Brevet FR2531272A1 — publié le 19840203

DISPOSITIF D'ADAPTATION ET D'ISOLEMENT COMPORTANT UN CIRCULATEUR A FERRITES La présente invention se rapporte à un dispositif d'adaptation et d'isolement, comportant un circulateur à ferrites, pour coupler un circuit à adapter à un point de branchement, le circuit à adapter étant assimi- lable, du point de vue de son impédance, à un circuit résonnant série. Les dispositifs d'adaptation à large bande pour circuits micro- ondes sont basés sur l'utilisation de résonateurs qui permettent, dans le cas o le circuit à adapter n'est pas assimilable à un circuit résonnant parallèle, de réaliser l'impédance conjuguée de celle du circuit à adapter afin d'obtenir une large bande de fréquences de fonctionnement De plus il adapter, et, par-conséquent, une réduction de la bande passante. La présente invention a pour but d'éviter ces inconvénients dus à l'emploi des deux dispositifs d'adaptation. 2 R O Ceci est obtenu en réalisant le dispositif d'adaptation du circuit à adapter à partir du circulateur à ferrites. Selon l'invention un dispositif d'adaptation et d'isolement pour coupler un circuit à adapter à un point de branchement, comportant un circuit d'adaptation du circuit à adapter, du type circuit résonnant parallèle, couplé au circuit à adapter et un circulateur à ferrites ayant un premier accès couplé au point de branchement et un second accès couplé au circuit à adapter, est caractérisé en ce que le circuit d'adaptation comporte, comme circuit résonnant parallèle, le circulateur. 2531-272 La présente invention sera mieux comprise et d'autres caractéris- tiques apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des figures s'y rapportant qui représentent: Les figures 1 et 4 des impédances représentatives de circuits, les figures 2 et 3 des montages relatifs respectivement à l'art antérieur et à l'invention, les figures 5 et 6 des vues montrant un circulateur à ferrites utilisé dans le montage selon la figure 3. Sur les différentes figures les éléments correspondants portent les mêmes repères. Dans ce qui suit il va être question d'un circuit à adapter; il s'agira d'un circuit micro-ondes du genre amplificateur, filtre, mélan- geur- etc. Sur la figure i est eprésent 6 e schémtliquement l'impédance d'un 1 circzuit à adapter dans, me cas le plus g&néral, c'est-à-dire dans le cas ou cette impédance est as ilable eille d'un circuit résonnant série RI-L-Cl Si la fréquence ceïïn-rae de;ravail, F 0, du circuit à adapter est différente de sa fréquence de réscnanc% une impédance est ajcutée en série avec le circuit à adapter pour rendr-e ces deux fréquences égales dans le cas de la figure 1 cette impedance est obtenue par une inductance L'Io Dans ce qui suit et dans les revendications cette impédance, à ajouter éventuellement, sera considérée comme faisant partie du circuit à adap- ter et ce dernier sera considéré conrme un circuit résonnant série forme des éléments R 1-LI-Cl avec LI = L + L'I; et la pulsation W O, corres- pondant à la fréquence centtale de travail, est telle que: LI CI 2 = 1 L'impédance, à la pulsation, du circuit à adapter de la figure 1 est: ZI = RI + j (L 1 W -C W) 61) et son coefficient de surtension Ll W 2 QI = RI 2) Lorsqu'un circuit à adapter, du type de celui dont il a été question ciavant, doit être couplé à un point de branchement à travers un circuit d'isolement, il est connu d'utiliser pour cela un circulateur à ferrites dans un montage représenté schématiquement sur la figure 2. La figure 2 représente un circuit à adapter, 1, qui est relié à un point de branchement, A, par un circuit d'adaptation, 10, suivi d'un circulateur, 20 à 23 Le circuit d'adaptation, 10, est constitué, de façon classique, à l'aide d'un ou de plusieurs circuits résonnants parallèles; les éléments de ce circuit 10 sont choisis de telle sorte qu'il présente une impédance d'entrée purement ohmique et de valeur Zc donnée dans toute la bande de fréquences de travail, lorsque sa sortie est reliée à l'entrée du circuit à adapter Le circulateur, bien que constitué d'un seul élément, a été représenté par quatre blocs de manière à distinguer entre ses différentes fonctions: un bloc, 20, appelé circuit d'aiguillage qui concerne la fonction "circulateur" proprement dite et trois blocs, 21 à 23, appelés transformateurs d'impédance, branchés sur chacun des trois accès du circuit d'aiguillage 20 pour ramener à la valeur Zc, ci-avant mentionnée, -les impédances des trois accès du circulateur La fonction " 1 circulateur" représentée par le bloc 20, permet d'isoler le circuit à adapter 1 d'un autre circuit à adapter branché en aval du point A, de manière à améliorer le rapport d'ondes stationnaires au point A Les transformateurs d'impédance, 21 à 23, ont, comme le circuit d'adaptation 10, un rôle d'adaptation d'impédance mais, au contraire du circuit 10, ils ne nécessi- tent pas de résonateurs pour jouer ce rôle étant donné que, comme il sera indiqué plus loin, un circulateur présente à ses accès des impédances du type de celles des circuits résonnants parallèles; les transformateurs d'impédance 21 à 23 sont, le plus généralement, constitués par des transformateurs quart d'onde Le transformateur d'impédance 21 est relié au point A, le transformateur d'impédance 22 est -relié à la première extrémité d'une résistance R dont la seconde extrémité est à la masse; quant au transformateur d'impédance 23 il est couplé au circuit à adapter 1 par le circuit d'adaptation 10. La figure 3 montre comment, dans le cadre de l'invention, est modifié le montage selon la figure 2 Le montage selon la figure 3 se distingue du montage selon la figure 2 par le fait que le transformateur d'impédance 23 et le circuit d'adaptation 10 ont été supprimés et remplacés, selon les cas, soit par une liaison directe, soit par un simple transformateur d'impédance 3 ne comportant pas d'élément résonnant parallèle; cette alternative est figurée par un dessin du pourtour du bloc 3 en traits interrompus Un tel montage, par la suppression du transforma- teur d'impédance 23 et du circuit d'adaptation 10 et donc de son résonateur, a une bande passante plus large que le montage selon la figure 2; de plus, du fait de la diminution du nombre des éléments, le montage selon la figure 3 présente moins de pertes que le montage suivant la figure 2. Dans la suite de la description il va être montré pourquoi le montage selon la figure 3 est possible. Pour un circulateur à errites il est connu (voir en particulier l'article: Operation of the ferrite junction circulator, paru dans IEEE Transactions on microwave theory and techniques, de janvier 1965, pages à 27), et les mesure permettent de le vérifier, que les impédances des accès sont assimilables à celles de circuits résonnants parallèles. La figure 4 représente un circuit résonnant parallèle, formé d'une résistance R 2 en parallèle sur une inductance L 2 et un condensateur C 2. Cette figure est la représentation schématique de l'impédance d'un accès d'un circulateur à ferrites dont l'impédance, à la pulsation W est Z 2 = ( 3) R 2-+ j (C 2W L 2. Le coefficient de surtension du circuit résonnant selon la figure 4 est: Q 2 = R 2 C 2W ( 4) o W est la pulsation de résonance du circulateur et est telle que L 2.C 2 2 = 1 Quand un circulateur est utilisé dans un montage, comme disposi- tif d'isolement pour un circuit micro-ondes, sa fréquence de résonance est choisie, pour des raisons de largeur de bande de fréquences de fonctionne- ment, égale ou du moins aussi proche que possible de la fréquence centrale de travail et donc de la fréquence de résonance du circuit micro- ondes; c'est pourquoi dans la forme LI Cl W 2 = 1 relative au circuit à adapter de la figure l et dans la formule L 2 C 2 2 O, la pulsation de résonance est, dans les deux cas, représentée par W O Pour que le circuit résonnant parallèle selon la figure 4 puisse constituer un circuit d'adaptation pour le circuit résonnant série selon la figure 1, c'est-àdire pour que le schéma de la figure 2 puisse être remplacé par le schéma de la figure 3 avec une liaison sans transforma- teur d'impédance entre les circuits 20 et 1, il faut que l'impédance Z 2 du circuit résonnant parallèle soit égale au conjugué de l'impédance Zl, c'est-à-dire que -t -1 1 -=RI j (LI aw Y l S +j (C 2 RI -j(LI CI R 2 + Lj(C 2 -L 2 W) en remplaçant, dans cette équation, CI et L 2 par leurs valeurs tirées des formules L 1.Cl W 2 = 1 et L 2 C 20 W 2 = 1 o o il vient, en faisant l'égalité entre les parties réelles d'une part et les parties imaginaires d'autre part 2 22 RI 2 W wom R'" 2 + L Io C 2 o Ww( e S = 1 ( 5) 2 2 (R Io C 2W L- R m _)= O ( 6) R 2) 'u 2} pour W = W la relation ( 5) entraîne: o Rl =R 2 pour W différent de W la relation ( 6) entraîne o RI. C 2 u lR w o ce qui donne en multipliant par LI w RI.C 2 W = R 2 ce qui peut s'écrire, compte tenu des formules ( 2) et ( 4) QI 1 = Q 2 Connaissant les valeurs de RI et de QI, à la pulsation de résonance wo, d'un circuit à adapter, il est toujours possible de réaliser un circulateur dont la pulsation de résonance, le coefficient de surtension et l'impédance à la résonance sont respectivement égaux, ou du moins proches, de W o, QI et RI Ainsi il est possible de réaliser l'adaptation optimale en large bande entre le circulateur et le circuit micro-ondes. Il est à noter que si la résistance R 2 du circulateur est nettement différente de la résistance R I du circuit à adapter, il est possible d'effectuer une adaptation par un transformateur d'impédance, sans élément résonnant parallèle, monté comme le transformateur d'impédance 3 de la figure 3 L'ensemble constitué par le transformateur d'impédance 3 associé au circuit à adapter, 1, a toujours la même pulsation de résonance w que le circuit à adapter 1 et sa résistance est déterminée pour être égale à R 2; par ailleurs son coefficient de surtension à la pulsation W o n'est plus égal à QI mais est modifié par le transformateur d'impédance, 3, il faut donc que le circulateur ait été choisi de telle sorte que son coefficient de surtension à l, résonance, Q 2, soit aussi proche que possible du coefficient de surtension de l'ensemble "circuit 1 et transformateur 3. Un exemple de réalisation d'un crculateur destiné à un montage selon la figure 3, avec liaiscn directe, sans le transformateur 3, entre le circuit à adapter 1 et le circuit d'aiguillage 20, va être décrit ci- après à l'aide des figures 5 et 6 Le circuit à -adapter était un circuit utilisant un transistor à effet de champ X l'arsdnkure de gallium, travaillant dans la gamme de fréquences 3,6 4,2 Gl Hz e presentant les caractéristiques ci- après: fréquence de résonance: FO = 3,9 G Hz coefficient de surtension QI = 3,15 impédance à la résonance Ri = 15 ohms Le but de l'adaptation de ce circuit était l'obtention du minimum de facteur de bruit du transistor à effet de champ. Le circulateur réalisé (figures 5 et 6) possède les caractéristiques suivantes: fréquence de résonance: F O 3,9 G Hz coefficient de surtension Q 2 = 2,12 impédance à la résonance:R 2 = 15 ohms. Il est à remarquer que le circulateur selon les figures 5 et 6 ne satisfait pas parfaitement la condition Q 2 = Qi; toutefois les mesures ont montré que, dans la gamme des fréquences de travail ( 3,6 4,2 G Hz), l'écart entre l'impédance optimale qui permet d'obtenir le minimum de facteur de bruit et l'impédance réalisée par le circulateur, reste faible et que le facteur de bruit obtenu est pratiquement minimum. La figure 5 montre, en traits interrompus, le pourtour C de l'ensemble constitué par le boîtier du circulateur et le boîtier du circuit à adapter qui sont accolés Sur la figure 5 n'ont été représentés qu'une pièce 4 située au milieu du circulateur, deux fiches de raccordement du résonateur, 31, 32, et le transistor à effet de champ, 11, du circuit à adapter 1 de la figure 3. La pièce 4 constitue la partie conducteur intérieure ou ruban (strip dans la littérature anglo-saxonne) d'une structure de type guide d'ondes triplaque, c'est-à-dire d'une structure formée de deux plans de masse parallèles et d'un ruban disposé parallèlement aux deux plans de masse et entre eux Ces deux plans de masse apparaissent sur la figure 6 o ils portent les repères 61 et 62 La pièce 4 est constituée d'une plaque métallique en laiton argenté de 1,2 mm d'épaisseur comportant un disque résonateur 40, de 14 mm de diamètre, percé d'un trou de centrage, 44; autour de ce disque sont disposées trois branches, 41, 42, 43, à 120 les unes des autres Les branches 41 et 42, de longueur nettement supérieure à la branche 43, sont soudées au conducteur intérieur des fiches coaxiales, 31, 32 Ces fiches, d'impédance caractéristique égale à 50 ohms, permet- tent le raccordement au point A et à la résistance R (figure 3); leur conducteur extérieur relié au bottier du circulateur, n'a pas été représenté sur la figure 5 La branche 43, qui n'est en fait là qu'à titre de repèrage pour le branchement, est soudée sur l'extrémité de la connexion de grille, G, du transistor à effet de champ, 11, du circuit à adapter; la longueur de la connexion de grille du transistor 11, c'est-àdire la longueur de la connexion entre le boîtier du transistor et le disque 40, détermine l'inductance L'1 dont il a été question lors de la description de la figure 1; par souci de simplification et parce que cela n'apporterait rien à la compréhension de l'invention, les éléments connectés au drain, D, du transistor Il n'ont pas été représentés; quant à la source du transistor 11, elle comporte deux connexions de sorties, 51 et 52, qui sont toutes les deux soudées sur le boîtier du circuit à adapter. Il est à noter que, dans la réalisation décrite, la polarisation de la grille du transistor Il se fait par l'intermédiaire du circulateur; en effet la résistance R qui, par souci de simplification, est branchée, sur la figure 3, directement entre le circulateur et la masse est, en réalité, reliée par sa première extrémité au circulateur (transformateur 22 comportant la branche 42) et par sa seconde extrémité à un circuit de découplage; ce circuit de découplage se comporte comme un court-circuit aux fréquences de travail du circuit à adapter et comme une impédance infinie pour la tension continue de polarisation; cette tension de polarisation est appli- quée sur la seconde extrémité de la résistance R Le circuit de découplage peut être réalisé de manière classique par des lignes quart d'onde ouvertes qui ramènent un court-circuit et/ou par un condensateur. Dans la figure 3 il a été question des transformateurs d'impédance 21 et 22 et du circuit d'aiguillage 20 qui constituaient le circulateur Sur la figure 4 le disque résonateur 40 et les branches 41 et 42 ccrrespondent respectivement au circuit d'aiguillage 20 et aux transformateurs d'impé- dance 21 et 22; ces transformateurs d'impédance sont du type transfor- mateurs quart d'onde, c'est-à-dire que la longueur des branches est sensiblement égale au quart de la longueur, dans le circulateur, de l'onde à la fréquence moyenne de 3,9 G Hz En fait les blocs 20, 21 et 22 de la figure 3 sont plus exactement à identifier avec l'association des éléments , 41, 42 et des éléments entre lesquels ils se trouvent insérés dans le circulateur et qui vont être décrits à l'aide de la figure 6. La figure 6 est une vue en coupe, selon l'axe XX (figure 5) du circulateur Cette vue montre que, de part et d'autre du ruban 4, sont disposées deux structures symétriques par rapport au ruban et qui comportent, à partir du ruban: un disque de ferrite 51, 52 dont le diamètre est sensiblement égal au diamètre du disque résonateur 40 (figure 5) et une pièce en silice, 53, 54, qui recouvre presque toute la partie du ruban 4 extérieure au disque 40 (figure 5); les pièces 51 à 54 ont une épaisseur de 2,1 mm; le disque de ferrite 51, 52 est percé d'un trou en son centre, un flasque en aluminium,61, 62, constituant l'un des plans de masse mentionnés plus avant et qui comporte, dans sa face opposée au ruban 4, un creux en forme de cuvette circulaire disposée en regard des disques de ferrite 51, 52 dans le creux en forme de cuvette: une lame d'air 71, 72, une rondelle en acier doux de 0,5 mm d'épaisseur, 81, 82, et un aimant permanent, 91, 92, de 1,5 mm d'épaisseur le circuit magnétique formé avec les deux aimants 91, 92 fournit un champ de 400 gauss, une barre d'un fer en U, 60; ce fer en U recouvre, respectivement par ses deux barres en regard, les deux aimants 91, 92 afin de refermer leurs lignes de champ; ce fer en U est réalisé avec une bande d'acier doux de 1 mm d'épaisseur et 17 mnm de largeur. Une tige cylindrique isolante,45, réalisée en nylon (marque dépo- sée), traverse les trous percés dans le ruban 4 (trou 44) et dans les disques en ferrites, 51, 52, afin d'assurer le positionnement de ces pièces les unes par rapport aux autres. Une feuille d'argent très mince, non représentée sur la figure 6, est disposée entre le disque 51 et la pièce en silice 53 d'une part et le flasque 61 d'autre part, pour assurer un bon contact électrique entre ces éléments Une autre feuille, non représentée, assure un bon contact entre le disque 52 et la pièce en silice 54 d'une part et le flasque 62 d'autre part. Le boîtier du circulateur comporte, entre les flasques 61 et 62 et le fer en U,60, une prise 31, fixée sur les flasques 61 et 62, au moyen de vis non représentées. Ce circulateur à ferrite a été fabriqué, en fonction des caracté- ristiques à obtenir pour réaliser l'adaptation du circuit à adapter dont il a été question ci-avant; pour cela le choix s'est porté d'abord sur un circulateur existant présentant des caractéristiques assez proches de celles à obtenir puis, après des essais successifs, le circulateur décrit à l'aide des figures 5 et 6 a été réalisé. Il est à noter que l'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit; c'est ainsi, en particulier, qu'il est possible, dans le montage selon la figure 3, de supprimer le transformateur d'impédance 22 c'est-à-dire, pratiquement la branche 42 du ruban 4 (voir figure 5), il suffit alors de donner à R la valeur présentée, à la résonance, par la sortie correspon- dante du résonateur. Il est également à noter que le circulateur peut être utilisé comme élément d'adaptation d'un circuit à adapter, non seulement sur l'entrée du circuit, comme dans l'exemple décrit, mais aussi sur la sortie du circuit; ainsi un même circulateur peut servir d'élément d'adaptation pour deux circuits à adapter: un premier circuit à adapter ayant sa sortie couplée à l'un des accès du circulateur et un second circuit à adapter ayant son entrée couplée à un autre accès du circulateur. la REVENDICATIONS 1 Dispositif d'adaptation et d'isolement pour coupler un circuit à adapter ( 1) à un point de branchement (A), comportant un circuit d'adaptation (R 2-L 2-C 2) du circuit à adapter, du type circuit résonnant parallèle, couplé au circuit à adapter et un circulateur à ferrites ( 2021- 22) ayant un premier accès couplé au point de branchement et un second accès couplé au circuit à adapter, caractérisé en ce que le circuit d'adaptation comporte, comme circuit résonnant parallèle, le circ*ulateur. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit à adapter est directement connecté sur un accès du circuit 1 d'aiguillage. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que, le circuit à adapter étant assimilable à un circuit résonnant série (RI-LI-CI) présentant une pulsation de résonance W 0, une impédance RI à la résonance et un coefficient de surtension QI, le circulateur est choisi de telle sorte que, du point de vue de l'accès sur lequel est connecté le circuit à adapter, il soit assimilable à un circuit résonnant parallèle de pulsation W 0, d'impédance R 2 à la résonance et de coefficient de surtension Q 2 avec R 2 et Q 2 sensiblement égaux respectivement à RI et QI.