Brevet FR2651939A1 — publié le 19910315

L'invention concerne une structure de coupleur généralisé. Les évolutions de volume de trafic de télécommunication conduisent à des systèmes de plus en plus sophistiqués. La couverture, qui auparavant était réalisée en un seul pinceau, se trouve aujourd'hui découpée en plusieurs pinceaux de gain plus élevé, couvrant une partie seulement de la zone totale de service permettant ainsi d'améliorer les performances de PIRE (Puissance Isotrope Rayonnée Equivalente) et de t/T. Ce passage au multipinceaux ne va pas sans créer de nouveaux problème s au niveau des transpondeurs et de la gestion des ressources bord. En effet, la répartition de trafic entre les faisceaux est une variable qui évolue au cours du temps (la demi-journée par exemple). La puissance entre les faisceaux doit pouvoir être modifiée sans impact sur le rendement de la charge utile et en général dans une dynamique pouvant aller jusqu'à PMAX, PMAX-6 dB, PMAX-10 dB, voire P faisceau = 0 dans le cas d'un faisceau éteint ou d'un trafic quasi-nul. La reconfiguration des couvertures est souvent un souci pour celui qui doit réaliser un segment spatial. Là encore ce genre d'opération doit pouvoir être réalisée sans pertes d'efficacité des ressources bord. Ces points qui sont les éléments clés des nouveaux systèmes spatiaux ne peuvent être résolus par une architecture de répéteur classique associant un transpondeur à un faisceau. Cette solution ne permet pas un échange simple entre les faisceaux et se trouve peu apte à répondre à ces besoins nouveaux. On se rend compte en fait que l'échange est rendu possible si chaque amplificateur ne sert non pas à amplifier le signal d'un seul faisceau mais se trouve utilisé pour tous les faisceaux. Ainsi un premier document de l'art antérieur de Egami/Kawai intitulé "An adaptative multiple beam system concept" (IEEE/Journal on selected areas in communication vol. S.A.C. 5 NO 4 May 87) décrit un système de faisceau multiple adaptatif ou "transpondeur hybride" qui a la souplesse pour adapter la puissance du faisceau à un trafic de faisceau qui varie. Ce transpondeur comprend une paire de circuits hybrides et des amplificateurs. Un second document de l'art antérieur de W.A. SANDRIN intitulé "The Butler Matrix Transponder" (Comsat. Technical Review volume 4 Number 2 April 1974) décrit un transpondeur à matrice de Butler qui comprend une paire de réseau matriciel Butler NxN complémentaires qui précèdent et suivent un jeu de N circuits amplificateurs, et un jeu de filtres qui suit le réseau matriciel de sortie. Dans les dispositifs de l'art connu, les problèmes les plus importants apparaissent au niveau des nombreux croisements de lignes et à la topologie qui en résulte. L'objet de la présente invention consiste à proposer des architectures originales permettant d'effectuer la réalisation des matrices à partir de leur bloc-diagramme. L'invention permet d'envisager la réalisation d'ensembles d'ordre n quelconque moyennant une grande simplicité de conception. L'invention propose, à cet effet, une structure de coupleur généralisé formé d'une association de coupleurs hybrides, caractérisée en ce qu'elle est réalisée sur un seul niveau, en étant dénuée de croisements de lignes, et en ce que l'agencement entre les portes des coupleurs hybrides d'entrée et de sortie, respecte la séquence rotative suivante : porte de sortie d'un coupleur hybride entrée--,porte d'entrée d'un coupleur hybride de sortie oporte d'entrée d'un coupleur hybride de sortie porte de sortie d'un coupleur hybride d'entrée de façon à réaliser les connexions sans croisement. L'invention fait également appel à d'autres techniques de connexion (multi-niveaux, câblage) pour réaliser des sous-ensembles. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple non limitatif, en référence aux figures annexées sur lesquelles - Les figures 1 et 2 illustrent plusieurs exemples de transpondeurs de l'art connu - La figure 3 illustre une structure de coupleur généralisé - La figure 4 illustre une structure de coupleur généralisé selon l'invention ; - La figure 5 illustre une structure de coupleur généralisé - Les figures 6 à 10 illustrent des structures de coupleur généralisé selon l'invention. - Les figures 11 et 12 donnent un exemple de réalisation d'un coupleur généralisé à 32 entrées/sorties, respectivement dans un plan supérieur et dans un plan inférieur. Comme représenté sur la figure 1, le concept le plus simple de transpondeur à 2 faisceaux consiste en l'association de deux coupleurs hybrides 10, 11 disposés de part et d'autre de deux amplificateurs 12, 13, pour laquelle on se rend compte qu'à puissance d'entrée constante les amplificateurs travaillent avec un niveau constant, quelle que soit la charge des signaux d'entrée incohérents U1 et U2. Dans le cas d'un transpondeur à matrice, tel que représenté sur la figure 2, une première matrice 14, ou premier "coupleur généralisé" formé d'une association de coupleur hybrides, réalise un étalement équipuissant au niveau de n amplificateurs 15, tandis qu'une seconde matrice 16, ou second "coupleur généralisé" ayant une structure inverse de celle du premier, restitue les signaux amplifiés. L'emploi de la structure hybride entraîne un retournement caractéristique entre les entrées/sorties. Dans le cas de p entrées incohérentes entre elles, comme représenté sur la figure 2, correspondant à p porteuses ou p faisceaux, on utilise une première matrice 14 d'ordre n : n étant une puissance de 2 supérieure ou égale à p (n = 2k > / p) qui étale les signaux de façon équipuissante sur les n amplificateurs 15. Ceux-ci travaillent rigoureusement de façon identique et sont dimensionnés par rapport à des besoins de linéarité. La seconde matrice 16 restitue les signaux amplifiés en les retournant. De telles architectures classiques de matrice utilisée dans des chaînes d'amplification permettent de répondre globalement aux problèmes de - dimensionnement des amplificateurs - efficacité de la chaîne ; - reconfigurabilité de couverture - échange de puissance et variation de trafic. Une première réalisation de l'invention est une structure planaire dans laquelle on réalise les croisements de base en disposant les éléments les uns par rapport aux autres de sorte qu'aucun croisement physique entre les lignes ou les conducteurs n'intervienne. Pour expliciter cette réalisation on considère tout d'abord un module élémentaire, à quatre entrées el à e4 et à quatre sorties sl à s4 comportant quatre circuits hybrides 20, 21, 22, 23 et deux croisements, dont le synoptique est représenté à la figure 3. Dans une géométrie planaire selon l'invention on a l'implantation représentée sur la figure 4 caractérisée en ce qu'aucune ligne électrique n'ait à se croiser. Les coupleurs hybrides d'entrée 20 et 21 (et de sortie 22 et 23) sont alors disposés face à face et non côte à côte. On obtient ainsi des trajets électriques d'égale longueurs ; en raison des symétries de structure. L'agencement entre les portes des coupleurs hybrides d'entrée et de sortie respecte la séquence rotative suivante : porte de sortie d'un coupleur hybride d'entrée - Aporte d'entrée d'un coupleur hybride de sortie > porte d'entrée d'un coupleur hybride de sortie ~ porte de sortie d'un coupleur hybride d'entrée Une telle approche peut être étendue à des niveaux d'ordre supérieur en utilisant toujours un concept en arbre sans aucun croisement des lignes conductrices. Dans une configuration d'ordre 8, on dispose de deux ensembles 4x4 (20 à 23 et 20' à 23') tels que représentés sur la figure 4 dont les sorties sont connectées avec la dernière rangée de circuits hybrides 24 à 27 selon une topologie du type de celle représentée sur la figure 5. En adoptant la numérotation de la figure 5 pour les circuits hybrides on peut proposer différentes implantations pour la matrice 8x8 respectant toutes les règles de construction planaires (non croisement de lignes). Les figures 6 et 7 donnent deux solutions d'implantation de type planaire. On s'aperçoit à l'évidence que les connexions entre la 2ème et 3ème rangée d'hybrides suivent la même topologie que celle des niveaux 1 et 2 conduisant à une similitude complète entre la réalisation des blocs 30, 31, 32' et 32". Il apparaît clairement aussi qu'une telle réalisation de l'invention peut difficilement être étendue au-delà de la 3ème rangée d'hybride en raison de sorties dirigées vers l'intérieur et l'extérieur du réseau. C'est la que réside la limite intrinsèque d'une solution totalement planaire qui permet sur un seul niveau de réaliser une matrice 8 entrées/8 sorties maximum. La figure 6 présente une topologie dont l'agencement respecte des symétries entre les blocs 32' et 32" tandis que la figure 7 présente une alternative avec un éclatement vers l'extérieur de l'ensemble 32' et une configuration totalement intérieure pour 32". D'autres versions sont potentiellement possibles dépendant de la numérotation ou de l'arrangement entre blocs. Dans tous les cas de figure on retrouve la topologie de base de la figure 5 avec - mise face à face des blocs entrée (et sortie) pour réaliser les jonctions sans croisement - limitation du concept à trois rangées de circuits hybrides en approche strictement planaire (matrice 8x8) en raison de sorties intérieures/extérieures. Dans une seconde réalisation de la présente invention, on solutionne le problème du croisement en utilisant un ensemble de base fonctionnant sur deux niveaux 33 et 34. Ensuite on construit les étages supérieurs en conservant cette philosophie de croisement réalisé sur deux niveaux. Cette approche permet d'étendre à un ordre quelconque le rang de la matrice toujours basé sur une architecture bi-couche. Une réalisation de l'ensemble de base est illustrée sur la figure 8 où l'on remarque que les trajets directs sont obtenus dans le plan soit inférieur 34 soit supérieur 33 en ce qui concerne les connexions directes. Par ailleurs les connexions croisées sont obtenues en croisant une ligne au niveau supérieur et l'autre au niveau inférieur et en opérant, en des points distincts physiquement, les changements de plan transitions A-B ; C-D. La topologie de la figure 8 reproduit le schéma du synoptique de base représenté à la figure 3 en le distribuant sur deux niveaux. On peut aussi fort bien proposer une autre version de cette approche en modifiant l'implantation des hybrides 22 et 23. Si l'on réalise une inversion de 22 et 23 on s'aperçoit que les trajets croisés peuvent se faire dans le plan supérieur ou inférieur tandis que les trajets directs nécessitent un changement de plan, passage niveau inférieur/niveau supérieur. La figure 9 illustre une réalisation relative à cette inversion. Plusieurs techniques peuvent être employées quant à la génération des matrices d'ordre supérieur selon d'une part que l'on utilise des configurations directes ou retournées ou d'autre part que l'on impose des directions particulières à des blocs. Si on implante les différents niveaux de circuits d'hybrides de manière séquentielle, on peut imposer que les entrées se trouvent disposées d'un côté et que les sorties de l'autre et ainsi de suite au fur et à mesure que s'élaborent les rangs successifs de matrice. A titre d'exemple l'organisation de la matrice 8x8 de la figure 5 est représentée sur la figure 10. La réalisation d'une telle matrice 8x8 passe par l'emploi de deux blocs de type 4x4 référencés 30 et 31 sur la figure 5. Le troisième niveau de circuits hybrides est mis en oeuvre par les blocs 32' et 32" qui sont traités comme des entités de type 4x4. Dans l'exemple de la figure 10 on a reconduit l'architecture retournée à la fois pour les blocs 4x4 et pour les blocs 32' et 32" c'est-à-dire qu'une liaison directe passe par un changement de plan et que les liaisons croisées sont réalisées par des connexions quasi-parallèles l'une totalement au niveau supérieur 33, l'autre totalement au niveau inférieur 34. On s'aperçoit qu'une telle solution peut s'étendre à un ordre quelconque sans aucune difficulté, les éléments de croisement s'effectuant de façon parallèle et à l'aide d'un simple changement de plan. L'emploi d'une topologie directe ou retournée ne change pas le problème : elle ne fait que modifier la géométrie des lignes et leur interprétation par rapport au synoptique. L'obtention d'une matrice 16x16 se fait en mettant côte-à-côte deux matrices 8x8 et en ajoutant une 4ème rangée de circuits hybrides. La connection qui en découle est traitée selon les mêmes règles que précédemment et ne pose aucun problème puisque les entrées se trouvent toutes d'un même côté et les sorties de l'autre. Les figures 11 et 12 donnent un exemple de réalisation d'un coupleur généralisé à 32 entrées/sorties, respectivement dans un plan supérieur et dans un plan inférieur ; les transitions étant référencées 40. Il est bien évident que les réalisations décrites précédemment sont des configurations de base, permettant d'envisager des implantations données de matrices, qui peuvent être combinées entre elles. A titre d'exemple une matrice 16x16 peut être obtenue en utilisant deux matrices planaires 8x8 et en réalisant la troisième rangée de liaison par des câblages extérieurs qui s'interfacent à la quatrième rangée de circuits hybrides. Cette technique permet d'échapper à la limite intrinsèque de la solution planaire. Les circuits hybrides peuvent donc être tous réalisés dans le même plan (impact important sur la conception et fabrication) tandis que les croisements sont réalisés à l'aide de cablages. Il en va de même pour l'approche double-couche qui peut devenir prohibitive en volume/encombrement masse quant on l'envisage pour des ordres importants. Une matrice peut aussi être découpée en deux matrices d'ordre 32 que l'on connecte ensuite à la dernière rangée de circuits hybrides par le biais de connection d'un autre type. Une structure bi-couche ou à deux niveaux est une configuration qui permet d'envisager des solutions d'ordre quelconque car elle permet de réaliser les liaisons croisées pour moitié sur un premier niveau pour moitié sur l'autre. On peut, sans sortir du cadre de l'invention, réaliser des structures multi-niveaux plus compactes. Là encore la propriété originale résulte de l'exploitation de niveaux différents afin de réaliser les jonctions porte à porte qui se croiseraient en technologie planaire. On peut envisager également des réalisations combinant à la fois une structure planaire et une structure multi-niveaux. Selon l'invention, on peut utiliser une matrice aval n'ayant pas les mêmes caractéristiques que la matrice amont au niveau radio-électrique. En effet les pertes radio-électriques doivent être impérativement minimisées entre l'étage d'amplificateurs et les éléments rayonnants. Les technologies employées peuvent donc être différentes puisque les contraintes et les objectifs ne sont pas les mêmes. Pour l'une des deux matrices on peut utiliser des technologies "à perte" et on peut par exemple miniaturiser le composant. Pour l'autre matrice on ne peut envisager sa réalisation qu'en adoptant des circuits hyperfréquence ultra faibles pertes. Ainsi par exemple la réalisation d'une matrice planaire telle que représentée sur la figure 6 a été effectuée en bande S (2 GHz). Les lignes ainsi que les circuits hybrides sont réalisés en technologie microstrip classique. Les accès aux portes d'entrée et sortie sont obtenus par le biais de transitions microstrip coaxial. La miniaturisation d'un tel composant requiert l'emploi de diélectriques à rélevé. Elle ne pose aucun problème aux radio-électriciens qui réalisent des circuits sur céramique, alumine ou As Ga. Ainsi la matrice 8x8 peut elle être envisagée comme d'une réalisation excessivement simple, peu coûteuse, et présentant un très faibles encombrement et masse. L'architecture planaire permet même d'envisager des réalisations présentant un degré de miniaturisation maximum par l'emploi de technologies MMIC (Microwave Monolithic Integrated Circuits). Une telle architecture planaire peut être exploitée à des fréquences plus élevées (bande K, Ku, Ka et plus élevées...) car elle se prête tout à fait à des réalisations en guide d'onde d'une très grande simplicité. Les coupleurs hybrides peuvent être du type plan H, à fente (RIBLET) ; les changements de direction des lignes sont alors obtenus à l'aide de coudes plan H. On peut fort bien aussi imaginer d'utiliser des coupleurs à branches, plan E, dans ce cas les changements de direction de ligne sont obtenus par l'emploi de coudes plan E. La technologie de réalisation peut être extrêmement aisée. Une machine à commande numérique usine directement les circuits et lignes de la figure 6 ou 7 dans une plaque d'aluminium par exemple. Une fois le circuit réalisé, il ne reste plus qu'à fermer le composant avec un capot ad-hoc.Celui-ci effectuera une fermeture sur le grand côté des guides dans le cas d'une réalisation du premier type et sur le petit côté pour la seconde. Dans le cas d'une matrice multi-niveaux le choix précis du type de propagation et de ses caractéristiques dépend d'une analyse de missions Dans le cas d'un multi-niveaux en Microstrip l'architecture est immédiate et ne requiert qu'un seul composant par rapport à la matrice planaire : la transition Microstrip/Microstrip est orthogonale. Plusieurs solutions peuvent être envisagées : trou de couplage/passage en mode coaxial. On obtient de façon immédiate la structure de base du microstrip multi-niveaux. La transition microstrip/coaxial réalisant ainsi un changement de plan : composant de base de l'architecture multi-niveaux. . Dans le cas d'un multi-niveaux ou triplaque le composant de base se trouve être la transition entre deux niveaux. En technologie triplaque il est coutumier de réaliser des transitions orthogonales triplaque/coaxial à l'aide d'un piège formant une sorte de U ou de fer à cheval. Le changement de plan complet requiert donc trois éléments deux transitions orthogonales triplaque/coaxial séparée par une longueur de ligne coaxiale. Dans le cas d'un multi-niveaux en guide d'onde, il apparalt plus intéressant de construire la cellule centrale sur le mode de l'ensemble à deux niveaux de type retourné de la figure 9. - Dans le cas d'hybrides plan H les trajets directs avec changement de plan se font à l'aide d'un S en plan E, et les trajets croisés dans le même plan se font à l'aide d'un S en plan H. - Dans le cas d'hybride plan E les résultats précédents sont inversés les trajets directs nécessitent un S plan H tandis que les trajets croisés se font à l'aide d'un S en plan E. Il est bien entendu que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et que l'on pourra remplacer ses éléments constitutifs par des éléments équivalents sans, pour autant, sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1/ Structure de coupleur généralisé formé d'une association de coupleurs hybrides, caractérisée en ce qu'elle est réalisée sur un seul niveau, en étant dénuée de croisements de lignes, et en ce que l'agencement entre les portes des coupleurs hybrides d'entrée (20, 21) et de sortie (22, 23), respecte la séquence rotative suivante : porte de sortie d'un coupleur hybride entrée 7- porte d'entrée d'un coupleur hybride de sortie porte d'entrée d'un coupleur hybride de sortie # porte de sortie d'un coupleur hybride d'entrée ; de façon à réaliser les connexions sans croisement. 2/ Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle fait appel à d'autres techniques de connexion pour réaliser des sous-ensembles : telles que des connexions multi-niveaux ou par câblage.