Brevet FR2606557A1 — publié le 19880513

La présente invention se rapporte à un dephaseur élémentaire en ligne microruban à commutation de lignes de transmission à l'aide de diodes P.I.N. Elle se rapporte également à l'utilisation de tels déphaseurs élémentaires pour former un déphaseur à commande numérique. L'un des moyens les plus utilisés pour contrôler électroniquement la phase de signaux hyperfréquence est constitue par les déphaseurs à diodes P.I.N. sur lesquels de nombreuses etudes ont éte faites. L'intérêt pour ces déphaseurs vient, en particulier, de ce qu'ils constituent un élément essentiel pour la réalisation d'antennes réseaux à balayage électronique. Parmi les différents types de déphaseurs à diodes décrits par exemple dans l'article de Joseph F. WHITE intitulé "Diode phase shifters for array antennas" paru dans IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol.MTT-22, n" 6, juin 1974, pages 658 à 674, celui qui représente le moyen le plus direct pour obtenir un déphasage est celui consistant à utiliser des chemins de transmission différents commutables dont la différence de longueur électrique donne le déphasage souhaité. Cependant, de tels déphaseurs utilisent quatre diodes par bit. Ils ont, de plus,' l'inconvénient que des tensions de polarisation complémentaires sont necessaires pour chaque bit, ce qui complique les circuits de polarisation necessaires. Un objet de l'invention est de remédier à ces inconvénients en utilisant simultanément des diodes P.I.N. du type série et des diodes P.I.N. du type shunt. En effet, il y a actuellement disponibles commercialement des diodes P.I.N. dont les caractéristiques (capacités, résistance, ...) les rendent particulièrement bien adaptées, soit à des configurations shunt et on les appellera diodes shunt, soit à des configurations série et on les appellera diodes série pour simplifier. Selon l'invention, il est donc prévu un déphaseur élémentaire du type mentionné au début, caractérisé en ce qu'il comprend une ligne principale formant un méandre à symétrie axiale, un tronçon de ligne commutable, deux diodes série pour relier les extrémités du tronçon de ligne aux extrémités du méandre de la ligne principale, une ligne quart d'onde ouverte à une extrémité et une diode shunt pour relier l'autre extrémité de la ligne quart d'onde au point milieu du méandre situé sur son axe de symétrie, et en ce que les diodes serie et shunt sont toutes reliées à la ligne principale par la même électrode (cathode ou anode), une tension de polarisation unique de commande étant appliquée entre, d'une part, la ligne principale et, d'autre part, le tronçon de ligne et la ligne quart d'onde. Selon une autre caractéristique de l'invention, il est prévu un déphaseur à commande numérique à n bits en ligne microruban, caractérisé en ce qu'il comprend en série p déphaseurs élémentaires du type ci-dessus, fournissant les déphasages correspondant aux p bits de commande de plus fort poids, et n-p seconds déphaseurs à tronçons de ligne en parallèle, tous ces déphaseurs utilisant la même ligne principale non interrompue et mise à la masse en continu, qui forme p méandres pour les p déphaseurs élémentaires, en ce que les n-p seconds déphaseurs comprennent chacun au moins deux tronçons de ligne connectés en parallèle sur la ligne principale par des diodes série, dont l'électrode reliée à la ligne principale est la même que pour toutes les diodes des autres déphaseurs, une tension de polarisation de commande unique pour chaque second déphaseur étant appliquée entre, d'une part, la ligne principale et, d'autre part, chacun des tronçons de ligne en parallèle du second déphaseur considéré, et en ce que les longueurs du méandre et du tronçon de ligne commutable de chaque déphaseur élémentaire sont déterminées pour fournir la valeur de déphasage correspondant au poids du bit de commande du déphaseur élémentaire considéré. Cette conception a pour avantage que chaque déphaseur élémen- taire n'utilise que trois diodes au lieu de quatre. Mais un autre avantage essentiel est que, pour chaque bit, une seule tension de polarisation est nécessaire, la ligne principale servant de retour en continu pour toutes les tensions de commande. Ceci simplifie singulièrement les problèmes de circuit de polarisation des diodes et donc la réalisation sous forme de circuit imprimé sur un substrat. On peut ainsi atteindre un très haut degré de miniaturisation. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des dessins joints où : - la figure 1 représente un déphaseur élémentaire de type connu ; - la figure 2 représente le schéma de principe d'un déphaseur élémentaire selon l'invention ; - la figure 3 represente des schémas équivalents modifiés du déphaseur selon l'invention - la figure 4 représente le quadripôle utilisé dans le calcul des éléments du déphaseur de la figure 3 ; - la figure 5 est un schéma de réalisation du déphaseur élémentaire selon l'invention, et - la figure 6 est le schéma d'un déphaseur à commande numérique à trois bits selon l'invention. Le déphaseur à diodes représenté sur la figure 1 est un déphaseur de type connu à commutation de lignes de transmission dont le principe est décrit dans l'article cité ci-dessus. Il est réalisé en lignes microrubans et comporte une ligne d'entrée 1, une ligne de sortie 2 et deux tronçons de ligne commutables 3 et 4 de longueur différente reliés aux lignes d'entrée et de sortie par des diodes P.I.N., respectivement D1 et D'1. Les diodes D1 et D'1 sont toutes reliées par leur cathode aux lignes d'entrée ou de sortie. Il est clair que, pour assurer la commande des diodes, on doit appliquer simultanément une tension +V au tronçon de ligne 3 pour commander les diodes D1 et une tension -V au tronçon de ligne 4 pour commander les diodes D'1.Lorsque la tension V a une valeur positive, les diodes D1 sont conductrices et les diodes D'1 sont bloquées et vice-versa lorsque la tension V a une valeur negative. La différence de longueur électrique des tronçons de ligne 3 et 4 détermine le déphasage obtenu. Comme on l'a déjà mentionné, ce déphaseur nécessite quatre diodes et deux tensions de commandes complémentaires. La figure 2 montre le schéma de principe d'un déphaseur élémentaire selon l'invention. Les lignes de transmission sont représentées schématiquement sous forme bifilaire. L'idée de base est de remplacer les diodes D'1 de la figure 1 par une diode shunt D2 courtcircuitant en hyperfréquence le second tronçon de ligne en son milieu. Des études sur l'implantation d'une diode shunt sur une ligne de transmission hyperfréquence ont montré qu'il était nécessaire de compenser la capacité équivalente de la diode lorsque celle-ci est polarisée en inverse. D'autre part, pour raccorder en hyperfréquence la diode à la masse, il est nécessaire de disposer en parallèle, sur la ligne principale, une ligne approximativement quart d'onde de longueur L, ouverte à son extrémité. Ceci amene donc au schéma équivalent de la figure 3 (a) représentant l'impédance Z'p qui remplace l'impédance Zp de la diode shunt elle-même. -Ct représente la capacité négative nécessaire pour compenser la capacité de la diode shunt lorsqu'on lui applique une polarisation inverse. Cette capacité négative peut être obtenue pratiquement par une échancrure pratiquée dans le conducteur central de la ligne principale. Ceci ayant été précisé, il s'agit de déterminer les valeurs des différents paramètres du déphaseur nécessaires à l'obtention du déphasage souhaité. La méthode de calcul consiste à appliquer le théorème de Bartlett. Pour cela, il est nécessaire de modifier légèrement le schéma équivalent du déphaseur de la figure 2 en scindant en deux l'impédance de la diode shunt. On aboutit ainsi au schéma équivalent de la figure 3 (b). Sur ce schéma équivalent, Z5 et Z' représentent les p impédances respectivement des diodes série et shunt, ZO l'impédance caractéristique du tronçon de ligne de longueur 2 L1 commutable par les diodes série et Z'O l'impédance caractéristique des parties de ligne principale de longueur L2 aboutissant à la diode shunt. A partir de ce schéma équivalent, on peut appliquer le théo rème de Bartlett et déterminer les impédances des bras horizontal et diagonal d'un quadripôle en treillis symétrique équivalent. A partir de ces impédances, il est aisé de calculer les divers parametres du quadripôle en treillis. La figure 4 représente schématiquement ce quadripôle Q inséré entre des résistances de charge Rg qu'on choisit égales à l'impédance caractéristique du quadripôle. Si on appelle V1 et V2 les tensions d'entrée et de sortie du quadripôle, le calcul des paramètres V1 du quadripôle permet d'obtenir le rapport W2 et donc de déterminer le déphasage entre l'entrée et la sortie. Inversement, si l'on se fixe le déphasage à obtenir, on peut optimiser les divers paramètres du déphaseur, à savoir les impédances ZO et Z'O et les longueurs L, L1 et L2. La figure 5 représente un mode de réalisation pratique du déphaseur élémentaire de la figure 2 en lignes microrubans. Ce déphaseur comprend donc une ligne principale 10 formant un méandre 12. Entre les extrémités du méandre est connecté un tronçon de ligne commutable 11 par l'intermédiaire de diodes série 15 et 16. Le méandre a une forme symétrique par rapport à un axe (vertical sur a figure) et, en son point milieu situé sur cet axe, est raccordée une ligne quart d'onde ouverte 14 par l'intermédiaire d'une diode shunt 17. En face de la diode 17 est découpée une échancrure 13 dans la ligne principale pour introduire un manque de capacité -Ct destiné à compenser la capacité équivalente à la diode shunt 17 lorsque celle-ci est bloquée. Toutes les diodes 15 à 17 sont connectées par leur cathode à la ligne principale 10, 12.Ainsi, la tension de commande V, appliquée entre, d'une part, la ligne principale et, d'autre part, la ligne quart d'onde 14 et le tronçon de ligne 11, commande le blocage simultané des diodes ou les rend toutes conductrices. La ligne principale peut être, de préférence, portée au potentiel de masse en continu. A titre d'exemple, les valeurs des différents paramètres calculés selon la méthode indiquée plus haut sont données pour deux valeurs de déphasage dans le tableau ci-dessous pour une fréquence centrale d'utilisation de 15 GHz DEPHASAGE 90" 1800 Bol 850 90" ssL1 49" 10 ssL2 750 97" Ct 0,035 pF 0,04 pF Z0 100 Q 100 Q Z'0 100 Q 90 Q est la constante linéique de propagation sur les lignes. Des mesures ont montré que les pertes d'insertion d'un tel déphaseur élémentaire ne dépassent pas 1,7 dB lorsque les diodes sont polarisées en direct et 0,8 dB lorsqu'elles sont polarisées en inverse et que la dispersion du déphasage ne dépasse pas 3 dans la bande de fréquences 14,5 a 15,5 GHz. La figure 6 représente un mode de réalisation d'un déphaseur à commande numérique à trois bits utilisant des déphaseurs élémentaires selon la figure 5. Ces déphaseurs élémentaires sont utilisés pour réaliser les déphasages de 1800 et 900 correspondant aux bits de plus fort poids tandis que la plus faible valeur de déphasage (45 ) est réalisée par un second type de déphaseur à commutation de lignes parallèles. Les déphaseurs élémentaires 1800 et 900 comprennent chacun a ligne principale 10 formant un méandre 32, 42, un tronçon de ligne commutable 31, 41 connecté par les diodes série 35, 36 et 45, 46 et une ligne quart d'onde 34, 44 ouverte connectée au milieu du méandre par une diode shunt 37, 47 faisant face à une échancrure 33, 43 de la ligne principale. Les tensions respectives de commande V1, V2 sont appliquées entre la ligne principale et les lignes quart d'onde 34, 44 et les tronçons de ligne 31, 41. Le déphaseur 450 est constitué par deux tronçons de ligne 50, 51 en parallèle sur a ligne principale 10 et connectés à celle-ci par deux diodes série 52, 53. Ces diodes ont également leur cathode connectée à la ligne principale. La tension de polarisation de commande V3 est appliquée entre la ligne principale d'une part et les tronçons de ligne 50, 51 d'autre part. Le calcul des paramètres de ce type de déphaseur s'effectue comme précédemment, par application du théorème de Bartlett. Ces paramètres sont donnés, dans les mêmes conditions que ci-dessus, dans le tableau suivant DEPHASAGE 45o Sol'1 29 ssL'2 42" Z0 100 n Z'o 100 n où 2 L'1 est la longueur de ligne principale d'impédance ZO entre les diodes 52, 53 et L'2 est la longueur de tronçon de ligne en parallèle 50 ou 51 d'impédance Z'O. Bien que différentes dispositions soient envisageables, il est apparu que l'ordre des déphaseurs en série à partir de l'entrée, 1800 90" - 45 , était celui qui donnait le moins de dispersion des caractéristiques dans la bande utile. La ligne principale est ininterrompue et est à la masse en continu, ce qui est symbolisé par une ligne en pointillé tout le long de la ligne principale. On voit apparaître ici un des avantages essentiels du déphaseur de la figure 6. En effet, il n'y a aucun besoin d'isoler en continu les déphaseurs élémentaires l'un de l'autre. Il n'y a donc pas besoin de couper la ligne principale pour y insérer des capacités d'isolement, et une seule tension de polarisation est utilisée par déphaseur élémentaire, ce qui simplifie notablement le système de polarisation. On peut remarquer que la mise à la masse en continu s'effectue de manière immédiate si un tel déphaseur à commande numérique est utilisé pour l'alimentation d'une source élémentaire d'antenne réseau à doublet court-circuité. Bien entendu, les exemples de réalisation décrits ne sont nullement limitatifs de l'invention. REVENDICATIONS 1. Déphaseur élémentaire en ligne microruban à commutation de lignes de transmission à l'aide de diodes P.I.N. caractérisé en ce qu'il comprend une ligne principale (10) formant un méandre (12) a symétrie axiale, un tronçon de ligne commutable (11), deux diodes série (15, 16), pour relier les extrémités du tronçon de ligne aux extrémités duméandre de la ligne principale, une ligne quart d'onde (14) ouverte à une extrémité et une diode shunt (17), pour relier l'autre extrémité de ladite ligne quart d'onde au point milieu du méandre situé sur son axe de symétrie, et en ce que les diodes série (15, 16) et shunt (17) sont toutes reliées à la ligne principale (10, 12) par la même électrode (cathode ou anode), une tension de polarisation unique de commande (V) étant appliquée entre, d'une part, la ligne principale et, d'autre part, le tronçon de ligne (11) et la ligne quart d'onde (14). 2. Déphaseur élémentaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ligne principale est à la masse en continu et en ce qu'une échancrure (13) est découpée dans la ligne microruban du méandre (12), en face du point de connexion de la diode shunt (17), pour compenser la capacité équivalente à ladite diode shunt lorsqu'elle est polarisee en sens inverse. 3. Déphaseur a commande numérique à n bits en ligne microruban, caractérisé en ce qu'il comprend,en série, p déphaseurs élémentaires (18oe, 90 ), selon l'une des revendications 1 ou 2, et n-p seconds déphaseurs (45 ) à tronçons de ligne en parallèle, tous ces déphaseurs utilisant la même ligne principale non interrompue et mise à la masse en continu qui forme p méandres (32, 42) pour les p déphaseurs élémentaires, en ce que les n-p seconds déphaseurs comprennent chacun au moins deux tronçons de ligne (50, 51) connectés en parallèle sur la ligne principale par des diodes série (52, 53), dont l'électrode reliée à la ligne principale est la même que pour toutes les diodes des autres déphaseurs, une tension de polarisation de commande (V3) unique pour chaque second déphaseur étant appliquée entre, d'une part, la ligne principale (10) et, d'autre part, chacun des tronçons de ligne en parallèle (50, 51? du second déphaseur considéré, et en ce que les longueurs du méandre (32, 42) et du tronçon de ligne commutable (31, 41) de chaque déphaseur élémentaire sont déterminées pour fournir la valeur de déphasage correspondant au poids du bit de commande du déphaseur élémentaire considéré. 4. Déphaseur à commande numérique selon la revendication 3, caractérisé en ce que les déphaseurs élémentaires et les seconds déphaseurs sont disposés en série dans l'ordre des poids décroissants des bits de commande, les déphaseurs élémentaires (1800, 900) fournissant les valeurs de déphasage les plus élevées.