Brevet FR2819088A1 — publié le 20020705

La présente invention se rapporte à un dispositif sommateurdiviseur de puissance RF. Un dispositif sommateur-diviseur est un dispositif comportant un pôle unique d'un côté et un ensemble de n pôles d'un autre côté, ces pôles, étant des entrées ou sorties selon le sens d'utilisation du dispositif. Si le pôle unique est utilisé en tant qu'entrée, on recueille sur chacun des n autres pôles, qui sont alors des sorties, la 1/n-ème partie du signal d'entrée, Inversement, si les n pôles sont utilisés en tant qu'entrées, on recueille sur le pôle unique, qui est la sortie du dispositif, la somme géométrique des n signaux d'entrée. Les signaux d'entrée en question peuvent être à bande étroite ou à large bande et ils peuvent être de faible ou de forte puissance, les circuits du dispositif étant conçus en conséquence. Le type de dispositif sommateur-diviseur, fonctionnant en radiofréquences (RF), auquel se rapporte l'invention est réalisé selon la technologie des circuits planaires, sur circuit imprimé, par exemple en technologie"microstrip"ou"microstrip suspendu". Les pôles d'entrée et de sortie de ce dispositif, ainsi que ses liaisons internes doivent donc être coplanaires. En outre, ce dispositif doit présenter un isolement maximal en RF (c'est-à-dire à des fréquences généralement comprises entre quelques MHz et plusieurs GHz) entre ses n voies d'entrée ou de sortie, selon le cas. L'invention se rapporte plus particulièrement à un dispositif dont le nombre de voies est différent de 2n (avec n > l). En effet on sait réaliser de manière satisfaisante (performances optimales, grande largeur de bande et symétrie parfaite des circuits) un dispositif à 2" voies à l'aide de coupleurs de type Wilkinson à deux voies associés en cascade. De nombreux dispositifs réalisant les fonctions de sommation ou de division de signaux RF existent, mais ils sont limités soit dans leurs performances soit au niveau de leur architecture. Les plus connus sont les dispositifs de type Wilkinson ou dérivés. Suivant le nombre de voies, on rencontre des difficultés, voire des impossibilités, pour réaliser la fonction dans un même plan, comme expliqué ci-dessous en référence aux figures 1 à 3. On a représenté en figure 1 un sommateur (ou diviseur) 1 à deux voies. Ce sommateur a une structure en triangle dont la base est reliée à deux bornes (accès) J1, J2 et dont le sommet est relié à la borne (de sortie) J3, La base de ce triangle comporte une résistance d'équilibrage R, et les deux autres côtés comportent chacun une impédance Z (impédance de ligne). Une telle structure est parfaitement symétrique vis-à-vis des voies J l et J2 et peut être réalisée en technologie planaire car elle ne présente aucun croisement de circuits. On a représenté en forme 2 un sommateur (ou diviseur) 2 à trois voies qui comporte trois bornes (d'accès) J1 à J3 et une borne (de sortie) J4. les bornes J1 à J3 sont reliées chacune d'une part par une résistance d'équilibrage R à un point commun 3, et d'autre part par une impédance, respectivement Z1 à Z3, à la borne J4. Une telle structure à trois voies (ou davantage) implique obligatoirement le croisement de deux liaisons (liaison vers J3 avec l'une des liaisons de Z1 ou Z3). Elle ne peut donc pas être réalisée en technologie planaire. On pourrait envisager une technologie à câbles pour résoudre le problème du croisement de liaisons, mais une telle solution n'est guère envisageable au-delà d'une fréquence de fonctionnement d'une centaine de MHz, car alors les connexions deviendraient délicates à réaliser, et la largeur de bande réduite (les câbles de liaison devraient avoir des impédances caractéristiques différentes des valeurs standard afin d'obtenir une bonne adaptation d'impédances et de tels câbles ne sont pas disponibles en standard). Une solution possible pour éviter le problème du croisement des liaisons est représentée en figure 3. Le circuit 4 de la figure 3 comporte, d'un côté, trois bornes J1 à J3, et de l'autre côté une borne J4. La borne J2 est reliée à chacune des bornes J1 et J3 par une résistance d'équilibrage R, et les bornes J1 à J3 sont reliées à la borne J4 à chaque fois par une impédance respectivement Z1 à Z3. Un tel système n'est pas symétrique car il n'y a pas de résistance entre les bornes Jl et J3 (comme il en existe entre J1 etJ2 d'une part, et entre J2 et J3 d'autre part), et l'isolement entre les voies J l et J3 est fortement dégradé par rapport à celui entre les voies J1 et J2, ainsi que par rapport à celui entre J2 et J3. Un autre dispositif connu, dit de Gysel, à structure en anneau, présente le même inconvénient que celui de Wilkinson. Si on arrive à élargir sa bande passante sans trop de difficultés, le problème reste le croisement des lignes. Un autre dispositif connu, dérivé de celui de Gysel, supprime les croisements, mais est très limité en largeur de bande passante. Hormis les dispositifs à 2 voies, pouvant être constitués de circuits de Wilkinson cascadés à 2 voies chacun, il n'existe pas de solution satisfaisante pour réaliser des dispositifs à m voies (m 2r avec n 1) présentant une large bande passante et une isolation correcte entre voies (d'au moins 18 à 20 dB) et pouvant être réalisés en technologie planaire. La présente invention a pour objet un dispositif sommateur/diviseur comportant d'un côté m voies (avec en particulier m 2"avec n > 1) et de l'autre une seule voie, ce dispositif présentant à la fois une large bande passante, une isolation correcte entre voies, et pouvant être réalisé en technologie planaire et pouvant fonctionner dans une large gamme de fréquences, par exemple de quelques MHz à plusieurs GHz. La présente invention a pour objet un sommateur/diviseur de puissance à m voies (m > 2), caractérisé en ce qu'il comporte deux étages en cascade, le premier étant du type coupleur de Wilkinson à deux voies, et le second comportant deux coupleurs, chacun de ces deux coupleurs comportant m/2 voies si m est pair, ou (m-1)/2 voies si m est impair, ces voies étant à chaque fois à lignes à configuration en étoile, les extrémités libres de ces lignes étant reliées entre elles par ( (m/2)-1) résistances d'équilibrage égales entre elles si m est pair, et par ( (m-3)/2) résistances d'équilibrage égales entre elles, si m est impair, et si, m est pair, ces deux coupleurs sont reliés à leur base par une résistance d'équilibrage, ou, si m est impair, ces deux coupleurs sont reliés à leur base par deux résistances d'équilibrage égales entre elles et en série, dont le point constitue le point central des m voies, ce point commun étant, par ailleurs, relié à chaque fois par une ligne aux extrémités de la base du premier étage. Selon une autre caractéristique de l'invemlon, le sommateur/diviseur de puissance est caractérisé en ce que le dispositif pour m impair, les deux lignes reliant les extrémités de la base du premier étage au point commun ont une impédance double de celle des lignes de chaque coupleur, et que lesdites deux résistances d'équilibrage ont une valeur égale à celle des résistances d'équilibrage de chaque coupleur, cette valeur étant fonction des impédance à l'entrée et à la sortie de chaque coupleur. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de plusieurs modes de réalisation, pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, sur lequel : - les figures 1 à 3, déjà décrites ci-dessus, se rapportent à des dispositifs de l'art antérieur, - les figures 4 à 6 sont des schémas de dispositifs conformes à l'invention, pour des nombres différents de voies multiples, et -- les figures 7 et 8 sont des blocs-diagrammes de généralisation du dispositif de l'invention pour un nombre pair et un nombre impair, respectivement, de voies multiples. - L'invention est décrite ci-dessous de façon schématique, avec des composants représentés sous forme discrète, mais il est bien entendu que la réalisation concrète des impédances et résistances peut se faire à l'aide de différentes technologies, en particulier en fonction des fréquences de fonctionnement envisagées. Pour les basses fréquences (par exemple inférieures à 100 MHz), les impédances sont constituées par des circuits à constantes localisées (inductances et condensateurs), alors que pour des fréquences plus élevées, on fait appel à des technologies planaires (lignes microruban, lignes à fente, guides coplanaires,...). Dans ce dernier cas, chacun des différents segments de ligne représentant une impédance peut être réalisé soit sous forme d'un tronçon de ligne unique ayant l'impédance recherchée, soit sous forme d'une suite de sous-tronçons d'impédances différentes, l'ensemble de ces soustronçons présentant l'impédance recherchée, ceci en vue d'améliorer les performances du dispositif, en particulier pour élargir sa largeur de bande de fonctionnement. Les circuits décrits ci-dessous en référence aux figures 4 à 8 seront considérés comme des sommateurs pour simplifier la description, c'est-à-dire qu'ils ont plusieurs entrées et une sortie unique, mais il est bien entendu que ces mêmes circuits peuvent être utilisés en tant que diviseurs (à une seule entrée et plusieurs sorties). Ils sont réalisés sur un circuit imprimé, en technologie planaire (microstnp ou microstrip suspendu, par exemple). Une telle technologie permet d'obtenir une architecture (un tracé du circuit imprimé) à symétrie quasi parfaite entre toutes les liaisons inter-voies (symétrie par rapport à la médiatrice de l'alignement des entrées J1 à Jn). A ce propos, il faut noter que toute dissymétrie au niveau des entrées est difficilement compensable par les circuits se trouvant en aval. De plus, avec le dispositif de l'invention, les pistes de liaison ou de transformation ne se coupent pas, et les entrées, ainsi que les pistes sont dans le même plan (ce qui peut faciliter l'intégration de ce dispositif dans un appareil, tel qu'un amplificateur, généralement également réalisé en technologie planaire). Le dispositif sommateur 5 représenté en figure 4 se compose essentiellement de deux étages 6 et 7, l'étage 6 étant relatif à la sortie, et l'étage 7 aux entrées. Ce dispositif comporte trois bornes d'entrée J1 à J3 et une borne de sortie J4. Chacune des entrées J1 à J3 est reliée par un transformateur d'impédance, respectivement Tl à T3 à un point d'entrée correspondant Pl à P3 du deuxième étage 7. La sortie J4 est reliée par un transformateur d'impédance T4 à un point de sortie P4 relatif au premier étage 6. Ces transformateurs d'impédance Tl à T4 en plus de leur rôle évident d'adaptation du dispositif 5 aux circuits situés en amont de ses entrées et en aval de sa sortie, permettent d'élargir la bande passante du dispositif 5. Le premier étage 6 est du type coupleur de Wilkinson. Il comporte deux lignes 8,9 d'impédance égale (Z1) reliant P4 à deux points intermédiaires P 5, P6 respectivement. Ces points P 5 et P6 sont reliés entre eux par une résistance d'équilibrage 10. Le deuxième étage 7 comporte quatre lignes 11 à 14. Les lignes 11 et 12 relient le point P5 aux points Pl et P2 respectivement, et les lignes 13 et 14 relient le point P6 aux points P2 et P3. Les lignes 11 et 14 ont la même impédance Z2, de même que les lignes 12 et 13 (Z3). Une résistance d'équilibrage 15 relie les points Pl et P2, et une résistance d'équilibrage 16 relie les points P 2 et P3. Les résistances 15 et 16 sont égales entre elles. Leur valeur dépend des impédances 11 et 14. Pour que ce dispositif 5 soit non seulement parfaitement symétrique et équilibré, mais aussi pour que dans son utilisation en diviseur le signal apparaissant en P2 soit identique à celui apparaissant en Pl ou P3 (c'est-à-dire pour qu'il en soit de même en J2 par rapport à J1 ou J3), il faut avoir : z 3 = 2. Z2. soit : i3 = i2/2 (il, i2 et i3 étant les courants dans les lignes d'impédance zl, z2, z3). Les déphasages dus aux lignes 11 et 14 doivent être identiques à ceux dus aux lignes 12 et 13. On obtient alors : i2. z2 = 2. i3. z3. Dans de telles conditions, on obtient bien les identités de signaux en Pl, P2, P3 ou bien en J2 et J3. Les résistances d'équilibrages 15 et 16 assurent également les isolements entre les voies J1 et J2 d'une part, et entre les voies J2 et J3 d'autre part. De façon analogue, la résistance d'équilibrage 10 assure l'isolement entre les points P 1 et P3 (ou J1 et J3) ; Les isolements obtenus sont de l'ordre de 20 dB pour un dispositif à large bande passante (supérieure à 1 octave). Le dispositif 5 décrit ci-dessus ne comporte aucune intersection de lignes, et peut donc être réalisé en technologie planaire. Si l'on désirait réaliser un dispositif à quatre voies de même nature (toutes des entrées ou toutes des sorties) d'un côté et une seule voie (sortie ou entrée, respectivement) de l'autre côté, on pourrait aussi bien réaliser le dispositif de l'invention en suivant la règle de généralisation exposée ci-dessous en référence aux figures 7 et 8, que cascader deux étages de coupleurs Wilkinson à deux voies. On a représenté en figure 5 le dispositif de l'invention pour cinq voies de même nature d'un côté (entrée ou sortie). Comme dans le cas de la figure 4, le dispositif 1 7 de la figure 5 est constitué de deux étages 18,19. Les cinq entrées J1 à J5 sont reliées chacune par un transformateur d'impédance T1 à T5 à un point d'entrée correspondant, P 1 à P 5 respectivement, et la sortie J6 est reliée par un transformateur d'impédance T6 à un point de sortie P6. Le point P6 est relié par des lignes 20,21 d'égale impédance zl à des points intermédiaires P7, P8, ces points étant reliés entre eux par une résistance d'équilibrage 22. Le point P7 est relié par des lignes 23 à 25 aux points Pl à P3 est relié par des lignes 23 à 25 aux points Pl à P3 respectivement, tandis que le point P 8 est relié par des lignes 26 à 28 aux points P 3 à P5 respectivement. Des résistances d'équilibrage 29 à 32 relient respectivement les points Pl-P2, P2-P3, P3-P4 et P4-P5. Les éléments 20 à 22 constituent le premier étage 18, et les éléments 23 à 32 constituent le deuxième étage 19. Les lignes 23,24, 27 et 28 ont toutes une impédance égale à z2, tandis que les lignes 25 et 26 ont une impédance égale à z3. Soient i2 les courants dans les lignes d'impédance z2 et i3 ceux dans les lignes d'impédance z3. Soient i2 les courants dans les lignes d'impédance z2 et i3 ceux dans les lignes d'impédance z3. Comme dans le cas de la figure 4, on doit avoir : Z3 = 2. z2 et i3 = i2/2. Si les déphasages dus aux lignes d'impédance z2 sont égaux à ceux dus aux lignes d'impédance z3, on a : i 2. z2 = 2. i3. z3. Les points Pl à P5 sont respectivement reliés deux à deux par des résistances d'isolement 29 à 32. Les résistances 29 et 30 ont une valeur égale à R2, et les résistances 31 et 32 ont une valeur égale à R3. Les valeurs des résistances R2 et R3 sont fonction des impédances en P7 (ou P8) d'une part, et en Pl (ou P2, P3, P4, P5) d'autre part. Au point P3, on obtient (dans le cas d'un montage diviseur) la somme des deux signaux dans les lignes 25 et 26. Dans ce cas, tous les signaux aux points P 1 à P5 sont identiques, de même qu'aux bornes J l à J5. Le dispositif 33 de la figure 6 comporte, d'un côté, six voies de même nature. Il se compose également de deux étages 34, 35. L'étage 34 est identique aux étages 9 ou 18, et se compose de deux lignes 36,37 et d'une résistance d'équilibrage 38. L'étage 35 ne diffère de l'étage 19 que par le fait qu'il comporte SIX bornes J 1 à J6, six transformateurs T1 à T6, ce qui fait qu'il a six points correspondants Pl à P6, et qu'au lieu d'un point central (qui était P3 en figure 5), il en a deux, P3 et P4, et donc les lignes centrales (qui étaient les lignes 25 et 26 en figure 5) ne sont pas reliées ensemble à un point milieu, mais respectivement à P3 et P4, ces points P3 et P4 étant reliés par une résistance d'équilibrage (47). Les lignes reliant les points intermédiaires P8, P9 aux points Pl à P3 et P4 à P6 respectivement, sont référencées 39 à 44. Les résistances d'équilibrage entre les points Pl à P6 sont respectivement référencées 45 à 49. Du fait qu'il n'y a pas de'point central réel (tel que le point P3 en figure 5), mais un point central virtuel (centre de la résistance 47) et que les points P3 et P4 les plus proches de ce centre virtuel sont isolés entre eux par la résistance 47, les impédances des lignes 39 à44 sont toutes égales à z2. Il en résulte également que les résistances 45,46, 48 et 49 sont égales entre elles (égales à R2). Seule la résistance 47 a une valeur différente. Les valeurs de RI, R2 et R3 dépendent respectivement des impédances entre P7 et P8 (ou P7 et P9) pour RI d'une part, et P8 (ou P9) et Pl à P6 d'autre part pour R2 et R3. Dans le dispositif 33, le premier étage 34 est du type Wilkinson à deux voies. Le deuxième étage 35 est constitué de deux coupleurs à trois voies chacun (différents du dispositif 5 de la figure 4) séparés par les résistances 38 et 47, chacun de ces coupleurs comportant trois lignes à configuration en étoile et deux résistances d'équilibrage. On peut, à partir de ces exemples à 3,5 et 6 voies, généraliser la structure du dispositif de l'invention pour un nombre m de voies, m étant supérieur à 2 et pouvant être pair ou impair. Dans les figures 7 et 8 décrites ci-dessous, on n'a pas représenté les transformateurs d'impédance. En figure 7, on a schématiquement représenté le cas pour m pair. Ce montage général 50 comporte, comme tous les dispositifs de l'invention (pour m > 2) deux étages 51,52. Le premier étage 51 est toujours du type Wilkinson, Le deuxième étage 52 comporte deux coupleurs identiques 53,54 à m/2 voies chacun reliés aux extrémités de la résistance R1 du premier étage. Ces m/2 voies sont à lignes à configuration en étoile (comme en figure 6), et chacun de ces coupleurs comporte à sa base ( (m/2)-1) résistances d'équilibrage égales entre elles, et leurs deux résistances d'équilibrage les plus proches entre elles (similaires aux résistances 46 et 48 de la figure 6) sont reliées entre elles par une résistance 55. La figure 8 se rapporte au cas où m est impair (m3). Le dispositif 56 qui y est représenté comporte également deux étages 57,58. Le premier étage 57 est identique à l'étage 51 de la figure 7. Le deuxième étage 58 comporte deux coupleurs identiques à (m-1)/2 voies chacun. Chacun de ces deux coupleurs a une configuration de lignes d'impédance z2 en étoile (similaires à la configuration 23,24 ou 27,28 de la figure 5) avec à sa base (m-3) /2 résistances d'équilibrage (telles que les résistances 29 et 32 et de valeur R2. En outre, deux lignes 61,62 (similaires aux lignes 25,26 de la figure 5) d'impédance Z3 relient les extrémités de la résistance RI (similaire à la résistance 22) au point central 63 (similaire au point P3 de la figure 5), et deux résistances d'équilibrage 64,65 (de valeur R3) relient les résistances d'équilibrage centrales (similaires aux résistances 30 et 31 de la figure 5) au point 63. Le dispositif décrit ci-dessus en référence aux figures 4 à 8, peut être utilisé aussi bien en sommateur qu'en diviseur. Dans le premier cas, il peut, par exemple, dans un émetteur, réaliser la sommation des signaux de sortie de m amplificateurs disposés en parallèle. Dans le second cas, il peut, à partir d'un unique signal d'entrée, exciter en phase et avec le même niveau m amplificateurs disposés en parallèle. REVENDICATIONS 1-Sommateur/diviseur de puissance à m voies (m > 2), caractérisé en ce qu'il comporte deux étages en cascade (6,7 ou 18,19 ou 34,35 ou 51,52 ou 57,58), le premier étant du type coupleur de Wilkinson à deux voies, et le second comportant deux coupleurs identiques (53-54,59-60), chacun de ces deux coupleurs comportant m/2 voies si m est pair, ou (m-l)/2 voies si m est impair, ces voies étant à chaque fois à lignes à configuration en étoile (11-24,23-24, 27-28, 39-40-41,42-43-44), les extrémités libres de ces lignes étant reliées entre elles par ( (m/2)-1) résistances d'équilibrage égales entre elles (45-46, 48-49) si m est pair, et par ( (m-3)/2) résistances d'équilibrage égales entre elles (29-32), si m est impair, et si, m est pair, ces deux coupleurs sont reliés à leur base par une résistance d'équilibrage (47,55), ou, si m est impair, ces deux coupleurs sont reliés à leur base par deux résistances d'équilibrage égales entre elles et en série (15-16,30-31, 64- 65), dont le point commun (P2 en figure 4, P3 en figure 5, ou 63) constitue le point central des m voies, ce point commun étant, par ailleurs, relié à chaque fois par une ligne (12-13,25-26, 61-62) aux extrémités de la base du premier étage (P5-P6 en figure 4, P7-P8 en figure 5, ou extrémités de Rl en figure 8). 2-Dispositif selon la revendication l, caractérisé en ce que, pour m impair, les deux lignes (12-13,25, 26,61-62) reliant les extrémités de la base du premier étage au point commun ont une impédance (Z3) double de celle (Z2) des lignes de chaque coupleur, et que lesdites deux résistances d'équilibrage (15-16,30-31, 64-65) ont une valeur (R3) égale à celle (R2) des résistances d'équilibrage de chaque coupleur, cette valeur étant fonction des impédance à l'entrée et à la sortie de chaque coupleur.