Brevet FR2862158A1 — publié le 20050513

BALUN DISTRIBUÉ À RAPPORT D'IMPÉDANCE NON UNITAIRE La présente invention concerne les transformateurs à changement de mode qui sont utilisés pour convertir une tension de mode conuuun en mode différentiel et inversement. De tels transformateurs sont généralement appelés "balun", de l'anglais "balanced-unbalanced". Un transformateur à changement de mode est par exemple utilisé dans des chaînes d'émission-réception radiofréquence, par exemple de téléphones mobiles. Ce genre d'application a couramment recours à des dispositifs de type balun, le côté antenne étant le plus souvent associé à un dispositif à une seule extrémité. On connaît essentiellement deux catégories de transformateurs à changement de mode, à savoir des baluns à lignes couplées, dits distribués, et des baluns à éléments localisés. Les baluns à lignes couplées sont constitués de pistes conductrices couplées deux à deux, la fréquence de fonctionnement du transformateur étant conditionnée par la longueur des lignes. Les baluns à éléments localisés sont constitués d'éléments capacitifs et inductifs constituant des cellules LC. La présente invention concerne plus particulièrement les baluns à lignes couplées. Parmi ceux-ci, l'invention concerne plus précisément un balun de type Marchand, c'est-à- dire un balun symétrique dont les lignes couplées sont calculées à partir d'un longueur en 1/4, où 1 représente la longueur d'onde correspondant à la fréquence centrale de la bande passante souhaitée pour le balun. La figure 1 représente de façon très schématique la fonction d'un balun 1. Côté mode commun, le dispositif comporte un port 2 dit de mode commun (par exemple, destiné à être raccordé à l'extrémité d'une antenne). Côté mode différentiel, le balun comporte deux ports 3 et 4 symétriques par rapport à une référence M, généralement la masse du côté de l'équipement de traitement des signaux reçus. Côté mode commun, le signal reçu est le plus souvent référencé à la terre T. Les masses côté mode commun et côté mode différentiel peuvent (mais pas nécessairement) présenter des potentiels différents l'une de l'autre. Pour un balun parfaitement symétrique, une tension V côté mode commun est convertie en deux tensions V/2 côté mode différentiel. La figure 2 représente, de façon très schématique, le schéma électrique équivalent d'un balun classique de type Marchand. Quatre sections conductrices 5 à 8 ayant chacune une longueur quart d'onde (1/4) sont couplées deux à deux. Deux premières sections 5 et 6 sont en série entre le port 2 d'accès de mode commun et un accès 9 généralement ouvert et laissé en l'air. Les deux autres sections 7 et 8 sont en série entre les deux ports 3 et 4 d'accès de mode différentiel et ont leur point milieu 10 connecté à la masse M qui constitue la référence du côté différentiel. Les signaux présents sur les bornes 3 et 4 d'entrée-sortie de mode différentiel sont déphasés de 180 l'un par rapport à l'autre. La figure 3 représente, de façon très schématique et sous forme de blocs, un exemple de montage utilisant un balun 1 du type auquel s'applique l'invention. Dans cet exemple, le port 2 d'accès de mode commun est connecté à l'extrémité d'une antenne 11 d'émission-réception radiofréquence et les deux ports d'accès différentiels sont destinés à être connectés à des circuits 12 d'exploitation des signaux reçus et de préparation des signaux à émettre (APPLI). Entre le balun 1 et le ou les circuits 12 est prévu un circuit 13 d'adaptation d'impédance (ZMATCH) nécessaire dans la plupart des applications. Un balun tel qu'illustré par la figure 2 dans lequel toutes les sections conductrices sont de structures identiques et de mêmes longueurs conduit à un rapport d'impédance unitaire entre le primaire (mode colLunun) et le secondaire (mode différentiel). Selon l'application, les circuits côté primaire et secondaire requièrent ou non une même impédance (par exemple, 50 S2). On peut avoir besoin d'un rapport d'impédance non unitaire (par exemple, 50/100 entre l'antenne (50 S2) et des filtres à ondes acoustiques de surface (100 S2), 50/200, 25/50, 100/25, etc.). Classiquement, pour modifier le rapport d'impédance d'un balun à lignes couplées, on connecte en parallèle les spires d'un des côtés du balun. La figure 4 représente le schéma électrique équivalent d'un exemple d'un tel balun à rapport d'impédance non unitaire. En figure 4, les lignes couplées 5 à 8 ont été représentées sous la forme d'inductances dans la mesure où il s'agit le plus souvent de spires couplées. Côté primaire, les deux spires 5 et 6 sont en série. Côté secondaire, les spires 7 et 8 sont (50 S2) connectées en parallèle. Ainsi, pour une tension V présente sur l'accès de mode commun 2 engendrant un courant I dans les spires 5 et 6 en série, on obtient une tension V/2 aux bornes de chaque spire 7 et 8 mais celles-ci sont parcourues par un courant 2I. Par conséquent, le rapport d'impédance d'un tel balun est ici de 4, (par exemple, 200/50). Un problème qui se pose est la connexion en parallèle des spires 7 et 8. En effet, les baluns à lignes couplées sont le plus souvent réalisés sous la forme de pistes conductrices enroulées de façon à gagner de la place par rapport à des pistes rectilignes. Le couplage entre les sections 5 et 7, respective- ment 6 et 8, est alors obtenu en réalisant ces sections sur le même niveau ou dans des niveaux conducteurs différents de façon interdigitée et/ou superposée. Les enroulements 5 et 6, respectivement 7 et 8, sont, par exemple, espacés latéralement. Dans une telle structure, la connexion en parallèle des deux spires requiert des vias et ponts supplémentaires. De plus, pour des rapports d'impédance autres que quatre ou un quart, les connexions de multiples spires en parallèle rendent d'autant plus conplexe la réalisation de tels baluns. La présente invention vise à proposer un balun distribué de type Marchand à rapport d'impédance non unitaire qui soit de réalisation simple et qui pallie les inconvénients des solutions connues. L'invention vise notamment à proposer une solution qui n'accroît pas le besoin de vias et de ponts de connexion d'enroulements conducteurs pour un balun réalisé au moyen de pistes conductrices enroulées dans des niveaux conducteurs différents. L'invention vise également à proposer une solution qui soit compatible avec la réalisation d'un balun au moyen d'enrou-20 lements conducteurs superposés. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, la présente invention prévoit un transformateur à changement de mode à lignes couplées, dans lequel les lignes couplées deux à deux présentent des largeurs différentes. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les largeurs des lignes sont choisies en fonction du rapport d'impédance souhaité entre les accès de mode commun et de mode différentiel. La présente invention prévoit aussi un transformateur à changement de mode comprenant une première ligne conductrice constituée de deux enroulements primaires électriquement en série et dont la longueur est fonction d'une fréquence centrale de fonctionnement du transformateur; et une deuxième ligne conductrice constituée de deux enroulements secondaires électriquement en série, couplés deux à deux avec les enroulements primaires et dont la longueur est fonction de ladite fréquence centrale; les lignes conductrices présentant des largeurs différentes choisies en fonction du rapport d'impédance souhaité pour le transformateur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, des premiers et deuxièmes enroulements de chacune des lignes sont réalisés dans un même niveau conducteur en étant latérale-ment espacés, le primaire ou secondaire du transformateur ayant l'impédance la plus faible présentant une largeur de lignes la plus grande. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les deux enroulements de chacune des lignes conductrices sont superposés dans deux niveaux métalliques différents, le primaire ou secondaire du transformateur présentant l'impédance la plus faible ayant la largeur la plus étroite. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'interpiste entre deux spires d'un même enroulement est dimensionné en fonction de l'impédance souhaitée. Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: les figures 1 à 4, décrites précédemment, sont desti- nées à exposer l'état de la technique et le problème posé ; et la figure 5 représente, par une vue de dessus, un mode de réalisation d'un transformateur à changement de mode selon la présente invention. Les mêmes éléments ont été désignés par les mêmes références aux différentes figures. Par souci de clarté, seuls les éléments qui sont nécessaires à la compréhension de l'inven- tion ont été représentés et seront décrits par la suite. En particulier, les circuits amont et aval d'un balun n'ont pas été détaillés, l'invention s'appliquant quels que soient les circuits ou équipements connectés côté mode différentiel et côté mode commun. De plus, la réalisation pratique d'enroulements conducteurs sur un substrat multi- niveaux n'a pas été détaillée, la mise en oeuvre de l'invention faisant appel aux techniques classiques de réalisation des baluns au moyen de pistes conductrices. Une caractéristique de la présente invention est de prévoir des pistes conductrices présentant des largeurs différentes entre le primaire (mode commun) et le secondaire (mode différentiel). On aurait pu penser modifier le rapport d'impédance en modifiant le nombre de spires des pistes conductrices d'un côté par rapport à l'autre afin de modifier les valeurs des inductances respectives et, par conséquent, le rapport d'impédances. Toutefois, une telle solution est inconipatible avec le besoin d'avoir des longueurs de lignes en X/4 pour l'ensemble du balun. La figure 5 est une vue de dessus d'un mode de réalisation d'un transformateur à changement de mode selon la présente invention. Ce balun peut être réalisé sur un substrat isolant 20 (par exemple, un substrat de verre) sur lequel sont formés plusieurs niveaux conducteurs isolés électriquement les uns des autres. Dans l'exemple de la figure 5, au moins trois niveaux métalliques sont nécessaires. Dans un premier niveau est réalisé généralement un plan de masse M correspondant à la masse du mode différentiel. Tous les enroulements sont ici réalisés dans un même deuxième niveau conducteur et un troisième niveau sert à former des ponts pour ressortir les contacts centraux des enroulements. Par exemple, les sections 5 et 6 sont formées de deux enroulements latéralement espacés l'un de l'autre et les sections 7 et 8 sont constituées d'enroulements entrelacés dans les enroulements 5 et 6. Un via 21 sert au centre de l'enroule- ment 5 à raccorder un pont 22 dans un niveau de métallisation différent pour connexion au port d'accès 2. Au centre de l'enroulement 7 sont prévus des vias 23 et 24 pour connexion au plan de masse M au moyen d'un pont 25 et d'un via 26. La même structure se reproduit côté enroulement 6 et 8 avec des vias 27 et 28 au centre de l'enroulement 8 pour connecter le plan de masse par un pont 29 et un via 30. En figure 5, un via 31 et un pont 32 ont été représentés pour connexion vers l'accès 9. On notera toutefois que ce pont et via sont généralement omis dans la mesure où l'accès 9 est ouvert. Côté extrémité libre des enroulements 7 et 8, sont prévus des vias 33 et 34 pour des connexions respectives aux accès 3 et 4 de mode différentiel. Comme l'illustre la figure 5, les enroulements primai- res (5 et 6) et secondaires (7 et 8) n'ont pas la même largeur. Dans l'exemple représenté, l'enroulement primaire est plus large que l'enroulement secondaire ce qui conduit à un rapport d'impédance primaire sur secondaire supérieur à l'unité. Dans une structure telle qu'illustrée par la figure 5 où les enroulements couplés deux à deux sont latéralement espacés, une diminution de largeur d'une des pistes conductrices par rapport à l'autre augmente son inductance et par conséquent son impédance. Pour un rapport d'impédance supérieur à l'unité, on prévoit des enroulements primaires à pistes moins larges que celles des enroulements secondaires alors que pour un rapport d'impédance inférieur à l'unité, on prévoit des pistes d'enroulements secondaires plus étroites que celles du primaire. Un autre paramètre qui conditionne la valeur de l'impédance est l'interpiste, c'est-à-dire l'espace entre deux spires de la même inductance (du même enroulement). Plus cet interpiste est large, plus l'impédance diminue dans la mesure où la mutuelle inductance diminue. Selon un autre mode de réalisation non représenté de l'invention, celleci est appliquée à un balun réalisé au moyen d'enroulements empilés, ce qui revient en quelque sorte à replier la structure de la figure 5 sur elle-même. Un tel mode de réalisation nécessite au moins un niveau métallique supplémentaire pour sa mise en oeuvre. Selon ce deuxième mode de réalisation, une diminution 35 de largeur d'un des enroulements diminue son inductance et par conséquent son impédance à cause du couplage entre les deux enroulements en série d'un même côté du transformateur. Pour ce qui concerne l'interspire, une diminution de l'interspire accroît l'inductance et donc augmente l'impédance. A partir des indications données ci-dessus, l'homme du métier sera à même de dimensionner les enroulements du transformateur à changement de mode selon sa configuration (empilée ou non empilée) pour obtenir le rapport d'impédance désiré. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, les dimensionnements et la mise en oeuvre pratique d'un transformateur à changement de mode selon l'invention est à la portée de l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus. REVENDICATIONS 1. Transformateur à changement de mode à lignes couplées, caractérisé en ce que les lignes (5, 6, 7, 8) couplées deux à deux présentent des largeurs différentes. 2. Transformateur selon la revendication 1, dans lequel les largeurs des lignes sont choisies en fonction du rapport d'impédance souhaité entre les accès de mode commun (2, 9) et de mode différentiel (3, 4). 3. Transformateur à changement de mode comprenant une première ligne conductrice constituée de deux enroulements primaires (5, 6) électriquement en série et dont la longueur est fonction d'une fréquence centrale de fonctionnement du transformateur; et une deuxième ligne conductrice constituée de deux enroulements secondaires (7, 8) électriquement en série, couplés deux à deux avec les enroulements primaires et dont la longueur est fonction de ladite fréquence centrale, caractérisé en ce que lesdites lignes conductrices présentent des largeurs différentes choisies en fonction du rapport d'impédance souhaité pour le transformateur. 4. Transformateur selon la revendication 3, dans lequel des premiers (5, 7) et deuxièmes (6, 8) enroulements de chacune des lignes sont réalisés dans un même niveau conducteur et sont latéralement espacés, le primaire ou secondaire du transformateur ayant l'impédance la plus faible présentant une largeur de lignes la plus grande. 5. Transformateur à changement de mode selon la revendication 3, dans lequel les deux enroulements de chacune des lignes conductrices sont superposés dans deux niveaux métalliques différents, le primaire ou secondaire du transformateur présentant l'impédance la plus faible ayant la largeur la plus étroite. 6. Transformateur à changement de mode selon la revendication 3, dans lequel l'interpiste entre deux spires d'un même enroulement est dimensionné en fonction de l'impédance souhaitée.