Brevet FR2717325A1 — publié le 19950915

ADAPTATEUR D'ÉQUILIBRAGE ET SON PROCEDE DE CONCEPTION De façon globale, cette invention concerne les adaptateurs d'équilibrage et, de façon plus spécifique, un adaptateur d'équilibrage et son procédé de conception. Usuellement, dans les systèmes de communication de fréquence radio (R. F.), il est avantageux d'utiliser une antenne équilibrée. Une antenne équilibrée réduit le courant R.F. sur le corps et d'autres parties de l'équipement radio et l'antenne est moins susceptible10 d'être désaccordée ou d'être bloquée par l'opérateur. Lors du raccordement d'une antenne équilibrée avec un circuit R.F. non équilibré, l'interface entre l'antenne et le circuit non équilibré nécessitent un dispositif appelé un adaptateur d'équilibrage. Dans la technologie de circuit, un système non équilibré est défini comme un système dans lequel deux conducteurs sont à des potentiels différents par rapport à la masse. Un des conducteurs est souvent au potentiel de masse. La capacitance par rapport à la masse de chacun des20 deux conducteurs est alors différente et par conséquent, le courant dans les deux conducteurs peut être différent. Un système équilibré est un système dans lequel le potentiel de chacun des deux conducteurs est respectivement au dessus et en dessous du potentiel de masse de la même amplitude.25 La Figure 2 est une illustration d'un modèle simplifié de la façon dont les courant sont définis selon un mode équilibré et non équilibré. Dans un système de communication à émission R.F., la source est l'émetteur et la charge et l'antenne. Toute configuration de courants Ia30 et Ib peut être exprimée comme une combinaison de courants en mode commun et en mode différentiel. A la fois, les courants de mode commun et de mode différentiel sont déterminés par des courants générés soit par une source équilibrée, soit une source non équilibrée. Les courants de mode commun, illustré par ICa et ICb sur la Figure 2, ont la même amplitude et la même phase. Par conséquent, les courants de mode commun ne contribuent pas au fonctionnement prévu de la charge ou antenne et sont en général dissipés de façon thermique. Les courants de mode différentiel IDa et IDb sont égaux en amplitude et opposes en phase et par conséquent, ils sont présent en puissance dans la charge prévue. Les pertes de source et de charge10 dans les modes commun et différentiel ou de différence peuvent être représentées comme un circuit illustré sur la Figure 3. Pour des charges équilibrées, telles que des antennes équilibrées, le mode prévu ou désiré est le mode différentiel et le mode non prévu ou non désiré est le modeIf commun. En maximisant l'impédance de la charge en mode commun, les courants et la perte associés aux courants du mode commun seront minimisés. Un adaptateur d'équilibrage autorise une connexion entre un système équilibré et un système non équilibré de 2(t telle façon que les potentiels à la masse les courants dans les deux parties de la structure équilibrée soient égaux en amplitude et opposés en phase. Par le passé, les transformateurs d'équilibrage et les lignes de transmission ou adaptateurs d'équilibrage "bazooka" ont été utilisés pour effectuer la fonction d'adaptation d'équilibrage pour une alimentation d'antenne dans un dispositif de communication utilisé dans un systéne de communication R.F.. Un transformateur d'équiiibrace effectue de façon efficace la fonction d'adaptation d'équilibrage; cependant, pour une utilisation dans des dispositifs comme les radc -aléehones pcrtables, unr. transfornmeteur d'équilibrage est grand e consromme de la puissance. 'suelement, envircn,7 J-B de la puissance es perdu-e dans -.in zransfcrmateur d'éi!ir age, r rdu i an t:ars de farcn notable l'am!iude : u s:gnal amis entre l'eme:eurrceoteur et une antenne. 3 - à2717325 Ensuite, un adaptateur d'équilibrage bazooka ou ligne de transmission ne nécessite pas plus de deux conducteurs ou deux conducteurs et une gaine selon ces deux conducteurs pour effectuer la fonction d'adaptation d'équilibrage. Cet adaptateur d'équilibrage bazooka nécessite un très grand espace physique pour une gaine dans un dispositif de communication. Souvent, des dispositifs de communication comme un radiotéléphone portable doivent être de petite taille physique et doivent consommer moins de puissance que d'autres dispositifs de communication non portables ou fixes. Alors, on désire qu'un radiotéléphone portable présente un transfert de puissance efficace entre l'émetteur/récepteur et l'antenne ainsi qu'une petite15 taille physique. Alors, on cherche à obtenir un petit adaptateur d'équilibrage efficace pour le transfert de signaux entre une antenne équilibrée et un circuit non équilibré dans un émetteur/récepteur d'un dispositif de communication. La Figure 1 est une illustration sous forme de synoptique d'un circuit électrique de l'art antérieur; la Figure 2 est une illustration d'une source et d'une charge théoriques et de leurs courants associés; la Figure 3 est une illustration d'une source et de charges théoriques possédant une charge en mode commun et une charge en mode différentiel; la Figure 4 est une illustration sous forme de synoptique d'un circuit selon la présente invention; la Figure 5 est une illustration sous forme de Mo synoptique d'un système de communication radio selon la présente invention; *-. 2717325 la Figure 6 est une illustration sous forme de graphe de cycles périodique du courant en mode commun pour une charge différentielle; la Figure 7 est une illustration sous forme de graphe de cycles périodiques de courants en mode commun pour une antenne à deux pôles; la Figure 8 est une illustration d'un graphe de Smith décrivant des impédances et des courants en mode commun; et la Figure 9 est un organigramme illustrant un procédé de conception d'un adaptateur d'équilibrage selon la présente invention. Un mode de mise en oeuvre préféré de la présente invention concerne un dispositif de communication R.F., en particulier un radiotéléphone possédant des antennes en15 diversité, comme le modèle N TH541 de Motorola Inc. Dans ce radiotéléphone particulier, les contraintes de taille physique sont sévères, en particulier en ce qui concerne l'espace disponible entre un émetteur/récepteur et une antenne, le récepteur radio étant un circuit de charge non20 équilibrée et l'antenne étant un circuit de source équilibrée. Comme la connexion électrique entre le récepteur et l'antenne est une connexion non équilibrée/équilibrée, un adaptateur d'équilibrage est requis. Un adaptateur d'équilibrage usuel, tel que décrit dans l'art antérieur, serait peu pratique à cause des contraintes physiques. Alors, la fonction d'adaptateur d'équilibrage est effectuée en utilisant une ligne de transmission de dimensions transversales minimum et d'une longueur prédéterminée entre le récepteur et l'antenne. La Figure 4 est une illustration sous forme de synoptique d'un circuit selon la présente invention. Le circuit 400 contient un circuit non équilibré 401, une ligne de transmission 403 et un circuit équilibré 405. Dans notre cas, le circuit non équilibré 401 est couplé au circuit équilibré 405 via une ligne de transmission 403 qui est déterminée comme faisant partie de la présente invention et comme une mise en oeuvre de la présente invention dans un radiotélephone portable. La Figure 5 est une illustration sous forme de synoptique d'un système de communication radio pouvant utiliser la présente invention. Dans ce système, un émetteur/récepteur fixe à distance 513 émet et reçoit des signaux de fréquence radio (R.F.) vers et à partir de radiotélephones mobiles et portables situés dans une zone géographique fixée et desservie par le émetteur/récepteur fixe à distance 513. Le radiotélephone 500 est un tel radiotélephone servie par le émetteur/récepteur fixe à15 distance 513. Lors de la réception de signaux à partir du émetteur/récepteur fixe à distance 513, le radiotélephone 500 utilise une antenne principale 511 et une antenne en diversité 515 pour coupler le signal R.F. et convertir le signal R.F. en un signal électrique R.F.. Le signal électrique R.F. est reçu par le récepteur radio 503 pour une utilisation dans le radiotélephone 500. Le récepteur radio 503 génère un signal de symbole pour une utilisation par la commande 505. La commande 505 formate le signal de25 symbole en voix ou en données pour l'interface d'utilisateur 507. L'interface d'utilisateur 507 contient, de façon usuelle, un microphone, un haut-parleur, et un clavier. Lors de la transmission de signaux R.F. du 310 radiotéléphone 500 à l'émetteur/récepteur fixe à distance 513, la commande 505 formate les signaux de voix et/ou de données de l'interface d'utilisateur 507. Les signaux formatés sont entrés dans l'émetteur 501. L'émetteur 501 convertit les données en signaux électriques R.F. Les , 2717325 signaux électriques R.F. sont convertis en signaux R.F. et sont générés par l'antenne principale 511. Les signaux R.F. sont reçus par l'émetteur/récepteur fixe à distance 513. Comme décrit précédemment, le récepteur radio 503 est un circuit de charge non équilibrée et l'antenne en diversité 515 est considérée comme un circuit de source équilibrée pour le but de la présente invention. La ligne de transmission 517 est conçue de telle façon que l'impédance en mode commun soit très grande et que10 l'impédance en mode différentiel soit égale à celle du récepteur radio 503 et de l'antenne en diversité 515. Les conditions pour une antenne de grande efficacité sont la maximisation de l'impédance en mode commun et l'accord de l'impédance en mode différentiel de la source et de la15 charge. On constate deux paramètres de base affectant l'impédance en mode commun tout en maintenant l'impédance en mode différentiel comme accordée à la source, en fait, la dimension latérale et la longueur de la ligne de transmission. Les dimensions transversales de la ligne de20 transmission (la largeur et l'épaisseur) doivent être réduites à un minimum, rendant l'inductance et l'impédance effectives en mode commun de la ligne de transmission aussi grandes que possible. Si les dimensions latérales sont établies de façon correcte, l'impédance en mode différentiel peut être alors maintenue pour un ensemble quelconque de dimensions. Les limites de cette approche sont que les dimensions entraînent une impossibilité de fabrication et la perte électrique dans le mode différentiel devient inacceptable. Un second procédé d'augmentation de l'impédance en mode commun tout en maintenant l'impédance en mode différentiel est de choisir une longueur de la ligne de transmission comme un nombre entier de demi- longueurs d'onde à partir d'une extrémité ouverte. En référence à35 présent à la Figure 6, le courant en mode commun, illustré par l'onde 601, traverse des cycles périodiques selon sa longueur. On constate des minima de courant en mode commun au point d'extrémité 603, au point B 605 et au point D 607. De la même façon, on constate des maxima de courant en mode commun au point A 609, au point C 611 et au point E 613. Une configuration similaire des courants en mode commun apparaît lorsque la ligne de transmission, comme la ligne de transmission 517, se termine sur une antenne à deux pôles, comme l'antenne en diversité 515 de la Figure 5. En référence à la Figure 7, le courant en mode commun pour une ligne de transmission se terminant sur une antenne à deux pôles est illustré. A nouveau, des minima surviennent au point B 701 et au point D 703. De la même façon, des maxima surviennent au point A 705, au point C 707 et au point E 709. Lorsqu'une antenne à deux pôles est ajoutée à la ligne de transmission, la configuration de courant en mode commun, comme illustré sur la Figure 7, se décale de telle façon que le premier minimum de courant soit sur un point à un quart de longueur d'onde du point d'alimentation de20 l'antenne, déterminant la position des autres minima de courant. Cet effet peut être constaté, de même, si l'impédance effective en mode commun est tracée en fonction de la longueur à partir de l'extrémité de la ligne de transmission, comme illustré sur la Figure 8. La Figure 825 illustre les points A, C et E comme des points de court- circuit ou de très faible impédance directement à partir des points de haute impédance B et D. Le graphe de Smith de la Figure 8 apparaît sous la forme d'une spirale entourant le graphe plusieurs fois. Si une ligne de transmission 51730 est choisie avec une longueur se terminant au point B ou D, l'impédance en mode commun serait alors très grande et la puissance entrant dans le mode commun serait faible, comme cela est désiré dans le cas du mode de mise en oeuvre préféré. La fréquence de fonctionnement et la vitesse de phase déterminent la longueur d'onde sur la ligne de transmission. La longueur d'onde est égale à la vitesse de phase divisée par la fréquence. Dans l'air, la vitesse de 5 phase est égale à la vitesse de la lumière. Pour d'autres milieux, la vitesse de phase est égale à la vitesse de la lumière divisée par la racine carrée, souvent désignée par Sqrt(), de la constante effective de diélectrique des milieux, souvent désignée par or. Pour le cas du mode10 commun, la vitesse de phase est proche de celle dans l'espace; pour le cas du mode différentiel, le milieu est le matériau du circuit imprimé flexible présentant une constante de diélectrique de 3,4. Cela réduit la vitesse de phase à 1/Sqrt(úr) ou de 0,55 fois celle de la lumière dans15 l'espace. Ces vitesses de phase sont en fait plutôt différentes dans les deux cas. Pour le mode différentiel, on désire réduire les réflexions sur la ligne de transmission de telle façon que l'impédance soit pratiquement indépendante de la longueur de la ligne de20 transmission. Cependant, pour le mode commun, l'impédance est rendue de façon intentionnelle, très dépendante de la longueur et ainsi, la longueur est choisie pour l'impédance maximum. De façon à utiliser ces phénomènes pour effectuer une 2 fonction d'adaptation d'équilibrage sur une ligne de transmission, la ligne de transmission doit être conçue pour chaque application particulière à l'aide de l'organigramme de conception illustré sur la Figure 9. Tout d'abord, au 903, on conçoit un circuit non équilibré et un 30 circuit équilibré sans aucune considération des interconnexions. Dans le mode de mise en oeuvre préféré, le circuit équilibré est une antenne à deux pôles utilisée comme l'antenne en diversité 515 illustrée sur la Figure 5. Lors de la conception d'une antenne à deux pôles, elle peut35 être conçue sans ligne d'alimentation pour sa bande de fréquences désirée. Dans le mode de mise en oeuvre préféré, la bande désirée de fréquences pour l'antenne est de 810 à 830 MHz (Mégahertz). Ensuite, au 905, on prévoit un circuit non équilibré. Dans le mode de mise en oeuvre préféré, le récepteur radio 503 de la Figure 5 est considéré comme circuit non équilibré. Enfin, à l'interface d'utilisateur 507, on choisit une ligne de transmission équilibrée pour le couplage entre le circuit équilibré et le circuit non équilibré. La ligne de transmission doit avoir une impédance en mode différentiel égale à celle de la source et une très grande inductance en mode commun. L'impédance en mode différentiel, désignée par Zo, est définie en général à l'aide de l'équation: Zo = 377 * épaisseur/(largeur * Sqrt(úr)) Si l'impédance de source Zs et l'impédance de charge sont égales, l'impédance en mode différentiel sera alors égale à celles-ci. Pour des impédances inégales de source et de charge, la ligne de transmission sera plus complexe comme dans le cas de notre mode de mise en oeuvre préféré. La longueur L de la distance entre l'antenne et le récepteur présente une longueur de phase en mode différentiel supérieur à la longueur requise pour la mise en oeuvre d'un transformateur d'impédance, désigné par Lt. Cette longueur est un quart de longueur d'onde et est25 souvent désignée par X/4. Par conséquent, nous avons conçu une paire en ligne (en série) de lignes de transmission effectuant les deux fonctions requises, en fait: 1) le rejet de la charge en mode commun; et 2) la transformation de l'impédance de source 13 d'antenne Zs pour s'accorder à l'impédance de charge du récepteur Zl. Avant le couplage de la ligne de transmission au circuit de charge, choisissons la longueur correcte Lr de la ligne de transmission 517 procurant une impédance en mode commun plus importante que l'impédance de source. Dans le mode de mise en oeuvre préféré, la longueur L, requise pour le rejet du mode commun et désignée par Lr, est supérieure à celle requise pour la transformation, désignée par Lt. Ensuite, une longueur additionnelle ou longueur en excès, désignée par Le, est requise. Cela peut être exprimé10 par l'équation suivante: Lt + Le = Lr La longueur en excès aura l'impédance caractéristique soit de la source, soit de la charge. Par conséquent, la longueur en excès est choisie avec une impédance15 caractéristique égale à la plus haute impédance parmi Zs ou Zl. La section de transformateur de la ligne de transmission présente une longueur Lt qui est définie par la fréquence en question et possède une longueur de phase20 d'un quart de longueur d'onde, ce qui peut être exprimé, de même, par 900 qui représente X/4. Cette longueur de phase peut être trouvée à l'aide du texte plus récent fourni. Dans le mode de mise en oeuvre préféré, l'impédance de la charge Zl est égale à 50 n et l'antenne à deux pôles25 possède une impédance de 12 Q. Alors, une ligne de transmission a été choisie avec une impédance en mode différentiel Le de 50 Q et une impédance de section de transformateur Lt de 25 . Ce transformateur accorde l'impédance de source d'antenne Zs de 12 Q avec30 l'impédance de charge de récepteur Zl de 50 n. En choisissant la longueur correcte Lr de la ligne de transmission, on réalise une fonction d'adaptation d'équilibrage. Bien que la ligne de transmission soit à Il présent limitée à une longueur prédéterminée Lr, un circuit ou des composants additionnels comme des transistors ou des lignes de transmission ou de câble coaxial additionnelles ne sont plus nécessaires, réduisant alors les contraintes de dimensions physiques requises pour l'obtention d'une fonction d'adaptation d'équilibrage. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'adaptation d'équilibrage (403) monté entre un circuit équilibré et un circuit non équilibré, les circuits équilibré et non équilibré émettant et recevant dans un mode commun et un mode différentiel, dispositif d'adaptation d'équilibrage caractérisé par: - un premier conducteur présentant une première longueur; et - un second conducteur possédant une seconde longueur égale à la première longueur et étant parallèle au premier conducteur, le second conducteur étant séparé du premier conducteur d'une première distance, le premier conducteur et le second conducteur étant utilisés pour former une première ligne de transmission possédant une première15 impédance pour les transmissions en mode différentiel, le premier conducteur et le second conducteur étant utilisés pour former une seconde impédance pour les transmissions en mode commun. 2. Dispositif d'adaptation d'équilibrage (403) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il utilise des bandes de métal pour les premier et second conducteurs. 3. Dispositif d'adaptation d'équilibrage (403) selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il utilise une matière plastique flexible pour réaliser la séparation25 entre le premier conducteur et le second conducteur. 4. Dispositif d'adaptation d'équilibrage (403) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premier et second conducteurs comprennent, de plus, un transformateur d'impédance de rapport arbitraire, leSu transformateur d'impédance étant réalisé à l'aide de transformateurs de quart de longueur d'onde. 5. Dispositif de communication radio (500) caractérisé par: - une antenne équilibrée (517) possédant une première impédance en mode commun et une première impédance en mode différentiel; - un récepteur radio non équilibré (503) possédant une impédance de charge différentielle; et - une ligne de transmission (517) montée entre une borne de l'antenne équilibrée (515) et une borne du récepteur radio non équilibré, la ligne de transmission (517) possédant un premier conducteur et un second conducteur, chaque conducteur présentant une longueur prédéterminée et étant séparé l'un de l'autre d'une première distance, la ligne de transmission (517)15 présentant, de plus, une seconde impédance en mode commun et une seconde impédance en mode différentiel, la première impédance en mode commun et la seconde impédance en mode commun formant une impédance d'entrée en mode commun, et la première impédance en mode différentiel et la seconde20 impédance en mode différentiel formant une impédance d'entrée en mode différentiel, l'impédance d'entrée en mode commun étant nettement plus grande que l'impédance de source et l'impédance d'entrée en mode différentiel s'accordant pratiquement à l'impédance de source. 6. Dispositif de communication radio (500) selon la revendication 5, caractérisé ce qu'il utilise une bande de métal pour les premier et second conducteurs. 7. Dispositif de communication radio (500) selon la revendication 6, caractérisé ce qu'il utilise une 3 matière plastique flexible pour constituer la première distance séparant le premier conducteur et le second conducteur. 8. Dispositif de communication radio (500) selon la revendication 5, caractérisé ce que le premier conducteur et le second conducteur comprennent, de plus, un transformateur d'impédance de rapport arbitraire. 9. Dispositif de communication radio (500) selon la revendication 8, caractérisé ce que le transformateur d'impédance est réalisé à l'aide de transformateurs de quart de longueur d'onde. 10. Procédé de conception d'un système d'antenne, caractérisé par les étapes suivantes: - la constitution d'une antenne ayant une première impédance en mode commun et une première impedance en mode différentiel; la constitution d'un circuit non équilibré ayant une première impédance de source; et - le choix d'une ligne de transmission équilibrée pour le couplage de l'antenne et du circuit non équilibré, la ligne de transmission équilibrée possédant une première longueur, une seconde impédance en mode commun et une20 seconde impédance en mode différentiel de telle façon que les première et seconde impédances en mode commun soient nettement plus grande que l'impédance de source, et que les première et seconde impédances en mode différentiel soient pratiquement accordées à l'impédance de source.