Brevet FR2532479A1 — publié le 19840302

DEPHASEUR HYPERFREQUENCE DIGITAL A DEUX BITS ET SON UTILISATION DANS UNE ANTENNE A BALAYAGE ELECTRONIQUE La présente invention concerne un déphaseur hyperfréquence digital à deux bits Plus particulièrement, ce déphaseur est capable de donner quatre états de phase quantifiés 0, -Tt/2, i V et 3 Il/2 et est réalisable en structure compacte Une application particuliere d'un tel déphaseur est la réalisation de matériels à large bande de fonctionnement o l'on désire intégrer un nombre élevé de com- posants On peut également utiliser-avantageusement des déphaseurs selon l'invention pour commander rapidement la phase des diverses sources élémentaires d'un réseau constituant une antenne à balayage électronique. Les déphaseurs relevant de l'art antérieur sont de différentes structures * certaines sont des structures a commutation utilisant les tronçons de lignes présentant un relativement faible encom- brement et des pertes constantes en fonction du déphasage D'autres sont des structures à perturbation ayant une forte tenue en puis- sance et une large bande passante Pour réaliser un déphaseur à deux bits, de telles structures nécessitent la mise en cascade de bits élémentaires: deux au moins dans le cas de commutation de ligne et jusqu'à six dans le cas de structure à perturbation. Selon les critères de déphasage, de pertes d'insertion ou de terme en puissance, le choix se porte sur l'un ou l'autre de ces déphaseurs. Une structure particulière d'un déphaseur à quatre états de phase fait l'objet du brevet d'invention français déposé par la Demanderesse, sous le numéro 2 445 036 Le déphaseur permet d'obtenir les quatre états de phase o,', 1 et deux lignes, définissant ainsi les différents déphasages. Cependant ces déphaseurs ressortissant à l'art antérieur font intervenir des longueurs de lignes de propagation et de ce fait présentent des caractéristiques de déphasage, de pertes et de taux d'ondes stationnaires (T O S) variant avec la fréquence. Ainsi la réalisation d'un dé 2 haseur digital fonctionnant pour une grande largeur de bande de fréquences, au moyen de solutions relevant de l'art antérieur, est souvent limitée de par sa complexité même Notamment, il n'existe pas de solution simple pour réaliser in déphaseur digital 0, y 2 mettant en jeu des propriétés parti- culières rendant le déphasage peu dépendant de la fréquence par exemple. Par contre, il est déjà connu de réaliser un déphaseur digital 0, en structure compacte et fonctionnant dans de larges bandes de fréquences Ainsi en est-il du déphaseur, objet du brevet N O 2 379 196 déposé par la Demanderesse De même, il est connu de réaliser aisément des coupleurs directifs 3 d B, très peu dispersifs même lors de fonctionnement à large bande de plusieurs octaves par exemple -, dans les différents types de lignes de transmission utilisées couramment comme les lignes a ruban dites microstrip, les lignes triplaques, les lignes coaxiales ou les guides d'onde Or, une pro- priété intéressante d'un coupleur directif 3 d B est qu'il divise la puissance d'entrée d'une de ses quatre voies entre deux autres voies de manière égale et envoie une puissance nulle sur la quatrième voie restante et les deux signaux de sortie sont en quadrature de phase. Ainsi un tel coupleur permet d'obtenir un déphasage de-l/2 très peu dépendant de la fréquence (voir à la page 8-16 du "Radar Handbook" de M SKOLNIK Mc Graw-Hill Book Company) C'est pourquoi l'objet de l'invention, qui est un déphaseur hyperfréquence digital visant a pallier les inconvénients précités, n'utilise comme éléments variables que des déphaseurs digitaux Selon une caractéristique de l'invention, le déphaseur hyper- fréquence digital à quatre états de phase, réalisé sur substrat- diélectrique et comportant deux moyens de déphasage O l est tel que ces deux moyens de déphasage mis en parallèle ont chacun leur voie d'entrée connectée en sortie d'un premier coupleur directif 3 d B et leur voie de sortie connectée en entrée d'un second coupleur directif 3 d B dont les voies de sortie sont reliées à un dispositif commutateur de voies L'invention vise également -une utilisation du déphaseur hyperfréquence à quatre états de phase dans une antenne à balayage électronique puisqu'il permet la commande rapide des phases de chaque source élémentaire d'une telle antenne. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la des- cription qui suit, illustrée par les figures représentant: les figures 1 et 20 le schéma de principe d'un déphaseur selon l'invention; la figure 3: un exemple particulier de réalisation d'un déphaseur selon l'invention; la figure 4: un autre exemple de réalisation d'un déphaseur selon l'invention, au moyen de transistors à effet de champ. Les éléments remplissant les mêmes fonctions en vue des mêmes résultats, dans les différentes figures, portent les mêmes références Avant de développer de façon détaillée quelques exemples de réalisation d'un déphaseur selon l'invention, nous allons décrire le schéma de principe de ce déphaseur et en expliquer le fonctionnement théorique. Le schéma de principe d'un tel déphaseur digital donnant les quatre états de phase o,1 i V/4, et 3 voies de sortie du coupleur directif ( 2). Les entrées et sorties pouvant être inversées du fait de la réciprocité, un tel dispositif permet ainsi la réalisation d'un dépha- seur à deux bits imbriqués dont la dispersion peut ne dépendre que de celle des coupleurs hybrides 3 d B, qui peuvent être réalisés à très large bande de fréquence. De façon théorique, considérons le schéma représenté par la figure 2, dans lequel on suppose que l'on applique une onde a 1 à l'entrée V 1 du dispositif et une onde a 2 à l'entrée V 2 On obtient sur les voies de sortie V 3 et V 4 respectivement les ondes a 3 et a 4 Le dispositif pouvant être réciproque, on suppose que l'on applique sur les voies V 3 et V 4 des ondes b 3 et b 4 qui donnent en sortie des voies V 1 et V 2 les ondes b et b 2 On sait que la matrice d'onde de l'ensemble constitué par les deux coupleurs 3 d B ( 1 et 2) et les deux uéphaseurs (O-0) et (O f) est donné par le produit des trois matrices suivantes, M 1, M 2 et M 3, M 1 et M 3 étant les matrices 'M et MYM d'ondes des coupleurs 3 d B qui introduisent chacun un déphasage de 1 Fl 2 entre les ondes émises par leurs deux voies de sortie: 1 o j o IM 1I o -j M 1 M 3 = -j o 1 o o -j o* 1 et M 2 étant la matrice d'onde de l'ensemble constitué par les deux déphaseurs introduisant respectivement les déphasages/6 eta : ej o o o jg M 2 = o ej o o o o e o o Oo o e-je? o o o e D'o on obtient 1 o 1 o e o o o '1 ' o1 o j O 1 o o o e J o j o 1 o o -J o Q o o o e o -j o 1 + soit (eje ej'?) o j(ej+ e J) o M = o e-jcp) o -j(e-j 5 + e i j(eb + e j') o (-e J b+ ej'p) o o -j(ej 5 + e-j) o ( e + e-j) ' et étant les déphasages provoqués respectivement par les circuits 3 et 4. Si l'on donne successivement aux déphasages O et Y les valeurs suivantes O ou-i' et que l'on regarde le déphasage des ondes sortant des voies V 3 et V 4 du dispositif selon l'invention par rapport à la voie V 1 on obtient, pour une onde a 1 appliquée en V 1 1) O = O P =-I l'onde sort en V 3 avec a 3 = a 1 2) O = , (f = 7 i l'onde sort en V 4 avec a 4 = j a 1 3) O = 11, 'P = O l'onde sort en V 3 avec a 3 = a 1 4) = 0, qp = O l'ondesorten V 4 aveca 4 =-a 1 On rernarque que,les déphaseurs 3 et 4 étant dans l'un quel- conque des quatre états ci-dessus envisagés, il n'y a pas d'energie en voie V 2 si les sorties V 3 et V 4 sont adaptées. Ainsi, suivant les valeurs de déphasage O ou 1/ commandées dans les circuits déphaseurs 3 et 4, le déphaseur objet de l'invention délivre bien quatre états de phase: OS voie V 3 et les étatsil/ et 3 i/2 etant obtenus sur la voie V 4. La figure 3 est un exemple particulier de réalisation de l:invention, pour laquelle les deux composants essentiels du dépha- seur à deux bits, c'est à dire les coupleurs directifs et les déphaseurs 0-' sont réalisés à très large bande Dans ce cas particulier, lés deux coupleurs hybrides 1 et 2 sont à structure plane interdigitée io O c'est à dire qu'ils sont réalisés à partir de rubans conducteurs 6 imbriqués alternativement les uns dans les autres sur une plaquette diélectrique et les deux déphaseurs 3 et 4 capables de donner une phase différentielle deil' sont à structure à inversion de champ, comme cela est décrit dans le brevet déposé par la Demanderesse so US le numéro 2 379 196 Ils comprennent au moins deux diodes 7 et 8 placées dans la zone de couplage d'une ligne à ruban 9 et d'une igne à fente 10, d'axes de propagation parallèles. Le commutateur de voies 5 est également réalisé en structure ('fmnpacte sur substrat diélectrique Il comporte quatre diodes 11,- 12,13 et 14, connectées deux par deux à chaque voie de sortie du _-cond coupleur directif 2 La polarisation de chacune de ces diodes est assurée par l'intermédiaire d'un circuit passe-bas composé d'une inductance L 1, L 2, L 3 ou L 4 et d'une capacité C 1, C 2, C 3 ou C 4. Ces circuits passe-bas permettent aux signaux continus de polari- sation de parvenir aux bornes de chaque diode sans être perturbés par des signaux hyperfréquences qui sont ainsi court-circuités par les capacités C 1 à C 4# Le fonctionnement d'un tel commutateur est le suivant Pour obtenir en sortie S du dispositif selon l'invention, l'un des quatre états de phase qui se présentent soit sur la voie V 3 soit la voie V 4 du coupleur directif 2, il faut que cette sortie S soit commutée soit sur V 3 soit sur V 4 Par exemple si on veut en sortie le déphasage-i du signal se présentant sur la voie V 3, on rend passante la diode 12 et on bloque les diodes 11 et 13 Par contre, la diode 14 est rendue passante pour envoyer le signal cie la voie V 4 sur une résistance de charge R 4 permettant d'adapter le commutateur au coupleur precédent Le raisonnement est le r=ême si on sélectionne le signal ce la voie V et que l'on envo:e la psissance de la voie V sur une 4 3 résestance de cznarge R 1. La polarisation des aif érentes diodes, qu'elles appartiennent aux déphaseurs 3 et 4 ou aux com mutateurs, est commandée pour o Dtenir les différents états de phase soonaités. L'avantage ce ce mode de réa isat;on est qu'un tel déphaseur i 5 est très compact, réalisé en s-ructure plane sur une plaquette de substrat de constante diélect-i;ue élevée. La figure 4 est un exemp 'e de réalisation d'un déphaseur selon l'invention réalise a partir de transistors à effet de champ F E T - sur une plaquette de substrat diélectrique. Les déphaseurs O I ( 3 et 4) sont constitués des mêmes éléments aussi seul le déphaseur 3 se a décrit. I 1 utilise trois transistcrs F E T, T, T 1 et T 2 montés en "source follower" c'est à dire que s I un signal entre par la grille du tra E sistor, il sort par la source, un signal ayant un gain de 1 et en 3 D phase avec le signal d'entrée. Ce déphaseur 3 comporte un premier transistor T dont le montage permet d'ootenir deux signaux dont le déphasage dif- férentiel est et deux autres transistors T et T 2 dont le montage permet de commuter l'un ou l'autre ce ces deux signaux Tout d'abord, le transis; or T reçoi: un sigrnl par la grille, provenant d'une des voies de sortie du coupleur directif 1 Par sa source fermée sur une cnarge 15, il sort un signal S 2 de'gain 1 et de mêrrme déphasage que le signal d'entrée tandis que par son drain, relié a une tension + V par une résistance 16, sort un signal s I decale delpar rapport au 3,3 sg:a: d'entrée. Ces deux signaux s I et S 2 traversent chacun une capacité 17 et z 18 ce découplage avant d'attelndre une ces deux grilles des tran- sistors T 1 et T 2 C-hacun de ces trans s:ors est rendu passant par une tenso an commandée V ' ap L _;e su r l'autre grille Ainsi, suivant le signal S 51 ou S 2 que l'on désire avoir en sortie du déphaseur 3, le transistor Tl ou T 2 est rendu passant en même temps que l'autre transistor T 2 ou T 1, est bloqué Lorsque, par exemple, Tl est passant, le signal S sort par sa source qui est reliée à la sortie du déphaseur 3 et, T 1 étant bloqué, le signal 52 passe à travers une charge 19 qui dissipe l'énergie, le transistor à effet de champ ayant une impédance d'entrée élevée La grille des transistors amenant les signaux de commande ne dissipant aucune énergie, on la ferme à la masse par une résistance 20. Pour une meilleure adaptation de l'entrée de ce déphaseur au coupleur hybride 1 qui le précède et de sa sortie au coupleur 2 qui le suit, la grille du transistor T est fermée par une résistance RT égale à l'impédance de sortie du coupleur 1 et la sortie du déphaseur est fermée par une impédance R 12 égale à l'impédance d'entrée du coupleur 2. Ensuite, la sortie de chaque déphaseur O -e ( 3 et 4) est connectée au second coupleur 3 d B ( 2) réalisé ici avec des rubans conducteurs 6 imbriqués et déposés sur la plaquette diélectrique. Les deux voies de sortie V 3 et V 4 de ce coupleur aboutissent chacune, par l'intermédiaire de capacités de découplage 21, à un transistor à effet de champ (T 3 et T 4) montés en "source follower" pour réaliser le commutateur de voies 5 Ces deux transistors étant montés de façon identique, seul le fonctionnement du transistor T 3 sera expliqué. Si on veut par exemple que le signal sur la voie V 3 soit transrfils par la sortie S du déphaseur, objet de l'invention on rend passant le transistor T 3 alimenté par une tension V" au moyen du circuit de commande 22, par l'intermédiaire d'une des deux grilles du transistor Cette grille ne dissipant pas d'énergie, on la relie à la -30 masse par une résistance 23 Ainsi le signal passe par l'autre grille du transistor et c'est par sa source qu'il est transmis sans déphasage. Simultanément, le transistor T 4 est bloqué par les moyens de commande 22 et le signal issu de la voie V 4 est envoyé sur une résistance 24, car les transistors F E T ont une impédance d'entrée élevée. Un avantage très important de ce mnode de réalisation à J'aide de transistors à effet de champ est qu'un tel circuit présente un taux d'intégration élevé sur un sustrat diélectrique tel que l'Arseniure de Gallium. Une application particulièrement intéressante d'un tel dépha- seur à deux bits 'êst la commande rapide des phases des sources élémentaires constituant le réseau d'une antenne à balayage élec- tronique, étant donné la faible variation du déphasage de l'atté- nuation et du taux d'ondes stationnaires qu'il présente dans une très large bande oe fréquences de fonctionnement. Q REVENDICA Ti ONS 1 Déphaseur hyperfréquence digital à quatre états de phase, réalisé sur substrat diélectrique et cour portant deux moyens de déphasage O 1 caractérisé en ce que ces deux moyens de déphasage ( 3 et 4) mis en parallèle ont chacun leur voie d'entrée connectée en sortie d'un premier coupleur directif 3 d B ( 1) et leur voie de sortie connectée en entrée d'un second coupleur directif 3 d B ( 2) dont les voies de sortie sont reliées à un dispositif commutateur de voies ( 5). 2 Déphaseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les coupleurs directifs ( 1 et 2), les moyens de déphasage ( 3 et 4) et le dispositif de commutation de voies ( 5) sont réalisés en structure plane sur une plaquette de matériau diélectrique. 3 Déphaseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de déphasage O -'i T ( 3 et 4) sont des déphaseurs à inversion de champs, comprenant au moins deux diodes ( 7 et 8) placées dans la zone de couplage d'une ligne à ruban ( 9) et d'une ligne à fentes (O 10), d'axes de propagation parallèles. 4 Déphaseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les coupleurs directifs 3 d B ( 1 et 2) sont à structure plane inter- digitée, réalisés à partir de rubans conducteurs 6 imbriqués alter- nativement les uns dans les autres sur une plaquette diélectrique. Déphaseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif commutateur de voies ( 5) est constitué de deux paires de diodes ( 11-12) et ( 13-14) associées chacune à un dispositif de polarisation, une diode ( 12 et 13) de chaque paire étant connectée d'une part à une des voies de sortie V 3 et V 4 respectivement du coupleur directif ( 2) et d'autre part à la sortie (S) du dephaseur à quatre états de phase, et l'autre diode ( 11 et 14) de chaque paire étant connectée à une résistance de charge (R 1 et R 4) respec- tivement. 6 Déphaseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de déphasage O I ( 3 et 4) sont réalisé chacun à l'aide de trois transistors à effet de champ (T, T 1, T 2), le transistor (T) recevant le signal issu d'une des sorties du coupleur directif ( 1) et délivrant un premier signal (s 1) en phase avec ce dernier et un autre (s 2) décalé de "' et les deux autres transistors (T 1 et T 2) disposés de manière à commuter vers la voie ee sortie de chaque moyen de déphasage ( 3 et 4) l'un ou l'autre de ces signaux (s I ou S 2)0 7 Déphaseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le commutateur de sortie ( 5) est réalisé à l'aide de deux transistors à effet de champ (T 3 et T 4) reliés d'une part respectivement aux voies de sorties (V 3 et V 4) du coupleur directif ( 2) et d'autre part à la voie de sortie S du déphaseur à quatre états de phase. 8 Utilisation d'un déphaseur selon l'une des revendications 1 à 7, pour commander une source élémentaire d'un réseau constituant une antenne à balayage électronique.