Brevet FR2527846A1 — publié le 19831202

COUPLEUR DIRECTIONNEL HYPERFREQUENCE A QUATRE LIGNES DE TRANSMIS- SION ET CIRCUIT REPARTITEUR DE PUISSANCE PASSIF REALISE DE FACON SIMILAIRE La présente invention concerne un coupleur directionnel hyperfréquence à quatre lignes de transmission, ainsi qu'un circuit répartiteur de puissance passif réalisé de façon similaire. Un circuit répartiteur de puissance à quatre lignes de transmission, passif, réciproque et sans pertes, constitue en outre un coupleur directionnel si chacun des accès aux lignes de trans- mission est adapté Dans l'article "A directional coupler with very flat coupling", paru dans la revue IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol MTT-26, N 02, février 1978, p 70-74, G P Riblet propose pour l'adaptation d'un coupleur en lignes triplaques un ensemble de quatre tronçons quart d'onde court-circuités ou de quatre tronçons demi- onde en circuit ouvert, situés à un quart de longueur d'onde des entrées du coupleur (tronçons X/4: voir la figure 3 du document cité; tronçons À /2 voir la figure 4 de ce mâme document o ces éléments sont en outre repliés pour rendre le coupleur plus compact; on peut se reporter également aux figures 3 et 5 du brevet anglais no 1 582 285 déposé par G P Riblet) Dans tous les cas, on notera cependant qu'il s'agit d'une adaptation réalisée à l'extérieur du coupleur. Dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique no 4 127 832 déposé le 28 mars 1977 et délivré le 28 novembre 1978 (voir les figures 3 et 5), ainsi que dans l'article "An eigenadmittance condition applicable to symmetrical four-ports circulators and hybrids" paru dans la revue IEEE Transactions on Microwave Theory and techniques, vol MTT-26, N 04, avril 1978, p 275279 (voir la figure 2), G P Riblet propose également pour l'adaptation d'un coupleur hybride en lignes triplaques un ensemble de quatre sec- teurs métalliques capacitifs distincts et indépendants placés cette fois à l'intérieur du coupleur en étant raccordés respectivement aux quatre points d'accès des lignes de transmission Ce coupleur relativement compact n'est cependant réellement adapté qu'à une seule fréquence (voir la courbe représentée sur la figure 3 de l'article cité). Un but de l'invention est de proposer un coupleur direc- tionnel à la fois compact et adapté sur une bande de fréquences supérieure à ce qui est obtenu avec les réalisations antérieures. L'invention concerne à cet effet un coupleur de structure telle qu'il comprend, pour la liaison deux à deux des lignes de transmission opposées, deux tronçons de ligne de transmission perpendiculaires, de largeur inférieure à celle des lignes de transmission et reliés électriquement dans leur zone centrale, et, superposé de façon symétrique à ces deux tronçons de ligne pour réaliser avec eux un couplage capacitif en quatre zones, un anneau résonnant de largeur sensiblement égale à celle des lignes de transmission et de circonférence telle que la fréquence de résonance soit située juste au-dessous de la bande passante du coupleur. L'avantage de cette structure est que l'anneau résonnant est adapté sur environ une octave individuellement avec chacun des deux tronçons de ligne, conformément au principe d'adaptation par dualité décrit de façon très générale par F C de Ronde dans la com- munication invitée "Full-band matching of waveguide discontinuities' faite au MTT-Symposium tenu à Palo Alto, Etats-Unis en 1966. Un autre but de l'invention est de proposer un circuit répartiteur de puissance passif réalisé de façon similaire, avec une structure également conforme à l'invention, et qui, à cet effet, comprend N tronçons de ligne de transmission de largeur inférieure à celle des lignes de transmission et disposés de façon radiale entre l'extrémité de ces lignes et la zone centrale commune à ces tronçons, ainsi qu'un anneau de largeur sensiblement égale à celle des lignes de transmission et raccordé aux tronçons de ligne dans des zones situées au voisinage de l'extrémité de ceux-ci, de manière à les entourer de façon symétrique. Un circuit répartiteur de puissance adoptant cette structure avec N = 5 a été réalisé notamment pour la bande de fréquence comprise entre 4 et 8 gigahertz (avec les dimensions suivantes dans une réalisation sur substrat de quartz d'épaisseur 1,5 mm: largeur des lignes = 3 mi, largeur de l'anneau = 2 mm, lar- geur des 5 tronçons de lignes = 0,5 mm, diamètre extérieur de l'an- neau 17 mm environ) et, sur une octave, on a pu observer que les réflexions au niveau de chaque accès restaient très faibles et que le déséquilibre des puissances était au plus égal à 0,5 d B. Les particularités et avantages de l'invention seront maintenant précisés dans la description qui suit et dans les fi- gures 1 à 4 annexées qui montrent, à titre d'exemples non limi- tatifs, quatre modes de réalisation distincts de la présente in- vention. Le coupleur directionnel décrit en référence aux figures 1 et 2 dans deux modes de réalisation en lignes triplaques comprend d'une part deux tronçons de lignes de transmission 10 b et 20 b pour la liaison deux à deux des lignes de transmission opposées 10 a, 10 c et 20 a, 20 c Pour une largeur déterminée des lignes de transmis- sion, ces deux tronçons qui sont perpendiculaires ont une largeur inférieure à celle des lignes de façon à constituer deux tronçons de plus haute impédance, et sont par ailleurs reliés entre eux dans leur zone centrale 40. Le coupleur comprend d'autre part un anneau résonnant , de largeur sensiblement égale (ou inférieure) à celle des li- gnes de transmission et superposé de façon symétrique aux deux tronçons de ligne 10 b et 20 b (sans liaison électrique avec eux) pour réaliser avec ceux-ci un couplage capacitif dans les quatre zones lia, 21 a, 11 b, 21 b o l'anneau et les deux tronçons de ligne sont en regard La circonférence de cet anneau est choisie de façon telle que sa fréquence de résonance se trouve juste au-dessous de la bande passante du coupleur. La structure ainsi adaptée en utilisant le principe de dualité mentionné plus haut est complètement symétrique, en ce sens que, malgré la présence de la zone de liaison électrique 40, il n'y a pas de couplage entre les éléments 10 a, 10 b, 10 c situés sur un axe et les éléments 20 a, 20 b, 20 c situés sur l'autre axe perpendicu- laire, et ce sur environ une octave puisque les tronçons de ligne b, 20 b et l'anneau 30 ont des comportements inductif et capacitif qui se compensent de façon très satisfaisante sur une telle bande de fréquences. Dans le mode de réalisation de la figure 1, les tronçons de ligne 10 b et 20 b sont rectilignes et l'anneau 30 est circulaire. Dans le mode de réalisation de la figure 2, une optimisation de l'adaptation a été obtenue en augmentant la longueur des tronçons de ligne 10 b et 20 b d'environ 10 % et en réduisant au contraire la longueur, ou circonférence, de l'anneau 30: les tronçons de ligne sont maintenant curvilignes, tout en restant perpendiculaires dans leur zone centrale, et une forme carrée est adoptée pour l'anneau , par remplacement des quatre arcs de cercle composant cet anneau par les cordes qui les sous-tendent ion peut aussi n'adopter que l'une de ces deux dispositions). Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation précédents, à partir desquels des variantes peuvent être proposées sans pour cela sortir du cadre de l'invention Par exemple, lorsqu'on veut une structure non plus en lignes triplaques mais en microruban, le couplage entre l'anneau et les tronçons de ligne doit être galvanique, ce qui conduit à une disposition telle que celle de la figure 3, dans laquelle la liaison est maintenant électrique entre l'anneau 30 et les tronçons de ligne b et 20 b, les quatre zones lia, 21 a, 1 lb, 21 b étant maintenant communes à cet anneau et ces tronçons de ligne; cette modification se produit au prix d'une légère réduction de bande passante On peut aussi donner aux tronçons de ligne une largeur variable, croissante ou décroissante d'une extrémité à l'autre, à des fins de transformation d'impédance. Par ailleurs, une réalisation similaire à celle du coupleur hyperfréquence qui a été décrit peut être obtenue dans un circuit répartiteur de puissance passif, ici à cinq lignes de transmission 50 a à 50 e Comme le montre la figure 4, ces lignes, de largeur déterminée, sont réparties symétriquement et cinq tronçons de lignes de transmission 60 a à 60 e, de largeur inférieure à celle des lignes pour constituer des tronçons d'impédance supérieure à celle des lignes, sont disposés de façon radiale entre l'extrémité des lignes et la zone centrale 80 de raccordement commune à ces tronçons Un anneau 130 de largeur sensiblement égale ou un peu inférieure à celle des lignes de transmission est raccordé au voisinage de leur extrémité aux tronçons de ligne 60 a à 60 e dans les zones 70 a à 70 e, de manière à entourer ces tronçons de façon symétrique (l'anneau pourrait aussi être simplement à couplage capacitif). On notera aussi que l'adaptation réalisée conformément à l'invention dans les exemples de coupleurs décrits précédemment peut être mise en oeuvre dans d'autres types de coupleurs, et notamment dans les coupleurs à transformation d'impédance tels que celui décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique no 4 305 043 délivré le 8 décembre 1981 au nom de la société cessionnaire Ford Aerospace and Communications Corporation (voir la figure 6 de ce document), ou bien dans les chaînes de coupleurstransformateurs décrites dans l'article de L F Lind paru dans la revue IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol MTT-17, N 1, janvier 1969, p 45-48. L'invention n'est pas limitée non plus par les aspects technologiques de sa réalisation On a en effet donné des exemples précis de réalisation en lignes triplaques ou en microruban, mais l'invention est également applicable dans le cas de structures dites coplanaires, ou dans le cas de structures de transmission périodiques pour circuits hyperfréquences monolithiques, telles que celle décrite dans le brevet anglais N O 2 056 783, ou encore dans le cas de structures réalisées en éléments localisés. REVENDICATIONS 1 Coupleur directionnel hyperfréquence à quatre lignes de transmission, caractérisé en ce qu'il comprend, pour la liaison deux à deux des lignes de transmission opposées, deux tronçons de ligne de transmission perpendiculaires, de largeur inférieure à celle des lignes de transmission et reliés électriquement dans leur zone centrale et, superposé de façon symétrique à ces deux tronçons de ligne pour réaliser avec eux un couplage capacitif en quatre zones un anneau résonnant de largeur sensiblement égale à celle des lignes de transmission et de circonférence telle que la fréquence de réso- nance soit située juste au-dessous de la bande passante du coupleur. 2 Coupleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tronçons de ligne sont rectilignes et en ce que l'anneau réson- nant est circulaire. 3 Coupleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tronçons de ligne sont curvi 1 gnes tout en restant perpendicu- laires dans leur zone centrale de liaison électrique, et en ce que, entre les quatre zones o l'anneau résonnant est en regard des tron- çons de ligne, les arcs de cercle de cet anneau sont remplacés par les cordes qui les sous-tendent, de façon que l'anneau soit mainte- nant de forme carrée. 4 Coupleur selon l'une des revendications 2 et 3, caracté- risé en ce que la liaison est électrique entre chacune desdites qua- tre zones et chacune des quatre zones correspondantes des tronçons de ligne. Coupleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la largeur des tronçons de ligne est croissante, ou décroissante, d'une extrémité à l'autre. 6 Application du coupleur selon l'une des revendications 4 et 5 à la réalisation d'un circuit répartiteur de puissance passif à n lignes de transmission de largeur déterminée, ce circuit étant caractérisé en ce qu'il comprend N tronçons de ligne de transmission de largeur inférieur à celle des lignes de transmission et disposés de façon radiale entre l'extrémité de ces lignes et la zone centrale commune à ces tronçons, ainsi qu'un anneau de largeur sensiblement égale à celle des lignes de transmission et raccordé aux tronçons de ligne dans des zones situées au voisinage de l'ex- trémité de ceux-ci, de manière à les entourer de façon symétrique. 7 Application du coupleur selon l'une des revendications 4 et 5 à la réalisation d'un circuit répartiteur de puissance passif à n lignes de transmission de largeur déterminée, ce circuit étant ca- ractérisé en ce qu'il comprend N tronçons de ligne de transmission de largeur inférieure à celle des lignes de transmission et disposés de façon radiale entre l'extrémité de ces lignes et la zone centrale commune à ces tronçons, ainsi qu'un anneau de largeur sensiblement égale à celle des lignes de transmission et couplé de façon capaci- tive aux tronçons de ligne dans des zones situées au voisinage de l'extrémité de ceux-ci.