Brevet FR2947959A1 — publié le 20110114

Coupleur de Wilkinson intégré dans un circuit imprimé et dispositif hyperfréquence comportant un tel coupleur La présente invention concerne un coupleur de Wilkinson intégré dans un circuit imprimé et à un dispositif hyperfréquence comportant un tel coupleur. Elle s'applique notamment au domaine des télécommunications de signaux hyperfréquence tels que notamment aux chaînes radiofréquence et aux réseaux de formation de faisceaux des antennes d'émission et de réception, par exemple les antennes placées à bord d'un satellite. II est connu d'utiliser des coupleurs de Wilkinson pour la combinaison ou la division de signaux radiofréquence. Comme représenté schématiquement sur la figure 1, ce type de coupleur comporte trois accès 1, 2, 3 constituant, dans la configuration de diviseur, un port d'entrée 1 et deux ports de sortie 2, 3, les ports d'entrés et de sortie étant inversés dans le cas où le coupleur est utilisé en configuration de combineur. Le coupleur est terminé par une résistance de charge Rc montée entre les deux ports de sortie 2, 3. La valeur de la résistance de charge Rc est déterminée de façon que le coupleur soit équilibré et qu'il n'y ait pas de réflexion en entrée ni en sortie. Dans le domaine des antennes d'émission et de réception, certains équipements tels que les réseaux de formation de faisceaux ont besoin que la valeur de la résistance de charge ait une précision comprise entre 1 et quelques pour cent. Actuellement, il est connu d'insérer une résistance dans un circuit imprimé multicouches par un procédé de photolithographie comportant une double gravure. Ce type de procédé ne permet pas d'obtenir une résistance dont la valeur a la précision requise. Il est donc fondamental de pouvoir mesurer et ajuster cette résistance de charge avec la précision requise. II est connu d'ajuster la valeur d'une résistance au moyen d'une installation laser et de mesurer cette valeur pendant l'usinage au laser comme décrit par exemple dans le document US 2007/0012666, cependant la résistance de charge d'un coupleur de Wilkinson étant placée en court-circuit entre les deux ports de sortie, elle n'est parcourue par aucun courant et il n'existe actuellement pas de méthode. permettant de la mesurer. Ce procédé n'est donc actuellement pas applicable au coupleur de Wilkinson car on ne sait pas mesurer la valeur de la résistance de charge pendant l'ajustage. Pour résoudre ce problème, au lieu de réaliser la résistance Rc par un procédé de photolithographie, il est connu d'utiliser un composant électronique (en anglais : chip) contenant une résistance de valeur précise et de braser la résistance, entre les deux ports d'accès 2, 3 du coupleur, à l'intérieur d'une couche d'un circuit imprimé multicouches pendant la fabrication du circuit imprimé. Cependant, pour pouvoir insérer la résistance Rc dans le circuit imprimé multicouches sur lequel est monté le coupleur de Wilkinson, il est nécessaire d'ouvrir le circuit imprimé puis de noyer la résistance dans un matériau diélectrique. Par ailleurs, pendant la réalisation du circuit imprimé multicouches, le matériau de brasage doit être porté à une température de brasage élevée ce qui est difficile à réaliser sur un substrat organique tel que le diélectrique d'un circuit imprimé multicouches; par exemple la température de brasage est de l'ordre de 290°Celsius pour un matériau de brasage en alliage or-étain compatible des terminaisons dorées de telles résistances. Ce procédé est complexe et coûteux à mettre en oeuvre et présente des risques au niveau de la qualité d'autant plus que ces opérations doivent généralement être réalisées pour un très grand nombre, par exemple de l'ordre du millier, de résistances individuelles. En outre, l'épaisseur totale du circuit imprimé obtenu est fortement accrue en raison de l'épaisseur du composant électronique qui doit être enrobé dans suffisamment de matériau diélectrique. Enfin, après brasage de la résistance entre deux ports du coupleur de Wilkinson, il n'est plus possible de réaliser des mesures de la résistance, ce qui présente un risque d'un point de vue de la qualité, d'autant plus que le joint de brasure va subir des contraintes de pression et de température pendant la fabrication du circuit imprimé multicouches. Une autre solution décrite dans le document US 5705962 utilise un point milieu en séparant la résistance de charge en deux résistances avec une piste métallique. Ceci permet d'avoir, pour la mesure, deux résistances en parallèle. Cependant cette solution ne permet pas de mesurer individuellement la valeur de chacune des résistances mais seulement la valeur d'un rapport entre les deux résistances en parallèle. Ce système ne permet donc pas une précision suffisante, ni une mesure exacte de la résistance totale de charge. En outre, cette solution nécessite de réaliser un trou métallisé dans le circuit imprimé, ce qui prend beaucoup de place lorsqu'il s'agit de circuits complexes comportant un nombre très important de coupleurs de Wilkinson. Le but de l'invention est de réaliser un coupleur de Wilkinson intégré dans un circuit imprimé ne comportant pas les inconvénients des dispositifs existants, ne nécessitant pas l'usinage de trous métallisés dans le circuit imprimé pour la mesure de la résistance de charge et ayant une résistance de charge dont la valeur peut être ajustée avec une précision requise et mesurée pendant son ajustage. Pour cela, l'invention concerne un coupleur de Wilkinson monté sur un circuit imprimé comportant un premier port d'accès connecté à un deuxième et un troisième ports d'accès par l'intermédiaire de deux lignes de transmission métalliques de même longueur et une résistance de charge montée en court-circuit entre les deuxième et troisième ports d'accès, caractérisé en ce qu'il la résistance de charge est constituée de trois résistances indépendantes adjacentes reliées entre elles. Avantageusement, chaque résistance a une valeur ajustable et mesurable individuellement. Avantageusement, chaque résistance est mesurable pendant l'ajustage. Avantageusement, les trois résistances indépendantes sont reliées par l'intermédiaire de deux pistes métalliques transversales, chaque piste métallique transversale étant disposée entre deux résistances adjacentes. Avantageusement, la première résistance est connectée entre une première borne métallique d'extrémité reliée à une ligne métallique d'accès au troisième port et la première piste transversale et en ce que la troisième résistance est reliée entre la deuxième piste transversale et une deuxième borne métallique d'extrémité reliée à une ligne métallique d'accès au deuxième port. Avantageusement, la première et la deuxième bornes métalliques d'extrémité sont reliées entre elles par l'intermédiaire des deux lignes de transmission métalliques connectées au premier port, les deux lignes de transmission formant une piste métallique reliée en boucle. Avantageusement, les trois résistances indépendantes sont 10 connectées en triangle. Selon un mode de réalisation particulier, les trois résistances indépendantes ont une valeur identique égale à un tiers de la valeur de la résistance de charge souhaitée. L'invention concerne aussi un dispositif hyperfréquence comportant au moins un tel coupleur de Wilkinson. 20 D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la suite de la description donnée à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés qui représentent : figure 1 : un schéma d'un exemple de coupleur de Wilkinson, selon l'art antérieur ; figure 2 : un schéma d'un exemple de coupleur de Wilkinson, selon l'invention ; figure 3 : un schéma d'un agrandissement de la résistance de charge du coupleur de Wilkinson de la figure 2, selon l'invention ; figures 4a à 4c : un exemple des courbes de puissances en transmission et en réflexion sur les trois accès d'un coupleur, selon l'invention ; 15 25 30 figure 5 : un exemple de schéma électrique d'un dispositif de mesure de la résistance de charge d'un coupleur de Wilkinson, selon l'invention. figure 6 : un exemple de dispositif hyperfréquence comportant deux coupleurs de Wilkinson. L'exemple de coupleur selon l'invention représenté schématiquement sur la figure 2 comporte trois accès 1, 2, 3 constituant, dans la configuration de diviseur, un port 1 d'entrée et deux ports 2, 3 de sortie. Le port d'entrée 1 est relié aux deux ports 2, 3 de sortie par l'intermédiaire de deux lignes de transmission métallique 4, 5 de longueur À/4 et d'impédance caractéristique Z= 2'1 R, À étant la longueur d'onde correspondant à la fréquence de fonctionnement du coupleur, R étant l'impédance des accès d'entrée 1 et de sortie 2, 3. Pour que la puissance incidente au port 1 soit divisée de manière égale entre les ports de sorties 2 et 3 qui sont alors mutuellement isolés, il faut que le coupleur soit terminé par une résistance de charge Rc égale au double de l'impédance R des accès du coupleur Rc=2R, la résistance Rc étant montée entre les deux ports 2, 3 de sortie. Le coupleur et la résistance de charge sont réalisés par un procédé connu de photolithographie sur un circuit imprimé multicouches comportant un substrat recouvert d'une couche résistive et d'une couche métallique, par exemple en cuivre. Une première gravure permet de réaliser les lignes de transmission du coupleur et une deuxième gravure permet de réaliser la résistance de charge du coupleur. La résistance de charge Rc, montée en court-circuit, doit pouvoir être mesurée et ajustée avec précision. Pour cela, conformément à l'invention, la résistance de charge Rc du coupleur est constituée d'un réseau de trois résistances RI, R2, R3 adjacentes séparées par l'intermédiaire de deux pistes métalliques transversales 9, 10, le métal pouvant être par exemple du cuivre. Une première résistance RI est connectée entre une première borne métallique d'extrémité 11 reliée à une ligne métallique 12 d'accès au port 3 et une première piste transversale 9, une deuxième résistance R2 est connectée entre la première piste transversale 9 et une deuxième piste transversale 10, la troisième résistance R3 est reliée entre la deuxième piste transversale 10 et une deuxième borne métallique d'extrémité 13 reliée à une ligne métallique 14 d'accès au port 2. En outre, la première et la deuxième bornes métalliques d'extrémité 11, 13 sont reliées entre elles par l'intermédiaire des deux lignes de transmission 4, 5 connectées au port 1, les deux lignes de transmission 4, 5 formant une piste métallique reliée en boucle. Chacune des résistances RI, R2, R3 du réseau de résistances a une valeur intrinsèque telle que la somme des valeurs des trois résistances indépendantes RI, R2, R3 soit égale à la valeur de la résistance de charge Rc. Par exemple, bien que ce ne soit pas indispensable, les trois résistances RI, R2, R3 peuvent être identiques et avoir une valeur égale à un tiers de la valeur de la résistance de charge Rc. Le fait de scinder la résistance de charge Rc en trois résistances RI, R2, R3 permet de ne rien changer du point de vue des micro-ondes qui alimentent le coupleur, les trois résistances RI, R2, R3 adjacentes se comportant comme une résistance unique Rc mise en court-circuit dont la valeur est égale à la somme des valeurs des trois résistantes. En raison du court-circuit, les trois résistances RI, R2, R3 peuvent être considérées comme un réseau de résistances connectées en triangle. L'influence de la scission de la résistance de charge Rc en trois résistances RI, R2, R3 sur les performances du coupleur a été vérifiée par simulations. Les courbes de puissance en transmission et en réflexion sur les trois accès du coupleur sont représentées sur les figures 4a, 4b, 4c. La figure 4a, montre que les coefficients de réflexion S11, S22, S33 d'un signal appliqué respectivement sur les ports 1, 2 ou 3 sont très faibles à la fréquence de fonctionnement centrale du coupleur. En particulier, sur la figure 4a, le coefficient S11 est de l'ordre de -48dB à la fréquence de 1,6GHz. Par conséquent, lorsque l'on applique un signal sur le port d'entrée 1, il n'y a pas de réflexion de ce signal qui est entièrement transmis aux ports 2 et 3. La figure 4b montre qu'à la fréquence de fonctionnement, les coefficients S23 de transmission du signal du port 2 vers le port 3 et réciproquement S32 sont quasiment nuls. Les ports 2 et 3 sont donc parfaitement isolés entre eux. La figure 4c montre les coefficients de transmission S21 et S31 entre les ports 1 et 2 et entre les ports 1 et 3. La puissance transmise entre les sorties 2 et 3 et l'entrée 1 sont quasiment égales, ce qui signifie que le coupleur est correctement équilibré. L'écart observé entre les deux courbes sont dues à des divergences de calcul du simulateur utilisé. Du point de vue de la possibilité de mesure de la résistance de charge, la scission de la résistance de charge Rc en trois résistances adjacentes et l'ajout de deux pistes métalliques 9, 10 entre deux résistances adjacentes RI, R2 et R2, R3 permet de pouvoir connecter une broche métallique de connexion sur chacune des deux pistes transversales 9, 10 et une broche métallique sur l'une des pistes 11, 13 court-circuitant la résistance de charge Rc. II devient alors possible de brancher un appareil de mesure, par exemple de type ohmmètre, entre les trois bornes de connexion 11, 9, 10 et de mesurer de façon précise, successivement, la valeur de 1 o chacune des trois résistances RI, R2, R3. Pour réaliser la mesure, l'une des trois bornes de connexion est appelée point de garde. La tension est calculée et forcée à ce point de garde pour qu'il n'y ait pas de courant dans l'une des trois résistances non mesurée, comme représenté sur l'exemple de schéma électrique de la figure 15 5. Sur cette figure, le point de garde est le point A situé entre une première résistance R1 et une deuxième résistance R2 et la résistance mesurée est une troisième résistance R3. La résistance R3 comporte une première extrémité connectée à la résistance RI en un point B et une deuxième extrémité connectée à la résistance R2 en un point C. Une source de courant 20 I est appliquée au point B. Un amplificateur de garde G ayant une première entrée connectée au point B, une deuxième entrée connectée au point A et une sortie connectée au point A, détecte la tension à la première extrémité B de la résistance R3 et applique cette tension au point de garde A. La tension au point de garde A et au point B sont alors égales et il n'y a donc pas de 25 courant dans la résistance RI. Les résistances R3 et R2 forment alors un pont de mesure classique. Si lm est le courant qui circule dans la résistance R3, le courant Ig qui circule dans la résistance R2 est tel que : R3 . lm = R2 . Ig Un amplificateur 20 connecté entre les points B et C permet, sur sa 30 sortie au point C, de ramener une tension proportionnelle à un courant I qui est injecté au point B et qui traverse la résistance R3. Un convertisseur 21 détermine alors la valeur de la résistance R3 grâce au rapport entre la tension au point C qu'il mesure et la valeur du courant I connue. La valeur de la résistance RI peut être déterminée de la même façon 35 en permutant le point de garde et les points de mesure. La valeur de chacune des résistances RI, R2, R3 peut alors être ajustée indépendamment des deux autres résistances pour avoir une résistance totale ayant une valeur égale à la valeur de résistance de charge Rc souhaitée. II est également possible de mesurer indépendamment chacune des résistances RI, R2, R3 et de n'en ajuster qu'une seule. L'ajustage de la valeur des résistances peut être réalisé par un procédé connu d'ajustage par faisceau laser, la mesure de la résistance en cours d'ajustage étant réalisée en continu pendant l'ajustage de cette résistance. Par exemple, le laser peut être similaire à ceux utilisés pour l'ajustage des résistances couches minces ou couches épaisses. Sa longueur d'onde peut par exemple être choisie de l'ordre de 1,07 micromètre. La puissance du faisceau laser est programmée en fonction du matériau à ajuster et du support de la résistance. On pourra choisir par exemple un laser YAG démultiplié fonctionnant dans l'infrarouge et ayant une puissance de l'ordre de 3 Watts. Le support de la résistance peut être par exemple en matériau céramique, ou organique, ou en un autre type de matériau habituellement utilisé dans le domaine des circuits imprimés. Le coupleur de Wilkinson peut être utilisé dans tout type de dispositif hyperfréquence tel que par exemple, dans les équipements des chaînes radiofréquence d'émission et de réception de signaux de télécommunication, notamment dans les réseaux de formation de faisceaux des antennes multifaisceaux ou dans les modules de linéarisation qui équipent des circuits d'amplification des signaux de télécommunication. A titre d'exemple non limitatif, la figure 6 montre un schéma d'un linéariseur comportant deux coupleurs de Wilkinson 61, 62. Le premier coupleur 61 est un diviseur de la puissance des signaux d'entrée entre deux voies 63, 64 de transmission de sortie alors que le deuxième coupleur 62 recombine la puissance des signaux traités sur chacune des voies en un seul signal de sortie. Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec des modes de réalisation particuliers, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Coupleur de Wilkinson intégré dans un circuit imprimé comportant un premier port d'accès (1) connecté à un deuxième port d'accès (2) et à un troisième port d'accès (3) par l'intermédiaire de deux lignes de transmission métalliques (4, 5) de même longueur et une résistance de charge (Rc) montée en court-circuit entre les deuxième et troisième ports d'accès (2, 3), caractérisé en ce que la résistance de charge (Rc) est constituée de trois résistances (RI, R2, R3) indépendantes adjacentes reliées entre elles. 2. Coupleur de Wilkinson selon la revendication 1, caractérisé en ce que, 15 chaque résistance (RI, R2, R3) a une valeur ajustable et mesurable individuellement. 3. Coupleur de Wilkinson selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque résistance (RI, R2, R3) est mesurable pendant l'ajustage. 4. Coupleur de Wilkinson selon la revendication 3, caractérisé en ce que, la somme des valeurs des trois résistances adjacentes (RI, R2, R3) est égale à la valeur de la résistance de charge (Rc). 25 5. Coupleur de Wilkinson selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les trois résistances (RI, R2, R3) indépendantes sont reliées par l'intermédiaire de deux pistes métalliques transversales (9, 10), chaque piste métallique transversale (9, 10) étant disposée entre deux résistances adjacentes (RI, R2) et (R2, R3). 30 6. Coupleur de Wilkinson selon la revendication 5, caractérisé en ce que, la première résistance (RI) est connectée entre une première borne métallique d'extrémité (11) reliée à une ligne métallique (12) d'accès au troisième port (3) et la première piste transversale (9) et en ce que la 35 troisième résistance (R3) est reliée entre la deuxième piste transversale 20(10) et une deuxième borne métallique d'extrémité (13) reliée à une ligne métallique (14) d'accès au deuxième port (2). 7. Coupleur de Wilkinson selon la revendication 6, caractérisé en ce que, la première et la deuxième bornes métalliques d'extrémité (11, 13) sont reliées entre elles par l'intermédiaire des deux lignes de transmission métalliques (4, 5) connectées au premier port (1), les deux lignes de transmission (4, 5) formant une piste métallique reliée en boucle. 8. Coupleur de Wilkinson selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les trois résistances (RI, R2, R3) indépendantes sont connectées en triangle. 9. Coupleur de Wilkinson selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les trois résistances (RI, R2, R3) indépendantes ont une valeur identique égale à un tiers de la valeur de la résistance de charge (Rc) souhaitée. 10. Dispositif hyperfréquence caractérisé en ce qu'il comporte au moins un coupleur de Wilkinson selon l'une quelconque des revendications précédentes.