Brevet FR2628894A1 — publié le 19890922

( RÉPUBLIQUE FRAN AISE Q N' de publication: 2 628 894 (à n'utiliser que pour les INSTITUT NATIONAL commandes de reproduction) DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE No d'enregistrement national 88 03526 PARIS O Int CI4: H 01 P 5/00. DEMANDE DE BREVET D'INVENTION Al Date de dépôt: 18 mars 1988. () Demandeur(sh: Société dite: THOMSON-CSF, Société anonyme. - FR. () Priorité: Iniventeur(s): Guy Benahim. Jean Michel Dutaut et Jean, Claude Giraudon, Thomson-CSF S.C.P.I. 4 Date de la mise à disposition du public de la demande: BOPI " Brevets" n 38 du 22 septembre 1989. ) Références à d'autres documents nationaux appa- rentés ( Titulaire(s): ( Mandataire(s) Monique Benoit, Thomson-CSF. S.C.P. - Combineur diviseur multivoie. ( L'invention concerne un dispositif pour combiner ou divi- -t; ser les puissances de signaux électromagnétiques et plus particulièrement un dispositif du mode radial. Dans un combineur/diviseur qui comprend deux disques métalliques 20 21, définissant un espace annulaire de propaga- l tion. chaque voie est séparée de la voie adjacente par une fente radiale 43 qui est disposée dans le disque inférieur 20 et s qui s'étend de l'ouverture centrale 25 à la couronne périphé- - rique 22. En outre, chaque voie ainsi définie comporte une échine radiale 33. L'invention est applicable aux émetteurs, notamment ceux I utilisés dans les radars. N N oe L. D Vente des fascicules r'IMPRIMERIE NATIONALE. 27, rue de la Convention - 75732 PARIS CEDEX 15 COMBINEUR/DIVISEUR MULTIVOIE L'invention concerne les dispositifs pour sommer ou combiner N signaux hyperfréquence équiphase et équiamplitude qui proviennent de N amplificateurs de puissance ou voies; elle concerne également ces mêmes dispositifs dans lesquels un signal hyperfréquence est distribué ou divisé de manière identique sur N canaux ou voies. Les derniers étages de puissance des émetteurs hyperfréquence, notamment ceux utilisés dans les radars, sont de plus en plus réalisés à l'aide de dispositifs à semiconducteurs. Comme la puissance fournie par les semiconducteurs n'atteint pas encore celle des tubes, il est prévu de combiner les signaux de sortie de plusieurs voies identiques pour obtenir par addition la puissance requise. Cette combinaison ou sommation peut être réalisée de différentes manières. L'une de ces manières consiste à utiliser une structure du type coupleurs en cascade comme le montre la figure 1. Cette structure comprend par exemple un nombre k de coupleurs diviseurs Dk à Dl disposés en série qui divisent la puissance d'entrée Pe dans les rapports 1/k et k/k+l de manière à aiguiller un signal de puissance Pe/k+l vers un amplificateur Ak de gain G et un signal de puissance kPe/k+l vers l'entrée du coupleur suivant. Les signaux amplifiés sont recombinés à l'aide de k coupleurs combineurs ou additionneurs Cl à Ck qui ont les mêmes rapports définis ci-dessus pour les coupleurs diviseurs D1 à Dk de manière à additi nner les signaux qui sont appliqués à leurs deux entrées. Une telle structure permet d'utiliser des amplificateurs de puissance AO à Ak à semiconducteurs dont les signaux de sortie sont combinés dans les coupleurs Ck à C1 de sorte que la puissance Pe du signal à l'entrée de la structure est multiplié par un gain G. Cette structure présente l'inconvénient majeur de présenter des pertes d'insertion importantes de sorte que son efficacité diminue rapidement avec le nombre de voies d'amplification utilisées. En outre, il est nécessaire d'obtenir des valeurs de couplage très précises, d'autant plus précises que le nombre de voies est élevé. Une autre structure qui est utilisée est celle du type chandelier telle que celle montrée schématiquement par la figure 2. Sur cette figure, on n'a représenté que la partie correspondant à la combinaison ou l'addition des signaux de sortie de N=8 (N=2n) amplificateurs A1 à AN mais on comprend que les signaux d'entrée de ces amplificateurs sont obtenus par un réseau diviseur du type chandelier. Les N signaux de sortie des amplificateurs A1 à AN sont appliqués deux à deux à N/2=4 combineurs a deux voies B1 à B4 qui sont connus sous le nom de combineurs du type "Wilkinson deux voies". A leur tour, les N/2=4 signaux résultant de la combinaison sont appliqués à N/4=2 combineurs B5 et B6 et ainsi de suite jusqu'à ne plus avoir qu'une seule sortie, celle du combineur B7 quand N=8. Une telle structure permet d'obtenir un bon découplage entre les différentes voies mais les pertes d'insertion sont proportionnelles au nombre d'éléments mis en série. Une troisième structure utilisée pour réaliser un combineur/diviseur est celle du type radial mettant en oeuvre une technologie dite à ruban ou microstrip. Elle est constituée, comme le montre la figure 3, qui est une vue de dessus, d'un substrat 1 de forme circulaire en un matériau diélectrique qui est métallisé sur la face inférieure. La face supérieure du substrat 1 est divisée en N=12 secteurs métalliques correspondant chacun à une ligne radiale Sl & SN qui se termine par une ligne microstrip L1 à LN reliée respectivement à une borne D1 à DN. Le centre des secteurs radiaux est couplé à une ligne coaxiale non représentée. Des résistances R1 à RN sont connectées entre les différentes voies pour absorber les différences d'énergie entre les voies en cas de dissymétries qui pourraient apparaître entre les voies. Cette structure a une grande efficacité, de l'ordre de %, mais elle ne peut convenir que pour des puissances relativement faibles de l'ordre de cinquante watts en valeur moyenne et un à deux kilowatts en valeur crête au centre. Enfin, pour des puissances plus importantes en valeur crête, de l'ordre de plusieurs kilowatts, on utilise une structure de type radial mais dans laquelle la propagation des ondes a lieu suivant un mode radial. Comme le montrent les figures 4 et 5, qui sont, la première une vue de dessus partiellement ouverte et la deuxième une vue en coupe diamétrale suivant la ligne V.V de la figure 4, la structure comprend deux disques parallèles 10 et 11 qui définissent entre eux un espace circulaire 12 se terminant à la périphérie des disques par une paroi 13. Cette paroi 13 supporte N=16 sorties coaxiales 14 gui sont connectées chacune à un coupleur disposé à la périphérie interne de l'espace circulaire 12. Le disque supérieur ne comporte pas d'ouverture, mais le disque inférieur 10 est ouvert en son centre pour mettre en place un couDleur 16 dont la partie centrale 17 a une forme évasée à partir d'un barreau cylindrique 18 et dont la partie latérale 19 est de forme cylindrique à section circulaire, l'ensemble barreau-cylindre réalisant une ligne coaxiale. En mode diviseur, les signaux pénètrent au centre du disque et l'effet de la partie évasée 17, appelée suivant le terme anglo-saxon "door knob", est de modifier progressivement la distribution du champ électrique pour qu'il se propage entre les deux disques et 11. La densité du champ électrique diminue au fur et à mesure que l'on s'éloigne du centre et il en résulte une division par N lorsqu'il est recueilli par N coupleurs 15. Inversement, en mode combineur dans lequel des signaux sont appliqués aux coupleurs 15, les champs électriques ainsi que les courants radiaux associés sont de plus en plus intenses en direction de la partie centrale et il en résulte une addition des signaux appliqués à condition que ces derniers soient de même phase et de même amplitude. Un tel dispositif de ce type est par exemple décrit dans l'article de Bobby J. Sanders paru dans la revue Microwaves de novembre 1980 pp 55-58 et intitulé "Radial Combiner Runs Circles Around Hybrids". Ce type de structure a une très bonne efficacité et permet de combiner de nombreuses voies, N=110 dans l'article précité, ainsi que d'obtenir des puissances crête de l'ordre de quelques kilowatts. Cependant, le principal inconvénient est que le découplage entre les voies est donné par 10log l/N, soit -13db pour N=20, de sorte que, en mode combineur, l'onde de retour reçu par un coupleur 15, lorsque plusieurs coupleurs ne sont pas alimentés peut être très élevé et occasionner des dégradations des amplificateurs en fonctionnement. Un but de la présente invention est de réaliser un combineur/diviseur multivoie du type radial qui présente un découplage amélioré de manière à supporter un nombre accru de coupleurs non alimentés sans risque de dégradation des amplificateurs associés aux coupleurs alimentés. L'invention se rapporte à un combineur/diviseur multivoie du type radial pour signaux hyperfréquence de longueur d'onde b qui-comprend - une paire de disques métalliques de forme circulaire ou polygonale séparés par un espace d'épaisseur e, le disque inférieur servant de support et présentant une ouverture centrale circulaire dans laquelle est disposé un coupleur entre une ligne coaxiale et le guide constitué par les deux disques, - une couronne périphérique qui est fixée aux disques inférieur et supérieur sur laquelle sont connectées N lignes coaxiales externes ainsi que N coupleurs internes correspondants qui sont disposés régulièrement sur ladite couronne, caractérisé en ce qu'un disque au moins présente N fentes radiales qui s'étendent entre la couronne et l'ouverture centrale et qui sont disposées de part et d'autre de chaque coupleur de manière à définir N voies de transmission séparées. Les fentes radiales ont une longueur qui est un multiple entier de b/4 et comportent à chaque distance b/4 une résistance d'absorption. Chaque voie de transmission est munie d'une échine radiale qui s'étend du centre au coupleur et qui peut être de hauteur variable. Le coupleur est réalisé à l'aide d'une palette qui a la forme d'un secteur annulaire et qui est surmonté d'une échine radiale dont la hauteur peut être variable. Lorsque les fentes radiales ne s'étendent pas jusqu'au centre, le disque supérieur présente des fentes radiales qui prolongent celles du disque inférieur. Il est prévu des moyens d'absorption de l'énergie hyperfréquence qui est rayonnée par les fentes radiales. Bien entendu, les rôles des disques inférieur et supérieur peuvent être intervertis. En outre, les échines radiales peuvent être disposées sur chaque disque à condition qu'elles ne soient pas en contact. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints dans lesquels: - la figure 1 est un combineur/diviseur multivoie du type coupleurs en cascade selon l'art antérieur, - la figure 2 est un combineur/diviseur multivoie du type chandelier selon l'art antérieur, - la figure 3 est un combineur/diviseur multivoie du type radial en technologie microstrip selon l'art antérieur, - les figures 4 et 5 sont des vues de dessus et en coupe d'un combineur/diviseur multivoie en mode radial selon l'art antérieur, - les figures 6 et 7 sont respectivement des vues de dessus et en coupe d'un combineur/diviseur multivoie selon la présente invention, - la figure 8 est une vue de dessus d'un coupleur et d'une échine selon l'invention, et - la figure 9 est une vue en coupe selon la ligne IX-IX de la figure 8. Les figures 1 à 5, qui montrent des structures suivant l'art antérieur, ont été décrites succinctement dans le préambule. Le combineur/diviseur multivoie selon l'invention sera décrit en relation avec les figures 6 à 9. Il comprend, comme dans la structure de l'art antérieur des figures 4 et 5, deux disques métalliques de forme circulaire, l'un inférieur 20 et l'autre supérieur 21, qui sont séparés l'un de l'autre par une distance e imposée par la- hauteur d'une paroi périphérique ou couronne 22. Cette paroi 22, qui repose sur le disque inférieur 20, est métallique et de forme circulaire ou polygonale. Cette paroi sert de support du côté extérieur, a des connecteurs coaxiaux 41 au nombre de N=16 uniformément répartis sur le pourtour et sur lesquels viennent s'enficher des câbles coaxiaux non représentés sur la figure. Du côté intérieur, c'est-à-dire dans l'espace annulaire 23 entre les deux disques 20 et 21, chaque conducteur central des connecteurs coaxiaux 41-est fixé a chacun des N=16 coupleurs 24 qui seront décrits plus en détail en relation avec les figures 8 et 9. La paroi 22 sert de support et de fixation aux deux disques 20 et 21 par l'intermédiaire de perçages, de trous taraudés et de vis associés qui n'ont pas été représentés. Le disque supérieur 21 est plein mais peut comporter des ouvertures radiales comme cela sera expliqué ci-après. Le disque inférieur 20 présente une ouverture centrale circulaire 25 au milieu de laquelle est disposée une tige cylindrique 26 d'un élément 27 en forme de soupape, soupape dont la tête 30 vient en contact avec le disque supérieur 21 et y est fixé par tous moyens connus. Au bord 28 de l'ouverture circulaire 25 est fixé un manchon ou fût cylindrique 29 qui coopère avec la tige 26 pour former une ligne coaxiale. Par ailleurs, la tête 30 de l'élément 27 et notamment la partie évasée, coopère avec l'espace annulaire 23 pour réaliser un couplage électromagnétique entre la ligne co:xiale et ledit espace 23. Le couplage est obtenu par une modification progressive de l'orientation du champ électrique comme le montrent les flèches 31 représentant le sens dudit champ. Selon l'invention, il est proposé de séparer les coupleurs 24 les uns des autres par des fentes radiales 43 qui s'étendent non seulement sur la longueur radiale des coupleurs 24 mais qui se prolongent vers le centre jusqu'à une certaine distance du bord circulaire 28. La longueur et la largeur des fentes doivent être compatibles avec une bonne tenue mécanique non seulement du disque inférieur 20, mais aussi de l'ensemble puisque ce dernier supporte le reste de la structure. En outre, du point de vue électromagnétique, les fentes radiales ont une longueur égale à 3b/4 si b est la longueur d'onde des ondes électromagnétiques. Ces N= 16 fentes définissent entre elles N voies en parallèle qui se comportent comme des lignes à ruban ou microstrip. Pour absorber les dissymétries entre les voies, des résistances 32 sont disposées à une distance b/4 de chaque extrémité des fentes radiales et sont donc séparées entre elles de b/4 dans le cas d'une fente de longueur 3b/4. Selon l'invention, il est également proposé de placer une échine métallique radiale 33 au centre de chaque voie, cette échine s'étendant du coupleur 24 vers le centre. Cette échine 33 a tendance à concentrer le champ électrique au niveau de chaque voie. Les figures 8 et 9 correspondent à un exemple particulier de réalisation d'une échine 33 associée à un coupleur 24. En coupe verticale (figure 9), l'échine 33 présente à partir du centre une arête inclinée 34 qui se continue vers la périphérie par une arête horizontale 35 dont la hauteur h est inférieure à la distance e entre les deux disques 20 et 21. Les échines 33, dont l'épaisseur est de quelques millimètres, sont fixées sur le disque inférieur 20 par un système de trous taraudés 36 coopérant avec des vis et des orifices du disque inférieur 20 (non représentés). Chaque échine 33 vient en contact mécanique et électrique avec un coupleur associé 24 qui est constitué par une palette métallique 37. Cette palette 37 a, en coupe radiale, la forme générale de la lettre L dont une branche 38 repose et est fixée sur le disque inférieur et dont l'autre branche 42 est reliée électriquement au conducteur central du connecteur coaxial 41. Le dessus de chaque palette 37 est surmonté d'une échine 38 qui est disposée radialement dans le prolongement de l'échine 33; En coupe verticale, cette échine présente une arête inclinée 39 dont la crête 40 surplombe l'échine 33 et dont la hauteur s'amenuise dans la direction de la couronne 22. Le couplage électromagnétique entre chaque borne coaxiale 41 et la palette associée est réalisé par tous moyens connus et notamment en connectant l'âme 44 de la ligne coaxiale 41 à la palette (orifice 45) de manière à réaliser une ligne triplaque court-circuitée à b/4 (longueur radiale de la palette) Le couplage électromagnétique entre chaque palette 37 et la voie associée est obtenu par une transformation de type "Balun" entre une ligne symétrique coaxiale et une ligne dissymétrique en mode TEM radial. Vue de dessus (figure 8), la palette a la forme d'un secteur circulaire qui a une longueur radiale de b/4 et une largeur angulaire légèrement inférieure à 360'/N=22'5 si N=16. Dans l'exemple particulier de réalisation qui vient d'être décrit en relation avec les figcres 6 & 9, les fentes radiales s'étendent entre la couronne et l'ouverture centrale du disque inférieur 20. Dans certaines applications dans lesquelles le rayon des disques est supérieur à 3b/4, il peut être préférable, notamment pour des raisons de tenue mécanique, de ne pas augmenter la longueur radiale de ces fentes en laissant, au niveau de l'ouverture centrale une zone sans fentes. Dans ce cas, il est proposé de réaliser des fentes radiales sur le disque supérieur au voisinage de la tête de l'élément 27. Ces nouvelles fentes radiales sont situées dans des plans verticaux qui contiennent également les fentes radiales du disque inférieur de manière à constituer le prolongement de ces dernières avec ou sans recouvrement. Par suite de la présence des fentes radiales, une partie de l'énergie électromagnétique est rayonnée en cas de dissymétries. Aussi, il est proposé, d'absorber ce rayonnement en disposant des matériaux absorbants au voisinage des fentes à l'extérieur de l'espace 23. Les dispositifs réalisés selon l'invention permettent d'obtenir un découplage de -20 décibels entre voies pour N=20 à comparer avec -13 décibels dans les dispositifs de l'art antérieur pour le même nombre de voies. L'invention a été décrite en relation avec un exemple particulier de réalisation mais elle peut être mise en oeuvre de manière plus générale. Ainsi, les rôles des disques inférieur et supérieur peuvent être intervertis tout en obtenant les résultats de l'invention. Egalement, les fentes radiales peuvent avoir des longueurs autres que 3b/4, par exemple b/4, b/2 ou un autre multiple entier de b/4. Avec ces nouvelles longueurs de fentes, les résistances sont placées à des distances b/4 l'une de l'autre le long de chaque fente. En outre, les échines peuvent être disposées sur chaque disque à condition de ne pas être en contact électrique entre elles. Enfin, dans l'exemple particulier décrit ci-dessus, les fentes peuvent être réalisées sur le disque supérieur au lieu de l'être sur le disque inférieur. REVENDICATIONS l.Combineur/diviseur multivoie pour signaux hyper- fréquence de longueur d'onde b qui comprend: - une paire de disques métalliques (20, 21) de forme circulaire ou polygonale, séparés par un espace d'épaisseur e, le disque inférieur (20) présentant une ouverture centrale circulaire dans laquelle est disposé un coupleur (24) entre une ligne coaxiale et le guide constitué par les deux disques (20, 21), - une couronne périphérique (22) qui est fixée aux disques inférieur (20) et supérieur (21) et sur laquelle sont connectées N lignes coaxiales externes ainsi que N coupleurs internes (24) correspondants qui sont disposés régulièrement sur ladite couronne (22), caractérisé en ce qu'un disque au moins présente N fentes radiales (43) qui s'étendent entre la couronne (22) et l'ouverture centrale (25) et qui sont disposées de part et d'autre de chaque coupleur de manière a définir N voies de transmission séparées. 2.Combineur/diviseur selon la revendication 1 caractérisé en ce que chaque fente radiale (43) a une longueur voisine de b/4 ou d'un multiple entier de - b/4. 3.Combineur/diviseur selon la revendication 2,' caractérisé en ce que les bords de chaque fente radiale (43) sont connectés par des résistances (32) disposées à des distances b/4 l'une de l'autre. 4.Combineur/diviseur selon la revendication 1 2 ou 3, caractérisé en ce que chaque voie de transmission comprise entre deux fentes radiales comporte une échine radiale (33) qui s'étend du coupleur vers le centre. 5. Combineur/diviseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'échine radiale (33) est fixée sur au moins un disque. 6. Combineur/diviseur selon la revendication 4 ou 5 caractérisé en ce que la hauteur de l'échine radiale (33) est inférieure à la distance e entre les disques circulaires (20, 21). 7. Combineur/diviseur selon la revendication 4,5 ou 6, caractérisé en ce que la hauteur de l'échine radiale (33) est variable. 8. Combineur/diviseur selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 7, caractérisé en ce que le coupleur (24) est constitué d'une palette (37) ayant la forme d'un L dont une branche (38) est fixée à l'un des deux disques tandis que l'autre (42) est reliée électriquement au conducteur central de la ligne coaxiale. 9. Combineur/diviseur selon la revendication 6, caractérisé en ce que lapalette (37) présente une échine radiale (38) dans le prolongement de l'échine radiale (33) de la voie de transmission. lO.Combineur/diviseur selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'échine radiale (38) de la palette (37) du coupleur (24) présente une arête inclinée (39) dont la hauteur décroît vers la périphérie. 11. Combineur/diviseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fentes radiales sur l'un des deux disques (31) ne s'étendent pas jusqu'à l'ouverture centrale (25) et en ce que l'autre disque (21) présente des fentes radiales disposées dans les plans verticaux des fentes radiales du premier disque. 12.Combineur/diviseur selon la revendication 11, caractérisé en ce que les fentes radiales de l'autre disque recouvrent en partie les fentes radiales (33) du premier disque. 13.Combineur/diviseur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour absorber l'énergie hyperfréquence qui est rayonnée par les fentes radiales. 1/4 FIG_1 Dk Dk-1 Dk-2 Di Ak A Akk.2A1 AO Il 2 Ck-1 Ck FIG_2 A2_ 4 A3 AL 5 JZB A6._. 2/4 FIG_4 V 1 - 14 18 IG 5 19 - 2,.11 1,- r' 1139 3/4 FIG_6 /11 FIG_7 23 21 44 g=41 -7z, t 41 é31 20J -4t2 26- v _-29 4/4 FIG-3 4F4 Dll 2 FIG68 37 -.. ,.---. __ _ _ . Ix' i- j.- 1'l, FIG_9 -"33/ 5,39 , 0