Brevet FR2525834A1 — publié le 19831028

AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE A HAUTE FREQUENCE A PUISSANCE DE SORTIE COMMUTABLE RIDEMENT PAR PALIERS La présente invention concerne un amplificateur de puissance haute fréquence à puissance de sortie commutable rapidement par paliers.Par commutation rapide on entend une commutation faite dans un temps de l'ordre de la microseconde. Un tel amplificateur est avantageusement à transistors qui ont remplacé les tubes à vide utilisés dans les anciennes réalisations, au fur et à mesure qu'apparaissaient de nouveaux transistors de puissdnce plus performants et plus fiables. La figure 1 représente schématiquement un amplificateur de puissance haute fréquence. Il comporte essentiellement un groupement en parallèle d'un certain nombre de voies d'amplification identiques el à en à partir d'un diviseur de puissance 1, chacune ne délivrant qu'unè fraction de la puissance totale et un circuit sommateur 2 effectuant l'addition des puissances délivrées par les différentes voies. Chacune de ces voies comprend un certain nombre d'amplificateurs élémentaires (al à ai) connectés en série. Les transistors utilisés dans un tel amplificateur fonctionnent en classe C et présentent de ce fait des puissances d'entrée et de sortie optimales dont il n'est pas recommandé de s'éloigner si l'on ne veut pas compromettre le bon fonctionnement des circuits. En particulier, il ntest pas possible, comme dans les amplificateurs à plus faible puissance fonctionnant en classe A (linéaire), d'abaisser de manière significative par exemple la puissance de sortie d'un étage en abaissant simplement la puissance injectée à son entrée. Il n'est pas non plus souhaitable pour diminuer la puissance de sortie globale de supprimer le signal à l'entrée des voies d'amplification en agissant sur l'alimentation des voies, c'est à dire en supprimant l'alimentation d'un ou plusieurs étages desdites voies. En effet, la découpe effectuée sur les alimentations nécessite une circuiterie cornplexe et coûteuse et l'i npédance d'entrée des voies varierait de façon trop importante et nocive. Il est pourtant intéressant de pouvoir abaisser très rapidement la puissance de sortie dans certains cas. Ce besoin existe en particulier dans les interrogateurs radars secondaires dans lesquels la portée dépendant de la puissance émise , le nombre d'aéronefs susceptibles de répondre à l'interrogation dépend également de cette puissance. Four des raisons opérationnelles, il peut être alors très intéressant de pouvoir réduire la portée dans certaines directions afin de diminuer ie nombre des aéronefs interrogés. Commuter la sortie d'un amplificateur de puissance haute fréquence, rapidement entre deux ou plusieurs valeurs discrètes et principalement abaisser cette puissance de sortie,pourrait être résolu par l'insertion d'un atténuateur programmable en sortie de l'amplificateur. La commutation est rapide mais outre la difficulté de réalisation d'un tel atténuateur travaillant à un haut niveau de puissance, son insertion dans l'amplificateur entraîne des pertes de puissance qu'il faut compenser généralement par une augmentation de la puissance de sortie de l'amplificateur.Insérer un tel atténuateur plus en amont dans l'amplificateur ou des atténuateurs dans les différentes voies d'amplification n'apparait pas une bonne solution puisque, comme cela a été dit, les amplificateurs utilisés fonctionnant en classe C, il n'est pas possible de modifier, plus particulièrement de diminuer de façon significative leur puissance de sortie en abaissant la puissance à leur entrée, tout en conservant un fonctionnement correct et stable. L'invention a pour objet de pouvoir commuter rapidement entre deux ou plusieurs valeurs discrètes la puissance de sortie d'un amplificateur haute fréquence de puissance sans subir les inconvénients de la solution qui a été rappelée ci-dessus. Suivant l'invention, un amplificateur de puissance haute fréquence à puissance de sortie commutable rapidement par paliers comprenant un diviseur de puissance alimentant une pluralité de voies d'amplification et un circuit de sornmation est caractérisé en ce qu'il comprend, insérés dans les voies d'amplification, des commutateurs rapides dont la commande d'état détermine la répartition d'une manière déterminée de la puissance d'entrée de l'amplificateur dans les voies d'amplification et à leur sortie. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront dans la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à l'aide de figures qui représentent outre la figure 1 déjà décrite. - la figure 2 : un amplificateur de puissance conforme à l'invention - la figure 3 : un amplificateur conforme à l'invention à 2 voies avec des coupleurs 3 dB; - la figure 4 : une variante de réalisation de la figure 3 - la figure 5 : un groupement d'entrée de coupleurs 1/3, 2/3 utilisables dans un amplificateur suivant l'invention; - la figure 6 : un groupement de sortie de coupleurs 1/3, 2/3; - a figura 7 : un amplificateur de puissance suivant l'invention comportant des coupleurs 3dB et des coupleurs 113, 2/3; - la figure 8 : un diagramme schématique d'un radar secondaire utilisant l'amplificateur de la figure 7; -la figure 9 : un diagramme de puissance-portée du radar secondaire; et -la figure 10 : un diagramme temps -puissance du radar secondaire. Ainsi que cela a été indiqué dans l'introduction à la présente demande, la commutation rapide de la puissance de sortie d'un amplificateur haute fréquence de puissance par paliers ou entre deux ou plusieurs valeurs discrètes est effectuée par la commande appropriée de commutateurs rapides insérés dans les voies amplificatrices de l'amplificateur. Les commutateurs rapides sont de type, par exemple à diodes PIN. Pour augmenter les possibilités de répartition de la puissance de sortie, entre plusieurs valeurs discrètes,on combine avec les commutateurs des répartiteurs de puissance de différents types. La figure 2 présente un amplificateur de puissance haute fréquence dans lequel, suivant l'invention,des commutateurs rapides ont été insérés dans les voies d'amplification. Ces commutateurs Cl Cn sont introduits dans les différentes voies el, en. Ils présentent une entrée et deux sorties, Punie d'entre elles pouvant être fermée sur une charge Ch 1 - Ch n,lorsque le diviseur d'entrée n'est pas du type équilibré. Par diviseur équilibré on entend un diviseur dont toutes les entrées et sorties sont adaptées. Lorsque tous les commutateurs C1 à Cn sont à l'état passant, le fonctionnement de l'amplificateur n'est pas différent de celui du schéma de la figure 1, c'est à dire que toutes les voies amplificatrices el à en délivrent des signaux semblables et -l'on recueille en sortie du sommateur 2 la puissance rnaximale correspondant, aux pertes d'insertion du sommateur près, à la somme des puissances délivrées par chacune des voies amplificatrices. Cependant, si l'on met un ou plusieurs des commutateurs C1 à Cn à l'état atténué, on peut faire passer la puissance de sortie à une valeur plus faible et le nornbre de paliers ainsi que l'atténuation obtenue sur chacun d'eux par rapport à la puissance maximale dépend de la configuration choisie. La figure 3 représente un amplificateur conforme à l'invention comprenant 2 voies d'amplification. Il comprend, connecté à son entrée E un coupleur 3dB utilisé comme diviseur de puissance 1 et un commutateur C1, C2 respectivement dans chacune des voies amplificatrice el, e2 un amplificateur al - bl et un isolateur 31 32 Le dispositif de sommation 2 est également un coupleur 3 dB dont les sorties sont celles de l'amplificateur haute fréquence considéré. Au point de vue du fonctionnement, le signal d'entrée est appliqué à l'entrée E du coupleur 3 dB, repèré 1 ; ce coupleur répartit sur chacune de ses deux sorties, sensiblement la moitié de la puissance injectée à son entrée. Le nombre des voies d'amplification utilisées étant de deux dans l'exemple choisi, chacune étant connectée par son entrée à l'une des sorties du coupleur 3 dB repèré 1 à travers un commutateur à diodes par exemple C1, C2, la puissance issue du coup leur 3dB repèré 1 est donc par l'intermédiaire de ce commutateur à diodes, injectée soit sur une charge Chl, Ch2, soit à l'entrée de la voie amplificatrice correspondante cl, e2. Les sorties de ces deux voies amplificatrices sont raccordées aux deux entrées d'un deuxième coupleurs 3dB, repèré 2 utilisé en sominateur. Les isolateurs 31-1 servent à conserver dans tous les cas une adaptation correcte des deux accès correspondants du sommateur. Les longueurs électriques mises en jeu sont telles, que lorsque les deux commutateurs Cl et C2 sont à l'état passant, les deux voies amplifîcatrices sont alimentées en signal haute fréquence et les signaux de sortie issus des deux voies se retrouvent en phase sur la sortie 4 du sommateur et en opposition de phase sur la sortie 5. Les deux voies el et e2 considérées étant identiques, on recueille une puissance quasi nulle sur la sortie 5 alors que sur la sortie 4 on recueille sensiblement la somme des puissances délivrées par les deux voies, soit encore sensiblement deux fois la puissance délivrée par une voie. Lorsque par contre, suivant la commande des commutateurs, une seule des deux voies el ou e2 est alimentée en signal haute fréquence, elle seule injecte de la puissance à l'entrée du sommateur 2 et cette puissance se répartit sensiblement de manière égale entre les sorties 4 et 5 du coupleur 2, la moitié sortant en 5 étant dissipée dans une charge Chs et la moitié sortant en 4 étant disponible pour l'utilisation.On constate donc à l'aide de l'exemple de la figure 3 que l'on peut, en commandant de façon appropriée les commutateurs C1 et C2 , recueillir en sortie soit la pleine puissance, si les deux commutateurs sont passants, soit sensiblement le quart de la pleine puissance, si l'un des deux commutateurs est non passant, soit éventuellement également une puissance quasi nulle si les deux commutateurs sont non passants.La figure 4 représente une variante de l'amplificateur de la figure 3 dans lequel on considère deux voies amplificatrices doubles el - elO - e2 - e20. Cet amplificateur comporte connecté à son entrée E un coupleur 3 dB, 1 jouant le rôle d'un répartiteur de puissance. Chacune des sorties de ce coupleur est connectée à un autre coupleur 3dB, 100 et 200 respectivement.Au coupleur 100 sont connectées deux voies amplificatrices el et elO dans chacune desquelles, suivant l'invention, est inséré un commututeur C1 - Calo. Les amplificateurs élémentaires ai à ai et a10 à aio sont également représentés. Chacune de ces voies el, elO est connectée à un coupleur 3 dB de sortie, 1O1 dont la sortie est connectée au sommateur, en l'occurrence un coupleur 3 dB également. Un mêrne schéma se retrouve pour la seconde sortie du circuit 1. Celle-ci est connectée à un coupleur 3dB, 200 auquel sont connectées 2 voies amplificatrices e2 et e20 chacune d'elles compor tant suivant l'invention un connecteur rapide C2 - C20 et des amplificateurs élémentaires bl à bi et blO à bio.Ces deux voies se regroupent dans un coupleur 3dB, 201, dont la sortie est connectée au sommateur 2. Par rapport à la réalisation de la figure 3, cette variante présente l'avantage que les commutateurs à diodes Cl - C10 - C2 C20 sont de réalisation plus simple que ceux de la figure 3. De fait lorsque ces commutateurs sont coupés, il n'est pas nécessaire qu'ils aiguillent la puissance sur une charge pour conserver l'adaptation du sommateur. Toutefois, ceci implique que les commutateurs soient commandés par paires. Ainsi Cl ClO étant passants tous les deux, si C2, C2O le sont également, on obtient à la sortie de l'amplificateur la pleine puissance. Si C1 et C10 sont tous deux dans leur état atténué et C2 -C20 passants, on obtiendra à la sortie sensiblement le quart de la pleine puissance. Si Cl - C10, C2- C20 sont tous 4 dans leur état atténué, I'amplificateur délivre une puissance quasi nulle.On remarquera dans ce montage l'absence d'isolateurs dans les voies amplificatrices, ceux-ci en effet ne sont plus nécessaires car l'impédance vue du coupleur 101 par exemple ne dépend plus de l'état des couples de commutateurs. Pour avoir une possibilité de repartir de façon plus fine les différents paliers de puissance mis à la disposition de I'utilisateur, on peut utiliser un répartiteur d'entrée un peu plus complexe que celui décrit à l'appui de la figure 3. A titre d'exemple, non limitatif, la figure 5 représente un groupement d'entrée de coupleurs 1/3 2/3 utilisables dans l'amplificateur de puissance haute fréquence conforme à l'invention. Un coupleur "1/3 - 2/3" est un circuit passif à quatre accès, analogue à un coupleur 3 dB, mais qui répartit la puissance incidente vers ses deux sorties de façon différente sensiblement 1/3 pour l'une et 2/3 pour l'autre. La mise en cascade de trois coupleurs 6,7,8 "1/3 - 2/3" selon le shéma de la figure 4 est équivalente à un coup]eur à une entrée 9 et quatre sorties 10, 11, 12, 13 qui répartissent le signal d'entrée suivant sensiblement les lois d'amplitude et de phase suivantes : à l'entrée 9 un signal d'amplitude 1 et de phase O donnant à l'entrée du coupleur 7 un signal d'amplitude et de phase et à l'entrée du 2 coupleur 8, un signal d'amplitude et de phase - 71 .Sur les sorties 10, 11, 12, et 13 on recueille respectivement les signaux d'amplitude et de phase Si1/2 --- , d'amplitude et de phase, , d'amplitude etdephase 'X--- d'amplitude et de phase ,'il- ir Ces signaux sont appliqués aux voies de l'amplificateur de puissance haute fréquence soit directement soit à travers d'autres coupleurs. Lorsque l'on utilise un groupement de commutateurs particulier du type de celui de la figure 5, il est nécessaire de prévoir en sortie un groupement semblable utilisé en sommateur. La figure 6 représente un tel groupement de coupleurs 1/3-2/3 fonctionnant en sommateur, et à la sortie duquel on recueille une combinaison linéaire des signaux présents à ses quatre entrées. Les coupleurs 70 et 80 sont les coupleurs d'entrée, le coupleur 60 est le coupleur de sortie. Si les amplitudes et les phases des signaux appliqués aux entrées 100, 110, 120 et 130 sont respectivement A1 = 2 , - ; A 2 = P2, 3 = A 3 = 02, -7 > et A 4 = 1, O, le signal en sortie 90 du coupleur 60 a la forme Ainsi les amplitudes et les pnases re!atlves (les quatre signaux d'entrée étant celles indiquées ci-dessus, la puissance obtenue en sortie est sensiblement la somme des puissances des signaux d'entrée. La figure 7 représente un amplificateur suivant l'invention, comportant en entrée et en sortie des coupleurs distribués comme montré figures 5 et 6. En jouant sur l'état des commutateurs introduits conformément à l'invention dans les voies d'amplification, on peut faire varier la puissance de sortie entre plusieurs valeurs discrètes. Cette figure 7 représente donc un exemple de réalisation d'un amplificateur de puissance haute fréquence à puissance de sortie commutable rapidement entre plusieurs valeurs discrètes. L'entrée de l'amplificateur E est connectée àun premier ensemble de coupleurs dits 1/3 - 2/3 tel que décrit figure 5 puis à un ensemble de coupleurs 3dB 14 15,16,17, 18. Ces deux ensembles constituent le diviseur de puissance 1 mentionné figure 1. Les sorties de ce diviseur alimentent les voies amplificatrices el à e9 de l'amplificateur de puissance haute fréquence, objet de l'invention. Neuf voies amplificatrices sont indiquées mais ce nombre n'est pas limitatif ni dans un sens ni dans l'autre, c'est à dire qu'il peut-être supérieur ou inférieur à ce qui est figuré. Dans chacune des voies est inséré un commutateur C1 à C9 avec sa commande, non figurée sur le dessin, qui détermine suivant ce que l'on désire, l'état passant ou non passant des commutateurs . Les voies amplificatrices comprennent chacune , à titre d'exemple non limitatif également, un amplificateur élémentaire al à kl suivi d'un isolateur 31 à 39.Les sorties des voies amplificatrices sont connectées à un troisième ensemble de coupleurs 19,20, 21,22,23 dits à 3dB, suivi d'un quatrième ensemble de coupleurs, ceux-ci dits à 1/3 - 2/3, disposés comme indiqué figure 6. La sortie 90 de ce quatrième ensemble constitue la sortie S de l'amplificateur de puissance haute fréquence, objet de l'invention. Tenant compte des explications données avec la description des figures précédentes on constate qu'en jouant sur la commande des commutateurs Cl à C9, c'est à dire en les mettant dans leur état passant ou non passant, on peut obtenir sur la sortie S du dispositif de la figure 7 toutes les valeurs de puissance correspondant à toutes les combinaisons possibles des états des commutateurs. On constate par rapport aux résultats obtenus avec les cxemples précédents que dans le cas de la Figure 7 le nornbre des paliers d'atténuation est plus grand et que leurs valeurs sont plus rapprochées, ce qui donne plus de souplesse au point de vue de l'utilisation du dispositif. Il faut noter que les exemple donnés ne sont pas limitatifs et que, suivant ce que l'on désire, d'autres combinaisons de coupleurs et de commutateurs peuvent être établies. On notera également qu'en fait, l'invention permet d'effectuer une modulation de puissance rapide, la vitesse de commutation n'étant limitée que par les temps de réponse des commutateurs et des amplificateurs élémentaires des voies amplificatrices. Cette commutation du signal peut se faire à bas niveau de puissance et elle ne requiert pas l'insertion, derrière la sortie forte puissance, d'un circuit supplémentaire de modulation de puissance, dont l'insertion cause, même lorsqu'il est dans l'état d'atténuation minimale, une perte de puissance pénalisante pour l'utilisateur. Le champ d'application de l'invention est vaste et s'étend entre autres au domaine du radar secondaire où la modulation de puissance à l'émission permet de faire varier la portée de l'interrogateur au sol en fonction de l'azimut par exemple . Ceci peut-être extrêmement intéressant entre autre pour combattre les reflexions parasites qui peuvent exister dans certaines directions dues à des obstacles naturels ou artificiels. La figure 8 représente schématiquement un interrogateur radar secondaire dans lequel on a introduit un amplificateur conformément à l'invention ayant donc une puissance de sortie commutable rapidement . On y trouve à partir de l'antenne 40 un séparateur émission réception 41 connecté à un récepteur 42 et à un émetteur 43.Cet émetteur comporte un pilote 44, un modulateur 45 et en 46 un amplificateur de puissance haute fréquence à puissance de sortie commutable, suivant l'invention. Cet amplificateur permet d'adapter la puissance de l'émetteur aux distances où se trouvent les aéronefs. La figure 9 représente une sorte de carte de la puissance rayonnée par l'émetteur du radar secondaire suivant certaines directions. Par exemple dans un angleDtautour de l'axe OX, on peut émettre à pleine puissance, la portée de l'interrogation étant maximale, tandis que dans l'angleg, la puissance est réduite et dans les angles get S, ,elle est encore plus réduite. Ainsi dans les radars secondaires soit connus, soit également dans les nouveaux systèmes à adressage sélectif, la position des aéronefs étant connue à l'avance, la modulation de puissance à l'émission permettra d'adapter la puissance émise à la distance séparant l'avion de la station, un avion lointain étant intérrogé à pleine puissance, un avion proche étant intérrogé à puissance réduite.Sur la figure vioqui représente la puissance émise PE en fonction du temps t, le groupe d'impulsions I représente une interrogation destinée à un avion lointain, elle se fait à pleine puissance. Le groupe d'impulsions n représente une interrogation faite à puissance réduite d'un avion relativement proche de la station radar. On a ainsi décrit un amplificateur de puissance à haute fréquence, à puissance de sortie commutable rapidement par paliers. REVENDICATIONS 1. Amplificateur de puissance haute fréquence à puissance de sortie commutable rapidement par paliers comportant une pluralité des voies d'amplification (el à en) entre un diviseur de puissance (1) à l'entrée et un sommateur (2) à la sortie, caractérisé en ce que chaque voie (el à en) d'amplification comporte un commutateur (C1 à Cn) rapide dont l'état détermine la puissance disponible à la sortie de la voie correspondante. 2.Amplificateur de puissance suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le diviseur de puissance (1) est constitué par un groupement de coupleurs de différents types, pouvant être en particulier à division de puissance inégale (Fig 5). 3. Amplificateur de puissance suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le sommateur (2) est constitué par un groupement de coupleurs de différents types pouvant être en pa-ti^l' i"lsion de puissanceinégale (Fig 6). 4. Amplificateur de puissance suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le diviseur de puissance (1) constituant le dispositif d'entrée de l'amplificateur, est un coupleur 3dB appliquant sur chacune des voies d'amplification (el-e2) auxquelles il est connecté, sensiblement la moitié de la puissance d'entrée appliquée. 5. Amplificateur de puissance suivant l'une des revendications 1 ou 3, caractérisé en ce que le sommateur de puissance (2) est un coupleur 3dB. 6. Amplificateur de puissance suivant les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le diviseur de puissance (1) et le sommateur de puissance (2) sont constitués par des coupleurs 1/3'- 2/3 (6.7.8.60.70.80) répartissant la puissance d'entrée suivant une certaine loi d'amplitude et de phase sur les voies d'amplification (el -en) et recombinant ensuite la puissance présente aux sorties respectives des dites voies. 7. Amplificateur de puissance suivant l'une des revendications 2, 3, 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que le diviseur de puissance (1) est une combinaison de coupleurs 3dB (14.15.16.17.18) et de coupleurs 1/3 - 2/3 (6.7.8)et que le sommateur de puissance (2) est une combinaison de coupleurs 3dB (19.20.21.22.23) et de coupleurs 1/3 2/3 (60.70.80). 8. Amplificateur de puissance suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les commutateurs rapides (C1 - Cn) sont à diodes PIN. 9. Amplificateur de puissance selon l'une des revendications 1, 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il comprend des voies d'amplification doubles (el - elO et e2 - e20), chacune de ces voies comportant un commutateur rapide (C1 - C10 et C2 - C20) et ces commutateurs étant commandés par paires. 10. Utilisation d'un amplificateur de puissance suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9 comme dispositif effectuant une modulation de puissance rapide. 11. Utilisation d'un amplificateur de puissance suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10 dans un radar secondaire dans lequel on fait varier la puissance émise en fonction de la portée.