Brevet FR2564252A1 — publié le 19851115

La présente invention concerne des circuits à li- gnes de transmission hyperfréquences, et plus particuliè- rement des circuits hybrides à quatre accès applicables à des systèmes à lignes en bandes, à microbandes, et analogues. Ce qu'on appelle le circuit hybride est bien connu en soi et il est bien adapté dans ce domaine sous ses formes de guide d'ondes coaxial et à ligne en bande. Ces dispositifs servent de réseaux de division de puis- sance, d'établissement de somme et de différence et ils sont largement utilisés dans les systàmes hyperfréquences. Dans le texte du "Radar Hanr-dbook" de Merrill I. Skilnik (McGraw-Hill Book Company 1970), la classe générale de dispositifs appelée "jonctions hyperfréquences" (qui comprennent ce qu'on appelle le circuit hybride) est décrite dans ses formes connues. Immédiatement avant cette description, le manuel de Skolnik décrit des lignes de transmission à ligne en bande et à microbande et c'est au moyen de lignes de ce type que l'invention décrite dans la suite a été mise au point. D'autres références techniques décrivent des structures de lignes de transmission à ligne en bande, à microbande et analogues, notamment "Antenna Engineering Handbook", Henry Jasik, éditeur McGraw-Hill 1961 (Première Edition). Un élément de base utilisé dans l'ensemble con- forme à l'invention est décrit comme un "filtre passe-tout" dans l'article "Coupled-Strip Transmission-Line Filters and Directional Couplers" de E. M. T. Jones et J. T. Bolljahn ("IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques", Avril 1956). Dans cet article, les critères fondamentaux de conception de différentes configurations à bandes couplées sont définis par des relations entre dimensions physiques et impédances. Le filtre "passe-tout" intervenant dans la description de Jones et Bolljahn est considéré comme un dispositif intrinsèquement à large bande. 2 2564252 Dans un article technique de B. M. Schiffmann ("Transactions on Microwave Theory and Techniques" - IEEE Avril 1958), on décrit une application d'éléments à bandes couplées pour produire un dispositif de déphasage de 90 . Le circuit hybride typique de l'art antérieur se trouve dans la boucle hybride de 1 1/2 longueur d'onde, comme indiqué à la figure 16 (page 8-17) du "Radar Hankbook" mentionné ci-dessus, cette forme étant adaptéepour une réalisation en ligne en bande ou en microbande. Cette boucle hybride de l'art antérieur est efficace pour des bandes de fréquences de largeurs étroites, ou bien dans des applications o des variations concernant l'isolation en fréquence, la division de puissance et les caractéris- tiques de phase peuvent être tolérées, bien que sa géomé- trie la rende intrinsèquement moins compacte et moins commode à incorporer à des circuits hyperfréquences que la structure conforme à l'invention qui va être décrite dans la suite. Une demande de brevet déposée aux Etats-Unis sous le titre "Broad-Band Printed-Circuit Balun", et sous le No. de série 443.419, le 22 Novembre 1982, décrit une boucle d'adaptation, ou "balun", à circuit imprimé qui, de même que le circuit hybride décrit ici, est réalisable en ligne en bande, en microbande ou analogue. La boucle d'adaptation mentionnée cidessus utilise également des sections de filtre à circuits imprimés, passe-tout et à bandes couplées comme décrit par Jones et al. et Schiffman (cités ci-dessus). Cette demande de brevet a été déposée par le meme inventeur que celui de la présente demande. La présente invention concerne un nouveau circuit hybride à 180 , à mode TEM, à quatre accès. On peut considérer que l'objectif général de l'invention est de créer une forme peu coûteuse de circuit hybride hyperfré- quence à large bande, à faible perte,équivalant dans son principe au T magique de guide d'ondes bien connu, dans le domaine des lignes de transmission en bandes ou en microbandes. Dans un mode de réalisation typique, dans une structure à lignes en bandes, un diagramme de conducteurs de circuits imprimés sur le substrat diélectrique est monté généralement symétriquement entre une paire de plans de masse. Les pistes conductrices apparaissant sur le substrat diélectrique porteur sont toutes réalisées d'une manière classique. Deux formes du circuit hybride conforme à l'inven- tion sont représentées et décrites. En principe, on peut considérer que dans les deux modes de réalisation, les filtres passe-tout à bandes couplées de longueurs prédé- terminées sont disposés dans le circuit de telle sorte que les accès latéraux maintiennent un déphasage mutuel de 180 par rapport à l'accès de différence et un déphasage de 0 par rapport à l'accès de somme. Les sections de filtre passe-tout à bandes couplées donnent lieu à une variation presque linéaire du dépha- sage en fonction de la fréquence dans une large bande et la disposition de ces éléments à bandes couplées est telle qu'elle établit une condition résultante de phasage relatif pratiquement constante dans les accès latéraux. Les caractéristiques les plus importantes du cir- cuit hybride conforme à l'invention et les améliorations correspondantes obtenues par rapport aux conceptionsexis- tantes sont les suivantes: 1. Isolation mutuelle des accès presque indé- pendante de la fréquence dans de larges bandes de fréquences. 2. Division de puissance constante dans de larges bandes de fréquences. 3. Caractéristiques de phases sans dispersion (constantes) dans de larges bandes de fréquences 4. Conducteur central à un seul niveau. 5. Dimensions géométriques plus petites et plus appropriées par comparaison à la boucle hybride courante de I 1/2 longueur d'onde. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention seront mis en évidence, dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexes dans lesquels: - la figure 1 représente une première forme d'agencement de circuit imprimé d'un circuit hybride conforme à l'invention, - la figure 2 illustre la disposition des pistes conductrices dans un second mode, préferé, de réalisation faisant intervenir une plus grande symétrie de réseau, - la figure 3 est une vue en perspective, en partie arrachée et éclatée, montrant la disposition du substrat et des pistes de la figure 2 entre des plans de masse dans une configuration en ligne en bande, - la figure 4 est une représentation graphique isolation/fréquence concernant un circuit hybride à mode TEM à large bande conforme à l'invention, - la figure 5 est une représentation graphique division de puissance/fréquence concernant un circuit hybride à mode TEM à large bande conforme à l'inven- tion. En référence maintenant à la figure 1, le premier mode de réalisation du circuit hybride conforme à l'inven- tion est représenté sous la forme de pistes de circuit imprimé sur un substrat diélectrique classique 10. Dans tous les modes de réalisation décrits, la nature de ce substrat diélectrique est sensiblement la même et des matériaux à faible perte appropriés sont bien connus des spécialis- tes de ce domaine. Il est à noter que les impédances caractéristiques des sections de lignes de transmission représentées par les pistes sur le substrat 10 (et en correspondance sur le substrat 10a de la figure 2) ont des valeurs égales. Les facteurs et paramètres déterminant ces impédances caractéristiques sont bien connus dans ce domaine. Ce qui est plus important, la largeur de la piste con- ductrice est liée mathématiquement à l'impédance carac- téristique effective d'une piste conductrice donnée. Il est également à noter que des pistes d'interconnexion dérivant d'autres pistes sont conçues pour adapter les impédances aux points de jonction. Par exemple, les voies 17 et 18 présentent ensemble 2 leur jonction avec la piste 12 une impédance qui établit une adaptation. De façon analogue, les pistes de raccordement 19 et 20 sont adaptées en impédance ie façon analogue pour la même raison. Des impédances typiques pour ces diverses pistes conductrices sont les suivantes: PISTE CONDUCTRICE IMPEDANCE (OHMS) 11 50 12 50 13 50 14 50 17 70,7 18 70,7 Dans la configuration de la figure 1, la piste conductrice 12 est identifiée comme l'accès de somme, la piste numéro 14 est identifiée comme un accès de différence et les pistes 11 et 13 sont les deux accès latéraux. La fonction examinée de l'extérieur est la même que celle de tout circuit hybride TEM à quatre accès de l'art antérieur. Les deux filtres passe-tout à bandes couplées 15 et 16 ont une demi-longueur d'onde et un quart de longueur d'onde et sont court-circuités à leurs extrémités 15c et 16c. 6 2564252 Une réalisation-type du dispositif de la figure I dans la bande d'hyperfréquences "C" a donné pour un filtre à bandes couplées les dimensions suivantes, pour une constante diélectrique de 2,2. Pour le filtre à bandes couplées 15, la longueur hors-tout, mesurée de- puis la ligne centrale de 19 ou 20 jusqu'à l'extrémité court-circuitée 15c, est d'environ 17,5 mm. Les largeurs de 15a, 15b,!6a et 16b sont cha- cune d'environ 1,5 mmo. Les encoches centrales 15d et 16d ont chacune une largeur d'environ 0,25 mm. La longueur hors-tout de la section de filtre à bandes couplées 16, mesurée depuis l'axe des jonctions adjacentes 19 et 20 jusqu'à l'extrémité court-circuitée 16c est d'environ 8,9 mm. La phase d'insertion de la section de filtre 15 est de 360 en milieu de bande et la phase d'insertion pour la section 16 en milieu de bande est de 180 . Comme indiqué ci-dessus, les phases d'insertion corres- pondantes sont pratiquement une fonction linéaire de la fréquence et elles se suivent mutuellement à des fré- quences situées de part et d'autre de la fréquence cen- trale nominale. De cette manière, les accès 11 et 13 maintiennent entre eux un déphasage de 180 lorsque le circuit hybride est alimenté par l'accès de différence 14. En ce qui concerne l'accès de somme 12, les accès latéraux 11 et 13 sont mutuellement en phase. En référence maintenant à la figure 2, le réseau plus symétrique du mode préféré de réalisation permet une isolation entre les accès latéraux 25 et 26 prati- quement indépendamment de la fréquence. Dans ce mode de réalisation, on utilise trois sections de filtre à bandes couplées 1/4 d'onde 27, 28 et 29 et il est prévu comme indiqué une section de filtre à bandes couplées 1/2 onde 30. On applique dans ce cas ce qui a été précisé en référence à la figure 1 pour l'impédance des pistes conductrices et la conception des sections de filtre à bandes couplées. 7 2564252 En termes de performances, les accès latéraux 25 et 26 présentent un déphasage de 180 sensiblement fixe dans la large bande de réponse. Les sections de filtre à bandes couplées 27 et 30 correspondent respectivement aux sec- tions 16 et 15 de la figure 1 et remplissent les mêmes fonctions: cependant, la symétrie établie sur la figure 2 produit des performances supérieures. Les sections de filtre à bandes couplées 28 et 29 s'équilibrent pratique- ment mutuellement lorsqu'on considère le maintien du dé- phasage de 180 entre les accès latéraux 25 et 26 (ali- mentés à partir de l'accès de différence 32), tout en établissant une bonne isolation constante des accès latéraux qui n'est pas obtenue dans la configuration de la figure 1. En référence maintenant à la figure 3, l'agence- ment de la figure 2 est représenté en interposition entre des plans de masse conducteurs 33 et 34 dans la forme opérationnelle correspondant à la technologie en ligne en bande. Les figures 4 et 5 sont des représentations gra- phiques donnant les résultats obtenus dans une situation expérimentale. Ces courbes de performances ont été déter- minées en laboratoire, mais elles ne représentent pas ce qui peut être obtenu au mieux par un contrôle soigné des interfaces de connexion dans les accès et par des perfectionnements généraux de fabrication. 9 2564252 2. Circuit hybride selon la revendication 1, caractérisé en ce que les extrémités desdites premières bornes desdites sections de filtre (15, 16) et lesdites première et seconde voies forment dans l'ensemble un dessin de quadrilatère. 3. Circuit hybride selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite première section de filtre passe-tout à bandes couplées (15) a une longueur qui est sensiblement d'une demi-longueur d'onde en milieu de bande et ladite seconde section de filtre passe-tout à bandes couplées (16) a une longueur d'un quart de longueur d'onde en milieu de bande, ledit circuit hybride présen- tant ainsi un déphasage de cent quatre-vingt degrés entre lesdits accès latéraux (11, 13). 4. Circuit hybride selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite première section de filtre passe-tout à bandes couplées (15) a une longueur qui est sensiblement d'une demi-longueur d'onde en milieu de bande et ladite seconde section de filtre passe-tout à bandes couplées (16) a une longueur d'un quart de longueur d'onde en milieu de bande, ledit circuit hybride présen- tant ainsi un déphasage de cent quatre-vingt degrés entre lesdits accès latéraux (11, 13). 5. Circuit hybride selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites sections de filtre passe- tout à bandes couplées (15, 16) comportent chacune une paire de pistes de circuit imprimé, conductrices, paral- lèles et étroitement espacées, qui sont court-circuitées à leurs extrémités (15c, 16c) opposées à ladite première jonction. 6. Circuit hybride selon la revendication 3. caractérisé en ce que lesdites sections de filtre passe- tout à bandes couplées (15, 16) comportent chacune une paire de pistes de circuit imprimé, conductrices, paral- lèles et étroitement espacées, qui sont court-circuitées 8 2564252 REVENDICATIONS i. Circuit hybride à mode TEM, à quatre accès, à large bande,pouvant être réalisé dans la classe des lignes de transmission d'hyperfréquences comprenant ligne en bande, ligne à air et microbande, ces quatre accès comprenant un premier et un second accès latéral, un accès de somme et un accès de différence caractérisé en ce qu'il comprend: - un diagramme de pistes conductrices de circuit imprimé sur un substrat diélectrique (10) associé à et espacé sensiblement parallèlement d'au moins un plan de masse (33, 34); - une première piste conductrice (14) incluse dans ledit diagramme et correspondant audit accès de différence, cette première piste étant reliée par une première jonction (20) incluse dans le diagramme à une première borne (15b; 16b) de chacune de deux sections (15, 16) de filtre passe-tout à bandes couplées, chacune desdites sections de filtre (15, 16) s'étendant à partir de ladite première jonction en faisant un certain angle avec ladite première piste; - des seconde et troisième jonctions (19) incluses dans ledit diagramme et reliées respectivement aux secondes bornes (15a; 16a) desdites sections de filtre (15, 16) et à des seconde et troisième pistes conductrices (11, 13), lesdites seconde et troisième pistes (11, 13) correspon- dant respectivement auxdits premier et second accès latéraux; - une quatrième piste conductrice (12) correspon- dant audit accès de somme et des première et seconde voies conductrices, une extrémité de chacune desdites voies incluses dans le diagramme, étant reliée à ladite quatrième piste conductrice (12) pour former une quatrième jonction (17, 18), les autres extrémités desdites première et seconde voies conductrices étant respectivement reliées auxdites seconde et troisième jonctions. 2564252 à leurs extrémités (15c, 16c) opposées à ladite première jonction. 7. Circuit hybride selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites première et seconde voies conductrices de circuit imprimé comprennent des troisième et quatrième sectiQns de filtre passe-tout à bandes cou- plées (28, 29). 8. Circuit hybride selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdites troisième et quatrième sections de filtre (28, 29) ont chacune une longueur d'un quart de longueur d'onde. 9. Circuit hybride selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdites sections de filtre passe- tout à bandes couplées comprennent chacune une paire de pistes de circuit imprimé, conductrices, parallèles, étroitement espacées et court-circuitées à leurs extré- mités opposées à ladite première jonction. 10. Circuit hybride selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdites sections de filtre passe- tout à bandes couplées comprennent chacune une paire de pistes de circuit imprimé, conductrices, parallèles, étroitement espacées et court-circuitées à leurs extré- mités opposées à ladite première jonction. Il. Circuit hybride selon la revendication 7, caractérisé en ce que les extrémités de jonction desdites sections de filtre passe-tout à bandes couplées forment le contour d'un quadrilatère. 12. Circuit hybride selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit contour de quadrilatère est celui d'un carré dont le coté n'est pas supérieur à un quart de longueur d'onde à la fréquence centrale. 13. Circuit hybride selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu un premier et un second plan de masse conducteurs (33, 34) et en ce que ledit substrat diélectrique (10) est placé à mi-distance entre il 2564252 lesdits premier et second plans de masse conducteurs en formant ainsi une structure à ligne en bande. 14. Circuit hybride selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit substrat diélectrique (10) est placé à mi-distance entre lesdits premier et second plans de masse conducteurs (33, 34) en formant ainsi une structure à ligne en bande. 15. Circuit hybride selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend un premier et un second plan de masse conducteurs (33, 34) et en ce que ledit substrat diélectrique (10) est placé à mi-distance entre lesdits premier et second plans de masse conducteurs (33, 34) en réalisant ainsi une structure à ligne en bande. 16. Circuit hybride selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit substrat diélectrique (10) est placé à mi-distance entre lesdits premier et second plans de masse conducteurs (33, 34) en formant ainsi une structure à ligne en bande. 17. Circuit hybride selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit substrat diélectrique (10) est placé à mi-distance entre lesdits premier et second plans de masse conducteurs (33, 34) en formant ainsi une structure à ligne en bande. 18. Circuit hybride selon la revendication 12, caractérisé en ce que ledit substrat diélectrique (10) est placé à mi-distance entre lesdits premier et second plans de masse conducteurs (33, 34) en formant ainsi une structure à ligne en bande. 19. Circuit hybride selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdites pistes conductrices cor- respondant à chacun des quatre accès précités s'étendent vers l'extérieur, dans ledit diagramme, selon des angles sensiblement de 0 , 90', 180 et 270' ,mesurés dans le plan dudit substrat (10) à partir du centre dudit diagramme. 20. Circuit hybride à 180 , à mode TEM, a quatre accès,pour hyperfréquences, réalisé sous forme d'un diagramme de circuit imprimé sur un substrat di- électrique, caractérisé en ce qu'il comprend: - quatre pistes conductrices (11, 12, 13, 14) orientées vers l'extérieur à partir d'une partie centrale dudit diagramme, lesdites pistes correspondant à un accès de différence, un accès de somme et à des pre- mier et second accès latéraux; - au moins deux sections de filtre passetout à bandes couplées (15, 16) se présentant chacune sous la forme de pistes conductrices imprimées, parallèles, étroitement espacées, courtcircuitées à leurs extrémités extérieures et associées à ladite partie centrale dudit diagramme d'une manière telle que, pour une excitation dudit accès de différence (14), lesdits premier et second accès latéraux (11, 13) divisent l'excitation et main- tiennent une relation de phase de 180 dans une large bande de fréquences. 21. Circuit hybride à division inégale, carac- térisé en ce qu'il comprend une pluralité de sections de filtre passetout ayant des niveaux d'impédance, lesdites sections ayant leurs voies d'interconnexion réglées pour établir une division de puissance inégale désirée.