Brevet FR2759203A1 — publié le 19980807

ATTENUATEUR ELECTRONIQUE HYPERFREQUENCES La présente invention se rapporte à un atténuateur électronique hyperfréquences. Un atténuateur comporte une entrée à laquelle est appliquée un signal électrique et une sortie à laquelle on trouve le même signal électrique mais de niveau plus faible. Plus précisément dans le domaine des hyperfréquences, un atténuateur est un quadripôle qui agit sur l'amplitude de l'onde électromagnétique qui le traverse. Lorsque l'atténuateur est inséré sur une ligne et afin de ne pas augmenter le coefficient de réflexion sur cette ligne, I'affaiblissement du signal traversant l'atténuateur est effectué sous forme de pertes par effet Joule et non pas par réflexion d'une partie de l'énergie du signal appliqué à son entrée. Un atténuateur est caractérisé par le rapport exprimé en décibels entre la puissance incidente (signal d'entrée) et la puissance transmise (signal de sortie). Ce rapport définit le niveau d'atténuation. Les atténuateurs peuvent être distingués, selon différents critères liés à leur type d'action ou à leur technologie. Selon leur type d'action, les atténuateurs peuvent être de valeur fixe ou de valeur ajustable d'une façon continue ou par bonds. Dans le cas d'atténuateurs ajustables, le niveau de l'atténuation peut être ajusté mécaniquement, par exemple par un potentiomètre ou un commutateur ou électriquement, à l'aide une tension de commande. Selon leur technologie de réalisation on trouve des atténuateurs à éléments discrets (ou localisés) ou à éléments répartis. Parmi les atténuateurs à éléments localisés, on peut citer les filtres de type RLC ou les cellules résistives. Dans le cas de cellule résistives, I'atténuateur comporte des résistances de valeurs fixes, calculées pour obtenir le niveau d'atténuation désiré. On trouve parmi ces atténuateurs, selon leur montage électrique, les atténuateurs dits en Té ou en Pi. Dans ce type d'atténuateur à cellules résistives fonctionnant en basse fréquence, le niveau d'atténuation est pratiquement indépendant de la fréquence de fonctionnement, mais dans le cas d'utilisation à des fréquences élevées, par exemple en hyperfréquences, des éléments parasites modifient radicalement leur fonctionnement. Ces éléments parasites sont équivalents à des capacités disposées entre les éléments résistifs de l'atténuateur et la masse et à des selfs en série avec ces mêmes éléments résistifs. II en résulte que la phase entre le signal d'entrée et le signal en sortie de l'atténuateur varie dans des proportions importantes en fonction du niveau d'atténuation réalisé. Les atténuateurs comportant des éléments distribués, sont couramment utilisées dans le domaine des hyperfréquences, c'est par exemple le cas de coupleurs directifs à lignes. La figure la montre schématiquement le principe d'un coupleur directif CD1, qui est un octopôle réunissant entre elles deux paires de lignes ou de guides de telle manière que les lignes d'une même paire soient découplées. Le coupleur directif CD1, comporte 4 voies d'accès, 1,2,3 et 4. Les voies d'accès 1 et 3 ou 4 et 2 sont découplées. La voie d'accès 1 (ou 3) est couplée aux voies d'accès 4 et 2 et non couplée à la voie 3 (ou 1) et de la même façon la voie d'accès 4 (ou 2) est couplée aux voies d'accès 1 et 3 et non couplée à la voie d'accès 2 (ou 4). Lorsque l'octopôle est un coupleur directif parfait dont la phase entre la voie d'accès 1 et la voie d'accès 2 et entre la voie d'accès 3 et la voie d'accès 4 ont une valeur de 90 , nous appellerons ce type de coupleur directif, coup leur 90". Dans le cas d'un coupleur 90 , pour un accès au coupleur par la voie d'accès 1(ou 3), on appellera voie directe la voie d'accès 2 (ou 4), voie couplée la voie d'accès 4 (ou 2) et voie isolée la voie d'accès 3 (ou 1). La figure I b montre le schéma d'un coupleur directif à lignes CD2 qui est un coupleur 90". Ce type de coupleur comporte deux lignes couplées, de valeur de couplage quelconque, calculées de façon à présenter à ses accès une impédance caractéristique ZO. Le coupleur 90" CD2, comporte une première ligne LI ayant une entré El et une sortie S1, couplée à une seconde ligne L2, ayant une entrée E2 et une sortie S2. Dans ce type de coupleur directif à lignes, le chemin entre l'entrée El et la sortie S1 de la même ligne L1 ou le chemin entre l'entrée E2 et la sortie S2 de la même ligne L2 sont des voies directes. Ces deux lignes LI et L2 peuvent être réalisées sur un circuit imprimé, selon la technologie micro-bande. La figure 2 montre un atténuateur AT1 utilisant le coupleur 90" CD2, dont le niveau de couplage est par exemple d'environ -3 décibels, fonctionnant en commutateur hyperfréquences, c est à dire que l'atténuateur ATI peut prendre soit une valeur d'atténuation faible, proche du double de la perte intrinsèque du coupleur 90 , soit une valeur d'atténuation forte, proche du niveau d'isolement entre les voies non couplées du coupleur 90". L'entrée El de la première ligne L1 est reliée à un générateur G1 d'impédance caractéristique ZO et fournissant à l'atténuateur AT1 un signal d'entrée Ue. La sortie SI de la ligne LI est reliée à une première impédance de charge Zî égale à l'impédance caractéristique ZO du générateur, en série avec un premier interrupteur Il actionné par un dispositif de commande Co. L'entrée E2 de la seconde ligne L2 est reliée à une charge d'utilisation Cu, par exemple d'impédance caractéristique ZO, recevant un signal de sortie Us et la sortie de la seconde ligne L2 est reliée à une seconde impédance de charge Z2 égale à l'impédance caractéristique ZO du générateur, en série avec un second interrupteur 12 actionné par le dispositif de commande Co. Les interrupteurs Il et 12 peuvent être réalisés par des dispositifs électroniques connus, par exemple à l'aide d'une diode PIN commandée en courant par le circuit de commande Co. Lorsque les interrupteurs Il et 12 sont fermés, les sorties S1 et S2 des deux lignes respectives L1 et L2, sont chargée par les respectives impédances de charge Z1 et Z2 ayant des valeurs proches de l'impédance caractéristique ZO. Le commutateur fonctionne, dans cette configuration, comme un coupleur -3 décibels et l'énergie fournie par le générateur G1 se trouve répartie d'une façon sensiblement identique sur les respectives impédances de charge Zî et Z2 et pratiquement aucune énergie n'est transmise vers la charge d'utilisation Cu, par l'entrée E2 du coup leur. L'atténuation est maximale entre le générateur G1 et la charge d'utilisation Cu. La valeur de l'atténuation est environ le niveau d'isolation entre l'entrée El et l'entrée E2 du coupleur 90" CD2, soit en pratique d'environ -20 décibels. Lorsque les interrupteurs Il et 12 sont ouverts, les impédances vues par les sorties S1 et S2 du coupleur CD2 sont des impédances de valeur proche de l'infini. L'énergie provenant du générateur G1 est réfléchie sur les sorties S1 et S2 et transmise vers la charge d'utilisation Cu. L'atténuation est minimale, du niveau du double de la perte intrinsèque du coupleur 90". La figure 3 montre un atténuateur AT2 utilisant le même coupleur 90" CD2 de la figure lb fonctionnant en atténuateur variable. Dans ce cas les impédances de charge Z1 et Z2 appliquées respectivement aux sorties S1 et S2 du coupleur sont ajustables, produisant une énergie réfléchie, de niveau variable fonction de la valeur en module et en phase des ces impédances de charge Z1 et Z2. Cette énergie réfléchie est transmise avec une certaine perte vers la charge d'utilisation Cu. Le niveau d'atténuation peut varier entre une valeur d'atténuation faible correspondant au double des pertes intrinsèques du coupleur et une valeur forte, d'environ -20 décibels, représentant la valeur d'isolation du coupleur. Ces types d'atténuateur fonctionnent en réflexion. Le générateur GI et la charge d'utilisation Cu sont branchés sur des entrées découplées du coupleur 90" et le signal reçu par la charge d'utilisation Cu est produit par l'énergie réfléchie due à la désadaptation des impédances de charge Z1 et Z2, aux accès du coupleur 90". Ces types d'atténuateurs fonctionnant en réflexion ont le défaut majeur de présenter des pertes importantes liées à la perte intrinsèque du coupleur, mais aussi d'introduire une phase d'insertion variable entre le signal d'entrée et le signal en sortie de l'atténuateur, en fonction du niveau d'atténuation réalisé. Dans certains dispositifs électroniques, par exemple systèmes à antennes à balayage électronique, appareils de mesure etc., il est impératif de disposer d'un signal ayant une amplitude variable mais sans variation de phase. Les atténuateurs actuels, qu'ils soient à éléments localisés ou distribués, à atténuation ajustable ou commutable, utilisés en hyperfréquence, ne permettent pas cette constance de phase en fonction de l'atténuation. La présente invention, propose de palier les inconvénients de l'art antérieur en proposant un atténuateur hyperfréquences dont la valeur de l'atténuation peut être réglée entre une valeur minimale et une valeur maximale, basé sur un octopôle à éléments localisés ou distribués, I'octopôle ayant des voies couplées et des voies découplées, et, parmi les voies couplées, au moins une voie directe, caractérisé en ce qu'il est utilisé en transmission et que l'atténuation s'effectue sur la voie directe, un signal d'entrée à atténuer étant connecté à une extrémité de la voie directe et une charge d'utilisation étant connectée à l'autre extrémité de la voie directe. La présente solution est basée sur l'utilisation d'un coup leur 90" à valeur de couplage quelconque à éléments localisés ou distribués, utilisés en transmission par la voie directe. Dans ce cas, I'énergie reçue par la charge d'utilisation n'est pas due à l'énergie réfléchie par désadaptation des impédances de charge du coupleur, mais à l'énergie transmise directement par le générateur. Cette nouvelle structure permet d'obtenir une atténuation dont le rapport k, entre le signal de sortie et le signal d'entré appliqué à l'atténuateur, varie sensiblement entre 0 et 1 et pallie au défaut de l'art antérieur précédemment cité, par le fait que la phase entre le signal de sortie et le signal d'entrée est sensiblement constant en fonction de l'atténuation. L'atténuateur hyperfréquence, selon l'invention, présente des avantages liés à son atténuation minimale pouvant être très faible due aux faibles pertes de la voie directe du coupleur 90". Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - les figures 1 a et 1 b, déjà décrites, montrent le principe d'un coupleur 90". - la figure 2, déjà décrite, montre un atténuateur commuté hyperfréquences selon l'art antérieur. - la figure 3, déjà décrite, montre un atténuateur variable hyperfréquences selon l'art antérieur. - la figure 4, montre un schéma fonctionnel de l'atténuateur selon l'invention. - la figure 5, montre un atténuateur hyperfréquences selon l'invention, utilisant un coup leur directif à lignes. La figure 4 montre le schéma fonctionnel de la nouvelle structure. Soit Q un quadripôle (encadré en pointillés), ayant une entrée Eq et une sortie Sq, comportant un octopôle OP ayant des voies d'accès 1,2,3 et 4, présentant les caractéristique d'un coupleur 90 , à savoir que la matrice des coefficients de dispersion est du type: I R D I C I I D R C I I C I C R D I C I D R I Avec C : la valeur du couplage D : la valeur des pertes d'insertion l'isolation R : le coefficient de réflexion Lorsque l'octopôle est un coupleur 90C parfait, les relations existantes entre les paramètres de cette matrice de dispersion peuvent s'écrire sous la forme: C=jCou D= -51 (1-Cou2) 1=0 R=0 où Cou est le module du couplage dont la valeur peut etre comprise entre 0 et 1. L'entrée Eq du quadripôle Q étant connectée par exemple à la voie d'accès 1, qui est une extrémité d'une voie directe du coupleur 90 et la sortie Sq du même quadripôle étant connectée à la voie d'accès 2 du coupleur 90 , qui est l'autre extrémité de la même voie directe. Dans cette configuration et si l'on place l'impédance de charge Z1 ayant un coefficient de réflexion p1 sur la voie d'accès 4 (voie couplée) et Z2 ayant un coefficient de réflexion p2, sur la voie d'accès 3 (voie isolée) du coupleur 90 , on peut alors écrire, avec une impédance caractéristique ZO du coupleur 90 : ZO-Z1 p1 = ---- Z0 + Z1 Z0- Z2 P1 = Z0 + Z2 On a alors: Dans le cas général, les impédances Z1 et Z2 sont des impédances complexes. Les pertes d'insertion de la nouvelle structure (module de S21) sont alors réglables par ajustement électronique de Z1 etlou de Z2 en module etlou en phase. Le niveau d'atténuation est alors variable dans un rapport k dont la valeur peut être comprise entre 0 et 1. La phase de S21 est sensiblement constante quelle que soit l'atténuation, sauf dans certains cas extrêmes, où le module de S21 est quasiment égal à 0 ou quasiment égal à 1. La figure 5 représente un exemple de réalisation d'un atténuateur AT3 selon l'invention à partir du coupleur directif à lignes CD2 avec, par exemple, des valeurs de couplage faible de l'ordre de -10 décibels. Le générateur G1 fournissant le signal d'entrée Ue est branché à l'entrée El de la ligne LI et la charge d'utilisation Cu recevant le signal de sortie Us est branchée à la sortie S1 de la même ligne L1. L'impédance de charge ZI ajustable, se trouve connectée sur la sortie S2 de la ligne L2. L'impédance de charge Z2 qui dans cette réalisation est un court circuit, se trouve connectée sur l'entrée E2 de la même ligne L2. Le niveau d'atténuation de l'atténuateur AT3 est réglé en ajustant la valeur de l'impédance de charge Z1. Une partie de l'énergie fournie par le générateur G1 est transmise par la ligne L1 à la charge d'utilisation Cu et une autre partie de l'énergie est dissipée dans les impédances de charge Z1 et Z2. Pour cette réalisation typique avec des valeurs de couplage faibles, par exemple de l'ordre de -10 décibels, où Z2 est un court-circuit et Z1 une impédance de charge variable en module, le terme secondaire Ts de S21 est: Le terme secondaire Ts, reste inférieur ou égal à 1 en module et prends une phase variable entre 0 et 1800. La phase en transmission (phase de S21) est alors sensiblement constante quelle que soit la valeur de l'atténuation réalisée. Dans le cas général des différentes réalisations pratiques, les impédances de charge Z1 et Z2 sont variables, idéalement entre une valeur très proche de 0 ohm, c'est à dire de celle d'un court circuit et une valeur proche de l'impédance infinie, c'est à dire de celle d'un circuit ouvert. ces impédances peuvent être réalisées à l'aide de dispositifs sans limitation tels que transistors froids, diodes varactors, circuits résonnants, etc.. L'octopôle OP du quadripôle Q est un coupleur 90" à n décibels, n étant une valeur de couplage choisie de façon à de minimiser les pertes d'insertion de l'atténuateur. On peut envisager pour cette structure différents coupleurs possibles à éléments localisés ou distribués, selon le type d'application visée. Par exemple on peut citer les coupleurs en anneau, les lignes couplées, les coupleurs de Lange, les coupleurs à iris, les coupleurs actifs à transistors. Le coupleur peut être réalisé selon différentes technologies comme celles utilisées pour la réalisation des circuits intégrés monolithiques hyperfréquences ou des multicouches épaisses ou des couches minces ou des guides d'ondes. Pour certaines applications, une cascade d'atténuateurs selon l'invention, comportant des valeurs d'atténuation différentes, permet la réalisation d'un atténuateur modulable. Le choix des éléments constituant les impédances de charge du coup leur 90" peut se faire selon la fréquence de fonctionnement et l'on obtient alors une cellule filtrante, là encore ajustable aisément. REVENDICATIONS 1 Atténuateur hyperfréquences dont la valeur de l'atténuation peut être réglée entre une valeur minimale et une valeur maximale, basé sur un octopôle (OP) à éléments localisés ou distribués, I'octopole ayant des voies couplées et des voies découplées et, parmi les voies couplées, au moins une voie directe, caractérisé en ce qu'il est utilisé en transmission et que l'atténuation s'effectue sur la voie directe, un signal d'entrée (Ue) à atténuer étant connecté à une extrémité (1) de la voie directe et une charge d'utilisation (Cu) étant connecté à l'autre extrémité (2) de la voie directe. 2 Atténuateur hyperfréquences, selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'octopôle est un coupleur 90" (CD2) qui peut être choisi parmi les coupleurs à lignes, les coup leurs en anneau, les coupleurs de Lange, les coup leurs à iris, les coupleurs actifs à transistors et qu'il comporte des impédances de charge (Zi,22) . 3 Atténuateur hyperfréquences, selon la revendication 2, caractérisé en ce que le coupleur 90" est un coupleur directif (CD2) comportant une première ligne (Li) ayant une entrée (El) et une sortie (SI), la première ligne (lui) étant couplée à une seconde ligne (L2) ayant une entrée (E2) et une sortie (S2), le signal d'entrée (Ue) à atténuer étant connecté à l'entrée (El) de la première ligne (lui) et la charge d'utilisation (Cu) à la sortie (S1) de de la même première ligne (L1), en ce qu'une première impédance de charge (Z1) est branchée sur la sortie (S2) de la seconde ligne (L2) et qu'une seconde impédance de charge (Z2) est branchée sur l'entrée (E2) de la même seconde ligne (L2), le niveau d'atténuation de l'atténuateur (AT3) étant réglé en ajustant la valeur des dites impédances de charge (Z1,Z2), chaque impédance de charge pouvant prendre une valeur comprise entre une valeur proche de 0 ohm, c'est à dire de celle d'un court circuit et une valeur proche de l'impédance infinie, c'est à dire de celle d'un circuit ouvert. 4 Atténuateur hyperfréquences, selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les impédances de charge (Z1, Z2) sont des impédances complexes et que leur valeur peut être ajustée soit en phase soit en module ou soit en phase et en module. 5 Atténuateur hyperfréquences, selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la seconde impédance de charge (Z2) est un court-circuit. 6 Atténuateur hyperfréquences, selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le coupleur 90" peut être réalisé selon différentes technologies comme par exemple celles utilisées pour la réalisation des circuits intégrés monolithiques hyperfréquences ou des multicouches épaisses ou des couches minces ou des guides d'ondes. 7 Atténuateur hyperfréquences, selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que les impédance de charge (ZI ,Z2) sont choisies de façon à obtenir une cellule filtrante ajustable aisément. 8 Atténuateur hyperfréquences, selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que les impédances de charge (ZI ,Z2) peuvent être réalisées à l'aide de dispositifs sans limitation tels que transistors froids, diodes varactors, circuits résonnants. 9 Atténuateur hyperfréquences, selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que le coupleur 90" a une valeur de couplage (n) choisie de façon à minimiser les pertes d'insertion de l'atténuateur. 10 Atténuateur hyperfréquences modulable, caractérisé en ce qu'il comporte une cascade d'atténuateurs selon les revendications 1 à 9 dont les valeurs d'atténuation peuvent être différentes.