Brevet FR2841687A1 — publié le 20040102

L'invention concerne les déphaseurs hyperfréquences à toroide de ferrite, utilisés dans les radars, les faisceaux hertziens et les systèmes de télécommunication, en particulier pour les antennes réseau pouvant assurer la fonction d'antennes à balayage électronique, ainsi que pour les commutateurs et diviseurs de puissance variable utilisant ce type de déphaseur. Parmi les différents déphaseurs ferrite connus, les déphaseurs à simple ou double torode de ferrite présentent les avantages suivants: - structure compacte, miniaturisée, dont les dimensions sont compatibles avec le maillage d'une antenne réseau à balayage électronique un ou deux plans; faibles pertes d'insertion - mode de fonctionnement en rémanent (" latching ferrite phase shifter "): l'énergie de commande n'a pas besoin d'être maintenue pendant la durée o le déphasage est nécessaire; - faible consommation en énergie de commande et simplicité de la commande; la commande est impulsionnelle, il n'est donc pas nécessaire de maintenir un courant en continu; - temps de commutation très faible, de l'ordre de quelques microsecondes, avec une électronique de commande relativement simple et classique; - grand facteur d'efficacité du déphasage par unité de longueur (en degré/cm); - peu de dispersion en fonction de la fréquence pour une énergie de commande donnée, le retard varie extrêmement peu en fonction de la fréquence. Toutes ces qualités sont généralement recherchées dans une application d'antenne à balayage électronique. Le seul point négatif, qui concerne d'ailleurs tous les dispositifs à ferrite, est le comportement en température de ces déphaseurs. En effet, le déphasage obtenu varie en fonction de la température de fonctionnement du déphaseur, bien que pour ce type de déphaseur (à simple ou double torode), fonctionnant en rémanent, la sensibilité en température soit déjà plus faible que pour d'autres structures de déphaseurs à ferrite (notamment le déphaseur réciproque de type Reggia & Spencer). On a représenté sur les figures 1 à 4 du dessin joint des schémas de déphaseurs à simple torode et à double toroide de ferrite: - la figure 1 est un schéma d'un déphaseur à simple torode; - la figure 2 est un schéma d'un déphaseur à double toroide; - la figure 3 est un schéma d'une structure compacte de déphaseur à double toroide; - la figure 4 est un schéma d'une structure composite à circuit de commande identique à la structure compacte. Le déphaseur à simple torode est constitué d'un torode de ferrite (1) placé autour d'un diélectrique (3) au centre d'un guide d'onde (2) à section droite rectangulaire propageant le mode TE01. Dans ce cas, le torode ne remplit pas toute la section du guide d'onde. Ce type de déphaseur fonctionne avec une onde à polarisation rectiligne. La structure à double torode permet une meilleure compacité et miniaturisation. Elle est constituée d'une lame de diélectrique (3) prise en sandwich entre deux tores de ferrite (1,1'), l'ensemble étant placé dans un guide d'onde (2) à section droite rectangulaire. Le déphasage est obtenu par un changement d'aimantation dans les deux tores de ferrite créant ainsi une variation de la constante de propagation de l'onde hyperfréquence qui le traverse. La variation d'aimantation est obtenue par une variation du champ magnétique transverse, lui-même produit par le passage d'un courant parcourant un fil électrique (non représenté) traversant longitudinalement les toroides de ferrite. La forme du toroide de ferrite permet de conserver l'aimantation en absence de courant. C'est ce que l'on appelle un fonctionnement en rémanent (" latching "). Le déphaseur ainsi obtenu est un déphaseur non réciproque, ceci signifie que pour un sens de courant donné, le déphasage obtenu est différent suivant le sens de propagation de l'onde hyperfréquence. La sensibilité du déphasage de ces déphaseurs aux effets de la température constitue leur inconvénient majeur dans les applications o la température de fonctionnement peut varier sur une gamme plus ou moins grande, généralement de -20 C à +800C, en télécommunications ou en radar. Cette sensibilité est due aux variations des caractéristiques du matériau ferrite en fonction de la température. Pour remédier à ces inconvénients, un certain nombre de solutions sont connues actuellement: - utiliser un matériau ferrite dont les grandeurs caractéristiques, l'aimantation à la saturation (41I Ms) et l'aimantation rémanente Br varient peu en fonction de la température. Malheureusement, cette technique n'est pas parfaite, car les caractéristiques ne sont pas constantes en fonction de la température. En outre, pour des matériaux ferrite utilisés pour des fréquences supérieures à 10 GHz, qui sont en général des ferrites de lithium ou de nickel, les caractéristiques de ces ferrites varient de façon monotone. Il n'y a donc aucune compensation possible. En effet, les techniques de compensation qui consistent à doper le matériau ferrite par des métaux (aluminium ou gadolinium) s'accompagnent généralement d'une augmentation des pertes diélectriques et magnétiques. Ces pertes deviennent inacceptables pour des fréquences élevées. associer un ferrite hyperfréquence (1) et un matériau ferrite basse fréquence (5) servant de circuit magnétique de commande (fig.4). En choisissant un matériau ferrite de caractéristiques appropriées en fonction de la température, on peut obtenir une certaine compensation en température. Cependant, cette technique a d'énormes inconvénients. En premier lieu, la structure composite n'est pas compacte, ce qui augmente le volume et la masse. Cette technique pose également des problèmes de reproductibilité pour un processus de fabrication industrielle, étant donnée la nécessité de maîtriser les dimensions d'un entrefer. Par ailleurs, un torode composite nécessite une énergie de commande extrêmement élevée par rapport à un toroide de ferrite compact constitué uniquement par un ferrite hyperfréquence o l'aimantation rémanente est assurée naturellement. Ceci est d à la présence de l'entrefer. faire une correction en température en temps réel. Ainsi, dans un réseau d'antennes comportant N déphaseurs par exemple, chaque déphaseur est caractérisé individuellement en température. Les courbes de déphasage en fonction de la commande électronique pour différentes températures sont relevées et mises en mémoire dans une EPROM. Une sonde de mesure de température en temps réel permet de connaître à tout instant la température effective du déphaseur et d'en déduire la loi de commande appropriée pour obtenir un déphasage constant, en fonction des informations mémorisées. Cette technique peut être satisfaisante, à condition d'avoir des lois de commande identiques pour tous les déphaseurs du réseau. Dans des cas o il existe un gradient de température au sein de l'antenne réseau, chacun des déphaseurs doit posséder sa propre loi de correction, ce qui devient très vite compliqué et coteux et de ce fait, limite la précision de correction possible. L'invention vise à apporter une nouvelle solution à ce problème, affranchie des inconvénients ci-dessus, et convenant pour une gamme de températures de -200C à +800C. L'invention est basée sur la découverte qu'il existe une valeur de l'énergie de commande d'un déphaseur hyperfréquence à torode de ferrite fonctionnant en rémanent pour laquelle le déphasage est à peu près insensible à la température, au moins dans la plage de -201C à + 800C, et que la variation du déphasage avec la température pour une énergie de commande donnée est fonction croissante ou fonction décroissante de la température selon que l'énergie de commande est inférieure ou supérieure à la valeur d'insensibilité précitée. Il est donc possible, après avoir déterminé ce point d'insensibilité, de s'affranchir de l'influence de la température sur le déphasage en commandant le déphaseur avec l'énergie de commande qui correspond à son point d'insensibilité (première solution) ou en associant en série au moins deux éléments déphaseurs identiques ou sensiblement identiques et en les commandant avec des énergies de commande différentes telles que les éléments fonctionnent respectivement l'un dans une zone o le déphasage est une fonction croissante de la température et l'autre dans une zone o le déphasage est une fonction décroissante de la température, les énergies de commande étant choisies de telle sorte que les gradients de déphasage en fonction de la température se compensent (deuxième solution, commandes complémentaires). L'invention sera encore expliquée ci-après en référence aux figures schématiques du dessin joint sur lequel: - la figure 5 est un schéma des courbes de déphasage d'un élément déphaseur ferrite en fonction du courant de commande, selon différentes températures; compte tenu de l'électronique de commande utilisée les courbes sont graduées en courant de commande, correspondant à l'énergie de commande nécessaire. On parlera dans la suite soit de l'énergie de commande, soit du courant de commande correspondant. - la figure 6 est un exemple d'un déphaseur à double torode de ferrite fonctionnant en rémanent selon la première solution de l'invention; - la figure 7 est une coupe longitudinale d'un guide d'onde comportant deux éléments déphaseurs non réciproques à double torode de ferrite associés selon la deuxième solution de l'invention; - la figure 8 est une coupe d'un dispositif analogue à celle de la figure 7 mais avec un seul fil de commande; - la figure 9 est un exemple d'un déphaseur numérique 4 bits fonctionnant en rémanent constitué d'une pluralité d'éléments compensés en température (structure à double toroide de ferrite en guide rectangulaire); - la figure 10 est un exemple d'une maquette de déphaseur 4 bits comprenant un bit constitué d'un élément bi-phase et des bits constitués d'éléments à commande complémentaire; - les figures 11 et 12 représentent le déphasage différentiel mesuré du premier et du deuxième tronçon du bit 4 du déphaseur de la figure 10 en fonction de la température, et - la figure 13 représente les 16 étapes de déphasages différentiels (4 bits) en fonction de la température. On a mis en évidence sur la figure 5 deux points de fonctionnement pour lesquels la phase d'insertion est indépendante de la température. Le premier point (A) s'obtient en considérant un montage d'élément déphaseur à double toroide de ferrite o le sens de prorogation est le même que le sens de courant de commande d'initialisation appliqué (RESET) : le double toroide de ferrite est commandé en rémanent par une impulsion de courant de durée et de valeur données, permettant d'initialiser le ferrite et de partir d'un état de référence donné et connu. On appellera cette impulsion, " impulsion de reset ". Le déphasage obtenu après cette impulsion de reset est indépendant de l'aimantation antérieure du ferrite et sert donc de point de référence pour la courbe de déphasage en fonction du courant de commande. Le deuxième point (B) s'obtient en considérant les courbes donnant le déphasage différentiel en fonction du courant de commande, paramétrées en fonction de la température. Dans ce cas, le ferrite est toujours commandé en rémanent. On lui applique une double impulsion de commande décomposée en: - une impulsion de reset - une impulsion de signe opposé à l'impulsion de reset, de durée donnée et de valeur appelée " courant de commande ". Les courbes se coupent en deux points le premier point (A) précité et le deuxième point (B) dit " point d'insensibilité " qui ne dépend que des caractéristiques intrinsèques du ferrite. En pratique, la longueur de ferrite fixe la valeur du déphasage obtenu au point d'insensibilité en température. On peut donc réaliser un déphaseur à deux états de phase déphasage différentiel nul, - déphasage différentiel fixe, dont la valeur dépend de la longueur du ferrite et peut donc être ajustée selon le besoin. En associant plusieurs déphaseurs bi-phase de ce type, on obtient un déphaseur numérique insensible à la température. On obtient ainsi des précisions de déphasage de l'ordre de +/-30 sur 3600 et sur une gamme de température de -200C à +800C, alors que pour un déphaseur classique sans correction, la précision du déphasage est de l'ordre de +/400. Un exemple de montage d'un élément bi-phase insensible à la température selon la première solution de l'invention est donné figure 6. Sur cette figure, l'élément vu de dessus est constitué de deux tores de ferrite (1,1') séparés par un diélectrique (3) de forte permittivité, dans un guide d'onde rectangulaire (2). La référence (6) désigne sur la figure le fil de la commande. Les figures 7 à 9 sont relatives à la deuxième solution apportée par l'invention. La figure 7 est un schéma d'un dispositif constitué, conformément à la deuxième solution de l'invention, de deux éléments déphaseurs à double toroide (D, D') séparés par un diélectrique (3), associés en série dans un guide d'onde (2). Chaque élément comprend deux tores de ferrite (1,1') placés autour d'un diélectrique (3) de forte permittivité et séparés par un diélectrique (3') assurant l'adaptation des deux éléments. Les éléments sont commandés par des circuits de commande distincts dont on a représenté des fils de commande (6,6'). Dans une variante simplifiée (fig. 8), au prix d'une faible dégradation de la précision du déphasage, on enroule le fil de commande (6) une fois dans le premier élément et deux fois dans le second élément, réalisant ainsi un rapport 2 entre les énergies de commande des deux éléments. On a ainsi une seule commande pour les deux éléments. Ce principe peut être étendu à des rapports de nombres de tours quelconques, par exemple 3 et 2. L'invention permet la réalisation de déphaseurs numériques insensibles à la température, dont chaque bit est constitué de deux éléments commandés par des énergies de commande complémentaires (figure 9). Une autre façon d'exploiter l'invention est de réaliser un déphaseur analogique insensible à la température pour une certaine plage de déphasage. En effet, on constate en analysant les courbes plus finement que, pour la partie de la courbe correspondant aux énergies de commande inférieures à celle du point d'insensibilité en température, il existe une certaine plage de déphasage sur laquelle le gradient de déphasage en fonction de la température est à peu près constant. On peut donc réaliser un déphaseur constitué de deux éléments, l'un ayant une énergie de commande fixe (ou variable), supérieure à celle du point d'insensibilité en température, l'autre ayant une énergie de commande variable sur une certaine plage et inférieure à celle du point d'insensibilité en température, ces deux énergies étant pratiquement complémentaires sur une certaine plage de déphasage, laquelle dépend de la géométrie et de la nature du matériau ferrite. On obtient ainsi un élément déphaseur analogique insensible à la température sur une certaine plage de température, par opposition à un déphaseur digital fonctionnant en bi phase (2 états). On peut ainsi associer plusieurs de ces éléments déphaseurs analogiques afin de réaliser un déphaseur analogique insensible à la température fonctionnant sur une plage de déphasage plus étendue. On peut également associer un ou plusieurs de ces éléments déphaseurs analogiques à des éléments bi phase insensibles à la température, afin d'augmenter la résolution du déphasage total (variation la plus faible possible du déphasage). Ce dispositif de déphaseur ferrite commandé en rémanent possède une autre qualité la stabilité de la phase d'insertion en fonction de la température. Toutes les découvertes précédentes portaient sur le déphasage différentiel en fonction de la température. Cette stabilité de la phase d'insertion s'observe pour un point de fonctionnement donné, o les pertes d'insertion sont minimales. Des mesures complémentaires ont montré que la phase d'insertion varie extrêmement peu en fonction de la température, ce qui est un élément important pour les grandes antennes réseau, o il peut exister un gradient de température entre les déphaseurs, induisant un dépointage intempestif par variation de la phase. Pour mettre en évidence cette stabilité de la phase d'insertion, il faut repérer le point de fonctionnement, déterminé par des pertes d'insertion minimales, pour un sens de courant de commande et un sens de propagation donné. EXEMPLE Une réalisation de déphaseur digital 4 bits insensible à la température a été effectuée. Dans cet exemple, un bit de déphasage est réalisé, soit à partir d'un élément bi-phase qui est lui-même insensible à la température, soit à partir de deux éléments à commande complémentaire. Les deux techniques ont été utilisées pour réaliser cette maquette de déphaseur insensible à la température. La maquette 4 bits a été réalisée avec 7 tronçons de déphasage. Les trois bits de poids. fort sont chacun constitués de deux éléments à commande complémentaire et le bit de poids faible (2205) est constitué par un élément biphase. Celui-ci peut assurer une précision suffisante (+/10) et il a l'avantage de ne comporter qu'un seul tronçon. Les différents tronçons sont séparés par des éléments diélectriques de faibles pertes (titanate de magnésium de permittivité 13). Ils ont été dimensionnés pour assurer la continuité d'impédance dans la structure du déphaseur complet. Ils sont également utiles pour faciliter le passage des fils de commande. Le schéma de la maquette réalisée est présenté figure 10. Plusieurs maquettes d'expérimentation ont été réalisées et étudiées autour de 20GHz. En principe, un bit est réalisé par deux tronçons de longueur identique. Cependant, à cause des dispersions dans les montages, un des deux tronçons peut présenter une efficacité plus faible. Pour cette raison, on a été amené à surdimensionner un des deux tronçons afin de compenser la perte d'efficacité éventuelle de déphasage due à la dispersion de montage au laboratoire. C'est ainsi que la maquette 4 bits (fig. 10) qui a été réalisée au laboratoire comporte les tronçons suivants: * Bit 1 (2205) élément biphase à 1 tronçon de longueur 1,4mm. Cet élément a été obtenu suivant le principe de la figure 5 en ajustant la longueur. On obtient ainsi un biphase à 22,50 +/- 0,50. * Bit 2 (450) à 2 tronçons de longueur Ll = 2mm et L2= 1,5mm * Bit 3 (900) à 2 tronçons de longueur Llà= 4,2mm et L2= 3mm * Bit 4(1800) à 2 tronçons de longueur Ll=7,4mm et L2=6mm Le déphaseur fonctionne en rémanent (" latching mode ") et la section droite est dimensionnée selon les règles classiques de dimensionnement. L'énergie de commande est fournie par une impulsion de courant programmable. La commande en mode rémanent utilise les séquences de courant de signe opposé (RESET/SET initialisation/déphasage). Pour un sens de courant de commande dans les tores de ferrite, le déphasage créé dépend du sens de propagation dans le déphaseur (avance et retard de phase). Bien que les courbes de déphasage en fonction du courant de commande aient la même allure (au signe près) pour les deux sens de propagation, il convient de faire fonctionner le déphaseur de façon à ce que le sens de propagation soit le même que le sens du courant de commande. Pour le mode RESET, ces conditions de fonctionnement assurent une bonne stabilité de la phase d'insertion de référence en fonction de la température. La première phase du travail consiste à tracer pour chacun des 7 tronçons, les courbes du déphasage en fonction du courant de commande pour différentes températures. Les 4 bits de base insensibles à la température peuvent être obtenus en considérant les combinaisons suivantes: - Bit 1 (22,50) élément bi-phase à partir du 7ème tronçon (1, 4mm) avec un courant de commande de 0,85A - Bit 2 (450) à partir de 2 tronçons 5 (2mm) avec 1,3A et 6 (1,5mm) avec 0,53A - Bit 3 (900) à partir de 2 tronçons 3 (4,2mm) avec 0,67A et 4 (3mm) avec 1,08A - Bit 4 (1800) à partir de 2 tronçons 1 (7,4mm) avec 0,88A et 2 (6mm) avec 1,8A Les figures 11 et 12 montrent le déphasage différentiel mesuré des tronçons 1 et 2 du bit 4 en fonction de la température. Les 15 valeurs de déphasages différentiels (non nuls) s'obtiennent en additionnant les différents bits. L'écart maximal de chacune des 15 valeurs de déphasage dans la gamme de température de -200C à + 600C est indiqué dans le tableau suivant: Etats de déphasage O 22 05 450 6705 900 11205 1350 15705 Ecarts maximaux O 206 101 306 1 5 40 201 405 Etats de déphasage 1800 20205 2250 24705 2700 29205 3150 33705 Ecarts maximaux 207 102 201 30 1 8 203 11 205 Pour montrer que ces résultats sont des valeurs typiques, les mêmes mesures ont été effectuées sur un autre montage expérimental de déphaseur digital 4 bits. Les écarts maximaux constatés sont indiqués dans le tableau suivant: Etats de déphasage (O 2205 450 6705 900 11205 1350 15705 Ecarts maximaux d GO 109 106 306 20 10 304 305 -200C à +60C Ecarts maximaux de -200C G 206 106 306 305 30 4 409 20 à +80OC Etats de déphasage 1800 20205 2250 24705 2700 29205 3150 33705 Ecarts maximaux 20 202 301 208 40 402 504 502 de -200C à +600C Ecarts maximaux 306 305 301 405 40 505 504 609 de -200C à +800C On peut constater que l'écart maximal crête à crête est inférieur à 60. La précision de chacune des 15 valeurs de déphasages (non nuls) est meilleure que +/-30 pour la gamme de température de -200C à +600C. De la même façon, on obtient pratiquement la même précision pour la gamme étendue de -200C à +800C. De plus, on peut constater que la phase d'insertion varie de l'ordre de + /-3 dans la gamme de température de -200C à +800C. Ces résultats sont indiqués dans les tableaux précédents et sur la figure 13 pour une plage de -200C à +600C. Fonctionnement en analogique A partir des courbes d'étalonnage de déphasages en fonction du courant de commande et de la température, on constate que la compensation en température peut se faire sur une certaine zone de fonctionnement. Ainsi, le bit 1800 peut fonctionner de 1650 à 2020 à condition de changer les couples valeurs du courant de commande. Il en est de même pour les bits 900 et 450. Pour la maquette réalisée, les 3 bits peuvent fonctionner respectivement dans une gamme de déphasage non négligeable: - Le bit 1800 de 1650 à 2020 - Le bit 900 de 900 à 1070 - Le bit 450 de 450 à 550 - Le bit 2205 (biphase) Les diverses combinaisons de ces éléments de bases permettent d'obtenir des plages de réglages continues de déphasage par variation des couples de valeurs de courant de commande, à la manière d'un déphaseur analogique. La précision typique obtenue sur cette maquette est meilleure que +/-30 dans la gamme de température de -200C à +600C. L'invention n'est pas limitée aux réalisations qui ont été décrites. REVENDICATIONS 1. Procédé pour commander avec une énergie de commande un élément déphaseur hyperfréquences à torode de ferrite, dans lequel on détermine la valeur de l'énergie de commande pour laquelle le déphasage est à peu près insensible à la température et, soit on commande l'élément avec cette valeur, soit on lui associe en série un autre élément déphaseur identique (ou sensiblement identique) et on commande les deux éléments avec des énergies de commande de valeurs respectivement inférieure et supérieure à ladite valeur en sorte que les gradients de déphasage des deux éléments en fonction de la température se compensent. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on commande l'élément avec une énergie de commande choisie pour que le déphasage résultant soit à peu près insensible aux variations de température. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on associe en série au moins deux éléments identiques ou sensiblement identiques et on commande ces éléments avec des énergies de commande telles que les gradients de déphasage des deux éléments en fonction de la température se compensent. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel on commande les deux éléments par des fils de commande distincts parcourus par des courants d'intensité différents. 5. procédé selon la revendication 3, dans lequel on commande les deux éléments par un fil de commande commun qui réalise autour des ferrites des nombres entiers différents de tours. 6. Dispositif déphaseur à ferrite (1,1') commandé électriquement, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux éléments déphaseurs à ferrite (D,D') identiques ou sensiblement identiques associés en série et commandés avec des énergies de commande différentes telles que les éléments fonctionnent respectivement l'un dans une zone o le déphasage est une fonction croissante de la température et l'autre dans une zone o le déphasage est une fonction décroissante de la température, les énergies de commande étant choisies en sorte que les gradients de déphasage des deux éléments en fonction de la température se compensent. 7. Dispositif selon la revendication 6, dont les deux éléments déphaseurs (D,D') sont commandés par des fils de commande distincts (6,6') o circulent des courants de commande différents. 8. Dispositif selon la revendication 6, dont les deux éléments déphaseurs sont commandés par un fil de commande commun (6) o circule un même courant de commande mais qui réalise autour des ferrites des nombres entiers différents de tours. 9. Dispositif selon la revendication 6, dont les éléments déphaseurs fonctionnent en analogique. 1O.Dispositif selon l'une des revendications 6 à 9, dont chaque élément déphaseur est un déphaseur non réciproque qui comprend un seul tore de ferrite (1). 11.Dispositif selon l'une des revendications 6 à 9, dont chaque élément déphaseur est un déphaseur non réciproque à double tore (1,1') de ferrite. 12.Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8 qui comprend plusieurs couples d'éléments déphaseurs (Dl, D'l, D2, D'2, D3, D'3, D4, D'4) associés deux à deux pour constituer un déphaseur numérique. 13.Dispositif déphaseur à ferrite commandé électriquement, caractérisé en ce qu'il est commandé avec une énergie de commande choisie en sorte que le déphasage soit à peu près indépendant de la température. 14.Dispositif selon la revendication 13, dont les éléments déphaseurs fonctionnent en bi phase. 15.Applications d'un dispositif déphaseur selon l'une des revendications 6 à 14 à un radar, un faisceau hertzien, une antenne ou un commutateur.