Brevet FR2863781A1 — publié le 20050617

DISPOSITIF DE COUPLAGE D'AMPLIFICATEURS RADIOFREQUENCE A ETAT SOLIDE L'invention concerne un dispositif de couplage d'amplificateurs radiofréquence (RF) à état solide, notamment les amplificateurs RF à transistors. Le domaine de l'invention est celui de la sommation de puissance io par le couplage des sorties de puissance de plusieurs amplificateurs, ou de la répartition équilibrée d'une source de puissance vers plusieurs récepteurs ou amplificateurs de puissance. Les amplificateurs à transistors fonctionnant en radiofréquence (RF), notamment dans les bandes FM de 87,5 à 108MHz ou de télévision de 470 à 950MHz, ne peuvent fournir que des puissances bien inférieures à celles pouvant être obtenues par les tubes électroniques de puissance fonctionnant dans les mêmes bandes de fréquence. Pour obtenir des puissances RF plus importantes avec des amplificateurs à transistors, une technique consiste à coupler des amplificateurs à transistors élémentaires en parallèle ayant des caractéristiques radioélectriques sensiblement identiques (impédances, gain, phase, puissance de sortie) à l'aide de systèmes de couplage passifs. Les coupleurs doivent présenter, entre autre, des pertes de couplage les plus faibles possible de façon à ne pas dégrader le rendement global de l'amplificateur de puissance résultant du couplage. La sommation des puissances en sortie des amplificateurs élémentaires s'effectue à l'aide de coupleurs passifs à lignes tels que les coupleurs 3dB ou les coupleurs Wilkinson. La figure 1 représente un exemple de réalisation d'un dispositif de sommation de puissances 10 (ou sommateur de puissance), de l'état de l'art, qui réalise la sommation des puissances de sortie de huit amplificateurs à transistors élémentaires A1, A2, ...A8. Le sommateur de puissance de la figure 1 comporte sept coupleurs (Cp) Cl, C2,...C7, par exemple de type Wilkinson à deux voies de couplage, ayant chacun une sortie S et deux entrées de couplage El et E2. Cette structure de couplage de la figure 1 comporte trois étages Et1, Et2, Et3 de coupleurs en cascade. en partant des amplificateurs 2863781 2 élémentaires vers la sortie totale de puissance St. Le premier étage Et1 comporte quatre coupleurs Cl, C2, C3 et C4 dont les entrées El et E2 sont connectées respectivement aux sorties de puissance des huit amplificateurs à sommer. Chaque sortie S des quatre coupleurs du premier étage est connectée à une entrée d'un des deux coupleurs du deuxième étage Et2 puis les deux sorties S des deux coupleurs du deuxième étage sont connectées aux entrées du coupleur de sortie du troisième étage Et3 qui fournit à une sortie St la puissance totale des huit amplificateurs aux pertes de transmission près. o L'impédance ZO des entrées et des sorties des amplificateurs élémentaires et des coupleurs est habituellement une impédance normalisée à 5052. A cet effet, de façon connue, le coupleur Wilkinson comporte un transformateur d'impédance ramenant l'impédance résultante (soit 2552), due à la mise en parallèle par le coupleur de deux amplificateurs élémentaires (ou deux sorties de coupleurs d'un étage précédent), à l'impédance normalisée de 50.52. Le coupleur à deux entrées peut être aussi un coupleur à lignes parallèles ou coupleur 3dB. D'autres types de coupleurs Wilkinson comportant plus de deux accès (entrées/sorties) sont aussi utilisés. Dans ce cas, le Wilkinson comporte un transformateur d'impédance ramenant l'impédance résultante (ZO/n), de la mise en parallèle de n amplificateurs d'impédance ZO à l'impédance ZO de sortie du coupleur. Chaque coupleur Cp présente une perte d'insertion de quelques dixièmes de dB. Les étages des coupleurs en cascade accumulent les pertes qui peuvent représenter dans le cas du dispositif de couplage de la figure 1 une perte de couplage de l'ordre de 0,6dB, ce qui représente une perte de 15% de la puissance totale fournie par les amplificateurs élémentaires. Les mêmes pertes de puissance se produisent dans le cas d'un répartiteur Rep de puissance à n sorties tel que représenté à la figure 2. La puissance d'entrée appliquée à l'entrée Erp du répartiteur est distribuée de façon égale, aux pertes près, sur les n sorties S1 rp, S2rp,...Snrp du répartiteur. Pour pallier les inconvénients des systèmes de couplage de l'état 35 l'art, l'invention propose un dispositif de couplage d'amplificateurs 2863781 3 radiofréquences (RF) à transistors, caractérisé en ce qu'il comporte une cavité électromagnétique résonnante pour effectuer le couplage desdits amplificateurs, la cavité ayant un accès RF de puissance et au moins autant d'accès RF de couplage que d'amplificateurs à coupler. Le principal objectif du coupleur selon l'invention est de réduire les pertes de couplage des sources de puissance RF et notamment d'amplificateur à transistors. Un autre objet du dispositif de couplage selon l'invention est de simplifier le couplage et diminuer le coût du dispositif de couplage. io Dans une réalisation préférentiellement, la cavité résonnante est de type coaxiale. Le coupleur à cavité selon l'invention peut être utilisé pour effectuer, soit une sommation des puissances de sortie d'amplificateurs à transistors, soit une répartition de puissance vers des amplificateurs ou de récepteurs. A cet effet, l'invention concerne aussi: - un sommateur de puissance RF pour amplificateurs RF à transistors comportant le dispositif de couplage selon l'invention, chaque accès de couplage de la cavité étant destiné à être connecté à une respective sortie de puissance des amplificateurs à coupler, l'accès RF de puissance de la cavité fournissant sensiblement la somme des puissances des amplificateurs élémentaires couplés. - un répartiteur de puissance RF pour alimenter des amplificateurs RF à transistors, ou des récepteurs à transistors comportant le dispositif de couplage selon l'invention, l'accès RF de puissance de la cavité recevant un signal d'entrée à répartir de façon équilibrée entre les accès de couplage de la cavité, chaque accès de couplage étant destiné à être connecté à une respective entrée de signal des amplificateurs ou des récepteurs. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture des descriptions de principes et d'exemples de réalisation de coupleurs selon l'invention en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1, déjà décrite, représente un dispositif de sommation de puissances (ou sommateur de puissance) de l'état de l'art; la figure 2, déjà décrite, représente un répartiteur de puissance de l'état de l'art; 2863781 4 - la figure 3, représente un synoptique du principe de fonctionnement du coupleur à cavité coaxiale selon l'invention; - la figure 4 montre la cavité coaxiale de la figure 3 fermée à son autre extrémité par un fond conducteur; - la figure 5, représente une autre réalisation du coupleur selon l'invention; - la figure 6 représente une vue en coupe d'une première réalisation du dispositif de couplage selon l'invention; - La figure 7 représente une vue en coupe d'une variante du 10 dispositif de couplage de la figure 6. Nous allons, par la suite, décrire le principe de conception du coupleur à cavité selon l'invention. La figure 3 représente un synoptique du principe de fonctionnement du coupleur à cavité selon l'invention. Le coupleur de la figure 3 comporte essentiellement, une cavité coaxiale résonnante 20 ayant un corps cylindrique 22 et un conducteur central 24 coaxial à un axe principal ZZ'. La cavité 20 comporte, à une des deux extrémités 28, un accès de puissance 30, et à une distance Dl de cette extrémité 28, plusieurs accès de couplage Cl, C2,....Cn, (pour n amplificateurs) distribués régulièrement au tour de l'axe ZZ' dans un plan perpendiculaire à cet axe, n étant un nombre entier au moins égal à 2. Les accès de couplage sont connectés électriquement au conducteur central 24 de la cavité. L'accès de puissance 30 ainsi que les entrées de couplage Cl, C2,....Cn, sont déstinés a être connectés à des impédances de charge ZO (typiquement 5052). La cavité résonnante 20 comporte une ligne coaxiale d'accord quart d'onde (ou un multiple impair du quart d'onde) faisant office de transformateur d'impédance entre l'impédance résultante du couplage des amplificateurs connectés aux accès de couplage de la cavité et l'impédance de l'accès de puissance 30. L"impédance caractéristique Zc qu'il faut donner à la ligne quart d'onde de la cavité 20 effectuant la transformation d'impédance entre l'accès de puissance 30 et les n accès de couplage est exprimé par: Zc2 = Z0. Z0/n ZO étant l'impédance des accès de la cavité (en général 5052). En outre, dans la cavité coaxiale, l'impédance caractéristique de la ligne quart d'onde X/4 effectuant la transformation d'impédance est exprimée 5 par (cavité à air) : Zc =138 log (Dex/Din) Din étant le diamètre intérieur du corps de la cavité et Dex le 1 o diamètre extérieur du conducteur central (voir figure 3). Ces éléments permettent de calculer les dimensions relatives (Dex/Din) de la cavité coaxiale résonnante en fonction du nombre n d'accès du coupleur et de l'impédance ZO des accès. En outre, la distance Dl entre l'accès de puissance 30 et les accès de couplage est ajustée de façon à accorder la cavité à la fréquence F des signaux à coupler et à optimiser la transformation d'impédance. Cette distance Dl est proche du quart de la longueur d'onde X, avec 2.=c/F, c étant la vitesse de la lumière dans la cavité. Pour éliminer des rayonnements parasites RF émis par l'autre extrémité 32 ouverte du coupleur, la cavité coaxiale 20 est fermée, à une distance D2 des accès de couplage par un fond conducteur 42. Ceci constitue dans la cavité une ligne coaxiale de longueur D2 fermée à son extrémité par un court-circuit électrique pour les ondes électromagnétiques. La figure 4 montre la cavité coaxiale 20 de la figure 3 fermée à son autre extrémité 32 par le fond conducteur 42. La distance D2 entre les accès de couplage et le fond conducteur 42 est telle que le court-circuit électrique RF (impédance proche de 052) au niveau du fond de la cavité est transformé par une ligne quart d'onde (ou un multiple impair du quart d'onde) en une impédance infinie au niveau des accès de couplage. Les accès de couplage Cl, C2,...Cn, de la cavité présentent des réactances parasites produisant des pertes supplémentaires de couplage. Ces réactances sont notamment des selfs parasites dus essentiellement, d'une part, aux longueurs le de connexion des accès de couplage au conducteur central 24 de la cavité, et d'autre part, aux capacités parasites Ce apparaissant au niveau de la transition entre la cavité coaxiale 20 et l'accès 2863781 6 de puissance (entrée/sortie RF du coupleur). Ces capacités parasites Ce sont transformées par la ligne quart d'onde d'accord de la cavité 20, en selfs parasites au niveau des accès de couplage. Pour compenser les réactances parasites des accès de couplage pour une gamme de fréquences de travail suffisante, on prévoit de préférence que la distance D2 soit ajustable. On diminue ainsi les pertes de couplage. La figure 5 représente une réalisation du coupleur selon l'invention comportant une telle ligne coaxiale de compensation de longueur D2 variable. A cet effet, la cavité comporte un fond réglable 46 conducteur électrique dont la position sur l'axe ZZ' (longueur D2) peut être ajustée en fonction de la fréquence F des signaux à coupler. Le fond réglable 46 est en contact électrique avec le conducteur central 24 et le corps de la cavité 20. Le réglage de la distance D2 déplace la position du courtcircuit dans la cavité 20 par rapport aux accès de couplage. Dans le cas d'un contact galvanique, cette distance D2 est proche du quart de la longueur d'onde. La figure 6 représente une vue en coupe d'un premier exemple de réalisation du dispositif de couplage selon l'invention comportant une cavité 60 ayant, à une de ses deux extrémités 62, un accès de puissance 64 adapté à l'utilisation, à l'autre extrémité 66, un fond de coupleur 68 et entre ces deux extrémités de la cavité quatre accès de couplage Cl, C2, C3 et C4 distribués régulièrement au tour de l'axe ZZ' dans un plan perpendiculaire à cet axe. Seulement les accès Cl et C3 dans le plan de coupe sont représentés sur la figure 6. La cavité coaxiale 60 du coupleur de la figure 6 comporte, selon l'axe ZZ', un corps cylindrique 72 de diamètre intérieur Din et un conducteur central 74 en forme de tube, de diamètre extérieur Dex, pouvant coulisser d'une part, sur un axe de guidage cylindrique 76 d'axe colinéaire à l'axe ZZ' et, d'autre part, du côté du fond du coupleur 68, à l'intérieur d'une couronne de fond 78 conductrice perpendiculaire à l'axe ZZ' de la cavité, la couronne fermant électriquement, du côté du fond du coupleur 68, par des contacts électriques glissants pf, la cavité coaxiale 60. Le conducteur central 74 peut coulisser dans la cavité 60 en étant en contact électrique avec le corps 72 et l'axe de guidage 76. 2863781 7 Les 4 accès de couplage Cl, C2, C3 et C4 de même impédance ZO sont connectés électriquement au conducteur central 74 par des respectifs contacts électriques glissants p1, p2, p3 et p4 (seulement les contacts p1 et p3 sont représentés sur la figure 6). Le conducteur central 74 de la cavité comporte, du côté de l'accès de puissance 64, une couronne d'accès 80, perpendiculaire à l'axe ZZ', en contact électrique avec la surface cylindrique extérieure de l'axe de guidage 76 par des contacts électriques glissants pc. Un moyen de réglage 84 du conducteur central 74 assure son positionnement selon l'axe ZZ'. Le moyen de réglage du conducteur central 84 comporte essentiellement une série de tiges 100 parallèles à l'axe ZZ' solidaires par une de leurs extrémités, au conducteur central 74 et par les autres extrémités à une bague 102 de commande en position du conducteur central. La distance D1, entre les accès de couplage Cl, C2, et C4 et la couronne d'accès 80, est réglée en faisant coulisser par une action mécanique sur la bague 102 selon l'axe ZZ' le conducteur central 74 maintenu en contact électrique avec les accès de couplage par les contacts électriques glissants p1, p2, p3 et p4. Le réglage de la distance Dl permet d'accorder la cavité et d'optimiser la transformation d'impédance, cette distance D1 est alors proche du quart d'onde de la fréquence F des signaux appliqués aux accès du coupleur. Dans cette réalisation de la figure 6, la distance D2 est déterminée de façon à ramener le court-circuit produit par la couronne de fond 78 au niveau du fond de la cavité en une très grande impédance et de compenser les réactances parasites à la fréquence de fonctionnement de la cavité. Cette distance D2 est proche du quart d'onde de la fréquence F de fonctionnement des signaux couplés. La figure 7 représente une vue en coupe d'une variante du dispositif de couplage de la figure 6. Dans cette variante, le coupleur comporte en outre un réglage de la distance D2 entre la position du court-circuit (soit la position de la couronne de fond) et le plan des accès de couplage Cl, C2, C3 et C4). Dans la réalisation de la figure 7, la cavité comporte une couronne 35 de fond 90 pouvant glisser dans la cavité, selon l'axe ZZ', en contact 2863781 8 électrique avec le corps 72 et le conducteur central 74 par des contacts électriques glissants ccr. La cavité comporte, en plus du moyen de réglage 84 du conducteur central 74, un moyen de réglage 92 de la position de la couronne de fond 90 permettant d'ajuster la distance D2 entre les accès de couplage et la couronne de fond 90 de façon à effectuer la compensation des selfs parasites au niveau desdits accès quelle que soit la fréquence de fonctionnement de la cavité. Le moyen de réglage 92 de la position de la couronne de fond 90 dans la cavité 60 comporte une autre série de tiges 112 parallèles à l'axe ZZ' solidaires, par une de leurs extrémités, à la couronne de fond 90 et, par les autres extrémités, à une bague 110 de commande de la position de la couronne de fond. La bague 110 de commande de la position de la couronne de fond 15 comporte en outre des passages 130 pour des tiges 102 du moyen de commande 84 de la position du conducteur central. L'accès de puissance 64 peut être une bride de connexion normalisée pour effectuer une liaison de puissance entre le coupleur et un câble coaxial ou un guide d'onde coaxial extérieur à la cavité. Le coupleur à cavité coaxiale selon l'invention permet d'effectuer des couplages avec des très faibles pertes bien inférieures à celles des coupleurs d'amplificateurs à transistors de l'état de l'art. En outre, le coupleur selon l'invention comporte d'autres avantages. En effet, parfois, les exploitants d'émetteurs à transistors peuvent être amenés à changer de fréquence d'émission à distance par télécommande, ce qui nécessite le changement de l'accord en fréquence de la cavité du coupleur des étages à transistors. A cet effet, les moyens de commande des réglages de la cavité peuvent être actionnés (notamment dans le cas de la réalisation de la figure 7) afin d'effectuer l'accord de la cavité à la nouvelle fréquence mais aussi d'obtenir un minimum de pertes de couplage par le réglage de compensation de réactances parasites au niveau des accès de couplage. 2863781 9 REVENDICATIONS 1. Dispositif de couplage d'amplificateurs radiofréquences (RF) à transistors, caractérisé en ce qu'il comporte une cavité électromagnétique résonnante (20, 60) pour effectuer le couplage desdits amplificateurs, la cavité ayant un accès RF (30, 64) de puissance et au moins autant d'accès RF (Cl, C2,....Cn) de couplage que d'amplificateurs à coupler. 2. Dispositif de couplage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cavité électromagnétique résonnante est de type coaxiale. 3. Dispositif de couplage selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la cavité résonnante comporte une ligne coaxiale d'accord quart d'onde faisant office de transformateur d'impédance entre l'impédance résultante du couplage des amplificateurs connectés aux accès de couplage de la cavité et l'impédance de l'accès de puissance. 4. Dispositif de couplage selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte une cavité coaxiale résonnante (20, 60) ayant un corps cylindrique (22, 72) et un conducteur central (24, 74) coaxial à un axe principal ZZ', la cavité comportant, à une des deux extrémités (28, 62), un accès de puissance (30, 64), et à une distance Dl de cette extrémité (28, 62), plusieurs accès de couplage (Cl, C2,....Cn) distribués régulièrement autour de l'axe ZZ' dans un plan perpendiculaire à cet axe, les accès de couplage étant connectés électriquement au conducteur central (24, 74) de la cavité. 5. Dispositif de couplage selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que la cavité coaxiale (20, 60) est fermée à une distance D2 des accès de couplage par un fond conducteur (42, 46, 78, 90) réalisant, dans la cavité un court-circuit électrique pour les ondes électromagnétiques, la distance D2 entre les accès de couplage et le fond conducteur étant 2863781 10 proche du quart d'onde X/4, X étant la longueur d'onde correspondant à une fréquence de travail du dispositif de couplage. 6. Dispositif de couplage selon la revendication 5, caractérisé en ce que la distance D2 est ajustable, la cavité constituant, sur la distance D2, une ligne de compensation coaxiale pour compenser des réactances parasites (Ce) des accès de couplage (Cl, C2,....Cn). 7. Dispositif de couplage selon la revendication 6, caractérisé en ce que la cavité comporte un fond réglable (46, 90) conducteur électrique dont la position sur l'axe ZZ' peut être ajustée en fonction de la fréquence F des signaux à coupler, le fond réglable (46, 90) étant en contact électrique avec le conducteur central (24, 74) et le corps (22, 72) de la cavité . 8. Dispositif de couplage selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de réglage (84) du conducteur central (74) assurant son positionnement selon l'axe ZZ pour ajuster la distance Dl. 9. Dispositif de couplage selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le fond conducteur de la cavité est constitué par une couronne de fond (90) pouvant glisser, selon l'axe ZZ', en contact électrique avec le corps (72) et le conducteur central (74) de la cavité. 10. Dispositif de couplage selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de réglage (92) de la position de la couronne de fond (90) dans la cavité (60) permettant d'ajuster la distance D2 entre les accès de couplage et la couronne de fond (90). 11. Sommateur de puissance RF pour amplificateurs RF à transistors, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de couplage selon l'une des revendications 1 à 10, chaque accès de couplage (Cl, C2,....Cn) de la cavité étant destiné à être connectée à une respective sortie de puissance des amplificateurs à coupler, l'accès RF de puissance de la cavité 2863781 11 (30, 64) fournissant sensiblement la somme des puissances des amplificateurs élémentaires couplés. 12. Répartiteur de puissance RF pour amplificateurs RF à transistors, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de couplage selon l'une des revendications 1 à 10, l'accès RF de puissance de la cavité recevant un signal d'entrée à répartir de façon équilibrée entre les accès de couplage de la cavité, chaque accès de couplage étant destiné à être connecté à une entrée de signal d'un amplificateur respectif. 13. Répartiteur de puissance RF pour récepteur RF à transistors RF, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de couplage selon l'une des revendications 1 à 10, l'accès RF de puissance de la cavité recevant un signal d'entrée à répartir de façon équilibrée entre les accès de couplage de la cavité, chaque accès de couplage étant destiné à être connecté à une entrée de signal d'une récepteur respectif.