Brevet FR2776423A1 — publié le 19990924

La présence invention a pour objet un dispositif de couplage/découplage d'énergie pour signaux de mêmes amplitudes et phases, utilisable en ondes métriques et décimétriques. Dans ce qui suit et dans les revendications les dispositifs de couplage/découplage d'énergie seront, pour simplifier la description, étudiés lors de fonctionnements en sommateurs des énergies délivrées par plusieurs sources de mêmes amplitudes et phases, c'est-à-dire lors de fonctionnements en couplage. Bien entendu, du fait de la réversibilité des l0 ondes électromagnétiques, ces dispositifs peuvent fonctionner dans les deux sens et donc en découplage pour, à partir d'une source d'énergie, fournir plusieurs signaux, ces signaux ayant la même amplitude et la même phase. Ces dispositifs sont utilisés, par exemple dans les émetteurs hyperfréquences, pour sommer les puissances élémentaires délivrées par des modules transistorisés dont la puissance de sortie est limitée, et, ainsi, obtenir la puissance voulue à la sortie de l'émetteur. Divers dispositifs de couplage/découplage existent. Le plus performant d'entre eux semble être celui qui est décrit dans le brevet français 2 625 053 et dans son correspondant aux USA, le brevet 5 194 835. Ce dispositif connu comporte N coupleurs à 3dB à 90 , qui reçoivent respectivement les N signaux à sommer; ces coupleurs distribuent le signal reçu, à égalité d'amplitude et avec un déphasage apériodique de 90 vers deux boîtes de distribution; les boîtes de distribution additionnent les signaux qu'elles reçoivent; un coupleur de sortie combine les signaux de sortie des deux boîtes et fournit un signal de sortie qui, aux pertes près, est la somme des signaux d'entrée. Dans ses réalisations connues ce dispositif de couplage occupe un volume qu'il serait souhaitable de réduire dans bien des applications. le but de la présente invention est de proposer un dispositif du genre de celui dont il vient d'être question ci-avant, mais dans une réalisation compacte. Ceci est obtenu, en particulier, grâce au choix qui est fait pour les boîtes de distribution et grâce à un positionnement convenable des boîtes de distribution et des coupleurs à 3dB à 90 . Selon l'invention il est proposé pour cela un dispositif de couplage/découplage pour signaux de mêmes amplitudes et phases, comportant n+1 modules de couplage dont n modules d'entrée pour recevoir les signaux et un module de sortie et une première et une seconde boîte de distribution avec chacune des entrées reliées aux n modules d'entrée et une sortie reliée au module de sortie, caractérisé en ce que les boites de distribution sont du type à deux faces parallèles réunies à leur périphérie par une couronne dans laquelle les entrées sont réparties selon une symétrie radiaire, et à sortie située au centre de symétrie radiaire de l'une de leurs deux faces, en ce que les boîtes ont leurs deux autres faces en vis-à-vis et en ce que les n modules d'entrée sont répartis autour des couronnes, chacun à cheval entre une entrée de la première boîte et une entrée de la seconde boîte. La présente invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des figures s'y rapportant qui représentent: - la figure 1, un schéma électrique d'un dispositif de couplage/découplage, - la figure 2, un schéma électrique d'un élément d'une variante au dispositif selon la figure 1, - la figure 3, une vue schématisée d'un dispositif de couplage/découplage selon l'invention, - les figures 4 et 5, des vues partielles, complémentaires, de l'élément dont le schéma électrique est donné en figure 2, - les figures 6a, 6b, des vues partielles en coupe d'un dispositif de couplage/découplage - la figure 7, une vue simplifiée d'un autre dispositif de couplage/découplage. Sur les différentes figures les éléments correspondants sont désignés par les mêmes repères. Dans la description qui va suivre ainsi que dans les revendications il est question de coupleurs du type jonctions hybrides à 3dB, à 90 , comportant deux paires d'accès conjugués. Il faut entendre par paire d'accès conjugués du coupleur, deux des quatre accès du coupleur tels que, si des charges adaptées y sont branchées, il n'y a pratiquement pas de couplage entre les deux autres accès du coupleur, les deux autres accès constituant d'ailleurs également une paire d'accès conjugués; et, toujours quand des charges adaptées sont branchées sur l'une des paires d'accès conjugués, la puissance appliquée sur l'un des deux accès conjugués de l'autre paire ressort par les accès de la paire sur laquelle sont branchées des charges adaptées, à égalité de puissance mais avec des ondes en quadrature de phase. Sur les schémas les paires d'accès conjugués des coupleurs à 3dB, à 90 , seront repérées respectivement 1-2 et 3-4; ces coupleurs peuvent, sans sortie du cadre de l'invention, être constitués par tous autres circuits équivalents aux jonctions hybrides à 3dB, à 90 , tels que, par exemple, des tés magiques ou des anneaux hybrides associés à des éléments de déphasage de valeur convenable. La figure 1 est un schéma électrique d'un dispositif de couplage/découplage selon l'art connu et selon l'invention. Il s'agit d'un dispositif permettant, par exemple, d'alimenter une antenne branchée sur sa sortie S, à partie de n amplificateurs de mêmes amplitudes et de mêmes phases branchés respectivement sur ses n entrées E1 à En; I'antenne, non représentées, est alimentée avec la somme, aux pertes près, des énergies fournies par les n amplificateurs, non représentés. Les n entrées sont respectivement reliées aux accès 1 de n coupleurs d'entrée, à 3dB, A1 à An. Entre les accès 2 des coupleurs A1 à An, et la masse, sont montées des résistances d'équilibrage R1 à Rn, qui constituent des charges adaptées. Les accès 3 des coupleurs A1 à An sont respectivement reliés aux entrées 1 à n d'une boîte de distribution B1, à n entrées et une sortie; de même les accès 4 des coupleurs A1 à An sont respectivement reliés aux entrées 1 à n d'une boîte de distribution B2, à n entrées et une sortie. Les sorties des boîtes de distribution B1, B2 sont respectivement reliées aux accès 1 et 2 d'un coupleur de sortie, à 3dB, C, dont l'accès 3 est relié à la masse par une résistance d'équilibrage Rc et dont l'accès 4 constitue la sortie S du dispositif de couplage/découplage. Il est à noter qu'il est préférable de réaliser le coupleur de sortie selon la même technologie que les coupleurs d'entrée afin de compenser les défauts des coupleurs d'entrée, notamment en ce qui concerne la variation des couplages en fonction de la fréquence. Dans une variante au dispositif selon la figure 1 chaque coupleur d'entrée est remplacé, comme indiqué sur la figure 2, par deux coupleurs montés en parallèle; c'est-à-dire que, par exemple, le coupleur à 3dB A1 est remplacé par un ensemble de deux coupleurs à 3dB, Ail et A12, dont les accès 1 constituent deux entrées distinctes du dispositif. Entre les accès 2 des coupleurs A1, A12 et la masse sont montées des résistances d'équilibrage Re1, Re2 qui constituent des charges adaptées. Les accès 3 des coupleurs Al 1, A1 2 sont tous les deux reliés à la même entrée 1 de la boîte de distribution B 1; de même les accès 4 des coupleurs Al1l, A12 sont tous les deux reliés à la même entrée 1 de la boîte de distribution B2; ainsi est réalisé un module de couplage M1. Il est possible de réaliser d'autres variantes à ce module de couplage, avec non plus 2 mais 3, voire plus, coupleurs à 3dB en parallèle. Dans toutes ces réalisations, que ce soit avec un seul coupleur par entrée de boîte de distribution ou avec plusieurs coupleurs montés en parallèle, il faut obligatoirement que les trajets entre les différents accès 3 et 4 et les entrées correspondantes des boîtes de distribution B1, B2 soient de longueurs identiques; sinon des déphasages sont introduits entre les différents signaux d'entrée. Avec un seul coupleur par entrée de boîte de distribution cette exigence sur la longueur des trajets est facile à satisfaire; avec un module de couplage à deux coupleurs en parallèle un exemple de réalisation sera décrit à l'aide, en particulier, des figures 4 et 5; pour un module de couplage à trois coupleurs un montage avec les coupleurs à 180 les uns des autres est possible sans trop de problèmes de réalisation; mais les difficultés augmentent avec l'augmentation du nombre de coupleurs en parallèle, étant entendu qu'il est toujours possible de donner à tous les trajets "accès de coupleur-entrée de boîte de distribution" des longueurs identiques, par exemple en considérant les trajets les plus directs et en donnant à tous les trajets effectifs la longueur du trajet direct le plus long. La figure 3 est une vue schématisée d'un dispositif selon l'invention, qui montre deux boîtes de distribution B1, B2 du type à deux faces parallèles réunies à leur périphérie par une couronne, avec chacune n entrées réparties selon une symétrie radiaire tout autour de cette couronne. Les boîtes B1, B2 ont leur sortie située au centre de symétrie radiaire de l'une de leurs deux faces et ont leurs deux autres faces en vis-à-vis. Tout autour des boiîtes B1, B2 sont régulièrement répartis n modules de couplage dont seuls trois M1, M2, Mn, ont été représentés. Ces modules de couplage sont, soit constitués d'un seul coupleur à 3dB avec sa résistance d'équilibrage et dans ce cas n est égal au nombre de coupleurs d'entrée, soit constitués de plusieurs de ces ensembles "coupleur- résistance" montés en parallèle comme décrit à l'aide de la figure 2 et dans ce cas le nombre de coupleurs d'entrée est supérieur au nombre de modules. Les coupleurs des n modules de couplage sont montés, à cheval sur les deux boîtes de distribution avec leur accès 3 relié à une entrée de la boîte B1 et leur accès 4 relié à une entrée de la boîte B2, et ces deux entrées auxquelles sont reliés les accès d'un même coupleur sont sensiblement en vis-à-vis. Les sorties des boîtes B1, B2 sont reliées par des câbles coaxiaux aux entrées 1 et 2 d'un coupleur à 3dB associé, dans un module Cr, à une résistance d'équilibrage. Ce module Cr correspond aux éléments C et Rc de la figure 1. La figure 4 est une vue d'une partie d'un exemple de réalisation d'un module de couplage. Cet exemple correspond au schéma électrique de la figure 2; le module de couplage comporte donc deux coupleurs avec chacun une résistance d'équilibrage. Les deux coupleurs selon la figure 4 sont des jonctions hybrides à 3dB à 90 qui présentent chacune quatre accès numérotés 1, 2, 3 4. Ces accès sont les extrémités de deux paires de lignes couplees, L1-LI', L2-L2'; la longueur des lignes est sensiblement égale au quart de la longueur d'onde moyenne de travail des coupleurs; les lignes d'une même paire sont placées en vis-à-vis l'une de l'autre et leur écartement est choisi pour donner le couplage désiré, c'est-à-dire le couplage qui correspond à un coupleur à 3dB, à 90 . Les deux paires de lignes sont placées côte à côte avec des courts-circuits entre les accès 3 d'une part et les accès 4 d'autre part; de ces accès partent des conducteurs notés 3+3 et 4+4, destinés à relier le module de couplage respectivement aux boîtes B1 et B2. Deux câbles coaxiaux aboutissent, par leurs conducteurs internes, référencés El 1, E12 respectivement sur l'accès 1 relatif à la paire L1-LI' et sur l'accès 1 relatif à la paire L2-L2'. Des résistances Re1, Re2 sont reliées à l'une de leurs extrémités respectivement aux accès 2 des paires de lignes L1-LI' et L2-L2'. La figure 4 fait voir l'une des parties d'un module de couplage dont l'autre partie est représentée sur la figue 5. Cette autre partie comporte une sorte de grosse barre creuse, D, avec d'un côté une excroissance parallélépipédique, Da, et, de l'autre côté, deux tubes creux Db, Dc. La barre D est percée de deux trous cylindriques, parallèles D1, D2 reliés entre eux, vers chacune des extrémités de la barre, par un trou transversal; I'un de ces trous transversaux, référencé D4, apparaît sur la figure 5. Les tubes creux Db, Dc sont parallèles entre eux et perpendiculaires à la barre D; leurs trous intérieurs, référencés respectivement D33 et D44, débouchent respectivement dans les deux trous transversaux; sur la figure 5, la jonction entre le trou D44 et le trou transversal D4 est partiellement visible. L'excroissance Da est située sensiblement de l'autre côté de la barre D par rapport au tube Dc; cette excroissance Da comporte une canalisation, non représentée, avec une arrivée, une circulation et un départ de liquide réfrigéré. De part et d'autre de l'excroissance Da deux trous à section carrée sont percés dans la barre D et ces trous débouchent respectivement dans les trous cylindriques D1, D2; celui de ces trous qui débouche dans le trou D2 est visible sur la figure 5 et est référencé D6. Les deux parties représentées respectivement sur les figure 4 et 5 d'un module de couplage sont assemblées avec: - les paires de lignes L1-LI', L2-L2' respectivement à l'intérieur des trous D1, D2, - les conducteurs 3+3 et 4+4 respectivement dans les trous D33 et D44, les résistances Re1, Re2 plaquées respectivement sur deux faces opposées de l'excroissance Da; la position de la résistance Re2 sur l'excroissance Da a été repérée, sur la figure 5, par un rectangle dessiné en pointillés; ce positionnement des résistances sur l'excroissance Da est destiné à permettre une bonne dissipation des calories produites dans ces résistances. Le positionnement des différents éléments de la figure 4 par rapport à ceux de la figure 5 est assuré par des cales en matériau diélectrique, à part pour les résistances Re1, Re2 qui sont, chacune, montées dans un boîtier et ce boîtier est maintenu contre l'excroissance Da, à l'aide de deux vis non représentées. Le montage des éléments de la figure 4 peut être réalisé de deux façons: soit en assemblant pièce par pièce les différents constituants dans et sur le montage selon la figure 5, soit en réalisant le montage comme indiqué sur la figure 4 mais en utilisant une barre D, en deux parties, séparées par un plan passant par les axes de symétrie longitudinaux des trous cylindriques D1, D2; la trace, T, de ce plan de coupe est dessinée sur la figure 5; pour cette seconde possibilité de réalisation le montage selon la figure 4 est placé dans la partie de la barre D d'o partent les tubes Db, Dc puis les deux parties de la barre sont assemblées par soudure. Les figures 6a, 6b sont deux vues partielles, en coupe schématique, d'un même dispositif de couplage/découplage en cours de montage, au moment o un premier module de couplage, M1, du genre de celui qui est décrit à l'aide des figures 2, 4, 5, est branché sur l'une des entrées de l'une, B1, des deux boîtes de distribution. Il s'agit d'une boîte de distribution du genre de celles qui sont décrites à l'aide des figures 1 et 3, avec, ici, n=6 et un pourtour hexagonale. Des exemples de réalisation de boîtes de distribution sont décrits dans le brevet français 2 628 894 et dans son correspondant aux USA, le brevet 4 933 651. Le plan de coupe de la figure 6a passe par l'axe longitudinal, non représenté, d'un câble coaxial Bsl qui constitue la sortie de la boîte B1, sortie dont il a déjà été question lors de la description de la figure 3. Le plan de coupe passe aussi par l'axe longitudinal, non représenté, d'un conducteur 3 + 3 qui est le pendant du conducteur 3 + 3 selon la figure 4. Le module de couplage M1 n'est représenté que partiellement sur la figure 6a, sinon il apparaîtrait que le plan de coupe passe également par l'axe longitudinal non représenté d'un conducteur qui est le pendant du conducteur 4 + 4 selon la figure 4. La figure 6a montre un câble avec son conducteur interne E1 1, vu par transparence, ainsi qu'une paire de lignes L1-LI', également vue par transparence; ces éléments sont les pendants des éléments de la figure 4 qui portent les mêmes références. Un capot métallique K1 complète le module de couplage M1. Le plan de coupe de la figure 6b passe par les axes longitudinaux, non représentés des conducteurs tels que 3 + 3 des six modules de couplage, tels que M1, à connecter sur la boîte de distribution B1. Sur la figure 6b apparaissent, le capot K1 et les éléments L1-LI', L2-L2', 3 + 3, Re1, Re2 qui sont les pendants des éléments qui portent les mêmes références sur la figure 4. Il est à noter que les câbles coaxiaux qui aboutissent sur les accès des deux coupleurs à 3dB que comporte le module de couplage M1, ont une impédance caractéristique de 50 ohms. L'impédance caractéristique des câbles coaxiaux tels que celui dont le conducteur interne porte la référence 3 + 3 est donc de 50/2 = 25 ohms et l'impédance ramenée au centre de la boîte de distribution B1, quand des modules de couplage sont branchés sur ses six entrées, est de 25/6 ohms. Pour retrouver une impédance caractéristique de 50 ohms au moment o le câble coaxial Bsl qui part de la sortie de la boîte de distribution B1, aboutit sur le module Cr selon la figure 3, il est nécessaire de prévoir une transformation d'impédance; dans l'exemple décrit, comme il apparaît sur la figure 6a, cela est réalisé avec un câble de sortie Bsl dont la section du conducteur interne varie pour former des transformateurs quart d'onde. Des transformations d'impédance au niveau des conducteurs tels que 3 + 3 et des conducteurs qui les prolongent dans les boîtes de distribution sont également possibles pour retrouver une impédance caractéristique de 50 ohms. La figure 7 est une vue schématisée, de dessus, correspondant aux vues en coupe selon les figures 6a, 6b mais dans une variante de réalisation mettant en oeuvre des boîtes de distribution à 26 entrées et à 26 modules de couplage qui, ici aussi, sont à deux coupleurs en parallèle. Sur cette vue ont été dessinées: - I'une, B1, des boîtes de distribution; I'autre n'apparaît pas car elle est juste en dessous de la boîte B1 - cinq, M1, M13, M14, M20, M26, des 26 modules de couplage - les câbles de sortie Bsl et Bs2 des deux boîtes de distribution - un module Cr comportant un coupleur à 3dB associé à une résistance d'équilibrage. La présente invention n'est pas limitée aux exemples décrits. C'est ainsi, en particulier, qu'une circulation de liquide réfrigéré peut être réalisée à l'intérieur du conducteur interne de chacun des deux câbles coaxiaux, tels que Bsl, sur la figure 6a, qui constituent les sorties des boîtes de distribution. Pour cela l'arrivée et le départ de liquide peuvent être disposés sur la face de la boîte qui est opposée à la face d'o part le câble coaxial de sortie: - un trou est percé, à cet endroit, dans la paroi de la boîte - un premier tube métallique creux venant de l'extérieur de la boîte aboutit sur la périphérie de ce trou deux tubes, I'un pour l'arrivée l'autre pour le départ du liquide, sont disposés dans le tube creux - et un piège quart d'onde qui ramène une impédance infinie au niveau du trou est obtenu grâce à un court- circuit disposé entre le premier tube et les deux tubes qu'il contient, à une distance du trou égale au quart de la longueur d'onde moyenne de travail du dispositif de couplage/découplage. REVENDICATIONS 1. Dispositif de couplage/découplage pour signaux de mêmes amplitudes et phases, comportant n+1 modules de couplage (M1-Mn, Cr) dont n modules d'entrée (M1-Mn) pour recevoir les signaux et un module de sortie (Cr) et une première (B1) et une seconde (B2) boîte de distribution avec chacune des entrées reliées aux n modules d'entrée et une sortie reliée au module de sortie, caractérisé en ce que les boîtes de distribution (B1, B2) sont du type à deux faces parallèles réunies à leur périphérie par une couronne dans laquelle les entrées (1-n) sont réparties selon une symétrie radiaire, et à sortie située au centre de symétrie radiaire de l'une de leurs deux faces, en ce que les boîtes ont leurs deux autres faces en vis-à-vis et en ce que les n modules d'entrée (M1-Mn) sont répartis autour des couronnes, chacun à cheval entre une entrée de la première boîte (B1) et une entrée de la seconde boîte (B2). 2. Dispositif de couplage/découplage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les modules d'entrée sont constitués par l'association d'un coupleur à 3dB (A1-An) et d'une résistance d'équilibrage (R1-Rn), le coupleur présentant une première paire d'accès conjugués (1, 2) avec un premier accès (1) pour recevoir un des signaux, un deuxième accès (2) sur lequel est branchée la résistance d'équilibrage (R1-Rn), et une deuxième paire d'accès conjugués avec un troisième accès relié à une des entrées de la première boîte (B1) et un quatrième accès relié à une des entrées de la seconde boîte (B2). 3. Dispositif de couplage/découplage selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque module d'entrée (M1-Mn) est constitué par k, avec k entier supérieur à 1, coupleurs à 3dB (All 1, A12) respectivement associés à k résistances d'équilibrage (Re1, Re2), chacun des coupleurs du module présentant une première paire d'accès conjugués (1, 2) avec un premier accès (1) pour recevoir un des signaux, un deuxième accès (2) sur lequel est branchée la résistance d'équilibrage (Re1, Re2) à laquelle il est associé et une deuxième paire d'accès conjugués (3, 4) avec un troisième (3) et un quatrième (4) accès, en ce que les troisièmes accès des coupleurs d'un même module sont reliés entre eux et reliés à une des entrées de la première boite (B1) et en ce que les quatrièmes accès des coupleurs d'un même module sont reliés entre eux et reliés à une des entrées de la seconde boîte (B2). 4. Dispositif de couplage/découplage selon la revendication 3 dans lequel k = 2, caractérisé en ce que les deux coupleurs des modules (M1- Mn) sont du type à deux lignes couplées (L1, LI'; L2, L2') et en ce que chaque module comporte une barre métallique creuse (D) avec deux cavités dans lesquelles sont disposées respectivement les deux coupleurs et avec des ouvertures pour faire communiquer les coupleurs entre eux et avec les résistances d'équilibrage et permettre de constituer des accès (El1, E12, 3 + 3, 4 + 4) pour le module.