Brevet FR2894078A1 — publié le 20070601

CHINEUR/DIVISEUR DE PUISSANCE INTEGREE Domaine de l'invention La présente invention concerne de façon générale les combineurs/diviseurs de puissance (power combiner/splitter) dans une technologie de lignes distribuées ou couplées. De tels dispositifs sont utilisés pour diviser une puissance entrante vers deux voies équilibrées ou additionner deux puissances entrantes en une voie commune. On trouve généralement ces dispositifs en association avec des amplificateurs de puissance équilibrés, des mélangeurs, des déphaseurs, le plus souvent pour combiner plusieurs puissances obtenues à partir de plusieurs voies d'amplification différentes. Exposé de l'art antérieur La figure 1 représente, sous forme de bloc, un combineur/diviseur (COMB/DIV) de puissance 1. Ce circuit comporte un accès IN, désigné arbitrairement d'entrée, destiné à recevoir un signal Pin dont la puissance est à répartir (ou à fournir un signal combiné), et deux accès OUT1 et OUT2, désignés arbitrairement de sortie, destinés à fournir des signaux de puissance répartie Poutl et Pout2 (ou à recevoir des signaux dont les puissances sont à combiner) en phase ou en quadrature de phase. Le circuit 1 a non seulement pour rôle de répartir équitablement la puissance Pin entre les accès de sortie Poutl et Pout2 en phase ou en quadrature de phase mais également d'assurer l'isolation entre ces accès. Un tel dispositif est le plus souvent bidirectionnel, c'est-à-dire qu'il peut servir, selon son montage dans un circuit électronique, à combiner deux puissance Poutl et Pout2 en un seul signal Pin ou à équirépartir une puissance Pin en deux puissances Poutl et Pout2. La présente invention concerne plus particulièrement les combineurs/diviseurs dont les accès répartis (OUT1 et OUT2) sont en quadrature de phase. Par rapport à un coupleur dont le rôle est d'extraire une petite partie d'une puissance transmise à des fins de mesure, un combineur/diviseur de puissance doit respecter des paramètres d'équilibre de phase (phase balance) et d'équilibre d'amplitude (amplitude balance) entre les voies réparties. La figure 2 représente, de façon très schématique et sous forme de blocs, un exemple classique de circuit d'émission radiofréquence utilisant un combineur (bloc 1 de la figure 1 monté en combineur). Ce combineur 1 est intercalé entre des sorties OUTO et OUT90 déphasées de 90 l'une par rapport à l'autre de deux amplificateurs de puissance 11 et 12 (PA) d'une tête 10 d'émission radiofréquence. Le cas échéant, des circuits 13 et 14 d'adaptation d'impédance (MATCH) représentés en pointillés sont intercalés entre les amplificateurs 11 et 12 et les accès OUT1 et OUT2 du combineur. Chaque amplificateur 11, 12 reçoit un signal radiofréquence RFO, RF90 provenant d'un circuit 13 de déphasage qui reçoit lui-même deux signaux radiofréquence différentiels RFin+ et RFin- à transmettre. Le circuit 10 est alimenté par une tension généralement continue Valim. Le combineur 1 additionne les signaux OUTO et OUT90 pour former un signal IN envoyé sur une antenne 16 pour émission. Le cas échéant, un coupleur est adjoint au combineur pour extraire une information proportionnelle à la puissance transmise POUT sur l'accès IN de façon à ajuster éventuellement les gains des amplificateurs 11 et 12. Le même type d'architecture peut être utilisé pour une chaîne de réception. Dans ce cas, l'accès combiné (IN) sert de borne d'entrée tandis que les deux accès répartis (OUT1 et OUT2) servent de bornes de sortie déphasées (en quadrature de phase) vers deux entrées de réception d'une tête de réception radiofréquence. Pour économiser la puissance consommée par les circuits d'amplification (en émission ou en réception), les signaux sont le plus souvent répartis en deux voies en quadrature de phase. C'est pourquoi les combineurs/diviseurs sont généralement en quadrature de phase pour les accès répartis. La réalisation de combineurs/diviseurs peut faire appel à des techniques dites à éléments localisés (association d'éléments inductifs et capacitifs) ou à lignes distribuées ou couplées (lignes conductrices disposées suffisamment près l'une de l'autre pour engendrer un couplage électromagnétique). La présente invention s'applique plus particulièrement aux combineurs/diviseurs à lignes distribuées. La figure 3 représente un exemple classique d'un combineur/diviseur réalisé dans une technologie de lignes distribuées. Une première ligne conductrice 21 relie la borne d'accès combiné IN à l'une, OUT1, des bornes d'accès répartis. Une deuxième ligne conductrice, 22, relie une deuxième borne d'accès réparti OUT2 à une borne ISO laissée en l'air. Les deux lignes 21 et 22 sont parallèles entre elles et sont généralement formées en utilisant des technologies de pistes planes du type de celles utilisées dans les circuits imprimés. Si, comme cela est représenté, la borne OUT2 est du côté de la borne IN, les accès répartis sont en quadrature de phase. Si la borne OUT2 était à la place de la borne ISO, les accès répartis seraient en phase. Pour obtenir l'effet de combineur/diviseur, le coupleur ainsi réalisé doit être à 3dB de façon à ce que la 35 puissance de la borne IN soit répartie par moitié sur chacune des bornes OUT1 et OUT2. Dans l'architecture de la figure 3, la longueur de chacune des lignes 21 et 22 doit correspondre au quart de la longueur d'onde (À/4) de la fréquence de travail du combineur/diviseur, c'est-à-dire au quart de la longueur d'onde de la fréquence centrale de sa bande passante. Un inconvénient d'un combineur/diviseur classique tel qu'illustré par la figure 3 est son encombrement pour des fréquences élevées qui le rend en pratique inutilisable dans des circuits intégrés. Par exemple, pour une fréquence de l'ordre du gigahertz correspondant aujourd'hui aux bandes de fréquence utilisées en téléphonie mobile, les lignes 21 et 22 devraient présenter des longueurs de 34 mm chacune. Un autre inconvénient est que cette longueur des lignes conductrices engendre des pertes en lignes élevées. On notera qu'un combineur/diviseur est fondamentalement différent d'un transformateur à changement de mode (communément appelé balun d'après sa désignation anglo-saxonne balanced/unbalanced) qui comporte un accès de mode commun et deux accès de mode différentiel. En particulier, un trans-formateur à changement de mode ne permet pas d'obtenir un déphasage en quadrature qui est nécessaire dans les combineurs auxquels s'applique la présente invention. De plus, les baluns à lignes distribuées sont encombrants car ils doivent avoir des longueurs de lignes égales au quart de la longueur d'onde. Résumé de l'invention La présente invention vise à pallier tout ou partie des inconvénients des combineurs/diviseurs en quadrature de phase classiques. L'invention vise plus particulièrement à réaliser un combineur/diviseur en quadrature de phase en utilisant une technologie de couches minces du type utilisé dans la fabrication des circuits intégrés. L'invention vise également à réduire l'encombrement d'un combineur/diviseur par rapport aux solutions classiques en 35 lignes distribuées. L'invention vise également à proposer une solution favorisant le couplage entre les lignes de façon à minimiser les pertes d'insertion. Pour atteindre tout ou partie de ces objets, la 5 présente invention prévoit un combineur/diviseur à lignes distribuées comportant : une première ligne formée d'un premier enroulement plan dans un premier niveau conducteur et d'un deuxième enroulement plan dans un deuxième niveau conducteur ; 10 une deuxième ligne formée d'un troisième enroulement plan interdigité avec le premier enroulement dans le premier niveau, et d'un quatrième enroulement plan interdigité avec le deuxième enroulement dans le deuxième niveau ; un premier élément capacitif reliant les extrémités 15 externes des premier et troisième enroulements ; et un deuxième élément capacitif reliant les extrémités externes des deuxième et quatrième enroulements. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les enroulements constitutifs d'une même ligne tournent dans des 20 sens inverses. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les premier et troisième enroulements ont un quart de tour d'écart en longueur ; et les deuxième et quatrième enroulements ont un quart de tour d'écart en longueur. 25 Selon un mode de réalisation de la présente invention, les éléments capacitifs ont des valeurs choisies dans une plage allant de 0,1 à 10 picofarads. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les éléments capacitifs sont des éléments localisés. 30 La présente invention vise aussi un procédé de fabrication d'un combineur/diviseur à deux lignes couplées, comportant les étapes suivantes : réaliser les lignes sous la forme d'enroulements plans conducteurs dans deux niveaux empilés l'un sur l'autre, chaque 35 ligne comportant un enroulement dans chaque niveau et les deux enroulements d'un même plan étant intergidités l'un avec l'autre ; et connecter un premier élément capacitif pour relier des premières extrémités des lignes ; connecter un deuxième élément capacitif pour relier des deuxièmes extrémités des lignes. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les extrémités centrales des enroulements d'une même ligne sont reliées par un via conducteur. Brève description des dessins 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 : la figure 1 qui a été décrite précédemment représente, sous forme de bloc, un combineur/diviseur du type auquel s'applique la présente invention ; la figure 2 représente, de façon très schématique et sous forme de blocs, un exemple de circuit électronique utilisant un combineur du type auquel s'applique la présente invention ; la figure 3 représente un exemple classique de combineur/diviseur à lignes couplées ; la figure 4 représente le schéma électrique équivalent d'un combineur/diviseur selon un mode de réalisation de la présente invention ; les figures 5A et 5B sont des vues de dessus de niveaux conducteurs participant à une réalisation intégrée des lignes couplées du combineur/diviseur de la figure 4 ; la figure 6 est une vue de dessus des lignes couplées du combineur/diviseur selon un mode de réalisation de l'invention ; et la figure 7 est une vue en coupe selon la ligne I-I de la figure 6. Description détaillée Par souci de clarté, de mêmes éléments sont désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des circuits intégrés, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Par ailleurs, seuls les éléments utiles à la compréhension de l'invention ont été représentés et seront décrits par la suite. En particulier, les applications d'un combineur/diviseur de l'invention n'ont pas été toutes détaillées, un tel combineur/diviseur pouvant être utilisé en remplacement d'un dispositif classique dans toute application impliquant un déphasage de 90 . De même, les procédés de réalisation de couches minces en utilisant les technologies de fabrication des circuits intégrés n'ont pas été détaillés, l'invention étant compatible avec les techniques classiques. Une caractéristique de la présente invention est de réaliser les lignes couplées du combineur/diviseur sous la forme d'enroulements plans conducteurs dans deux niveaux empilés l'un sur l'autre, chaque niveau comportant deux enroulements interdigités. Une autre caractéristique de l'invention est de connecter les extrémités respectives des lignes couplées au moyen d'éléments capacitifs. La figure 4 représente le schéma électrique équivalent d'un combineur/diviseur selon la présente invention. Comme précédemment, une première ligne définit un premier élément inductif L1 tandis qu'une deuxième ligne définit un deuxième élément inductif L2, couplé au premier. Les extrémités du premier élément inductif définissent respectivement l'accès combiné IN et l'un, OUT1, des accès répartis. Les extrémités de l'élément inductif L2 définissent respectivement le deuxième accès réparti OUT2 déphasé de 90 par rapport aux signaux des accès IN et OUT1, et une borne ISO généralement chargée par une impédance de 50 ohms ou autre selon l'application. Les extrémités définissant les accès IN et OUT2 sont reliées par un premier élément capacitif Cl tandis que les extrémités définissant les accès OUT1 et ISO sont reliées par un deuxième élément capacitif C2. Le rôle des éléments capacitifs Cl et C2 est d'accroître le couplage entre les lignes sans modifier leur impédance. Un autre effet des éléments capacatifs prévus des deux côtés est de rendre symétrique la structure. Les figures 5A, 5B, 6 et 7 illustrent une réalisation des éléments inductifs L1 et L2 sous la forme d'enroulements conducteurs plans pour former un combineur/diviseur selon un mode de réalisation préféré de la présente invention. Les figures 5A et 5B sont des vues de dessus schématiques de deux niveaux conducteurs utilisés pour cette réalisation. La figure 6 est une vue de dessus illustrant les niveaux des figures 5A et 5B empilés. La figure 7 est une vue en coupe selon la ligne I-I de la figure 6. Comme l'illustrent les figures 5A et 5B, l'élément inductif L1 est formé de deux enroulements plans 31 et 32 réalisés dans des premier (figure 5A) et deuxième (figure 5B) niveaux conducteurs (par exemple deux niveaux de métallisation d'un circuit intégré) qui sont superposés et séparés par un isolant 38 (figure 7). L'élément inductif L2 est également formé de deux enroulements plans 33 et 34, respectivement dans les premier et deuxième niveaux conducteurs. L'enroulement 33 est interdigité avec l'enroulement 31 tandis que l'enroulement 34 est interdigité avec l'enroulement 32. Les extrémités externes des enroulements 31, 32, 33 et 34 définissent respectivement les accès IN, OUT1, OUT2 et ISO. Les extrémités internes 31' et 32' des enroulements 31 et 32 sont reliées par un via conducteur 35 (figure 7). Les extrémités internes 33' et 34' des enroulements 33 et 34 sont reliées entre elles par un via conducteur 36. L'ordre d'empilement des niveaux conducteurs est indifférent. Dans l'exemple représenté et une fois la structure terminée (figure 6), les enroulements 31 et 33 tournent, vue de dessus et depuis l'extérieur, dans le sens des aiguilles d'une montre tandis que les enroulements 32 et 34 tournent dans le sens inverse. Le contraire est bien entendu possible pourvu que les enroulements constitutifs d'une même ligne tournent dans des sens inverses (depuis l'extérieur) de sorte que le courant d'une même ligne tourne dans le même sens sur toute la ligne. Le fait d'empiler et d'interdigiter les différents enroulements permet un premier effet de couplage du premier enroulement sur lui-même grâce au deuxième enroulement réalisé dans le niveau du dessous ou du dessus et un deuxième effet de couplage par le fait que l'enroulement est interdigité avec un enroulement de l'autre ligne. Cet accroissement du coefficient de couplage par rapport aux techniques classiques permet, entre autres, que les longueurs développées des lignes formant les enroulements puissent être inférieures au quart de la longueur d'onde de la fréquence de travail du coupleur. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les éléments capacitifs (Cl et C2, figure 4) sont réalisés sous forme d'éléments localisés et non répartis. Ces éléments capacitifs permettent d'améliorer le couplage entre les spires et par conséquent les performances du 20 diviseur/combineur. Dans le mode de réalisation préféré illustré par les figures 4 à 7, le nombre de tours dans chaque niveau conducteur est différent d'un quart de tour. Cela permet de rendre proches les unes des autres les extrémités externes des enroulements 25 définissant les accès du combineur/diviseur. Il est alors possible de connecter les éléments capacitifs (Cl, C2, figure 6) à ces extrémités sans allonger les lignes couplées. Un avantage est que cela permet de ne pas avoir de longues connexions pour connecter les capacités et réduit donc le risque de dégradation 30 des performances du combineur. La bande passante du combineur/diviseur dépend du nombre de tours des enroulements (donc de la valeur d'inductance) ainsi que de la valeur des éléments capacitifs associés. Pour une fréquence de travail donnée (fréquence 35 centrale de la bande passante du combineur/diviseur), plus les enroulements sont courts, plus les valeurs des éléments capacitifs associés sont élevées. Dans les applications haute fréquence (supérieure à 100 MHz) que vise plus particulièrement la présente invention, les éléments capacitifs auront des valeurs comprises entre 0,1 et 10 picofarads. A titre d'exemple particulier de réalisation, pour réaliser un combineur/diviseur à une fréquence de travail de 2 gigahertz avec des enroulements de 2,25 tours chacun, chacun des éléments capacitifs a une capacité de 1 picofarad. Le même combineur/diviseur peut être réalisé avec des enroulements de 2,75 tours et des éléments capacitifs de 0,25 picofarads. Selon un autre exemple particulier de réalisation appliqué à une fréquence de travail de 1 gigahertz, un combineur/diviseur tel que décrit en relation avec les figures précédentes peut présenter les caractéristiques suivantes : -longueur développée des enroulements 31 à 34 : 5000 um ; - largeur des lignes 31 à 34 : 30 pm ; - écart entre les lignes des deux enroulements interdigités sur un même plan : 10 pm ; et - épaisseur des lignes 31 à 34 : 9 }gym. Un avantage de la présente invention est que les longueurs des lignes couplées n'ont plus besoin d'être égales au quart de la longueur d'onde de la fréquence de travail. Un autre avantage de la présente invention est qu'en empilant les enroulements, on réduit encore l'encombrement du combineur. Un autre avantage de la présente invention est que la structure ainsi obtenue est directive (aucun signal sur la borne ISO). Un autre avantage de l'invention est que l'équilibre de phase et d'amplitude est assuré. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, les dimensions à donner aux lignes couplées (longueurs et sections) dépendent de l'application et sont à la portée de l'homme du métier en fonction notamment des résistances de lignes souhaitées et de la fréquence de travail du combineur/diviseur. REVENDICATIONS 1. Combineur/diviseur à lignes distribuées comportant : une première ligne (L1) formée d'un premier enroulement (31) plan dans un premier niveau conducteur et d'un deuxième enroulement plan (32) dans un deuxième niveau conducteur ; une deuxième ligne (L2) formée d'un troisième enroule-ment plan (33) interdigité avec le premier enroulement dans le premier niveau, et d'un quatrième enroulement plan (34) interdigité avec le deuxième enroulement dans le deuxième niveau ; un premier élément capacitif (Cl) reliant les extrémités externes des premier et troisième enroulements ; et un deuxième élément capacitif (C2) reliant les extrémités externes des deuxième et quatrième enroulements. 2. Combineur/diviseur selon la revendication 1, dans lequel les enroulements constitutifs d'une même ligne tournent dans des sens inverses. 3. Combineur/diviseur selon la revendication 1, dans lequel : les premier (31) et troisième (33) enroulements ont un 20 quart de tour d'écart en longueur ; et les deuxième (32) et quatrième (34) enroulements ont un quart de tour d'écart en longueur. 4. Combineur/diviseur selon l'un quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les éléments capacitifs (Cl, C2) 25 ont des valeurs choisies dans une plage allant de 0,1 à 10 picofarads. 5. Combineur/diviseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les éléments capacitifs (Cl, C2) sont des éléments localisés. 30 6. Procédé de fabrication d'un combineur/diviseur à deux lignes couplées, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : réaliser les lignes sous la forme d'enroulements plans conducteurs (31, 32, 33, 34) dans deux niveaux empilés l'un surl'autre, chaque ligne comportant un enroulement dans chaque niveau et les deux enroulements d'un même plan étant intergidités l'un avec l'autre ; et connecter un premier élément capacitif (Cl) pour relier 5 des premières extrémités des lignes ; connecter un deuxième élément capacitif pour relier des deuxièmes extrémités des lignes. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel les extrémités centrales des enroulements d'une même ligne sont 10 reliées par un via conducteur (35, 36).