Brevet FR2878375A1 — publié le 20060526

COUPLEUR ACTIF 90 A TRES LARGE BANDE La présente invention se rapporte à un coupleur actif 90 à très large bande, notamment en hyperfréquence. Un coupleur 90 est un dispositif permettant de décomposer un signal électrique d'entrée en deux signaux dont les amplitudes sont dans un rapport donné et dont les phases diffèrent de 90 . Il existe de nombreuses solutions pour réaliser un tel dispositif. Par exemple, on peut utiliser un dispositif comprenant, comme représenté sur la figure 1, un diviseur D répartissant l'énergie du signal d'entrée E sur un filtre déphaseur passe-bande F et sur une ligne de compensation L. Le déphasage créé par le filtre F varie de manière pseudo-linéaire dans la bande de fonctionnement et la longueur de la ligne de compensationL est choisie de manière que le déphasage qu'elle fournit varie linéairement en fonction de la fréquence avec la pente voulue pour obtenir un déphasage entre les signaux Vr et Vq sensiblement constant et égal à 90 . Cependant, l'erreur de phase d'un tel dispositif n'est pas nulle à toutes les fréquences car le filtre F présente toujours une ondulation de la phase qui se répercute à la sortie. D'autre part, un tel dispositif est difficilement réalisable à large bande. Une autre solution bien connue est représentée sur la figure 2. C'est celle des coupleurs à tronçons de ligne de transmission L1 et L2 couplés entre eux. Ces tronçons de lignes sont des lignes à constantes réparties telles que des microrubans disposées parallèlement à très faible distance de manière qu'il y ait couplage entre elles. Ce coupleur symétrique dont une sortie est fermée sur l'impédance caractéristique Ro fournit des signaux Vr et Vq en quadrature. Cependant de tels coupleurs sont difficiles à réaliser en très large bande. 2878375 2 L'invention a pour objet un coupleur 90 exempt de ces inconvénients, facile à réaliser sans utilisation de lignes couplées ou d'impédances difficiles à obtenir et fournissant un déphasage théoriquement égal exactement à 90 quelle que soit la fréquence. Selon l'invention, il est prévu un coupleur actif 90 à très large bande, notamment en hyperfréquence, caractérisé en ce qu'il comprend: -une pluralité d'éléments de déphasage fournissant, à partir d'un signal d'entrée, N signaux déphasés où N est un nombre entier impair plus grand que 1, un premier desdits signaux déphasés présentant un premier déphasage et lesdits éléments de déphasage étant tels que les N-1 autres signaux déphasés associés par paires présentent pour chaque paire des déphasages égaux et opposés par rapport audit premier signal déphasé ; -N dispositifs de pondération pour pondérer respectivement lesdits N signaux déphasés de façon à ce que, dans chaque paire, lesdits signaux déphasés aient la même amplitude; et - un dispositif de sommation pour sommer lesdits N-1 autres signaux déphasés et pondérés, ledit dispositif de sommation et lesdits dispositifs de pondération étant prévus de telle sorte que les contributions des signaux déphasés de chaque paire se retranchent de façon à obtenir en sortie dudit dispositif de sommation un second signal en quadrature avec ledit premier signal déphasé. Ainsi l'invention est basée sur la sommation de N-1 signaux convenablement déphasés et pondérés de façon à obtenir l'écart de phase de 90 et la bande passante souhaitée. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des dessins joints où : - les figures 1 et 2 représentent schématiquement des coupleurs 90 connus déjà décrits ci-dessus; - la figure 3 est un diagramme vectoriel expliquant le principe 35 de l'invention; 2878375 3 -la figure 4 est le schéma d'un coupleur simplifié selon l'invention; - la figure 5 montre le schéma d'une variante du coupleur de la figure 4; - la figure 6 est le schéma général d'un coupleur actif 90 selon l'invention; - les figures 7 et 8 représentent des courbes illustrant le fonctionnement du coupleur selon l'invention; - la figure 9 est un schéma d'un mode de réalisation particulier 10 du coupleur de la figure 6; et -la figure 10 montre le schéma d'un mode de réalisation utilisant la propagation de vibrations acoustiques. Le principe de l'invention va être expliqué à l'aide du schéma vectoriel de la figure 3. Soit une tension représentée par un vecteur Vr de phase quelconque cp par rapport à un axe de référence des phases O RPo. Il s'agit de créer une tension Vq en quadrature avec la tension Vr. Pour cela on crée une pluralité de paires de tension Vi, V'i telles que les tensions d'une paire soient de même amplitude et de déphasage opposé par rapport à la tension Vr. Soit 8i ce déphasage pour la tension Vi. On a: Vr = Vr ej cP = 2ôft en supposant que cp varie linéairement en fonction du temps, f 25 étant la fréquence, Vi = ei(ee V'i = Vil ei(Y-ei) L'angle 81 dépend uniquement de la fréquence. Par exemple il peut varier linéairement avec celle-ci: 8i = ki.f où ki est un coefficient constant ne dépendant que de l'indice i. Il est clair que si l'on fait la somme des tensions Vi et de l'opposé des tensions V'i, c'est-à-dire -V'i, S = gi (Vi - V'i) gi étant des coefficients de pondération réels, la somme S sera toujours dirigée suivant l'axe OY perpendiculaire à l'axe OX portant le vecteur Vr, et on obtient donc une tension telle que: Sy = 1 2gi Vil sin ei Pour obtenir la tension Vq désirée, il suffit alors de choisir convenablement les coefficients gi. Le principe étant ainsi expliqué, la figure 4 représente le schéma d'une première version simple de coupleur actif 900 selon l'invention. Ce coupleur comporte un diviseur D fournissant à partir d'un signal d'entrée Ve trois signaux de sortie équi-phase et équi-amplitude. Un tel diviseur peut être par exemple un diviseur de Wilkinson ou un simple circuit à transistors. Les trois sorties sont appliquées respectivement à trois lignes de transmission L, L', L" servant d'éléments de déphasage et créant respectivement les déphasages g) , 1P' et 4" Ceux-ci varient linéairement avec la fréquence et on à donc: 11) 1)o fo = II) 'o f- il)" =i f o fo où 1Po, t'o et 1P "o sont respectivement les déphasages créés par les lignes L, L', L" à la fréquence centrale fo de la bande, ces 25 lignes ayant des longueurs telles que: o - 4"o = 11)0 - 11)"o La ligne L" fournit directement une tension Vr. Les tensions V1 et V'1 à la sortie des lignes L et L' sont appliquées respectivement à des amplificateurs de pondération Am et Am' de gain G et G'. Ces amplificateurs sont reliés à un sommateur 1 fournissant une tension de sortie Vq. On a: eJ (P avec cf) = 21Tft - ej(cp-el) avec et = t1)- e j (cP+el) Soit, en prenant G = -G' : Vq = 2 G' e1(P sin el.ej2 =2G'Vrsin01e12 Si, par exemple, on choisit les longueurs de lignes telles que 1)o = 2ô , 'o = 2 et IP"o = ô, en prenant G = -G' _ - on obtient Vq = Vr sin (2 fL) e2 Soit. Vr =sin (2 fo) V _ 11 arg ( Vr) - 2 On obtient bien deux tensions en quadrature quelle que soit la fréquence. Le rapport de leurs amplitudes varie avec la fréquence. A partir de cet exemple, on voit qu'il est possible en prenant un plus grand nombre de voies avec des déphasages de plus en plus importants d'obtenir par sommation pondérée un fonctionnement avec l'ondulation constante souhaitée dans une très large bande passante. La figure 5 représente une variante du coupleur de la figure 4, dans laquelle on utilise deux lignes de transmission Ll et L'l connectées en série entre l'entrée du signal Ve et une Vr V1 Ve Ve 2878375 6 résistance Ro égale à l'impédance caractéristique des lignes. Les trois signaux déphasés sont prélevés aux entrées et sorties des deux lignes. Les deux lignes L1 et L'1 doivent être identiques pour que les déphasages des signaux adressés aux amplificateurs Al et A'1 par rapport au signal appliqué à l'amplificateur Ar soient égaux et de signe opposé. De même, les gains des amplificateurs Al et A'l sont choisis de manière que les signaux appliqués au sommateur 1 soient de même amplitude et se retranchent l'un de l'autre. Le gain de l'amplificateur Ar peut être choisi égal à 1 par exemple. Cette variante fonctionne de manière similaire à celle de la figure 4. La figure 6 est le schéma général de principe du coupleur actif 90 selon l'invention, découlant de cette 15 variante. Le coupleur comprend essentiellement 2n lignes de transmission L1 à Ln et L'1 à L'n qui sont connectées en série entre l'entrée de signal Ve et une résistance Ro égale à l'impédance caractéristique. Les lignes sont identiques 2 à 2 (L1 = L'1, L2 = L'2, ...) et constituent des éléments de déphasage permettant d'obtenir N = 2n + 1 signaux déphasés. Le signal obtenu sur la sortie centrale est appliqué à l'amplificateur Ar pour fournir la tension Vr. Les autres signaux sont appliqués à des amplificateurs de pondération Al à An et A'l à A'n identiques deux à deux comme les lignes (Al = A'1 etc...). Les signaux déphasés et pondérés convenablement fournis par les amplificateurs sont appliqués à un sommateur 1 qui fournit la tension en quadrature Vq. Les amplificateurs Al à An, A'l à A'n et le sommateur 1 sont prévus pour que les signaux de chaque paire se retranchent l'un de l'autre. Pour obtenir une ondulation résiduelle constante dans la bande de fréquences de fonctionnement et de valeur prédéterminée, on détermine les déphasages des différentes paires de lignes et les gains des paires d'amplificateurs par optimisation de la courbe 10 2878375 7 représentant le rapport des amplitudes procédant par exemple par approximation. Les figures 7 et 8 représentent un exemple de courbes lorsque le nombre de lignes de transmission est limité à quatre (deux paires L1, L'l et L2, L'2). La courbe V1 pour la figure 7 représente l'allure de la somme des tensions de la première paire à l'entrée de la ligne L1 et à la sortie de la ligne L'1, les déphasages étant choisis pour que la courbe présente un maximum à la fréquence centrale fo. La courbe V2 représente l'allure de la somme des tensions de la seconde paire à l'entrée de la ligne L2 et à la sortie de la ligne L'2, les déphasages dus aux lignes L2, L'2 étant choisis pour que la courbe V2 présente un minimum à la fréquence fo et deux maximum de part et d'autre. La figure 8 montre la courbe résultante représentant li le rapport en décibels, les pondérations respectives étant déterminées pour obtenir une ondulation limitée entre + 0,5 et -0,5 dB, ce qui donne une bande passante comprise entre 0,38 fo et 1,61 fo pour G1 = -G'1 = 0,604 et G2=G'2=0,132. L'utilisation de lignes de transmission selon la figure 6 est bien adaptée à la réalisation en haute fréquence où ces lignes ont de faibles dimensions. On peut noter qu'il serait possible de remplacer ces lignes par des quadripôles actifs ou passifs permettant d'obtenir des caractéristiques particulières, par exemple des courbes d'amplitudes non symétriques par rapport à la fréquence centrale ou des relations de phase entrée-sortie non linéaires en fonction de la fréquence. Un mode de réalisation particulier est représenté sur la figure 9 où les quadripôles sont réduits à des inductances Lil, Lit qui, associées aux capacités d'entrée de transistors à effet de champ T formant les amplificateurs de pondération, constituent une ligne à constantes localisées. Les transistors T associés aux résistances R1, R2 placées dans leur circuit drain-source constituent donc les amplificateurs de pondération en Yg Vr l 2878375 8 dont les gains G1, G2, -Gi, -G2 sont déterminés par les valeurs des résistances R1, R2. On retrouve sur cette figure 9 le sommateur 1 et l'amplificateur Ar constitués par des transistors T et des résistances R. Le principe de l'invention n'est pas limité à la propagation d'ondes électromagnétiques mais peut être étendu à la propagation d'ondes mécaniques (par exemple vibrations acoustiques). Ainsi la figure 10 représente une telle réalisation. Le coupleur est constitué par un substrat piézo-électrique 10 dont une extrémité est excitée en vibrations acoustiques par un transducteur électro-acoustique 2 constitué par un peigne recevant le signal d'entrée Ve. L'autre extrémité du substrat comporte un absorbant 11. Les différentes sorties de signaux électri lues déphasés sont obtenues à l'aide de capteurs acousto-électriques 3 disposés le long dudit substrat. Le reste du coupleur est constitué par les mêmes éléments (amplificateurs de pondération Ar, Al, A2, A'1, A'2) que dans les modes de réalisation précédents. Bien entendu, les exemples de réalisation décrits ne sont nullement limitatifs de l'invention. 9 REVENDICATIONS 1. Coupleur actif 90 à très large bande, notamment en hyperfréquence, caractérisé en ce qu'il comprend: - une pluralité d'éléments de déphasage (L, L', L" ; L1, L'1; Ll à Ln, L'l à L'n; Lil, Lit) fournissant, à partir d'un signal d'entrée (Ve), N signaux déphasés où N est un nombre entier impair plus grand que 1, un premier desdits signaux déphasés (Vr) présentant un premier déphasage (cp) et lesdits éléments de déphasage étant tels que les N-1 autres signaux déphasés associés par paires présentent pour chaque paire des déphasages égaux et opposés par rapport audit premier signal déphasé ; - N dispositifs de pondération (Am, A'm; Ar, Al, A'1; Ar, Al à An, A'1 à A'n; T, R, R1, R2) pour pondérer respectivement lesdits N signaux déphasés de façon à ce que, dans chaque paire, lesdits signaux déphasés aient la même amplitude; et -un dispositif de sommation (1) pour sommer lesdits N-1 autres signaux déphasés et pondérés, ledit dispositif de sommation et lesdits dispositifs de pondération étant prévus de telle sorte que les contributions des signaux déphasés de chaque paire se retranchent de façon à obtenir en sortie dudit dispositif de sommation un second signal (Vq) en quadrature avec ledit premier signal déphasé. 2. Coupleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un diviseur de puissance (D) à une entrée recevant ledit signal d'entrée (Ve) et N sorties fournissant des signaux équiphase et équi-amplitude, ladite pluralité d'éléments de déphasage comprenant N éléments (L, L', L") connectés respectivement auxdites sorties du diviseur. 3. Coupleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite pluralité d'éléments de déphasage comprend N-1 30 éléments de déphasage (L1, L'1; L1 à Ln, L'1 à L'n; Lil, Lit) 2878375 10 connectés en série entre une entrée recevant ledit signal d'entrée (Ve) et une résistance (Ro) égale à l'impédance caractéristique, les signaux déphasés étant prélevés aux entrées et sorties respectives desdits N-1 éléments de déphasage. 4. Coupleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les valeurs de déphasage introduites par lesdits éléments de déphasage et lesdites valeurs de pondération introduites par lesdits dispositifs de pondération sont déterminées de manière à obtenir une ondulation minimum prédéterminée du rapport desdits premier (Vr) et second (Vq) signaux dans la bande de fréquence de fonctionnement. 5. Coupleur selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que lesdits dispositifs de pondération sont constitués par des transistors à effet de champ (T) dont le gain est déterminé par une résistance (R1, R2, R) disposée en série dans leur circuit drain-source et en ce que lesdits éléments de déphasage sont constitués par N-1 inductances (Lil, Lit) connectées en série et par les capacités d'entrée desdits transistors à effet de champ. 6. Coupleur selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que lesdits éléments de déphasage sont constitués par un substrat piézoélectrique (10) propageant des vibrations acoustiques, excitées à une de ses extrémités par un transducteur électro-acoustique (2), vers son autre extrémité où est disposé un absorbant (11), lesdites sorties des éléments de déphasage étant constituées par des capteurs acousto-électriques (3) répartis le long dudit substrat (10).