Brevet FR2901919A1 — publié le 20071207

B7567 - 06-T0-075 1 COUPLEUR DIRECTIF LARGE BANDE Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine des coupleurs qui sont destinés à extraire une information proportionnelle à un signal véhiculé par une ligne de transmission. L'invention concerne plus particulièrement les coupleurs réalisés au moyen de lignes conductrices couplées l'une à l'autre sans contact. Ces coupleurs sont appelés des coupleurs à lignes distribuées par opposition à des coupleurs à éléments localisés, réalisés à partir d'éléments capacitifs et inductifs. La présente invention s'applique plus particulièrement au domaine des coupleurs radiofréquence, par exemple, pour des applications de radiocommunication de type téléphonie mobile. Exposé de l'art antérieur La figure 1 représente un exemple classique de coupleur 10 à lignes distribuées. Une ligne principale 11 relie un accès d'entrée IN à un accès de sortie DIR. Cette ligne 11 constitue le primaire du coupleur et est destinée à véhiculer le signal utile. Une ligne secondaire 12 est disposée parallèlement à la ligne 11 de façon à assurer un couplage sans contact avec celle- ci pour prélever une partie de la puissance présente sur la ligne 11. Les deux extrémités de la ligne 12 définissent des accès, respectivement CPLD destiné à interpréter le résultat du B7567 - 06-TO075 2 couplage et ISO généralement isolé, c'est-à-dire en l'air. Le coupleur est typiquement réalisé par des pistes métalliques déposées sur un substrat isolant. Un coupleur distribué se caractérise généralement par 5 les paramètres suivants : les pertes de transmission entre les bornes IN et DIR ; le couplage qui correspond aux pertes de transmission entre les bornes IN et CPLD ; 10 l'isolation du couplage qui correspond à la perte de transmission entre les bornes DIR et ISO ; et la directivité qui représente la différence en décibels entre les signaux présents sur les bornes ISO et CPLD. Les trois premiers paramètres ci-dessus sont généra15 lement mesurés alors que les deux bornes non prises en compte sont chargées par des impédances normalisées (généralement 50 ohms). Les longueurs données aux lignes principale et secondaire sont calculées en fonction de la fréquence centrale 20 de la bande passante à laquelle est destiné le coupleur et du couplage souhaité. Typiquement, ces lignes ont des longueurs correspondant au quart de la longueur d'onde de cette fréquence centrale. Plus les lignes sont longues, plus les pertes d'insertion sont importantes. 25 La figure 2 représente, de façon très schématique et sous forme de blocs, une chaîne d'émission radiofréquence du type à laquelle s'applique à titre d'exemple la présente invention. Un amplificateur d'émission 1 (PA) reçoit un signal radiofréquence RF à émettre par une antenne 2. Pour asservir la 30 puissance d'émission à une valeur, fixée par une consigne REF, on utilise un coupleur 10 à lignes distribuées entre la sortie de l'amplificateur 1 et l'antenne 2. Les accès IN et DIR de la ligne principale 11 de transmission sont respectivement connectés en sortie de l'amplificateur 1 et en entrée de 35 l'antenne 2. La borne CPLD de la ligne couplée est connectée en B7567 - 06-T0-075 3 entrée d'un détecteur 2 (DEI) dont la sortie est comparée (comparateur 4) au signal de référence REF pour ajuster la puissance d'émission (le gain) de l'amplificateur 1. Dans un coupleur dit directif, un signal entrant par la borne DIR est piégé par la borne ISO de façon à éviter que ce signal atteigne l'application, par exemple l'amplificateur 1 (figure 2). Dans ce cas, la borne ISO est généralement chargée par une impédance de 50 ohms connectée à la masse. Par directivité plus élevée, on entend une atténuation en dB plus importante entre les accès ISO et CPLD. Dans d'autres cas, un isolateur externe est prévu entre le coupleur 10 et l'antenne 2 de façon à empêcher un retour du signal vers l'amplificateur 1. Le coupleur n'a alors pas besoin d'être directif et la borne ISO est généralement laissée en l'air. La présente invention concerne plus particulièrement les coupleurs directifs. Un inconvénient des coupleurs du type de celui illustré en figure 1 est que le couplage est très sensible à la 20 fréquence du signal émis. Cet inconvénient est particulièrement gênant dans les applications de radiocommunication que vise plus particulièrement la présente invention. En effet, une variation du couplage trop élevée à l'intérieur d'une même bande de fré- 25 quences de fonctionnement (par exemple GSM ou DCS) nuit à l'optimisation du fonctionnement de la chaîne d'émission. De plus, le couplage peut fortement varier d'une bande de fréquences à une autre. Un coupleur directif est décrit, par exemple, dans la 30 demande de brevet N US-A 2004/0113716 de la demanderesse. Ce coupleur est à lignes de transmission interdigitées, connu également sous la dénomination de coupleur de Lange. Par rapport à des coupleurs à lignes non interdigitées, une structure de Lange permet d'améliorer le couplage entre les lignes. B7567 - 06-TO-075 4 Par amélioration du couplage, on entend accroître l'atténuation en dB du signal sur la borne CPLD par rapport au signal utile de façon à prélever le moins possible de ce signal. Par amélioration de la directivité, on entend accroître l'atténuation en dB du signal sur la borne ISO par rapport à la borne CPLD. Traditionnellement, pour améliorer la directivité, on prévoit des éléments capacitifs soit entre des bornes du coupleur, soit entre certaines de ces bornes et la masse. Un inconvénient est que, dans les gammes de fréquences que vise l'invention, les valeurs des éléments capacitifs sont tellement faibles qu'elles se rapprochent des valeurs de capacités parasites de la structure, ce qui rend le coupleur difficilement réalisable. Résumé de l'invention La présente invention vise à pallier tout ou partie des inconvénients des coupleurs connus en lignes distribuées. L'invention vise plus particulièrement à garder un faible couplage sensiblement constant sur une large bande tout en maintenant une bonne directivité. Pour atteindre tout ou partie de ces objets ainsi que d'autres, la présente invention prévoit un coupleur directif, comportant : une première structure à lignes distribuées dont une première ligne conductrice est destinée à véhiculer un signal principal entre deux bornes d'extrémité et dont une deuxième ligne conductrice, couplée à la première, est destinée à véhiculer un signal secondaire proportionnel au signal principal ; et une deuxième structure à éléments localisés comportant, entre une première borne du coupleur destinée à extraire le signal secondaire et une première extrémité de la deuxième ligne, deux atténuateurs en série entre lesquels est intercalé un filtre passe-bas et, entre une deuxième borne du coupleur et B7567 - 06-T0-075 la deuxième extrémité de la deuxième ligne, au moins un atténuateur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ladite structure à éléments localisés comporte, côté deuxième 5 extrémité de la deuxième ligne, deux atténuateurs entre lesquels est disposé un filtre passe-bas. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le ou les filtres passe-bas comportent exclusivement un enroulement plan conducteur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, lesdits atténuateurs sont constitués chacun d'un montage d'éléments résistifs fournissant des impédances d'entrée/sortie égales à une impédance de référence. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 15 lesdits montages sont en "n". Selon un mode de réalisation de la présente invention, ladite structure à lignes distribuées est une structure de Lange. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 20 aucun élément ne comporte d'élément capacitif à l'exception de capacités parasites éventuelles. L'invention prévoit également une chaîne d'émission radiofréquence comportant, entre un amplificateur d'émission et une connexion vers une antenne, un coupleur directif. 25 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 30 parmi lesquelles : la figure 1 décrite précédemment représente, de façon schématique, un coupleur distribué classique ; la figure 2 décrite précédemment représente un exemple d'application d'un coupleur du type auquel s'applique la 35 présente invention ; B7567 - 06-T0-075 6 la figure 3 représente, de façon schématique, un premier mode de réalisation d'un coupleur directif selon la présente invention ; et la figure 4 représente, de façon schématique et sous 5 forme de blocs, un deuxième mode de réalisation d'un coupleur directif selon la présente invention. De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures qui ont été tracées sans respect d'échelle. Pour des raisons de clarté, seuls les 10 éléments qui sont utiles à la compréhension de l'invention ont été représentés aux figures et seront décrits par la suite. En particulier, les signaux traversant le coupleur ainsi que l'exploitation faite des mesures par la ligne couplée n'ont pas été détaillés, l'invention étant compatible avec toute 15 application classique de tels signaux. Description détaillée Une caractéristique d'un mode de réalisation de la présente invention est de combiner une structure à lignes distribuées de type structure de Lange à une structure à 20 éléments localisés comprenant au moins un filtre passe-bas en série avec la ligne secondaire de la structure distribuée. La figure 2 représente le schéma d'un mode de réalisation d'un coupleur selon la présente invention. Ce coupleur comporte une structure 20 à lignes 25 distribuées associée à une structure 30 à éléments localisés, la combinaison de ces deux structures réalisant le coupleur dans son ensemble. La structure 20 a la forme d'une structure de Lange dans laquelle les lignes 11' et 12' sont interdigitées. Dans 30 l'exemple de la figure 3, chaque ligne comporte deux tronçons rectilignes parallèles 111 et 112, respectivement 121 et 122. Le tronçon 111 relie des accès IN et DIR du coupleur. Le tronçon 121, parallèle au tronçon 111, relie des accès interne ICPLD et IISO de la structure à lignes distribuées. Entre les tronçons 35 111 et 121 sont disposés successivement le tronçon 122, puis le B7567 - 06-T0-075 7 tronçon 112, pour obtenir la structure interdigitée. Les tronçons 111 et 112 sont reliés par un tronçon perpendiculaire 113 côté accès IN. Un tronçon de liaison perpendiculaire 123 relie les extrémités des tronçons 121 et 122 côté accès IISO. Enfin, des tronçons (ponts) conducteurs 114 et 124 relient les extrémités libres respectives des tronçons 112 et 122 aux accès DIR et ICPLD respectivement. Dans une réalisation utilisant les technologies des circuits intégrés à laquelle s'applique la présente invention, les liaisons 114 et 124 sont réalisées par des nias (non représentés) et des pistes conductrices dans un deuxième niveau conducteur par rapport à un niveau dans lequel sont réalisées, en plan, les pistes 111, 112, 113, 121, 122 et 123 ainsi que des plots d'accès IN, DIR ICPLD et IISO. La structure 30 à éléments localisés est constituée, entre l'accès ICPLD et une borne CPLD du coupleur destinée à être connectée à l'application (par exemple à un détecteur 3 du type de celui illustré par la figure 2), de deux atténuateurs 31 et 32 entre lesquels est intercalé un filtre passe-bas 35. Chaque atténuateur 31, 32 est par exemple constitué d'un montage en ir (pi) de trois éléments résistifs R311, R312 et R313, respectivement R321, R322 et R323. L'élément résistif R311 relie l'accès ICPLD à une première extrémité de l'élément inductif 33 dont l'autre extrémité est reliée à la borne CPLD par la résistance R321. Chaque élément résistif R312, R313, R322 ou R323 relie une borne d'une des résistances R311 et R321 à la masse M. Le filtre passe-bas 35 est par exemple constitué d'un élément inductif réalisé par un enroulement plan d'une piste conductrice sur un support isolant dont l'autre face comporte, de préférence, un plan de masse M. La présence de ce plan de masse sous l'élément inductif a été illustrée en figure 3 par une électrode 351 reliée à la masse M. Le support isolant peut être le même substrat que celui recevant la structure 20. Un montage identique est reproduit entre la borne IISO de la structure de Lange 20 et une borne ISO finale du coupleur. On retrouve deux atténuateurs 33 et 34 formés d'éléments B7567 - 06-T0-075 8 résistifs R331, R332 et R333, respectivement R341, R342 et R343, et un filtre passe-bas 36 formé d'un élément inductif de préférence sous la forme d'une piste conductrice plane dont un plan de masse sous-jacent est illustré par une électrode 361 reliée à la masse. La structure à lignes distribuées 20 apporte l'isolation entre la ligne de transmission 11' et la ligne couplée 12'. La présence des atténuateurs 31 et 32 diminue la puissance du couplage tandis que le filtre passe-bas apporte la stabilité en fréquence. Un filtre passe-bas du premier ordre est suffisant dans les applications visées par l'invention. Le fait de prévoir deux atténuateurs de part et d'autre du filtre 35 permet de préserver l'adaptation d'impédance dans les deux sens (vue du coupleur et vue du détecteur). Dans le mode de réalisation de la figure 3, la borne ISO est, par exemple, destinée à être connectée à un deuxième détecteur, ce qui justifie la présence du filtre passe-bas 36 et des deux atténuateurs 33 et 34. La présence des deux atténuateurs participe à l'obtention d'un faible facteur de couplage (atténuation importante) tout en maintenant une directivité élevée. Un avantage de la combinaison des deux structures 20 et 30 est qu'elle permet de dimensionner la structure de Lange pour un couplage d'un facteur relativement important, ce qui n'impose pas des dimensions trop faibles et préserve des pertes d'insertion acceptables. Cette structure devient aisément réalisable en préservant une bonne directivité. Le complément d'atténuation de la voie couplée provient alors des atténuateurs. Le facteur de qualité des éléments inductifs 35 et 36 n'est pas critique pour la mise en oeuvre de l'invention dans la mesure où ces inductances sont placées sur les voies couplée et isolée. De plus, ces éléments inductifs se situant sur la voie atténuée (ligne secondaire) par rapport à la ligne de trans- B7567 - 06-T0-075 9 mission principale, un couplage éventuel entre les deux éléments inductifs restera négligeable. La figure 4 représente, de façon schématique et sous forme de blocs, un deuxième mode de réalisation d'un coupleur selon l'invention. Par rapport à la figure 3, la différence est que la structure 30' à éléments localisés comporte, côté borne ISO, uniquement un atténuateur 33 (ATT1'). Un tel montage est plus particulièrement destiné au cas où seule la borne CPLD est chargée par un détecteur. La borne ISO est alors reliée à la masse par l'intermédiaire d'une charge 50 ohms (ou de l'impédance de référence). On veillera à ne pas relier la borne ISO directement à la masse faute de quoi le coupleur ne serait plus directif. Par rapport au montage de la figure 4, la figure 3 présente l'avantage d'une structure symétrique. Toutefois, elle nécessite une inductance et trois résistances de plus. Un avantage du coupleur de la présente invention est qu'il est dépourvu d'élément capacitif (autre que d'éventuelles capacités parasites comme, par exemple, entre les pistes formant les inductances des filtres 35 et 36 et les électrodes 351 et 361). Cela rend la structure robuste aux décharges électrostastiques (ESD) sans requérir de protection supplémentaire. Un autre avantage du coupleur de l'invention est de diminuer l'ondulation du facteur de couplage dans chaque bande ainsi que d'une bande à une autre dans une application à plusieurs bandes de fréquences par rapport à des coupleurs classiques. De plus, cela permet d'utiliser un seul coupleur. A titre de comparaison, on a réalisé un coupleur du type de celui illustré par la figure 3 pour des fréquences allant d'environ 800 MHz à 2 GHz en obtenant un couplage de - 40 dB et une directivité de -30 dB, à comparer à un couplage de - 20 dB et une directivité de -25 dB dans le cas classique (coupleur de Lange seul). De plus, la variation du facteur de couplage d'une 35 bande à une autre entre la bande GSM (environ 200 MHz autour de B7567 - 06-T0-075 10 900 MHz) et la bande DCS (environ 200 MHz autour de 1,8 GHz) passe de 12 dB à moins de 2 dB. Dans chaque bande, la variation du facteur de couplage passe d'environ 1 dB à moins de 0,3 dB. A titre d'exemple particulier de réalisation, un coupleur selon l'invention destiné aux bandes GSM et DCS a été réalisé avec les dimensions et composants suivants : structure de Lange à lignes distribuées d'une longueur totale d'environ 1,7 mm (longueur développée de chaque ligne d'environ 3,5 mm) ; éléments inductifs 35 et 36 réalisés par des enroulements conducteurs plans de 4,5 mm ; résistances R311, R321, R331 et R341 : 70 S2 ; et résistances R312, R313, R322, R323, R332, R333, R342 et R343 : 60 S2. Un tel coupleur présente un encombrement total de 1,8 par 1,2 mm2 lorsqu'il est réalisé en utilisant des technologies du type de celles utilisées pour la fabrication de circuits intégrés. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, la structure à lignes distribuées pourra être plus complexe (plus de branches interdigitées) ou, à l'inverse, une structure distribuée non interdigitée. De plus, les dimensions des différents éléments utilisés par l'invention sont à la portée de l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus et en fonction de l'application visée. En outre, bien que des atténuateurs résistifs en constituent un mode de réalisation préféré, d'autres montages à éléments localisés pourront être prévus, par exemple, n'importe quelle structure d'atténuation en "T" ou autre, garantissant une adaptation de 50 ohms (ou autre impédance de référence) de part et d'autre de la structure d'atténuation. REVENDICATIONS 1. Coupleur directif, caractérisé en ce qu'il comporte : une première structure (20) à lignes distribuées dont une première ligne conductrice (11') est destinée à véhiculer un signal principal entre deux bornes d'extrémité (IN, DIR) et dont une deuxième ligne conductrice (12'), couplée à la première, est destinée à véhiculer un signal secondaire proportionnel au signal principal ; et une deuxième structure (30) à éléments localisés comportant, entre une première borne (CPLD) du coupleur destinée à extraire le signal secondaire et une première extrémité (ICPLD) de la deuxième ligne, deux atténuateurs (31, 32) en série entre lesquels est intercalé un filtre passe-bas (35) et, entre une deuxième borne (ISO) du coupleur et la deuxième extrémité (IISO) de la deuxième ligne, au moins un atténuateur (33). 2. Coupleur selon la revendication 1, dans lequel ladite structure à éléments localisés (30') comporte, côté deuxième extrémité (IISO) de la deuxième ligne (12'), deux atténuateurs (33, 34) entre lesquels est disposé un filtre passe-bas (36). 3. Coupleur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel le ou les filtres passe-bas (35, 36) comportent exclusivement un enroulement plan conducteur. 4. Coupleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel lesdits atténuateurs (31, 32, 33, 34) sont constitués chacun d'un montage d'éléments résistifs (R311, R312, R313 ; R321, R322, R323 ; R331, R332, R333 ; R341, R342, R343) fournissant des impédances d'entrée/sortie égales à une impédance de référence. 5. Coupleur selon la revendication 4, dans lequel lesdits montages sont en "n".B7567 - 06-T0-075 12 6. Coupleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel ladite structure à lignes distribuées (20) est une structure de Lange. 7. Coupleur selon l'une quelconque des revendications 5 1 à 6, dans lequel aucun élément ne comporte d'élément capacitif à l'exception de capacités parasites éventuelles. 8. Chaîne d'émission radiofréquence comportant, entre un amplificateur (1) d'émission et une connexion vers une antenne (2), un coupleur conforme à l'une quelconque des 10 revendications 1 à 7.