Brevet FR2629641A1 — publié le 19891006

CIRCUIT DEPHASEUR HYPERFREQUENCE L'invention concerne les circuits déphaseurs hyperfréquence et, plus particulièrement, les circuits déphaseurs hyperfréquence qui réalisent des déphasages élémentaires sous la commande de signaux électriques et qui peuvent être groupés pour obtenir des déphasages qui sont des multiples entiers des déphasages élémentaires. En hyperfréquence, on utilise des lignes de propagation qui peuvent prendre différentes formes et les figures 1 à 4 sont respectivement des vues qui représentent respectivement une ligne de propagation à fente et une ligne de propagation à ruban plus connue sous le nom de ligne microstrip. Une ligne à fente(figures 1 et 2) est constituée par une ouverture 1 pratiquée dans une couche métallique 2 déposée sur un substrat diélectrique 3. Le support diélectrique assure la tenue mécanique des conducteurs métalliques et constitue le milieu de propagation de l'onde hyperfréquence dont l'énergie se trouve concentrée entre les bords 4 et 5 de la fente. Sur la figure 2, des lignes de force du champ électrique E ont été représentées en pointillés et celles du champ magnétique en traits pleins. L'épaisseur du matériau diélectrique est liée à sa nature et la largeur de la ligne à fente détermine l'impédance caractéristique de la ligne. La ligne de propagation à ruban (figures 3 et 4) comporte une plaque diélectrique 7 disposée entre un ruban 6 et un plan métallique 8 appelé également plan de masse. Comme pour la ligne à fente des figures 1 et 2, la presque totalité de l'énergie est concentrée dans le diélectrique 7. Sur la figure 4, les lignes de force du champ électrique E ont été représentées en pointillés. Le matériau dielectrique utilisé dans les deux lignes à fente ou à ruban peut être un polytétrafluoréthylène, un oxyde de béryllium, une céramique d'aluminium, un quartz ou un ferrite. Outre une fonction de propagation, les lignes à fente ou à ruban peuvent réaliser séparément une fonction de déphasage en les configurant de différentes manières. C'est ainsi qu'en mettant en oeuvre une technologie du type ligne à ruban, on peut réaliser les déphaseurs dits à commutation de ligne, à perturbations, ou à coupleurs 3 db/90 . Pour une description de ces déphaseurs de l'art antérieur, qu'ils soient du type à ligne à fente ou ligne à ruban, on peut se reporter à de nombreux articles dans la revue IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES et notamment un article de Elio A MARIANI et autres - Vol MTT-17 n 12 - décembre 1969 pages 1091 à 1096 intitulé "Slot Line Characteristics" ainsi qu'un article de J.F. WHITE Mars 1965 pages 232 à 242 intitulé "High Power, p-i-n Diode Controlled Microwave Transmission Phase Shifters". Dans certaines applications, il est nécessaire de passer d'un type de ligne à un autre et il a été proposé, à cet effet, de nombreux dispositifs de couplage. Ces dispositifs de couplage ne sont en général pas prévus pour réaliser en même temps un circuit déphaseur dont la valeur du déphasage serait contrôlée. Lorsqu'un déphasage déterminé doit être introduit, le montage est modifié pour insérer un circuit déphaseur de tout type connu avant ou après le dispositif de couplage, ce qui augmente les pertes, complique le montage et le rend plus volumineux. Il existe donc un besoin pour des dispositifs de couplage à déphaseur incorporé ou inversement pour des dispositifs déphaseurs incorporés dans des dispositifs de couplage. Un but de la présente invention est donc de réaliser dans une même structure un changement de ligne de propagation et un déphasage contrôlé de l'onde incidente, ce qui entraine une réduction des pertes et de l'encombrement. L'invention se rapporte à un circuit déphaseur hyperfréquence caractérisé en ce qu'il comprend: - un substrat en matériau diélectrique dont l'une des faces comporte une ligne à fente tandis que l'autre face comporte une ligne à ruban en forme de chandelier à deux branches parallèles reliées par un bras transversal perpendiculaire à la direction de la ligne à fente, les longueurs des branches du chandelier étant différentes de b/4 si b est la longueur d'onde des signaux hyperfréquence. - deux diodes PIN connectées chacune entre l'extrémité d'une branche et le potentiel de la masse, - des moyens pour rendre les diodes PIN simultanément passantes ou bloquées de manière à introduire une variation d'impédance identique dans chaque branche et obtenir ainsi une variation de phase déterminée entre - l'onde d'entrée appliquée sur une ligne et l'onde de sortie apparaissant sur l'autre ligne, au moment du changement d'état desdites diodes. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un exemple particulier de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints dans lesquels - la figure 1 est une vue de dessus d'une ligne à fente; - la figure 2 est une vue en coupe de la ligne à fente suivant la ligne II-II de la figure i; - la figure 3 est une vue de dessus d'une ligne à ruban ou ligne microstrip; - la figure 4 est une vue en coupe de la ligne à ruban suivant la ligne IV-IV de la figure 3; - la figure 5 est une vue en perspective cavalière d'un circuit déphaseur hyperfréquence selon l'invention, et - les figures 6,7 et 8 sont des schémas qui permettent de comprendre le fonctionnement du circuit déphaseur hyperfréquence selon l'invention. Les figures 1 à 4 ont été décrites succinctement dans le préambule pour définir le domaine de l'invention, c'est-à-dire celui des lignes à fente et à ruban. La figure 5 est une vue en perspective qui montre de manière schématique un circuit déphaseur hyperfréquence qui comprend un substrat 10 en matériau diélectrique analogue à celui portant la référence 3 ou 7 sur les figures 2 et 4. La face inférieure du substrat 10 est recouverte d'une couche métallique 11 dans laquelle est pratiquée une fente 12 rectiligne d'une certaine largeur d, par exemple par action chimique, de manière à réaliser une ligne à fente du type de celle décrite en relation avec les figures 1 et 2. Cette fente 12 ne s'étend pas sur toute la longueur du substrat et se termine à une extrémité 40 par un court- circuit constitué par la couche métallique 11. L'autre extrémité 41 de la ligne à fente est ouverte. La face supérieure 14 du substrat 10 comporte un ruban appelé microstrip, ayant une forme particulière. Il comprend un bras central 16 et deux bras latéraux 17 et 18 qui sont connectés au bras central 16 par un bras transversal 23, l'ensemble des bras réalisant une structure ayant la forme d'un chandelier à deux branches de longueurs inégales. Le bras 17, par exemple, a une longueur qui est supérieure de b/4 à celle du bras 18 pour des raisons qui seront expliquées ci-après, b étant la longueur d'onde des signaux hyperfréquence transmis par la ligne. Les extrémités 19 et 20 des bras 17 et 18 sont connectées chacune à la cathode d'une diode PIN 21 et 22 dont l'anode est connectée à la masse. Ces diodes 21 et 22 ont été représentées sous leur forme électrique mais on comprend, qu'en pratique, elles se présentent sous la forme d'un composant que l'on câble sur le substrat 10 en connectant les bornes de sortie, l'une à l'extrémité d'une branche 17 ou 18 et l'autre au potentiel de la masse. Ces diodes 21 et 22 sont polarisées par des circuits de polarisation de type classique qui comprennent, pour la diode 22 par exemple, une bobine de choc 30 et un condensateur de découplage 31 pour la cathode de la diode et une bobine de choc 32 et un condensateur de découplage 33 pour l'anode de la diode. La tension de polarisation Vp est appliquée entre les points 34 et 35 des circuits de polarisation. Sur la figure 5, on a représenté les diodes 21 et 22 connectées dans un certain sens entre l'extrémité de la branche et le potentiel de la masse. Bien entendu, elles peuvent être connectées dans l'autre sens, l'important étant qu'elles puissent être conductrices ou bloquées selon la tension de polarisation Vp qui leur est appliquée. Les positions de la ligne à fente 12 et de la ligne à ruban doivent être telles que la ligne à fente soit alignée avec le bras central 16 et que son extrémité 30 aboutisse sous le bras 16 de manière à obtenir le meilleur couplage possible. Par ailleurs les longueurs du bras transversal 23 de part et d'autre du bras central 16 sont égales. Le fonctionnement du circuit déphaseur hyperfréquence qui vient d'être décrit en relation avec la figure 5 sera maintenant expliqué & l'aide des figures 6, 7 et 8. Les bras 16, 17 et 18 réalisent un diviseur de puissance pour l'onde incidente transmise par la ligne 16 à la manière d'un Té magique. Il est connu que dans un Té magique (figure 6), l'onde incidente 25 à l'entrée 26 se partage en deux ondes d'amplitudes A et phases 4 égales sur les voies 27 et 28, la voie 29 étant découplée. Il est également connu (figure 7) que deux ondes de même amplitude A mais en opposition de phase qui sont appliquées sur les voies 27 et 28 se combinent en phase sur la voie 29, la voie 26 étant découplée. Dans le cas du circuit déphaseur de la figure 5, par suite du bras 17, qui a une longueur supérieure de b/4 à la longueur du bras 18 (figure 8), l'onde incidente en 16, après partage dans les deux bras latéraux, est réfléchie par les extrémités 19 et 20 desdits bras mais les ondes réfléchies ont une différence de phase de 180 due à une différence de longueur des trajets égale à b/2. Il en résulte qu'elles ne peuvent pas sortir par l'entrée 16 mais par la ligne à fente 12, le couplage avec cette dernière étant réalisé par l'intermédiaire du bras transversal 23. A titre illustratif, on a représenté sur la figure 5 les sens des champs électriques el et e2 dans le substrat 10 sous le bras transversal 23 et le champ électrique e3 résultant de leur combinaison dans la ligne à fente 12. Le fonctionnement du circuit déphaseur a été décrit pour un certain sens de propagation - ligne à ruban vers ligne à fente - mais il est clair que le circuit déphaseur fonctionne également dans l'autre sens de propagation - ligne à fente vers substrat. La variation du déphasage entre l'onde entrant par la ligne à ruban 16 et l'onde sortant par la ligne à fente 12 dépend de la variation d'impédance présentée par les diodes 21 et 22 selon qu'elles sont simultanément bloquées ou conductrices, leur état dépendant de la tension de polarisation Vp qui leur est appliquée. Il est à remarquer qu'il existe un certain déphasage entre les ondes d'entrée et de sortie pour un certain état des diodes et que ce déphasage est modifié lorsque les diodes passent dans l'autre état de sorte qu'il en résulte une variation du déphasage entre les deux états successifs des diodes. De manière plus précise, la variation du déphasage à obtenir est calculée en fonction de l'impédance de ligne, de la longueur de la ligne et de la capacité de la diode, les calculs étant effectués conformément à l'art antérieur connu tel que celui cité dans le préambule. On peut ainsi réaliser des circuits déphaseurs qui introduisent des déphasages élémentaires de 22,5 45 ou 90' dans des bandes de fréquence de %. Par ailleurs, ces circuits déphaseurs élémentaires peuvent être assemblés pour réaliser différentes combinaisons des déphasages élémentaires. Chaque déphasage élémentaire est obtenu en rendant les diodes 21 et 22 simultanément passantes ou bloquées. Les circuits déphaseurs d'un groupe peuvent être assemblés de diverses manières et l'une d'entre elles consiste à utiliser un même substrat sur lequel sont réalisés les différentes transitions ligne à fente/ligne à ruban. Le couplage entre les circuits déphaseurs adjacents peut être réalisé de diverses façons, par exemple un couplage ligne à fente/ligne à fente, ou un couplage ligne à ruban/ligne à ruban, ou encore un couplage ligne à fente/ligne à ruban et vice versa. couplage ligne à fente/ligne à ruban et vice versa. REVENDICATION 1. Circuit déphaseur hyperfréquence caractérisé en ce qu'il comprend: - un substrat (10) en matériau diélectrique dont l'une des faces comporte une ligne à fente (12) tandis que l'autre face comporte une ligne à ruban (16, 17, 18) en forme de chandelier à deux branches parallèles (17, 18) reliées par un bras transversal (23) perpendiculaire à la direction de la ligne à fente (12), les longueurs des branches du chandelier étant différentes de b/4 si b est la longueur d'onde des signaux hyperfréquence, - deux diodes PIN (21, 22) connectées chacune entre l'extrémité (19 ou 20) d'une branche (17 ou 18) et la masse, et - des moyens pour rendre les diodes PIN (21, 22) simultanément passantes ou bloquées de manière à introduire une variation d'impédance identique dans chaque branche et obtenir ainsi une variation de phase déterminée entre l'onde d'entrée appliquée sur une ligne et l'onde de sortie apparaissant sur l'autre ligne au moment du changement d'état desdites diodes. 2. Circuit déphaseur caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs circuits déphaseurs selon la revendication 1 disposés en série, chaque circuit déphaseur étant prévu pour introduire une variation de phase déterminée lors du changement d'état desdites diodes. 3. Circuit déphaseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits circuits déphaseurs sont réalisés sur un même substrat. 4. Circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce que deux circuits déphaseurs adjacents sont couplés par l'intermédiaire de leur ligne à fente (12). 5. Circuit déphaseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que deux circuits déphaseurs adjacents sont couplés par l'intermédiaire de leur ligne à ruban (16). 6. Circuit déphaseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que deux circuits déphaseurs adjacents sont couplés par une transition ligne à fente/ligne à ruban ou vice versa.