Brevet FR2718890A1 — publié le 19951020

L'invention concerne un agencement limiteur de puissance fonctionnant dans le domaine des hyperfréquences et adapté pour occasionner des faibles pertes à basse puissance et pour produire un effet de limitation de puissance à partir d'un seuil de puissance prédéterminé. Dans de nombreux cas, par exemple dans la voie de réception d'antennes à balayage électronique pouvant comporter un grand nombre de sources élémentaires pourvues chacune d'un élément rayonnant et un récepteur dont l'amplificateur de tête est un élément particulièrement sensible et donc fragile, on souhaite pouvoir utiliser des limiteurs qui assurent une bonne protection du récepteur contre des puissances élevées, par exemple un signal parasite de forte amplitude appliqué à l'élément rayonnant, tout en n'occasionnant que des faibles pertes à basse puissance. Les limiteurs connus jusqu'à présent sont du type à semi-conducteur, réalisés notamment à base de diodes PIN. Or ces limiteurs ne satisfont pas à la fois à ses deux exigences. L'invention a pour but de proposer un limiteur adapté pour assurer à la fois des faibles pertes à bas niveau de puissance et une très haute tenue en puissance. Pour atteindre ce but, l'agencement limiteur selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif à effet gyromagnétique comportant un ferrite dans la voie de transmission, qui est du type produisant à un bas niveau de puissance une résonance gyromagnétique et au haut niveau de puissance une résonance subsidiaire, à une fréquence différente de la fréquence de résonance, que la bande utile de fréquences du dispositif est située au niveau de la fréquence de résonance subsidiaire et en ce que le ferrite est choisi de façon que le seuil de limitation de puissance précitée coïncide avec la puissance à laquelle la résonance subsidiaire commence à se produire. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le dispositif à effet gyromagnétique précité est réalisé sous forme d'un circulateur à ferrite. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le dispositif à effet gyromagnétique est réalisé sous forme d'un circulateur à ferrite, transformé en isolateur par incorporation d'une charge adaptée sur sa troisième porte, et un limiteur à diode est monté en aval de l'isolateur et avantageusement adapté pour produire un effet de limitation de puissance à partir d'un deuxième seuil de puissance, le cas échéant, inférieur au seuil précité de façon à protéger le limiteur à diode contre des puissances trop élevées. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le limiteur à diode comporte, montées en parallèle entre la voie de transmission et un potentiel de référence tel que la masse une diode PIN et une diode SCHOTTKY. Selon une autre caractéristique de l'invention, le limiteur est constitué de deux diodes PIN montées tête-beche et s'autopolarisant à partir d'un certain seuil de puissance. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, l'agencement limiteur selon l'invention est relié à une voie d'accès d'un circulateur à ferrite dont deux autres voies sont reliées respectivement à un émetteur et un élément rayonnant d'une antenne fonctionnant comme élément d'antenne émetteur et récepteur. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement dans la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels - la figure 1 montre schématiquement le schéma d'un agencement limiteur de puissance selon la présente invention ; - la figure 2 illustre la réalisation concrète de l'agencement selon l'invention, sous forme d'une structure intégrée - la figure 3 montre, sous forme d'une courbe, la puissance à la sortie du limiteur en fonction de la puissance à l'entrée du circulateur ; et - la figure 4 montre la courbe représentative des pertes magnétiques X" du matériau ferrite de l'isolateur en fonction de la fréquence F, pour des niveaux de puissance bas (a) et haut (b). L'invention sera décrite ci-après, à titre d'exemple, dans son application à des antennes à balayage électronique comportant un grand nombre de sources élémentaires dont chacune est utilisée à la fois comme récepteur et émetteur et ne comporte qu'un seul élément rayonnant. Dans ce cas, la puissance générée par l'émetteur intégré à la source doit être entièrement dirigée vers l'élément rayonnant, tandis que le signal reçu, tel que l'écho radar, doit être acheminé exclusivement vers le récepteur. L'agencement représenté à la figure 1 résout ce problème. Comme il ressort de la figure 1, cet agencement selon l'invention comprend un circulateur à ferrite A dont les voies d'accès 1, 2 et 3 sont reliées respectivement à l'émetteur des signaux à émettre, à l'élément d'antenne rayonnant et à la voie d'accès 5 d'un isolateur à ferrite B dont les voies d'accès 6 et 7 sont reliées respectivement à une charge non représentée et à un limiteur C. Dans la présente description de l'invention, le terme isolateur signifie un circulateur transformé en isolateur par l'incorporation d'une charge adaptée sur sa troisième porte, la charge adaptée devant avoir une tenue en puissance suffisante. La sortie du limiteur est susceptible d'être reliée à l'entrée d'un récepteur. L'émetteur, l'antenne et le récepteur ne sont pas représentés. Le limiteur 9 comprend essentiellement des capacités d'entrée et de sortie 10 et 11 qui sont montées en série et dont le point commun est relié à la masse, par un montage en parallèle d'une diode PIN 12, d'une diode SCHOTTKY 13 et d'un montage en série d'une inductance 14 et d'une résistance 15. Dans un autre mode de réalisation le limiteur 9 peut etre constitué de deux diodes PIN, montées tête-bêche et s'autopolarisant à partir d'un certain seuil de puissance. Ces deux diodes remplaceront sur la figure 1 les deux diodes 12 et 13, le montage en série de l'inductance 14 et la résistance 15 étant supprimé. Ce montage est particulièrement intéressant parce qu'il réalise naturellement le retour du courant continu détecté, mais surtout parce qu'il permet de réduire considérablement le régime transitoire très dissipatif au . début de chaque impulsion incidente à forte puissance de crête. Cet effet bénéfique est dû au fait que la résistance intrinsèque des diodes n'est pas encore faible au début d'impulsion car il y a peu de porteurs injectés. Les deux condensateurs 10 et 11, de type MOS ou monocouches permettent d'isoler les courants continus du reste de la structure. Ces condensateurs ne sont cependant pas indispensables. Ce type de limiteur permet de limiter ou annuler le "pic non limité" en début de mise en service. La figure 2 montre la réalisation de l'ensemble formé par le circulateur A, l'isolateur B et le limiteur C, sous forme d'un dispositif compact intégré sur une plaque métallique commune 17 qui porte des parois latérales métalliques du circulateur et de l'isolateur, indiquées en 18, en forme du chiffre 8, et pourvues d'ouvertures d'accès 19. La plaque métallique supérieure porte la référence 20. Les bandes noires 21 symbolisent les pistes conductrices. En se référant à la figure 3 on décrira ci-après des caractéristiques et le fonctionnement de l'ensemble formé par l'isolateur et le limiteur selon l'invention. La figure 3 montre, sous forme d'une courbe, la puissance Ps à la sortie du limiteur en fonction de la puissance Pe à l'entrée de l'ensemble. On constate tout d'abord, dans la zone I une augmentation sensiblement linéaire de la puissance de sortie Ps en fonction de la puissance Pe qui s'étend jusqu'à la valeur de seuil S1, de par exemple 8 dBm, sur l'abscisse. A cette valeur on constate la présence d'un point de compression produit par le limiteur. La courbe continue dans la zone II avec une pente plus faible jusqu'à la valeur de seuil S2 de 40 dBm où on constate un deuxième point de compression qui est dû à l'action de l'isolateur. Dans la zone III qui suit, la courbe présente une pente qui est encore plus faible. Le comportement de l'isolateur s'explique par la figure 4 qui montre les pertes magnétiques représentées par la susceptibilité magnétique X" en fonction de la fréquence F pour un bas niveau de puissance et un champ magnétique microonde h à l'intérieur du ferrite, inférieur au seuil critique hc (courbe a) au delà duquel des effets non linéaires prennent naissance dans le ferrite, et pour un haut niveau de puissance et un champ magnétique microonde h interne à l'isolateur, supérieure au seuil hc (courbe b). On constate que dans le premier cas on obtient la résonance gyromagnétique classique à la fréquence de résonance gyromagnétique Fres. Dans le deuxième cas on constate un élargissement de la largeur de la raie de résonance gyromagnétique au niveau de la fréquence de résonance Fres et l'apparition d'une résonance subsidiaire à une fréquence supérieure à la fréquence Fres. Cette résonance subsidiaire est située dans une zone de fréquence où la courbe a est pratiquement au niveau zéro. I1 ressort ainsi de la figure 4, que le comportement d'un ferrite en fonction de la fréquence dépend non seulement de cette dernière mais également de la puissance. I1 n'y a pas d'effet non linéaire des pertes en fonction de la puissance tant que h En effet, en choisissant pour le circulateur A un ferrite qui, dans les conditions de fonctionnement de l'agencement à circulateur selon l'invention, travaille toujours dans des conditions d'un bas niveau relatif de puissance, h AHk faible qui dans ces mêmes conditions de fonctionnement travaille au régime h > hCB à partir d'une certaine puissance et donne donc naissance à la résonance subsidiaire, et en choisissant la fréquence centrale Fc de la bande utile de sorte que celle-ci soit au niveau la fréquence centrale de la résonance subsidiaire, on obtient un ensemble dans lequel le circulateur A fonctionne pratiquement sans pertes ou à des très faibles pertes à la fréquence Fc et l'isolateur, à cette même fréquence Fc, occasionne des pertes magnétiques non linéaires. Pour réaliser le comportement de l'isolateur tel qu'il ressort de la figure 3, il convient ainsi de choisir le ferrite et aussi les dimensions de l'isolateur de sorte que la non-linéarité se produise à partir du deuxième seuil S2. Le processus de fabrication de l'isolateur se déroule de la manière suivante : on détermine tout d'abord la fréquence centrale Fc, puis fixe l'aimantation de saturation 4sus. Ensuite on choisit la composition du ferrite pour qu'il présente la valeur AHk appropriée et détermine le champ magnétique extérieur à appliquer pour obtenir l'effet gyromagnétique souhaité. Enfin on dimensionne le résonateur pour obtenir que l'impédance de gyration soit égale à l'impédance de la ligne. Après avoir accompli ces différentes étapes, on vérifie par mesure si le comportement de l'isolateur correspond au but recherché. Si cela n'est pas le cas, le processus de fabrication sera réitéré. A titre d'exemple, on donnera dans le tableau qui suit les valeurs caractéristiques de deux ferrites, le premier (I) permettant la réalisation, dans les conditions de fonctionnement de l'invention, d'un circulateur tandis que l'autre (II) est approprié pour la réalisation de l'isolateur. Les deux ferrites sont du type à grenat-yttriumgadolinium. Ferrite Aimantation pertes seuil de à saturation magnétiques non-linéairité 4 x Ms AH AH I 1420 gauss 65 6 II 1820 gauss 20 2 I1 est encore à noter que les éléments en matière gyromagnétique peuvent aussi etre obtenus par combinaison de plusieurs ferrites. Ainsi on pourrait envisager de réaliser des disques en matériau gyromagnétique à partir de deux parties concentriques formées par des ferrites différents. Concernant le limiteur C, il est à noter que cette structure en associant à la fois une diode PIN et une diode SCHOTTKY, permet de gagner environ 8dB sur la valeur du point de compression par rapport à l'utilisation d'une unique diode PIN. La diode SCHOTTKY ne dissipe normalement pas de puissance et peut donc être choisie de manière à être très peu perturbante pour la ligne de transmission. La diode PIN protégée par l'isolateur non-linéaire, ne doit supporter qu'une puissance relativement faible et est peu perturbante. Elle peut être choisie de façon à avoir les valeurs suivantes: CJ0 = 0,2 pF et Vb = 30 V. Le réseau résistance/inductance permet d'améliorer le comportement en régime pulsé. Un prototype de l'agencement à circulateur selon l'invention a été réalisé pour une fréquence de 5,3 GHz. L'ensemble circulateur-isolateur-limiteur se présente sous la forme d'un module de dimension 28 x 9,6 x 5,8 mm. La masse est inférieure à 3 g. La tenue en puissance de la voie de réception est de l'ordre de +40 dBm en régime pulsé. La puissance admissible est de l'ordre de plusieurs dizaines de Watt en régime pulsé, cette valeur n'étant limitée que par le comportement du ferrite. L'invention est applicable à tous les systèmes qui comportent un dispositif à ferrite (circulateur, isolateur) et, le cas échéant, un limiteur, quelque soit sa structure. Le principe permet de réaliser un dispositif qui satisfait aux exigences jusqu'à présent incompatibles de faibles pertes à bas niveau de puissance et une très haute tenue en puissance. REVENDICATIONS 1. Agencement limiteur de puissance fonctionnant dans le domaine des hyperfréquences et adapté pour occasionner des faibles pertes à basse puissance et pour produire un effet de limitation de puissance à partir d'un seuil de puissance prédéterminé, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif à effet gyromagnétique comportant un ferrite dans la voie de transmission, qui est du type produisant à un bas niveau de puissance une résonance gyromagnétique et à un haut niveau de puissance une résonance subsidiaire, à une fréquence différente de la fréquence de résonance Fres, que la fréquence de fonctionnement du dispositif est située dans la zone de la résonance subsidiaire, et en ce que le ferrite est choisi de façon que le seuil de limitation de puissance précité (S2) coïncide avec la puissance à laquelle la résonance subsidiaire commence à se produire. 2. Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif à effet gyromagnétique précité est réalisé sous forme d'un circulateur à ferrite. 3. Agencement selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif à effet gyromagnétique est réalisé sous forme d'un circulateur à ferrite (B), transformé en isolateur par l'incorporation d'une charge adapté sur sa troisième porte, et qu'un limiteur à diodes (C) est monté en aval de l'isolateur et avantageusement adapté pour produire un effet de limitation de puissance à partir d'un deuxième seuil (S1) de puissance, le cas échéant inférieur au seuil précité (S2) de façon à protéger le limiteur à diodes contre des puissances trop élevées. 4. Agencement selon la revendication 3, caractérisé en ce que le limiteur à diodes comporte, montées en parallèle, entre la voie de transmission et un potentiel de référence tel que la masse, une diode PIN (12) et une diode SCHOTTKY (13). 5. Agencement selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il est constitué de deux diodes PIN montées tête-bêche entre la voie de transmission et un potentiel de référence, tel que la masse, les diodes s'autopolarisant à partir d'un certain seuil de puissance. 6. Agencement selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le dispositif limiteur à ferrite est relié à une voie d'accès (3) d'un circulateur à ferrite (A) dont deux autres voies (1, 2) sont reliées respectivement à un émetteur et un élément rayonnant d'une antenne fonctionnant comme élément d'antenne émetteur et récepteur. 7. Agencement selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'isolateur (B) et le circulateur (A) sont réalisés sous forme d'une seule pièce (17, 18, 20).