Brevet FR2600843A1 — publié le 19871231

AMP=LIFICATEUR~DE~eUI~~A~CE~ELEVEE~E~~MICRO~ONDES La présente invention concerne un amplificateur de puissance élevée en micro-ondes. Elle s'applique à la mise en parallèle de plusieurs transistors de puissance fonctionnant en micro-ondes, afin de réaliser un amplificateur de puissance. Ce type d'amplificateur peut être utilisé dans le domaine des télécommunications : faisceaux hertziens de distribution à une fréquence de 23 GHz et stations terriennes à 30 GHz par exemple. On sait réaliser un amplificateur de puissance élevée en micro-ondes, soit à partir d'un composant unique de puissance élevée (transistors de puissance, pour des fréquences inférieures à 12 GHz), soit à partir de plusieurs composants (transistors) de puissance moins élevée, mis en parallèle (solution souvent adoptée à des fréquences supérieures à 15 GHz), ces composants de puissance faisant intervenir un ou plusieurs réseaux de lignes de connexion. L'invention s' apparente aux amplificateurs de puissance, en micro-ondes,. du second type mentionné ci-dessus : plusieurs composants de puissance reliés par des réseaux de lignes. Dans ce type de dispositif connu, l'amplificateur de puissance est un ensemble et comprend un diviseur de puissance à n lignes recevant un signal d'entrée à amplifier et un additionneur de puissance à n voies, relié aux n voies du diviseur par n amplificateurs élémentaires de puissance. Chaque amplificateur élémentaire comprend aussi des circuits d'adaptation d'entrée et de sortie permettant de relier le diviseur d'entrée aux transistors de puissance, et permettant de relier ces transistors à l'additionneur de sortie. Les réseaux à n voies (normalement des lignes de transmissions) utilisés dans ce type d'amplificateur, pour la mise en parallèle d'un grand nombre de composants (transistors de puissance), peuvent être classés en trois catégories : WILKINSON, radial et planar. L'avantage essentiel d'un amplificateur micro-ondes à n voies est qu'il permet la mise en parallèle d'un nombre important de composants, avec un minimum de pertes. La réalisation d'un amplificateur utilisant des réseaux de connexion de type WILKINSON et radial, nécessite l'utilisation d'une technique de fabrication en trois dimensions, si n (nombre de voies) est supérieur à 2. Un exemple de ce type d'amplificateur utilisant des réseaux à 2 voies est décrit dans la revue IEEE-MTTS DIGEST- 1985- pages 324 à 327- dans un article intitulé "A 1 watt 28 GHz band amplifier using clustered FETS" par T.TAKAGI et al. La réalisation d'un amplificateur dans lequel les réseaux diviseurs d'entrée ou additionneurs de sortie, utilisent une structure de type planar, est beaucoup plus simple puisque les lignes de chaque réseau sont constituées de micro-rubans. Ce type d'amplificateur est décrit dans la revue IEEE transactions MTT-25- pages 1008-1012, 1977 dans un article intitulé "New n-Way Hybrid Power Deviders" par N.NAGAI et al. Ce type connu d'amplificateur, à structure planar, n'est cependant pas bien adapté pour les applications monolithiques en basse impédance car, dans ce cas, le réseau additionneur notamment a un encombrement très important et les pertes ohmiques ne sont pas négligeables. L'invention a pour but de remédier aux inconvénients des amplificateurs de puissance élevée en micro-ondes, de type connu utilisant des réseaux de lignes fabriqués selon la technique planar. Elle a notamment pour but de réduire l'encombrement de ces amplificateurs et de diminuer les pertes dues à l'adaptation d'impédances et à la mise en parallèle des transistors reliant le réseau diviseur d'entrée -au réseau additionneur de sortie. Pour cela, on utilise des tronçons de lignes couplées électromagnétiquement qui remplissent simultanément les fonctions d'adaptation et de répartition de puissance. L'amplificateur de L'invention est plan, compact, faciLement utilisable pour une fabrication de type monolithique. Il permet d'obtenir des puissances élevées à des fréquences supereures à 18 GHz. L'invention a pour objet un amplificateur de puissance élevée en micrc-ondes, comprenant un réseau diviseur d'entrée, à lignes parallèles et couples électromagnétiquement entre elles, ayant une entrée recevant un signal à amplifier, un réseau additionneur de sortie, à lignes parallèles et couplées électromagnétiquement entre elles, ayant une sortie fournissant le signal amplifié, et des transistors à effet de champ pour relier respectivement des lignes du réseau d'entrée à des lignes du réseau de sortie, caractérisé en ce que les réseaux d'entrée et de sortie comportent chacun 2n-1 micro-rubans plans de mêmes Longueurs, repérés du rang 1 au rang 2n-1, n étant un nombre entier supérieur ou égal à 2, les micro-rubans de rang 1 et 2n-1 étant les micro-rubans extrêmes de chaque réseau, les microrubans ayant chacun deux extrémités, L'une des extrémités de chaque micro-ruban du réseau diviseur étant située sur une première droite, tandis que l'autre extrémité de chaque microruban de ce réseau diviseur est située sur une deuxième droite parallèle à la première droite, l'une des extrémités de chaque micro-ruban du réseau additionneur étant située sur une troisième droite, tandis que l'autre extrémité de chaque micro-ruban de ce réseau additionneur est située sur une quatrième droite parallèle à la troisième droite, les extrémités des micro-rubans de rangs pairs du réseau diviseur, situées sur la première droite, étant reliées à ladite entrée et les extrémités des micro-rubans de rangs pairs du réseau additionneur, situées sur la quatrième droite, étant reliées à ladite sortie1 les extrémités des microrubans de rangs impairs du réseau diviseur, situées sur la deuxième droite, étant respectivement reliées aux grilles de transistors à effet de champ, les extrémités des micro-rubans de rangs impairs du réseau additionneur, situées sur la troisième droite, etant respectivement reliées aux drains des transistors à effet de champ, les extrémités des micro-rubans de rangs impairs du réseau diviseur situées sur la première droite, les extrémités des micro-rubans de rangs pairs du réseau diviseur situées sur la deuxième droite, les extreimites des micro-rubans de rangs pairs du réseau additionneur situées sur la troisième droite, et les extrémités des micro-rubans de rangs impairs du réseau additionneur situées sur la quatrième droite restant libres de toute connexion, les sources des transistors à effet de champ étant reliées à une masse de référence, les micro-rubans étant formés et les transistors étant rattachés sur une première face d'un substrat plan isolant dont une deuxième face opposée à la première face, est métallisée. Selon une autre caracteristique de l'invention, les grilles de transistors à effet de champ sont reliées entre elles, respectivement par des résistances, les drains de ces transistors étant reliés entre eux, respectivement par d'autres résistances, les résistances étant formées sur la première face dudit substrat isolant. Selon une autre caractéristique, les micro-rubans extrêmes, de rang 1 ET 2n-1 de chaque réseau, ont une Largeur d'une première dimension, tandis que les micro-rubans intermédiaires de rangs 2 à 2n ont une largeur d'une deuxième dimension. Selon une autre caractéristique, les micro-rubans extrêmes, de rang 1 et 2n-1 de chaque réseau ont une largeur d'une première dimension, les micro-rubans de rang 2 et 2n-2 de chaque réseau ont une largeur d'une deuxième dimension, les micro-rubans de rang 3 et 2n-3 de chaque réseau ont une largeur d'une troisième dimension, et ainsi de suite jusqu'au micro-ruban médian de rang n qui a une Largeur d'une nièce dimension. Selon une autre caractéristique, les première, deuxième et troisième et quatrième droites sont parallèles. Selon une autre caractéristique, les extrémités de micro-rubans de mêmes rangs du premier et du deuxième réseaux, situées sur les deuxième et troisième droites, sont situées les unes en regard des autres. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation d'un amplificateur utilisant des réseaux additonneur-adaptateur, conforme à l'invention, - la figure 2 représente schématiquement un autre mode de réaiisation d'un amplificateur utilisant des réseaux additionneur-adaptateur de l'invention, - la figure 3 est une coupe tansversale schématique de l'un des réseaux additionneur-adaptateur de L'invention. La figure 1 représente schématiquement un amplificateur de puissance élevée en micro-ondes, conforme à l'invention. Cet amplificateur comporte un réseau diviseur d'entrée A, à lignes parallèles et couplées magnétiquement entre elles, qui seront décrites plus loin en détail. Une entrée E de ce réseau diviseur reçoit un signal à amplifier. L'amplificateur comprend aussi un réseau additionneur de sortie B, à lignes parallèles et couplées magnétiquement entre elles, qui seront décrites plus loin en détail. Ce réseau diviseur de sortie possède une sortie S qui fournit le signal amplifié. L'amplificateur comprend enfin des transistors T à effet de champ, pour relier respectivement des lignes du réseau A d'entrée et des lignes du réseau E de sortie. Les lignes de chacun des réseaux sont constituées par des micro-rubans plans, de même longueur. Sur la figure, les références M1, M2 désignent deux des micro-rubans du réseau d'entrée A, tandis que les références M3, M4 désignent deux des micro-rubans du réseau de sortie B. Chacun des réseaux d'entrée et de sortie comporte 2n-1 micro-rubans plans, repérés du rang 1 au rang 2n-1, comme indiqué sur la figure séparés par 2n-2 fentes. n est un nombre entier supérieur ou égal à 2. Les micro-rubans de rangs 1 et 2n-1 sont les micro-rubans ou lignes extrêmes de chaque réseau. Chaque micro-ruban a deux extrémités. L'une des extrémités de chaque micro-ruban du réseau diviseur A, telle que l'extrémité 10 du micro-ruban Ml par exemple, est située sur une première droite D1. L'autre extrémité de chaque micro-ruban du réseau diviseur A, telle que L'extrémité 11 du micro-ruban M1, est située sur une deuxième droite D2 parallèle à la première droite D1. De la même manière, L'une des extrémités de chaque m,cro-ruban du réseau additionneur B, telle que l'extrémité 12, du micro-ruban w3, est située sur une troisième droite D3. L'autre extrémité de chaque micro-ruban du réseau additionneur B, telle que l'extrémité 13 du micro-ruban M3, est située sur une quatrième droite D4, parallèle à la troisième droite D3. Les extrémités des micro-rubans de rangs pairs (rangs 2, 4, ... 2n-2) du réseau diviseur A, situées sur la première droite D1, sont reliées à l'entrée E à laquelle est appliqué le signal à amplifier. Les extrémités des micro-rutans de rangs pairs (rangs 2, 4, ..., 2n-2) du réseau additionneur de sortie B, situées sur la quatrième droite D4, sont reliées à la sortie S qui fournit le signal amplifié. Les extrémités des micro-rubans de rangs impairs (micro-rubans de rangs 1, ..., 2n-1) du réseau diviseur d'entrée A, situées sur la première droite D1, sont libres de toute connexion. Les extrémités des micro-rubans de rangs pairs (microrubans de rangs 2, 4, ..., 2n-2) du réseau diviseur d'entrée A, situées sur la deuxième droite D2, sont libres de toute connexion. Les extrémités des micro-rubans de rangs pairs (microrubans de rangs 2, 4, ..., 2n-2) du réseau additionneur de sortie B, situées sur la troisième droite D3, sont libres de toute connexion. Les extrémités des micro-rubans de rangs impairs (micro-rubans de rangs 1, ..., 2n-1) du réseau additionneur de sortie B, situées sur la quatrième droite D4, sont libres de toute connexion. Les extrémités des micro-rubans de rangs impairs (micro-rubans de rangs 1, ..., 2n-1) du réseau diviseur d'entrée A, situées sur la deuxième droite D2, sont respectivement reliées aux grilles des transistors T à effet de champ. C'est ainsi par exemple que l'extrémité 11 du micro-ruban M1 est reliée à la grille 14 du transistor à effet de champ T1. Les extrémités des micro-rubans de rangs impairs (1, 3, ..., 2n-1) du réseau additionreur de sortie B, situées sur la troisième droite D3, sont respectivement reliées aux drains des transistors à effet de champ T. C'est ainsi par exemple que l'extrémité 12 du micro-ruban M3 est reliée au drain 15 du transistor à effet de champ T1. Les sources des transistors à effet de champ sont reliées à une masse de référence M. Sur cette figure, la source 16 du transistor T1 par exemple, est reliée à la masse de référence M. Les micro-rubans sont formés et les transistors sont fixés, comme on le verra plus loin en détail, sur une première face d'un substrat plan isolant, dont une deuxième face, opposée à la première face, est métallisée. Selon le mode de réalisation, les micro-rubans extrêmes de rangs 1 et 2n-1 de chaque réseau ont une Largeur d'une première dimension W1, tandis que les rubans intermédiaires de rangs 2 à 2n ont une largeur d'une deuxième dimension W2. Les longueurs de chaque micro-ruban, quel que soit le mode de réalisation de l'amplificateur de l'invention, sont voisines de )t/4, Xv désignant la longueur d'onde du signal appliqué sur l'entrée E dans le milieu qui supporte les microrubans. Lorsque les transistors T d'amplification présentent des caractéristiques légèrement différentes, il est possible, pour remédier à ces différences de caractéristiques et selon une variante de L'invention, de relier les grilles des transistors entre elles, respectivement par des résistances R1, et de relier Les drains de ces transistors entre eux, respectivement par des autres résistances R2. Ces résistances sont formées sur la prewlère face du substrat isolant. La figure 2 représente schématiquement un autre mode de réalisation de L'amplificateur de l'invention. Dans ce mode de réalisation, les micro-rubans extrêmes de rangs 1 et 2n-1 de chaque réseau ont une largeur d'une première dimension Wl. Le micro-ruban médian de chaque réseau de rang n a une Largeur d'une deuxième dimension W2, tandis que les micro-rubans intermédiaires, de rangs 2 à n-1-et de rangs n+l à 2n-2 ont des largeurs W3, W4, W5, ..., Wn, le micro-ruban de rang 2 et 2n-2 ayant une même largeur W3, les micro-rubans de rang 3 et 2n-3 ayant une même largeur W4, les micro-rubans de rang 4 et 2n-4 ayant une même largeur W5, et ainsi de suite, les micro rubans de rang n-l et n+l ayant une même largeur Wn. Les mêmes éléments portent les mêmes références sur cette figure et sur la figure 1. La séparation entre deux lignes adjacentes quelconques est de dimension 6 pour un réseau donné. Dans l'exemple représenté sur cette figure, les lignes extrêmes Mi, M7 et M3, M8 de rangs 1 et 5, de chaque réseau, ont une largeur W1. Les lignes médianes M5, M6 de rang 3, ont une largeur W2, tandis que les lignes M2, M4 et M9, M10, de rangs respectifs 2, 4, ont une largeur W3. La séparation entre deux lignes adjacentes quelconques est de dimension G pour un réseau donné. On a supposé dans ce mode de réalisation que le nombre de micro-rubans de chaque réseau est limité à cinq. Comme dans le mode de réalisation précédent, le signal d'entrée est appliqué sur l'entrée E, tandis que le signal amplifié est recueilli sur la sortie S. Selon une variante de ce mode de réalisation, les grilles des transistors T à effet de champ peuvent être respectivement reliées par des résistances R1, tandis que les sources de ces transistors peuvent être respectivement reliées par des résistances R2, pour les raisons mentionnées plus haut. La figure 3 représente schématiquement et en coupe transversale l'un des réseaux des deux figures précédentes. Ces réseaux, les transistors à effet de champ, ainsi que les résistances R1, R2, sont réalisés sur un substrat isolant 2G. On distingue sur cette figure les micro-rubans extrêmes tels que Ml, de rangs 1 et 2n-1, de largeur i'1. On distingue également des rubans intermédiaires de rangs 2 et 2n-2 de largeur W2 et l'espacement G entre deux lignes adiacentes. Ces rubans sont formés sur une face 21 du substrat isolant 20. L'autre face 22 de ce substrat est recouverte d'une couche métallique 23. De préférence, les première, deuxième, troisième et quatrième droites D1, D2, D3, D4 sont parallèles. Les extrémités des rubans de même rang du premier et du deuxième réseaux A, B, situées sur les deuxième et troisième droites D1, D2, sont situées en regard Les unes des autres. C'est ainsi par exemple que les extreltés 11, 12 des rubans Mi, M2, situées sur les droites D2, D3 sont en regard l'une de l'autre. Il en est de même pour les extrémités correspondantes des autres micro-rubans. Le matériau isolant du substrat peut être du quartz, de la silice fondue, de l'alumine ou de l'arséniure de gallium semiiolant par exemple. Le gain, la puissance disponible des transistors, ainsi que la fréquence d'utilisation, supérieure à 18 GHz, sont tels qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser plus de 7 micro-rubans dans chaque réseau. Dans ce cas, L'amplificateur comprend quatre transistors à effet de champ. Il est à noter que les micro-rubans de chaque réseau, qui sont reliés aux transistors à effet de champ, sont séparés des micro-rubans qui sont reliés soit à L'entrée E, soit à la sortie S. il en résulte que la tension de polarisation continue des transistors, qui n'est pas représentée sur les figures, est isolée respectivement de l'entrée E de l'amplificateur ou de la sortie S de celui-ci selon que ce soit la tension de polarisation de grille ou la tension de polarisation de drain. Dans l'état de la technique, cette isolation n'existe pas. Il est alors nécessaire d'utiliser les capacités de découplage entre les micro-rubans. Ces capacités de découplage introduisent des pertes et peuvent provoquer une mauvaise adaptation d'impédance. Les largeurs Wl, W2, 3 des micro-rubans, ainsi que les espacements G entre ces micro-rubans et les longueurs de ceux-ci, sont obtenus par une analyse de la propagation des ondes transverses électromagnétiques dans le milieu qui supporte les micro-rubans. Ce calcul peut être effectue en quatre étapes - une analyse du réseau diviseur/additionneur de 2n-1 lignes à l'aide de l'équation connue des télégraphistes, - l'application des conditions de tension et de courant aux accès des micro-rubans, afin de satisfaire les conditions imposées par la structure choisie, - le calcul de paramètres primaires des micro-rubans, pour des dimensions prédéterminées, à l'aide d'un programme d'éléments finis, - le calcul de la longueur des micro-rubans tel que le réseau diviseur se compose comme un inverseur d'impédance, permettant d'adapter la partie réelle de l'impédance présentée à l'entrée E du circuit, à chacune des impédances présentées à chacune des extrémités des micro-rubans de ce réseau diviseur qui sont reliés aux transistors T. REVENDICATIOS 1. Amplificateur de puissance élevée en micro-ondes comprenant un réseau diviseur d'entrée (A), à lignes parallèles et électromagnétiquement couplées, ayant une entrée (E) recevant un signal à amplifier, un réseau additionneur de sortie (B), à lignes parallèles et électromagnétiquement couplées, ayant une sortie (S) fournissant le signal amplifié, et des transistors (T) à effet de champ pour relier respectivement des lignes du réseau d'entrée å des lignes du réseau de sortie, caractérisé en ce que les réseaux d'entrée et de sortie comportent chacun 2n-1 microrubans (mol, M2, M3, M4, ...) plans de mêmes lonoueurs, repérés du rang 1 au rang 2n-1, n étant un nombre entier supérieur ou égal à 2, les micro-rubans de rang 1 et 2n-1 étant les micro-rubans extrêmes de chaque réseau, les micro-rubans ayant chacun deux extremites, l'une des extrémités (10) de chaque micro-ruban du réseau diviseur (A) étant située sur une première droite (Dl), tandis que l'autre extrémité (11) de chaque micro-rubans de ce réseau diviseur, est située sur une deuxième droite (D2) parallèle à la première droite, l'une des extrémités (12) de chaque micro-ruban du réseau additionneur (B) étant située sur une troisième droite (D3), tandis que l'autre extrémité (13) de chaque micro-ruban de ce réseau additionneur est située sur une quatrième droite (D4) parallèle à la troisième droite, les extrémités des micro-rubans de rangs pairs du réseau diviseur (A), situées sur la première droite (Dl) étant reliées à ladite entrée (E) et les extrémités des micro-rubans de rangs pairs du réseau additionneur (B), situées sur la quatrième droite (D4) étant reliées à ladite sortie (S), les extrémités des microrubans de rangs impairs du réseau diviseur (A) situées sur la première droite (Dl), les extrémités des micro-rubans de rangs pairs du réseau diviseur (A) situées sur la deuxième droite (D2),les extrémités des micro-rubans de rangs pairs du réseau additionneur (B) situées sur la troisième droite (D3), et les extrémités des micro-rubans de rangs impairs du réseau additionneur (B) situées sur la quatrième droite (D4) restant libres de toute connexion, les extrémités des micro-rubans de rangs impairs du réseau diviseur (A) situées sur la deuxième droite (D2) étant respectivement reliées aux grilles (14) des transistors (T) à effet de champ, les extrémités des micro-rubans de rangs impairs du réseau additionneur (B), situés sur la troisième droite (D3) étant respectivement reliées aux drains (15) des transistors à effet de champ (T), les sources (16) des transistors à effet de champ étant reliées à une masse de référence (M,), les micro-rubans étant formés sur une première face (21) d'un substrat plan isolant (2C) dont une deuxième face (22) oppcsée à la première face, est métallisée (23). 2. Amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les grilles (14) des transistors (T) à effet de champ sont reliées entre elles, respectivement par des résistances (R1), les drains de ces transistors étant reliés entre eux, respectivement par d'autres résistances (R2), ces résistances étant formées sur Ledit substrat isolant (20). 3. Amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les micro-rubans extrêmes, de rangs 1 et 2n-1 de chaque réseau (A, B) ont une longueur d'une première dimension (W1), tandis que les micro-rubans intermédiaires de rangs 2 à 2n ont une largeur d'une deuxième dimension (W2). 4. Amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les micro-rubans extrêmes, de rangs 1 et 2n-1 de chaque réseau, ont une largeur d'une première dimension (W1), le microruban médian, de rang n ayant une largeur d'une deuxième dimension (W2) et tes micro-rubans intermédiaires, de rangs 2 à n-l et de rangs n+l à 2n-2 ayant des largeurs W3, W4, W5, Wn, les micro-rubans de rang 2 et 2n-2 ayant une même largeur W3, les micro-rubans de rang 3 et 2n-3 ayant une même largeur W4, les micro-rubans de rang 4 et 2n-4 ayant une même largeur W5, et ainsi de suite, les micro-rubans de rang n-l et n+l ayant une même largeur Wn. 5. Amplificateur selon L'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les premières, deuxième, troisième et quatrième droites (D1, D2, D3, D4) sont parallèles. 6. Amplificateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les extrémités des micro-rubans de mêmes rangs du premier et du deuxième réseaux (A, B), situées sur les deuxième et troisième droites (D2, D3), sont situées les unes en regard des autres.