 95 et entre celle-ci et la charge d'utilisation ZOO Les transistors à effet de champ 90 sont accordés par la source S, couplés par le drain D et montés en grille G commune Le déplacement des cavités diélectriques 94 et 95 en translation axiale permet de régler les distances L 5 et L 6 entre éléments actifs et la cavité 94 et entre éléments actifs et la cavité 95. Un autre mode de réalisation de couplage col- lectif de quadripôles 110 est représenté sur la figure 11 Les quadripôles 110, par exemple des transistors, sont disposés à intervalles réguliers et en couronne sur le pourtour de la surface intérieure d'un logement cy- lindrique 111 à proximité d'une extrémité 1 llc de celui- ci Chaque transistor 110 a une première borne reliée à un tronçon de ligne 112 de type micro-ruban et une deu- xième borne reliée à un tronççn de ligne 113 de type micro-ruban, les différentes lignes 112 et 113 s'éten- dant parallèlement à l'axe du logement 111 en direction de l'autre extrémité lllb de celui-ci, en étant soudées sur la surface intérieure du logement Une cavité di- électrique 114 est disposée dans le logement 111 et réa- lise un couplage collectif des transistors 110 à la fois par leurs premières bornes et par leurs deuxièmes bornes. On notera que les tronçons de ligne 112 et 113 reliés à un même transistor 110 peuvent avoir un substrat commun 116 portant deux lignes métallisées 117, 118 reliées respectivement à la premiere et à la deuxième borne du transistor. La figure 12 montre le schéma équivalent du dispositif de la figure 11 88 et 39 désignent les coef- ficients de couplage entre élé'ments actifs et la cavité 114 et entre celle-ci et la charge d'utilisation ZO La cavité 114 est d 6 plaçable en translation axiale par rap- port au logement 111 afin de régler la distance L 7 entre elle-même et les éléments acti Es 110. Dans les modes de réalisation décrits plus haut, on a toujours envisage le cas ci les tronçons de ligne re- liés aux éléments actifs sont du type micro-ruban Comme dé- jà indiqué, ces tronçons de ligne pourraient également être d'un autre type plan connu en soi, par exemple du type coplanaire ou du type "finline", c'est-à-dire avec deux métallisations formées sur une même face d'un subs- trat dont l'autre face est éventuellement métallisée. Dans le cas d'une ligne coplanaire, l'une des deux métal- lisées-formées suroune même face du substrat forme masse et est séparée de l'autre métallisation par un interval- le de largeur constante Dans le cas d'une ligne "fin- line", la transmission le long de la ligne se fait par échange entre les deux métallisations L'utilisation de lignes de type triplaque ou coaxial, bien que moins a- vantageuse, n'est pas exclue. Bien entendu, d'autres modifications ou ad- jonctions pourront être apportées aux modes de réalisa- tion d&crits ci-dessus d'un dispositif combinateur micro- onde selon l'invention sans pour cela sortir du cadre de protection défini par les revendications annexées. REVENDICATIONS 1 Dispositif combinateur de puissance micro-onde comprenant plusieurs éléments actifs couples à une sor- tie commune par l'intermédiaire d'une cavité à la péri- phérie de laquelle sont disposés des tronçons de ligne parallèles à l'axe de la cavité et reliés chacun à un élément actif respectif, caractérisé en ce que le couplage entre éléments actifs ( 10; 70; 90; 110) est réalisé par au moins une cavité di- électrique ( 40,74-75; 94-95; 114), les tronçons de ligne ( 30; 72, 73; 92, 93; 112, 113) sont disposés sur une surface d'un support entourant la cavité diélectrique et la position relative de la cavité diélectrique et du sup- port est réglable en translation parallèlement à l'axe de la cavité. 2 Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les tronçons de lignes sont de type plan. 3 Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte un élément ( 50) de réglage du couplage entre éléments actifs et cavité diélectrique. 4 Dispositif selon la revendication 3, caracté- risé en ce que ledit élément est réalisé sous forme d'une bague de même axe que la cavité, disposée entre celle-ci et les tronçons de ligne et dont la position relative par rapport à la cavité ou aux éléments actifs est réglable en translation parallèlement à l'axe de la cavité - Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 4, caractérisé en ce que les éléments actifs sont de type quadripôle mière borne reliée à un premier tronçon de ligne ( 92; 112) et une deuxième borne reliée à un deuxième tronçon de ligne ( 93; 113), les couplages des éléments actifs à leurs premières bornes et à leurs deuxièmes bornes étant réalisés par au moins une cavité diélectrique ( 94, ; 114). 6 Dispositif selon la revendication 5, caracté- risé en ce que les couplages sont réalisés au moyen de deux cavités diélectriques distinctes ( 94, 95) dont les dis- tances (L 5, L 6) par rapport aux éléments actifs ( 90) sont réglables indépendamment l'une de l'autre. 7 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé ence queles couplages sont réalisés au moyen d'une seule cavité diélectrique ( 114). 8 Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 4, caractérisé en ce que les éléments actifs sont des dip 5 les ( 70) reliés chacun à un premier et un second tronçon de ligne ( 72, 73) s'étendant en sens op- posés à partir du dipôle, et en ce qu'une première cavi- té diélectrique ( 74) est disposée en regard des premiers tronçons de ligne ( 72) pour réaliser un couplage collec- tif d'accord des dipôles et une seconde cavité diélectri- que ( 75) est disposée en regard des seconds tronçons de ligne ( 73) pour réaliser un couplage collectif des di- pô 1 es a une charge d'utilisation o 9 Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que la cavité di- électrique ( 40) est solidaire d'une tige isolante ( 41) permettant de déplacer la cavité par rapport aux éléments actifs. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que les tronçons de ligne sont soudés sur la surface intérieure d'un lo- gement ( 12, 71, 91, 111) formé dans un support métalli- que et ayant une fréquence de résonance propre située en dehors de la bande de fréquences de travail du dispositif.