Brevet FR2916086A1 — publié le 20081114

COUPLEUR DE SIGNAUX HYPERFREQUENCES EN TECHNOLOGIE MICRORUBAN La présente invention concerne un coupleur de signaux hyperfréquences en technologie microruban. Elle s'applique notamment à la mesure de la puissance d'un signal transitant par une ligne de transmission. Dans le domaine des télécommunications, de tels coupleurs sont par exemple intégrés dans des amplificateurs pour mesurer la puissance d'un signal délivré à une antenne. Un coupleur de proximité, qualifié simplement par la suite de coupleur , comporte une ligne de transmission principale permettant d'acheminer un signal hyperfréquence, et une ligne secondaire dont un tronçon est placé à proximité de la ligne principale. Par rayonnement électromagnétique, la ligne secondaire est ainsi couplée à la ligne principale. Les coupleurs de signaux en technologie microruban sont massivement utilisés car peu coûteux à réaliser et faciles à intégrer. Cependant cette technologie limite leurs performances. En particulier, une directivité de couplage satisfaisante, c'est à dire une bonne séparation des mesures de puissances entrantes et sortantes dans le coupleur, est difficile à obtenir. Cette difficulté est due essentiellement aux asymétries des modes de transmission pairs et impairs apparaissant avec l'emploi de cette technologie. Enfin, de manière générale, les pertes d'insertion ainsi que les réflexions de signaux ù qui se traduisent par un taux d'onde stationnaire non nul ù sont des paramètres à prendre en compte lors de la conception d'un coupleur. Par opposition, les coupleurs en technologie coaxiale ou en technologie triplaque permettent des performances de haut niveau grâce au blindage entourant les lignes de propagation. Cependant, ces technologies augmentent l'encombrement et surtout le coût de fabrication d'un coupleur. Afin de rapprocher le niveau de performances des coupleurs en technologie microruban de celui des coupleurs en technologie coaxiale ou triplaque, plusieurs adaptations ont déjà été proposées. Ainsi, il est connu d'ajouter un ou plusieurs composants capacitifs liant la ligne de transmission principale avec la ligne secondaire couplée. Toutefois, cette solution présente plusieurs inconvénients. D'une part, des composants ayant théoriquement les mêmes valeurs capacitives présentent en réalité des valeurs de capacité dispersées autour d'une valeur moyenne. II est donc difficile de fabriquer des coupleurs en série comportant des performances reproductibles. D'autre part, l'implantation d'éléments capacitifs complexifie la réalisation du coupleur, augmentant par conséquent son coût de fabrication. Une autre solution connue est de concevoir des lignes de transmission aux formes singulières, afin d'optimiser le couplage entre la ligne de transmission principale et la ligne couplée. Cependant, des singularités introduites dans la ligne de transmission principale conduisent souvent à perturber la transmission du signal et donc à augmenter les pertes io d'insertion. Un but de l'invention est d'augmenter la directivité de couplage sans affecter la reproductibilité de fabrication du coupleur, tout en maintenant les pertes d'insertion à de faibles niveaux, pour un coût de fabrication peu élevé. A cet effet, l'invention a pour objet un coupleur à lignes microruban 15 comportant un substrat diélectrique, une ligne principale et une ligne secondaire comprenant un tronçon de couplage placé à proximité de la ligne principale, les lignes étant déposées sur le substrat, le tronçon de couplage comprenant une première extrémité et une seconde extrémité, la ligne principale étant sensiblement rectiligne et uniforme sur toute sa longueur, et :20 le tronçon de couplage comprenant une ligne conductrice comportant au moins une excroissance placée à au moins une de ses extrémités. Selon un mode de réalisation préféré, les deux excroissances sont séparées d'une distance L sensiblement égale au quart de la valeur médiane des longueurs d'onde de fonctionnement du coupleur. 25 Selon une variante de réalisation, un élément résistif peut être raccordé à une extrémité du tronçon de couplage. Selon une variante de réalisation, le coupleur comporte quatre ports d'accès, les deux premiers ports d'accès étant reliés par la ligne de transmission principale, un premier microruban de raccordement reliant le 30 tronçon de couplage au troisième port d'accès, un second microruban de raccordement reliant le tronçon de couplage au quatrième port d'accès, au moins un des microrubans de raccordement comportant un élément de transformation d'impédance afin d'améliorer l'adaptation des troisième et quatrième ports 22 du coupleur. L'invention a également pour objet un amplificateur de puissance comportant un coupleur tel que décrit plus haut. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de 5 la description détaillée donnée à titre d'exemple et non limitative qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent : la figure 1, une vue de dessus d'un exemple de coupleur selon l'invention, la figure 2, une variante de réalisation du coupleur selon l'invention, 10 - la figure 3, un exemple d'utilisation d'un coupleur selon l'invention dans un amplificateur de puissance. La figure 1 présente une vue de dessus d'un exemple de coupleur selon l'invention. Un coupleur 1 comporte une plaque métallique 2, placée sur le dessous du coupleur et tenant le rôle de masse électrique. Sur la plaque 15 métallique 2, est appliquée une couche de substrat diélectrique 3, au-dessus duquel des microrubans de matériau conducteur sont déposés. Un premier microruban conducteur forme une ligne de transmission principale 10 acheminant un signal S dont on souhaite prélever une fraction de la puissance. La ligne principale 10 possède à chacune de ses extrémités un 20 port d'accès 11, 12. Le premier port d'accès 11 reçoit le signal S, de puissance P, entrant dans le coupleur 1 tandis que le second port d'accès 12 est relié à une charge, non représentée sur la figure, par exemple une antenne. Selon l'impédance de la charge, une puissance Pref plus ou moins importante du signal S est réfléchie dans la ligne principale 10. Le coupleur 1 25 comporte également une ligne secondaire 20 comportant à chacune de ses extrémités un troisième et un quatrième port d'accès 21, 22. La ligne secondaire 20 comprend une portion de ligne conductrice centrale 23 relativement fine, des excroissances conductrices 24, 25, et des microrubans conducteurs de raccordement 26, 27 vers les ports d'accès 21, 30 22. L'ensemble composé des excroissances 24, 25 et de la portion centrale 23 forme un tronçon de couplage avec la ligne principale 10. Le tronçon de couplage est réalisé de manière à ce que le troisième port d'accès 21 reçoive une fraction P' de la puissance P du signal S et que le quatrième port d'accès 22 reçoive une fraction Pref' de la puissance Pref réfléchie dans la 35 ligne principale 10. La ligne principale 10 est sensiblement rectiligne et sa largeur, choisie en fonction de l'impédance caractéristique souhaitée, demeure quasiment constante sur toute sa longueur. Cette simplicité de conception permet de conserver une impédance caractéristique de ligne proche des impédances terminales au niveau des ports d'accès 11, 12, réduisant ainsi le taux d'onde stationnaire présent dans la ligne 10. Par ailleurs, dans l'exemple, une couche métallisée, en contact avec la plaque métallique 2, est appliquée sur le dessus du coupleur 1 et autour des lignes 10, 20 pour parfaire le blindage électromagnétique du 10 coupleur. La première excroissance conductrice 24 est placée à une première extrémité 23a de la portion centrale 23 et la seconde excroissance 25 est placée à son extrémité opposée 23b. Les excroissances 24, 25 sont, dans l'exemple, de forme quasi-rectangulaire mais peuvent prendre des 15 formes et des dimensions différentes. Les barycentres des excroissances 24, 25 sont séparées d'une distance L de l'ordre du quart de la valeur médiane des longueurs d'onde correspondant à la plage de fonctionnement du coupleur 1. La distance Dl séparant la première excroissance 24 de la ligne principale 10 peut être différente de la distance D2 séparant la seconde 20 excroissance 25 de la ligne principale 10, mais les deux excroissances 24, 25 doivent être suffisamment proches de la ligne principale 10 pour qu'un couplage électromagnétique existe avec la ligne secondaire 20. En effet, l'essentiel du couplage entre les deux lignes 10, 20 est effectué via les excroissances conductrices 24, 25. Les distances Dl et D2 séparant les 25 excroissances 24, 25 de la ligne principale 10 sont choisies en fonction notamment des caractéristiques diélectriques (notamment de la permittivité) du substrat 3, de l'épaisseur de la couche de substrat et du niveau de couplage souhaité, c'est à dire du rapport de puissances P/P'. Quant à la portion centrale 23 reliant les deux excroissances 24, 30 25, sa largeur et sa forme sont choisies de façon à optimiser les performances du coupleur. Sa largeur est, de préférence, plus réduite que celle de la ligne de transmission principale 10. Elle ne participe que faiblement au couplage entre les deux lignes 10, 20. La portion centrale 23 n'est d'ailleurs ni nécessairement parallèle à la ligne principale 10, ni même 35 rectiligne, rendant ainsi sa longueur ajustable. Les microrubans de raccordement 26, 27 permettent de transmettre les puissances prélevées P' et Pref aux ports d'accès 21, 22 du coupleur 1. Le premier microruban de raccordement 26 relie le troisième port d'accès 21 à l'extrémité de la portion centrale 23 la plus proche du premier port d'accès 11, et le second microruban de raccordement 27 relie le quatrième port d'accès 22 à l'extrémité de la portion centrale 23 la plus proche du second port d'accès 12. Ces microrubans de raccordement 26, 27 sont, dans l'exemple, connectés au niveau des extrémités 23a, 23b de la portion centrale 23. Ils peuvent, en outre, former un angle quelconque avec la portion centrale 23, offrant ainsi des possibilités accrues d'intégration dans des circuits complexes. Selon une variante de réalisation présentée en figure 2, un élément résistif d'équilibrage 30 peut être connecté à l'une des excroissances 24, 25, sans être en contact direct avec la portion centrale 23. Dans l'exemple, l'élément résistif 30 est connecté à l'excroissance 24 la plus proche du premier port d'accès 11. Cette asymétrie du dessin du coupleur 1 permet de compenser les asymétries des modes de transmission pairs et impairs apparaissant avec l'usage de la technologie microruban. L'optimisation de la valeur de cet élément résistif latéral 30 permet d'améliorer les performances du coupleur en directivité. L'élément résistif 30 est placé à une distance D3 de la ligne principale 10 pour ne pas perturber la propagation du signal S et est relié à la masse électrique, formée dans l'exemple par la masse métallique 2. Cet élément résistif 30 peut, par exemple, être constitué de plusieurs sous-éléments placés en série et/ou en parallèle, non représentés pour des raisons de simplification. Par ailleurs, ces sous-éléments comportent certaines propriétés selfiques ou capacitives qui peuvent être éventuellement exploitées afin, notamment, d'améliorer la directivité du coupleur 1. Le fait de déporter cet élément résistif 30 latéralement au tronçon de couplage permet d'éviter que son positionnement précis n'affecte les performances du coupleur 1, facilitant ainsi la reproductibilité des performances lors d'une fabrication de coupleurs en série. Enfin, l'élément résistif 30 ayant un effet sur l'impédance de la ligne secondaire 20, les microrubans 26 et 27 peuvent, afin d'améliorer l'adaptation des troisième et quatrième ports 21 et 22 du coupleur, comprendre des éléments de transformation d'impédance, par exemple la sous la forme d'un élargissement des microrubans. La figure 3 présente un exemple d'utilisation d'un coupleur selon l'invention dans un amplificateur de puissance. Un amplificateur 40 reçoit un signal S et délivre un signal amplifié SAMP. Il comprend une cellule d'amplification 41, un coupleur 1 selon l'invention, un module de mesure 42 et une charge résistive 43. Le module de mesure 42 est relié au troisième port d'accès 21 du coupleur 1, et la charge résistive 43 est reliée à son quatrième port d'accès 22. La cellule d'amplification 41 reçoit le signal S et ~o fournit au premier port d'accès 11 du coupleur 1 un premier signal SINT amplifié. Le coupleur 1 prélève une fraction de la puissance du signal SINT, fraction de puissance qu'il transmet au module de mesure 42 via son troisième port d'accès 21. Le coupleur 1 produit également un signal SAMP issu de son deuxième port 12, puis dirigé vers la sortie de l'amplificateur 40. 15 L'association du coupleur 1 avec le module de mesure 42 permet donc de connaître la puissance du signal SAMP délivré en sortie de l'amplificateur 40. Un avantage du coupleur selon l'invention est sa simplicité de réalisation, permettant, à moindre coût, son intégration aisée dans des équipements tout en bénéficiant de bonnes performances avec une 20 excellente reproductibilité. REVENDICATIONS 1. Coupleur (1) à lignes microruban comportant un substrat diélectrique (3), une ligne principale (10) et une ligne secondaire (20) comprenant un tronçon de couplage (23, 24, 25) placé à proximité de la ligne principale (10), les lignes étant déposées sur le substrat (3), le tronçon de couplage (23, 24, 25) comprenant une première extrémité (23a) et une seconde extrémité (23b), caractérisé en ce que la ligne principale (10) est sensiblement rectiligne et uniforme sur toute sa longueur, et en ce que le tronçon de couplage (23, 24, 25) comprend une portion de ligne conductrice (23) comportant au moins une excroissance (24, 25) placée à au moins une de ses extrémités (23a, 23b). 2. Coupleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux excroissances (24, 25) sont séparées d'une distance L sensiblement 15 égale au quart de la valeur médiane des longueurs d'onde de fonctionnement du coupleur. 3. Coupleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins un élément résistif (30) est raccordé à une extrémité 20 (23a, 23b) du tronçon de couplage (23, 24, 25). 4. Coupleur selon l'une des revendications précédentes comportant quatre ports d'accès (11, 12, 21, 22), les deux premiers ports d'accès (11, 12) étant reliés par la ligne de transmission principale (10), un 25 premier microruban de raccordement (26) reliant le tronçon de couplage (23) au troisième port d'accès (21), un second microruban de raccordement (27) reliant le tronçon de couplage (23) au quatrième port d'accès (22), caractérisé en ce qu'au moins un des microrubans de raccordement comporte un élément de transformation d'impédance 30 afin d'améliorer l'adaptation des troisième et/ou quatrième ports (21, 22) du coupleur. 5. Amplificateur de puissance (40) comportant au moins un coupleur selon l'une des revendications précédentes.