Brevet FR2895151A1 — publié le 20070622

Dispositif d'adaptation, notamment d'amplificateur de puissance L'invention concerne un dispositif d'adaptation, notamment d'amplificateur de puissance. En particulier, ('invention s'applique aux amplificateurs de puissance a large bande de frequence dont le signal de sortie est dirige vers un dispositif fonctionnant dans une bande de frequence plus reduite. II peut notamment s'agir d'un amplificateur de puissance large bande retie via un guide d'onde a une antenne dont la bande de frequence est plus reduite. Dans un systeme utilisant la propagation electromagnetique, tels que radars, brouilleurs ou communications hertziennes, les systemes d'emission sont generalement pourvus d'un amplificateur de forte puissance dont la fonction principale est d'augmenter le niveau du signal vehiculant les informations sur une gamme de frequence etendue de fagon a obtenir la distance necessaire de la liaison. La sortie de ('amplificateur est connectee a un guide d'onde charge de vehiculer le signal de sortie vers une antenne emettrice. Or, le guide d'onde et ('antenne emettrice fonctionne generalement dans une plage de frequence plus restreinte que ('amplificateur de puissance. Dans ces conditions, le dispositif antennaire peut presenter des conditions d'impedance de charge mal controlees en dehors de la bande de frequence utile du systeme. D'autre part, les amplificateurs de puissance hyperfrequences sont generalement sensibles aux impedances de charge, pouvant conduire a des instabilites se traduisant par des oscillations parasites et la creation d'harmoniques generees par les non linearites de ('amplificateur. Le signal utile est dans ce cas fortement perturbe ce qui peut conduire a une defaillance totale du systeme et egalement a une pollution de I'environnement electromagnetique. Pour compenser ces effets nefastes it est d'usage d'intercaler entre ('amplificateur de puissance et ('antenne des filtres diplexeurs, triplexeurs ou multiplexeurs agissant comme filtre frequentiel et permettant de maltriser les conditions d'impedance dans chacune des sous-bandes de frequence ainsi decoupees, et ce , meme en dehors de la plage de frequence strictement utile. En contrepartie de ['utilisation de ces filtres, le signal arrivant a ('antenne est affaibli par Ies pertes liees au filtrage. De plus, outre le cout important de cette solution, I'emcombrement peut devenir prohibitif pour des systemes de communications embarques. L'invention a notamment pour but de pallier les inconvenients 5 precites. A cet effet, !'invention a pour objet un dispositif d'adaptation comportant : une entree assurant la connexion avec un dispositif en entree delivrant un signal utile ; une sortie assurant la connexion avec un dispositif de sortie ; 10 un corps reliant ('entree a la sortie ; des moyens de filtrage du signal delivre par le dispositif d'entree ; une charge adaptee. Le dispositif d'entree fonctionne de maniere lineaire ou quasi-lineaire sur une bande de frequence plus importante que le dispositif de sortie. Les moyens 15 de filtrage assurent la fonction de filtre stop-bande et sont adaptes par la charge adaptee au dispositif d'entree dans toute la bande de frequence de fonctionnement lineaire ou quasi-lineaire du dispositif d'entree, a I'exception de la bande de frequence stoppee par les moyens de filtrage. La bande de frequence stoppee correspond sensiblement a Ia bande de frequence du 20 signal utile. Dans un mode de realisation, le dispositif de sortie assurant une fonction de filtre passe-haut, les moyens de filtrage assurent la fonction de filtre passe-bas ou passe-bande complementaire a I'effet de filtrage passe- 25 haut du dispositif de sortie. La bande de frequence stoppee correspond alors sensiblement a la bande de frequence du signal utile. Le dispositif d'entree peut etre un amplificateur de puissance et que le dispositif de sortie est un guide d'onde. II peut alors avantageusement 30 comporter un element rayonnant entre un point d'entree des moyens de filtrage et ('entree. Le point d'entree est maintenu a un potentiel electrique nul ou quasi-nul. Des elements rejecteurs sont alors intercales entre le point d'entree et la charge adaptee. L'invention a notamment pour avantages qu'elle permet de s'integrer facilement a des systemes de communication existant. En outre, de part ('utilisation des caracteristiques du guide d'onde du systeme de communication, le cout de fabrication est reduit par rapport aux solutions habituelles. Enfin sa realisation, directement a base de guide d'onde, est particulierement bien adaptee au traitement des fortes puissances mises en jeu dans ce type d'applications. D'autres caracteristiques et avantages de !'invention apparaitront 10 a I'aide de la description qui suit faite en regard des dessins annexes qui representent : • Ia figure 1, un synoptique d'un systeme d'emission selon I'etat de ('art ; 15 • Ia figure 2, un diagramme representant le gain du signal de sortie de ('amplificateur de puissance en fonction de la frequence du signal d'entree ainsi que les bandes de frequences du signal utile et de fonctionnement de I'antenne et du guide d'onde ; 20 • la figure 3, un dispositif d'adaptation d'amplificateur de puissance selon !'invention ; • Ia figure 4, un synoptique d'un mode de realisation du dispositif d'adaptation d'amplificateur de puissance selon ('invention. 25 La figure 1 illustre par un synoptique, un systeme d'emission selon !'etat de ('art. Dans un systeme de communications, un systeme d'emission, comme represents sur la figure 1, comporte generalement un amplificateur de puissance 2. L'amplificateur de puissance 2 recoit le signal utile, 30 comportant les informations a transmettre, genere par une source 1. A titre d'exemple, I'ordre de grandeur de la puissance du signal de sortie d'un amplificateur peut titre de quelques centaines de watts. Cet amplificateur peut presenter un gain important dans une plage de frequence etendue, bande C a la bande Ku, c'est-a-dire entre 4 GHz et 18GHz par exemple, 35 bande Iargement superieure a Ia bande utile de fonctionnement, typiquement dans I'exemple de 1 GHz. Le signal amplifie en sortie de I'amplificateur 2 est ensuite transmis dans un guide d'onde 4. Le transfert du signal amplifie de I'amplificateur de puissance 2 vers le guide d'onde 4 est generalement assure par un dispositif de transition 3, comme par exemple un cable coaxial et une transition guide/coaxial. Le dispositif de transition 3 a pour fonction de relier physiquement la sortie de I'amplificateur de puissance 2 au guide d'onde 4, en modifiant le moins possible les caracteristiques du signal. Le guide d'onde 4 debouche sur une antenne 5 dont une des fonctions est de transmettre le signal amplifie rect.]. Le guide d'onde 4 contribue a I'acheminement du signal amplifie delivre a la sortie de I'amplificateur 2 vers I'antenne 5. Or, le guide d'onde 4 et I'antenne 5 ne fonctionne pas necessairement en respectant les conditions d'impedance permettant d'assurer la stabilite de I'amplificateur de puissance 2 sur une gamme de frequence aussi etendue que celle de I'amplificateur de puissance 2. Au signal utile amplifie par I'amplificateur de puissance 2 peut alors s'ajouter non seulement des harmoniques mais aussi oscillations parasites incontrolees perturbant le signal utile. L'amplificateur de puissance 2 peut alors se mettre a osciller et perturber le signal utile et/ou I'ensemble du spectre de frequence. La figure 2 represente par un diagramme le gain du signal de sortie de I'amplificateur de puissance en fonction de la frequence du signal d'entree ainsi que les bandes de frequences du signal utile et de fonctionnement de I'antenne et du guide d'onde. Les elements identiques aux elements deja presentes sur les autres figures portent les memes references. L'axe des abscisses 10 represente la frequence du signal utile injects a I'entree de I'amplificateur de puissance 2. L'axe des ordonnees indique le gain du signal de sortie de I'amplificateur de puissance 2 en fonction de la frequence du signal utile recue en entree. La courbe 12 represente le gain du signal de sortie de I'amplificateur de puissance 2 en fonction de la frequence du signal utile recue en entree. La courbe 12 est propre a chaque amplificateur de puissance 2 utilise. Sur ce meme diagramme est represents la bande de frequence 13 de fonctionnement Iineaire ou quasi-lineaire de I'antenne 5 associee au guide d'onde 4. La bande de frequence 13 est sensiblement plus limitee que la plage de fonctionnement Iineaire ou quasi-lineaire de I'amplificateur de puissance 2. A titre d'exemple, la bande de frequence 14 necessaire au signal utile est generalement inferieure a la bande de frequence 13 de I'antenne 5 associee au guide d'onde 4. La figure 3 montre un dispositif d'adaptation d'amplificateur de puissance selon ['invention. Les elements identiques aux elements deja presentes sur les autres figures portent les memes references. Le guide d'onde 4 agit de part les caracteristiques qui lui sont propres comme un filtre passe-haut. A titre d'exemple, si lion considere un signal utile compris dans une des bandes de frequence entre C et Ku, le guide d'onde 4 se comporte comme un filtre passe haut ayant une frequence de coupure autour de 9.5 GHz. Or la charge presentee a I'amplificateur de puissance 2 pour des frequences inferieures a cette frequence de coupure est completement desadaptee. Dans ces conditions, I'amplificateur risque d'osciller. Le dispositif d'adaptation d'amplificateur de puissance selon ('invention permet de presenter a I'amplificateur de puissance 2 une charge adaptee, c'est-adire un taux d'onde stationnaire inferieur a 3, dans une tres large bande de frequence, par exemple entre la bande C et la bande Ku. Le dispositif d'adaptation d'amplificateur de puissance selon !'invention comporte notamment une entree 22 assurant la connexion avec le cable de sortie de I'amplificateur de puissance 2. Le dispositif selon I'invention comporte en outre une sortie 20 assurant la connexion physique avec le guide d'onde 4. Un corps 25 relie ('entree 22 a la sortie 20. La forme dudit corps 25 depend des caracteristiques de propagation electromagnetique souhaitees pour le signal vehiculant entre ('entree 22 et la sortie 20, ainsi que des contraintes mecaniques du systeme utilisant !edit dispositif. Sur la figure 3, le corps 25 est un corps ferme creux. Le dispositif selon !'invention comporte encore des moyens de filtrage 23 du signal amplifie delivre par I'amplificateur de puissance en sortie regu via I'entree 22. Avantageusement, comme montre sur la figure 3, les moyens de filtrage 23 sont montes perpendiculairement au corps 25. Les moyens de filtrage 23 assure la fonction de filtre stop-bande. Les moyens de filtrage 23 sont adaptes a I'amplificateur de puissance 2 dans toute la bande de frequence, a ('exception de la bande stoppee par lesdits moyens de filtrage 23. La bande stoppee correspond sensiblement a la bande de frequence 14 du signal utile. Pour ce faire, les moyens de filtrage 23 peuvent par exemple comporter une charge adaptee 24. Ainsi dans la bande de frequence 14 du signal utile, la puissance du signal amplifie est quasi integralement transmise a I'antenne 4 via le guide d'onde 4. En dehors de la bande de frequence 14 du signal utile, le dispositif selon I'invention presente une charge adaptee vue de ('entree 22 et ('impedance presentee a I'amplificateur dans cette bande de frequence, est celle de ('association moyen de filtrage 23 et charge 24. Le dispositif d'adaptation d'amplificateur de puissance selon ('invention a donc notamment pour effet de presenter a la sortie de I'amplificateur de puissance 2 un taux d'onde stationnaire maitrise, conduisant a assurer la stabilite de I'amplification. Le dispositif d'adaptation d'amplificateur de puissance selon ''invention peut avantageusement s'intercaler entre la sortie de I'amplificateur de puissance 2 et le guide d'onde 4 en remplacement du dispositif de transition 3. Dans ce mode de realisation particulierement avantageux, le dispositif d'adaptation d'amplificateur de puissance selon ('invention permet alors d'adapter la transition entre le guide d'onde 4 et le cable de sortie de I'amplificateur (qui est generalement un cable coaxial ou une transition guide/coaxial), en dehors de la bande de frequence de fonctionnement du guide d'onde 4. Le dispositif d'adaptation de puissance selon ('invention assure notamment dans un encombrement reduit d'une part la transition entre le cable de sortie de I'amplificateur de puissance 2 et d'autre part ('adaptation de I'amplificateur de puissance 2 dans sa bande de frequence de fonctionnement (en particulier dans la bande de frequence rejetee par le guide d'ondes 4). La figure 4 illustre un synoptique du dispositif d'un mode de realisation du d'adaptation d'amplificateur de puissance selon ('invention. Les elements identiques aux elements deja presentes sur les autres figures portent les memes references. Le guide d'onde 4 agit de part les caracteristiques qui Iui sont propres comme un filtre passe-haut. A titre d'exemple, si I'on considere un signal utile compris dans une des bandes de frequence entre C et Ku, le guide d'onde 4 se comporte comme un filtre passe haut ayant une frequence de coupure autour de 9.5 GHz. Dans un mode de realisation, les moyens de filtrages 23 realisent uniquement la fonction de filtre passe-bas ou passe-bande complementaire a I'effet de filtrage passe-haut du guide d'onde pour realiser une fonction de multiplexage decrit precedemment.. Dans un mode particulier de realisation, le signal amplifie provenant de la sortie de I'amplificateur de puissance 2 entre dans le dispositif selon ['invention par ('entree 22. Entre d'une part un point A correspondant au point d'entree des moyens de filtrage 23 et d'autre part ('entree 22, est dispose un element rayonnant 25. L'element rayonnant 25 permet d'assurer la conversion du signal amplifie sous forme electrique en ondes electromagnetiques dirigees via la sortie 20 vers le guide d'onde 4. Le point A est maintenu a un potentiel electrique nul ou quasi-nul. Entre le point A et la charge adaptee 24, le signal electrique parvenant a ('entree des moyens de filtrage 23 parcourt des elements rejecteurs 26. Par exemple, les moyens de filtrage 23 peuvent comporter trois troncons (ou stubs selon ['expression anglo-saxonne ) ayant une frequence de coupure egale au quart de la longueur d'onde Ao de la frequence a stopper et fonctionnant en court-circuits serie separes par des lignes 27 de longueur egale au quart de la longueur d'onde A0. Le dispositif d'adaptation de puissance selon I'invention, peut avantageusement etre utilise dans un emetteur de systeme de communication. Toutefois, cette application n'est en rien limitative. En effet, le dispositif d'adaptation peut etre utilise des qu'il s'agit d'adapter un dispositif dont la bande de frequence de fonctionnement est sensiblement superieure a un autre dispositif auquel it est relie. De la meme maniere, le dispositif peut etre employe des tors qu'il s'agit d'ameliorer le taux d'ondes stationnaires a la sortie d'un dispositif. Les indications de bande de frequence sont donnees a titre indicatif et ne modifient en rien le fonctionnement du dispositif selon ('invention. De maniere generale, le dispositif selon I'invention comporte notamment une entree assurant la connexion avec un dispositif en entree delivrant un signal utile. Le dispositif selon ('invention comporte une sortie assurant la connexion physique avec un dispositif de sortie. Un corps relie ('entree a la sortie et achemine le signal utile de ('entree vers la sortie. Le dispositif d'entree fonctionne de maniere Iineaire ou quasi-Iineaire sur une bande de frequence plus importante que le dispositif de sortie. Le dispositif selon ('invention comporte des moyens de filtrage du signal delivre par le dispositif d'entree. Les moyens de filtrage assurent la fonction de filtre stop-bande et sont adaptes par une charge adaptee au dispositif d'entree dans toute la bande de frequence de fonctionnement Iineaire ou quasi-lineaire du dispositif d'entree, a ('exception de la bande stoppee par lesdits moyens de filtrage. La bande stoppee correspond sensiblement a la bande de frequence du signal utile. En dehors de la bande de frequence du signal utile, le dispositif selon I'invention presente une charge adaptee vue de ('entree. Dans un mode de realisation of le dispositif de sortie assure une fonction de filtre passe-haut, les moyens de filtrage peuvent assurer la fonction de filtre passe-bas REVENDICATIONS 1. Dispositif d'adaptation caracterise en ce qu'iI comporte : une entree (22) assurant la connexion avec un dispositif en entree (2) delivrant un signal utile ; une sortie (20) assurant la connexion avec un dispositif de sortie 5 (4) ; un corps (25) reliant ('entree (22) a Ia sortie (20) ; des moyens de filtrage (23) du signal delivre par le dispositif d'entree (2) ; une charge adaptee (24) ; 10 ledit dispositif d'entree (2) fonctionnant de maniere Iineaire ou quasi-Iineaire sur une bande de frequence plus importante que le dispositif de sortie (4), lesdits moyens de filtrage (23) assurant la fonction de filtre stop-bande et etant adaptes par ladite charge adaptee (24) au dispositif d'entree (2) dans toute la bande de frequence de fonctionnement Iineaire 15 ou quasi-Iineaire du dispositif d'entree (2), a ('exception de la bande de frequence stoppee par lesdits moyens de filtrage (23), la bande de frequence stoppee correspondant sensiblement a Ia bande de frequence (14) dudit signal utile. 20 2. Dispositif selon la revendication 1 caracterise en ce que, le dispositif de sortie (4) assurant une fonction de filtre passe-haut, les moyens de filtrage (23) assurent la fonction de filtre passe-bas ou passe-bande complementaire a I'effet de filtrage passe-haut du dispositif de sortie (4), la bande de frequence stoppee correspondant sensiblement a la bande de frequence (14) 25 dudit signal utile. 3. Dispositif selon ('une des quelconques revendications precedentes caracterise en ce que le dispositif d'entree (2) est un amplificateur de puissance et que le dispositif de sortie est un guide d'onde (4). 4. Dispositif selon la revendication 3 caracterise en ce qu'il comporte un element rayonnant (25) entre un point (A) d'entree des moyens de filtrage (23) et I'entree (22), le point A etant maintenu a un potentiel electrique nul ou 30quasi-nul, des elements rejecteurs (26) etant intercales entre le point (A) et la charge adaptee (24).