Brevet FR2641131A1 — publié le 19900629

ATTENUATEUR DE PUISSANCE POUR MICRO-ONDES La présente invention se rapporte à un atténuateur de puissance à pas d'atténuation multiples pour microondes. I1 est connu de réaliser, pour les hyperfréquences, des atténuateurs de puissance à pas d'atténuation variables à l'aide de diodes PIN montées en serie ou en pa parallèle sur une ligne de transmission et commandées en tension. Ces diodes PIN sont alors utilisées en résistance variable, fonction du courant continu de polarisation qui les traverse. L'entrée sur l'atténuateur est en général réalisée à travers un coupleur 3 dB, de façon à éviter une désadaptation trop importante aux accès. Ces atténuateurs de puissance connus présentent quelques inconvénients. Les diodes PIN utilisées dans ces atténuateurs dissipent une partie non négligeable de la puissance hyperfréquence reçue. Pour certains pas d'atténuation, c'est-à-dire pour certains courants dans la diode PIN utilisée en résistance variable, la puissance nécessairement dissipée dans cette diode peut atteindre 40 % de la puissance incidente. Pour des puissances hyperfréquence trop élevées, on arrive même à des impossibilités car il faudrait alors utiliser des diodes de puissance qui, en raison de leurs éléments parasites propres, sont à prohiber dans le domaine des hyperfréquences.La valeur de la résistance d'une diode PIN en fonction de son courant de polarisation est une loi du type exponentiel de sorte que, si l'on veut obtenir une loi d'atténuation linéaire, il est nécessaire de linéariser cette courbe, ce qui fait appel à l'utilisation de circuits supplémentaires de linéarisation souvent assez complexes. La résistance d'une diode PIN présente une dérive non négligeable en fonction de la température : pour un même courant de polarisation, sa résistance équivalente varie avec la température, et il en est alors de même de l'atténuation correspondante. Dans la plage d'utilisation de ces diodes PIN, leur résistance équivalente doit être relativement élevée, comprise par exemple entre 20 et 100 ohms pour fixer les idées.Or, de telles résistances sont obtenues pour des courants de polarisation qui non seulement sont relativement faiblés, mais encore doivent être assez précis, car ces résistances se situent dans une partie de la courbe courants/ résistances où une faible variation du courant de commande entraine une forte variation de la valeur de la résistance de la diode, ce qui rend finalement cette commande en courant de réalisation très difficile. Enfin, l'utilisation de coupleurs 3dB ou d'autres éléments du même genre pour garder un taux d'ondes stationnaires acceptable aux accès est pénalisante, en raison des pertes propres de ces éléments d'adaptation qui sont loin d'être négligeables. L'invention vise à remédier à ces inconvénients. Elle se rapporte à cet effet à un atténuateur de puissance à pas d'atténuation multiples pour micro-ondes qui est constitué par une ligne de transmission série de longueur voisine du quart de la longueur d'onde correspondant à la fréquence centrale de la bande de fonctionnement de l'atténuateur, et par deux jeux de résistances pures hyperfréquence aptes à être sélectivement branchées en parallèle sur cette ligne sous commande de commutateurs hyperfréquence, dont un premier jeu de résistances adaptées pour les hyper fréquences et aptes à être mises sélectivement en circuit entre un point d'accès amont de cette ligne et la masse, selon que des commutateurs hyperfréquences sont polarisés en blocage ou en saturation ; et un deuxième jeu de résistances hyperfréquence aptes à être sélectivement mises en circuit entre un point aval de cette ligne, situé à une distance du premier point amont sensiblement égale au quart de ladite longueur d'onde correspondant à la fréquence centrale de la bande de fréquence de fonctionnement, et la masse, selon que d'autres commutateurs hyperfréquences sont polarisés eh blocage ou en saturation. Chaque pas d'atténuation est obtenu en actionnant un ou plusieurs des commutateurs amont et des commutateurs aval de façon à obtenir d'une part le taux d'atténuation souhaité, et d'autre part une valeur du taux d'ondes stationnaires aux accès de l'atténuateur qui reste inférieure à une valeur maximale déterminée, par exemple 2. Le pas d'atténuation zéro dB est obtenu en polarisant les commutateurs de manière à ne brancher aucune de ces résistances sur cette ligne, de sorte que le signal hyperfréquence transite alors directement et uniquement par la ligne précitée. Avantageusement, les pas d'atténuation de plus en plus élevés sont réalisés par la mise en parallèle, au point amont précité, de résistances successives, ce qui évite d'avoir à réaliser des résistances de trop faible valeur, dont la précision est moins bonne que celles des résistances de valeur plus élevée, et assure de plus une bonne répartition de la puissance a dissiper tout en assurant une variation de pas progressive, c'est-à-dire sans passage par zéro dB lors du passage d'un pas d'atténuation au suivant. Avantageusement encore, cet atténuateur est conçu pour ne nécessiter le branchement que de deux résistances différentes entre ledit point aval et la masse. De toute façon, l'invention sera bien comprise, et ses avantages et autres caractéristiques ressortiront, au cours de la description suivante d'un exemple non limitatif de réalisation de cet atténuateur de puissance, en référence au dessin schématique annexé dans lequel - Figure 1 est un schéma de principe très simplifié de cet atténuateur de puissance hyperfréquence - Figure 2 est un schéma électrique, toujours de principe mais plus détaillé, de l'atténuateur de la figure 1 ; et - Figure 3 est un réseau de courbes de mesures réalisées sur cet atténuateur, pour différents pas d'atténuation, en fonction de la fréquence et de la température. L'atténuateur hyperfréquence de puissance représenté aux figures 1 et 2 est conçu pour procurer, outre le pas zéro dB qui correspond à une atténuation théoriquement nulle, les pas d'atténuation - 3dB, - 8dB, et - 13dB. En se référant à la figure 1, cet atténuateur comporte, placée en série entre son entrée de signal E et sa sortie de signal S, une ligne de transmission L dont la longueur est voisine du quart de la longueur d'onde A de la fréquence centrale du signal hyperfréquence dans la bande de travail considérée. Entre un point d'accès amont 1 de la ligne L et la masse peuvent être branchées sélectivevement, grâce à un jeu de commutateurs Dol , D2 , Da, une ou plusieurs résistances pures hyperfréquence R1, R2, R3. Par "résistance pure hyperfréquence", on entend une impédance non réactive, ce qui est un cas théorique permettant de simplifier le raisonnement pour une meilleure compréhension du fonctionnement.Plus précisément, une résistance R3 peut être branchée, par fermeture d'un commutateur D3, entre le point 1 de la ligne L et la masse, et une résistance R2 peut être branchée, par fermeture d'un commutateur D2 entre le point 1 et la masse, soit seule si le commutateur Di est ouvert, soit avec une autre résistance Ri en parallèle si ce même commutateur D1 est fermé. Entre un point aval 2 de cette ligne L, situé à une distance du point amont 1 sensiblement égale au quart de la longueur d'onde centrale précitée, et la masse, peut être branchée une résistance R4, soit seule quand les interrupteurs D4 et Ds sont tous deux fermés, soit en série avec une autre résistance Rs quand l'interrupteur D4 est fermé tandis que l'interrupteur Da est ouvert.A titre d'exemple, les valeurs des résistances R1 à Rs sont les suivantes Ri = 48 ohms R2 = 150 ohms R3 = 18 ohms = = 70 ohms Rs = 50 ohms Les différents pas d'atténuation sont obtenus en réglant le premier (Rl, R2 r R3) et le deuxième (R4, Rs) jeux de résistances, à l'aide des interrupteurs Dl à Ds pour d'une part obtenir l'atténuation désirée et d'autre part obtenir un taux d'ondes stationnaires aux accès de la ligne L qui reste inférieur à 2, quel que soit le pas d'atténuation sélectionné, Le pas d'atténuation zéro dB est obtenu avec tous les interrupteurs ouverts.Dans ce cas aucune résistance n'est branchée en parallèle sur l'entrée ou sur la sortie de la ligne L. Le signal hyperfréquence transite simplement par la ligne L et ne subit pratiquement pas d'atténuation. Les pertes dans l'atténuateur sont alors négligeables. Le pas d'atténuation - 3dB est obtenu en placant une résistance de 150 ohms en parallèle sur l'entrée 1 et une résistance de 120 ohms en parallèle sur la sortie 2. Pour ceci, on ferme les interrupteurs D2 et D4 tandis que les interrupteurs D1, D3 et Ds sont ouverts. Le pas d'atténuation - 8dB est obtenu en placant une résistance de 33 ohms en parallèle sur l'entrée 1 et une résistance de 70 ohms en parallèle sur la sortie 2. Ceci est obtenu, les interrupteurs D2 et D4 restant fermés, en fermant d'une part l'interrupteur Do pour courtcircuiter la résistance Rs, et en fermant d'autre part l'interrupteur Dl pour brancher la résistance Ri en parallèle sur la résistance R2. L'interrupteur D3 reste ouvert. Pour obtenir enfin le pas d'atténuation - 13dB, il faut brancher une résistance de 14 ohms en parallèle sur l'entrée 1 et une résistance de 70 ohms en parallèle sur la sortie 2. Ceci est obtenu, à partir des positions précédentes correspondant à l'atténuation - 8dB, en fermant maintenant l'interrupteur D3, ce qui branche une résistance de 18 ohms en parallèle sur les deux autres, respectivement égales à 150 ohms et 48 ohms (soit équivalentes à ellesdeux à 33 ohms). Les pas d'atténuation de plus en plus élevés sont ainsi réalisés en mettant en parallèle l'une sur l'autre des résistances successives. Ceci évite de devoir réaliser des résistances de trop faible valeur, de précision moins bonne que celle des résistances de valeurs élevées. De plus, cela assure une bonne répartition de la puissance à dissiper tout en garantissant qu'il n'y a aucune coupure lors du passage d'un pas d'atténuation à l'autre : les passages successifs de l'atténuation - 3dB à l'atténuation - 8dB, puis à l'atténuation - 13dB, s'effectuent à chaque fois sans avoir à passer transitoirement par l'atténuation OdB, ce qui aurait pour conséquence de saturer momentanément le récepteur placé en aval de l'atténuateur et d'entrainer ainsi une perte d'informations. La figure 2 montre un schéma électrique plus proche de la réalité, la figure 1 n'étant qu'un schéma de principe de l'atténuateur. Sur ce schéma, les interrupteurs Dl à Do sont remplacés par des diodes PIN, par exemple des diodes EH 495 du catalogue THOMSON, qui sont respectivement rendues soit bloquées soit saturées au moyen de tensions continues de polarisation, Vi à Vo respectivement, découplées à la masse par des capacités, Ci à Co respectivement, d'une valeur de l'ordre de quelques picofarads. Le retour à la masse des polarisations Vi à Vo s'effectue par une ligne quart-d'onde 3, qui joue le rôle de self de choc pour les hyperfréquences et qui est branchée entre le point M situé, sur la ligne L, à mi-chemin entre les points 1 et 2, et la masse. Bien entendu, le schéma de la figure 2 n'est qu'un schéma de principe. Les résistances Ri à Ro sont des résistances pures au sens hyperfréquence, c'est-à-dire des éléments qui ramènent,en faisant usage de l'abaque de SMITH, une impédance non réactive en parallèle sur la ligne L dans la bande de fréquence considérée L'atténuateur de la figure 2 étant par exemple conçu pour fonctionner dans la bande de fréquence 1,35 GHz - 1,85 GHz, les résistances utilisées, qui sont réalisées en technologie couche-mince, sont dimensionnées pour pouvoir supporter les puissances qu'elles doivent dissiper de manière continue et adaptées pour les hyperfréquences de façon que tous les éléments placés en parallèle sur la ligne d'accès 50 ohms L aient un comportement purement résistif.Les éléments parasites réactifs des résistances sont compensés par des éléments de circuits à constantes réparties. Le fait de réaliser au moins certaines de ces résistances à partir de résistances ohmiques de plus faible valeur évite d'avoir des points chauds et permet une bonne répartition de la puissance. C'est ainsi par exemple que la résistance Ra, de valeur 150 ohms, est obtenue à partir d'une résistance de 30 ohms et d'une combinaison de tronçons de ligne de transmission ramenant au point désiré une impédance quasi-réellede 150 ohms. Le fait que les points 1 et 2 soient séparés d'une longueur de ligne approximativement égale au quart de la longueur d'onde ss qui correspond à la fréquence centrale de la bande de travail a pour effet d'annuler les parties réactives qui pourraient subsister sur les impédances des deux branches placées en parallèle sur ces points 1, 2, et garantit une bonne platitude de la courbe de réponse de l'atténuateur dans sa bande de travail. Les diodes PIN utilisées fonctionnent en commutation, étant soit saturées soit bloquées, et de ce fait ne dissipent pratiquement aucune puissance. La puissance dissipée ne l'est que pendant leur temps de commutation, qui est très bref (de l'ordre de la microseconde pour fixer les idées), de sorte que ces diodes n'ont pas le temps de s'échauffer. La commande de l'atténuateur étant du type "tout ou rien", il est possible d'utiliser, pour générer les tensions de polarisation Vi à Vo, des amplificateurs opérationnels alimentés par une tension positive et une tension négative (pas de commande de type exponentiel à réaliser). Bien entendu, des temporisations sont avantageusement prévues pour que les tensions de polarisation parviennent aux diodes sans que l'atténuateur ne puisse passer par des états transitoires indésirables lorsqu'il commute d'un pas d'atténuation à un autre. Cet atténuateur présente une bonne stabilité en température : la dérive est due uniquement à la variation de la valeur des résistances en couche mince. A ce sujet, la figure 3 montre les courbes de variation, pour différents pas d'atténuation et pour des températures respectives de 700 C (courbes en pointillés), 250 C (courbes en traits pleins), et - 400 C (courbes en traits mixtes), de l'atténuation, en dB,.en fonction de la fréquence, en GHz. L'atténuateur est conçu pour atténuer des puissances de quelques watts. Comme il va de soi, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit. Cet atténuateur peut être utilisé pour réaliser d'autres valeurs d'atténuation, et il peut également être utilisé pour fonctionner dans d'autres bandes de fréquences, quitte à recalculer pour celà les valeurs de résistances à utiliser et à modifier les réseaux d'adaptation des différentes branches placées en parallèle sur la ligne d'accès L. D'autres commutateurs hyperfréquence que des diodes PIN peuvent être utilisés. I1 peut également être prévu la possibilité de brancher d'autres résistances en série ou en parallèle sur les précédentes, moyennant l'utilisation de commutateurs hyperfréquence supplémentaires, etc... REVENDICATIONS 1 - Atténuateur de puissance à pas d'atténuation multiple pour micro-ondes, caractérisé en ce qu'il est constitué par une ligne de transmission série (L), de longueur voisine du de la longueur d'onde centrale ( ss ) de la bande de fréquences de fonctionnement de l'atténuateur, et par deux jeux (Ri, Ro, R3 et R4, Rs) de résistances adaptées aux hyperfréquences et aptes à être sélectivement branchées en parallèle sur cette ligne sous commande de commutateurs hyperfréquence, dont un premier jeu (Ri , R2, R3) de résistances hyperfréquence aptes à être mises sélectivement en circuit entre un point d'accès amont (1) de cette ligne (L) et la masse, selon que des commutateurs hyperfréquence amont (D1, D2, Da) sont polarisés en blocage ou en saturation, et un deuxième jeu (R4, Rs) de résistances hyperfréquence aptes à être mises sélectivement en circuit entre un point aval (2) de cette ligne, situé à une distance dudit point amont (1) sensiblement égale au quart de ladite longueur d'onde centrale ( # ), et la masse, selon que d'autres commutateurs hyperfréquence aval (D4, Ds) sont polarisés en blocage ou en saturation, chaque pas d'atténuation étant obtenu en actionnant un ou plusieurs des commutateurs amont (Di, D::, D3) et des commutateurs aval (D4, Ds) de façon à obtenir d'une part le taux d'atténuation souhaité (- 3dB, - 8dB, - 13 dB, * et d'autre part une valeur du taux d'ondes stationnaires aux accès de l'atténuateur qui reste inférieure à une valeur maximale déterminée, le pas d'atténuation zéro dB étant obtenu en polarisant les commutateurs de manière à ne brancher aucune desdites résistances sur cette ligne (L), de sorte que le signal hyperfréquence transite alors directement et uniquement par la ligne précitée. 2 - Atténuateur de puissance hyperfréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est agencé de manière telle que les pas d'atténuation de plus en plus élevés (- 3dB, - 8dB, - 13dB) sont réalisés par la mise en parallèle, au point amont précité (1), de résistances successives (R:, Ri, R3). 3 - Atténuateur de puissance pour micro-ondes selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le deuxième jeu de résistances (R4, Rs) est calculé pour maintenir un taux d'ondes stationnaire correct aux accès de l'atténuateur quel que soit le pas d'atténuation sélectionné. 4 - Atténuateur de puissance selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les résistances utilisées sont réalisées en technologie couche-mince. 5 - Atténuateur de puissance selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'au moins certaitaines desdites résistances hyperfréquences sont réalisées à partir de résistances ohmiques de plus faible valeur. 6 - Atténuateur de puissance selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les commutateurs hyperfréquence (D1 à D5) sont des diodes PIN. 7 - Atténuateur de puissance selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est conçu pour atténuer des puissances de quelques watts à plusieurs dizaines de watts. 8 - Atténuateur de puissance selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est conçu pour que la combinaison de résistances permettant d'obtenir les différents pas d'atténuation permette aussi de maintenir un taux d'ondes stationnaires correct aux accès.