Brevet FR2950743A1 — publié le 20110401

B9709 - 09-T0-225 1 AMÉLIORATION DE LA SÉLECTIVITÉ D'UN COUPLEUR BI-BANDE Domaine de l'invention La présente invention concerne de façon générale les circuits électroniques et, plus particulièrement, les coupleurs radiofréquence. L'invention concerne plus particulièrement un coupleur bi-bande (Dual Coupler). Exposé de l'art antérieur Un coupleur est généralement utilisé pour prélever une partie de la puissance présente sur une ligne de transmission, dite principale ou primaire, vers une autre ligne, dite couplée ou secondaire, située à proximité. Les coupleurs se répartissent en deux catégories selon qu'ils sont constitués de composants passifs discrets (on parle alors de coupleur à éléments localisés) ou de lignes conductrices proches l'une de l'autre pour être couplées (on parle alors de coupleur à lignes distribuées). L'invention concerne la deuxième catégorie de coupleurs. Dans de nombreuses applications, on a besoin de prélever une partie de la puissance transmise sur une ligne, par exemple, pour contrôler la puissance d'un amplificateur dans un circuit d'émission, pour contrôler la linéarité d'un amplificateur d'émission en fonction des pertes liées à la B9709 - 09-T0-225 2 réflexion d'une antenne, pour adapter dynamiquement une antenne, etc. Un coupleur sert à prélever cette information. Un coupleur bi-bande partage des ports de mesure entre deux lignes de transmission destinées à véhiculer des signaux dans deux bandes de fréquences différentes. Un tel partage est possible dans tout système bi-bande où les bandes de fréquences ne sont pas utilisées simultanément. C'est généralement le cas des applications radiofréquence (par exemple, la téléphonie mobile pour un téléphone bi, tri ou quadri-bande, le Wifi, etc.). Un coupleur bi-bande permet, par exemple, de partager un même circuit de commande ou d'amplification pour deux voies de transmission. Toutefois, dans un coupleur bi-bande, les antennes connectées en sortie des deux lignes principales introduisent un couplage additionnel. Plus ce couplage est important (moins l'isolation entre les deux antennes est bonne), plus les résultats de la mesure sont faussés. Le coupleur n'est alors pas suffisamment sélectif en fréquence d'une voie par rapport à l'autre. Il serait souhaitable d'améliorer la sélectivité d'un coupleur bi-bande. Résumé Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients des 25 coupleurs bi-bande usuels. Un objet d'un autre mode de réalisation de la présente invention vise plus particulièrement à préserver la directivité du coupleur. Un autre objet d'un mode de réalisation de la présente 30 invention est de proposer une solution de faible encombrement. Pour atteindre tout ou partie de ces objets ainsi que d'autres, il est prévu un coupleur bi-bande directif en lignes distribuées comportant : B9709 - 09-T0-225 3 une première ligne conductrice entre des premier et deuxième ports, destinée à véhiculer un signal à transmettre dans une première bande de fréquences ; une deuxième ligne conductrice couplée à la première ; une troisième ligne conductrice entre des troisième et quatrième ports, destinée à véhiculer un signal à transmettre dans une bande de fréquences supérieure à la première ; une quatrième ligne conductrice couplée à la troisième ; et au moins un diplexeur reliant, côté deuxième et quatrième ports, les extrémités respectives des deuxième et quatrième lignes à un cinquième port. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le diplexeur est dimensionné pour filtrer les fréquences de la 15 première bande entre la quatrième ligne et le cinquième port et pour filtrer les fréquences de la deuxième bande entre la deuxième ligne et le cinquième port. Selon un mode de réalisation de la présente invention, dans lequel un atténuateur relie, côté premier et troisième 20 ports, les extrémités respectives des deuxième et quatrième lignes à un sixième port. Selon un mode de réalisation de la présente invention, un deuxième diplexeur relie, côté premier et troisième ports, les extrémités respectives des deuxième et quatrième lignes à un 25 sixième port. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le ou les diplexeurs sont formés de filtres passe-bas et passe-haut au moins d'ordre 2 et, de préférence, d'ordre 3. Il est également prévu un circuit d'émission ou de 30 réception de signaux radiofréquence, comportant : au moins un amplificateur ; au moins un coupleur ; et au moins un circuit de mesure d'une information prélevée sur le cinquième ou sixième port. 10 B9709 - 09-T0-225 4 Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres 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 est un exemple d'architecture d'une chaîne d'émission radiofréquence double voie du type à laquelle s'applique à titre d'exemple la présente invention ; la figure 2 représente un exemple de coupleur bi-bande 10 en lignes distribuées ; la figure 3 représente un autre exemple de coupleur bi-bande en lignes distribuées ; la figure 4 représente un mode de réalisation d'un coupleur bi-bande en lignes distribuées ; 15 la figure 5 illustre les caractéristiques d'un diplexeur du coupleur de la figure 4 ; la figure 6 représente un autre mode de réalisation d'un coupleur bi-bande en lignes distribuées ; la figure 7 représente un mode de réalisation d'un 20 diplexeur du coupleur des figures 4 et 6 ; et la figure 8 représente un autre mode de réalisation d'un diplexeur du coupleur des figures 4 et 6. Description détaillée De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes 25 références aux différentes figures. Pour des raisons de clarté, seuls les éléments utiles à la compréhension de l'invention ont été représentés et seront décrits. En particulier, les différentes exploitations possibles du signal prélevé sur la ligne secondaire du coupleur n'ont pas été détaillées, 30 l'invention étant compatible avec toute utilisation usuelle. La figure 1 est un schéma bloc d'une ligne d'émission radiofréquence utilisant un coupleur bi-bande du type à laquelle s'applique à titre d'exemple la présente invention. Un circuit 11 (SEND) d'émission envoie un signal 35 radiofréquence à émettre. Dans un système bi ou multi-bande, un B9709 - 09-T0-225 amplificateur 12L ou 12H (PA) est sélectionné selon la bande de fréquences utilisée. Dans l'exemple de la figure 1, on suppose une première voie destinée à une bande de fréquences (signal TxL) relativement basse (par rapport à l'autre bande du système) 5 et exploitant un amplificateur 12L (PA), et une deuxième voie destinée à une bande de fréquences (signal TxH) relativement élevée (supérieures aux fréquences de l'autre bande) exploitant un amplificateur 12H. Les sorties respectives des amplificateurs 12L et 12H sont destinées à être reliées à des antennes 13L et 13H. Un coupleur 1 est intercalé entre les sorties respectives des amplificateurs 12L et 12H et les antennes 13L et 13H, le cas échéant avec interposition d'un séparateur de voies 14 (SPLIT) destiné à distinguer les flux d'émission de flux de réception RxL et RxH destinés à des circuits de réception (non représentés). Une première ligne principale du coupleur 1 est intercalée entre la sortie de l'amplificateur 12L et l'antenne 13L. Un port d'accès INL, dit d'entrée basse fréquence, est côté amplificateur 12L tandis qu'un port d'accès OUTL (parfois également désigné DIR), dit de sortie basse fréquence, est côté antenne 13L. Une deuxième ligne principale du coupleur 1 est intercalée entre la sortie de l'amplificateur 12H et l'antenne 13H. Un port d'accès INH, dit d'entrée haute fréquence, est côté amplificateur 12H tandis qu'un port d'accès OUTH (ou DIRH), dit de sortie haute fréquence, est côté antenne 13H. Une ou plusieurs lignes couplées ou secondaires du coupleur prélèvent une partie de la puissance des lignes principales. Des ports de mesure CPLD et ISO, respectivement reliés d'un côté et de l'autre de la ou des lignes secondaires (port CPLD côté ports IN et port ISO côté ports OUT) fournissent des informations sur, par exemple, la puissance du signal transmis, les pertes dues à la réflexion de l'antenne, etc. Dans l'exemple de la figure 1, les mesures sont fournies à un circuit 15 (CTRL)) pour commander le gain de l'amplificateur 12L ou 12H utilisé. Le fait d'utiliser un coupleur bi-bande permet de partager un même B9709 - 09-T0-225 6 circuit de commande (voire les mêmes amplificateurs) pour plusieurs voies différentes. Un coupleur se définit, entre autres, par sa directivité qui représente la différence en puissance (exprimée en dB) entre les deux accès de sa ligne couplée ou secondaire. Un coupleur idéal présente une directivité infinie, c'est-à-dire qu'aucune puissance n'est présente sur le port ISO de sa ligne secondaire située en regard du port de sortie OUT de sa ligne principale quand un signal circule sur cette ligne principale du port d'entrée vers ce port de sortie. En pratique, un coupleur est dit directif quand sa directivité est suffisante pour que les puissances récupérées sur les ports de sa ligne secondaire permettent de distinguer le sens de circulation de la puissance dans la ligne principale. Les modes de réalisation qui vont être décrits concernent les coupleurs directifs dans lesquels les signaux présents sur les bornes CPLD et ISO ne présentent pas les mêmes niveaux. Si ces coupleurs sont symétriques, ils sont alors bidirectionnels, c'est-à-dire que, de la même manière qu'un signal appliqué sur la borne IN est couplé sur la borne CPLD, un signal appliqué sur la borne OUT est couplé au niveau de la borne ISO. La figure 2 est une vue schématique d'un coupleur bi- bande en lignes distribuées. Une première ligne principale 2L du coupleur 1, destinée à être intercalée sur une ligne de transmission radiofréquence (bande basses fréquences), est directement reliée à deux ports ou bornes INLB et OUTLB respectivement d'entrée et de sortie. Une deuxième ligne principale 2H, destinée à être intercalée sur une autre ligne de transmission radiofréquence (bande hautes fréquences), est directement reliée à deux ports ou bornes INHB et OUTHB respectivement d'entrée et de sortie. Une ligne secondaire 3, par exemple intercalée entre les deux lignes principales, comporte deux ports ou bornes respectivement CPLD et ISO, et est destinée à véhiculer une information proportionnelle à la B9709 - 09-T0-225 7 puissance transmise dans la ligne principale utilisée. Les lignes 2L, 2H et 3 sont, en pratique, formées de pistes conductrices portées par un substrat isolant. Les longueurs des lignes dépendent de la fréquence de fonctionnement souhaitée. Pour simplifier la représentation des figures, les lignes 2L et 2H ont été représentées de même longueur mais sont en pratique de longueur différente. La largeur des lignes dépend de la directivité et de l'impédance caractéristique recherchée. Le coupleur de la figure 2 est directif, les signaux présents sur les ports CPLD et ISO ne présentant pas les mêmes niveaux. Un tel coupleur est toutefois symétrique, ce qui le rend bidirectionnel. Dans un coupleur directif et symétrique tel qu'illustré par la figure 2, les rôles des bornes sont définis par les connexions du coupleur aux autres éléments. Les principaux paramètres d'un coupleur sont : les pertes d'insertion qui représentent la perte de transmission entre les deux accès d'une ligne principale (les pertes d'insertion se définissent alors que les deux autres ports du coupleur sont chargés par une impédance de 50 ohms) ; le couplage qui représente la perte de transmission entre les ports IN et CPLD (le couplage se définit alors que les deux autres ports OUT et ISO sont chargés par une impédance de 50 ohms) ; l'isolation qui représente la perte de transmission 25 entre les ports IN et ISO (l'isolation se définit alors que les deux autres ports OUT et CPLD sont chargés par une impédance de 50 ohms) ; et la directivité qui représente la différence de pertes en transmission entre les ports ISO et CPLD, depuis le port IN. 30 En supposant que le coupleur est attaqué par un signal basse fréquence sur la borne INLB, la majeure partie de ce signal (flèche 21) est transmise vers l'antenne 13L. Une faible partie du signal (dont la puissance dépend du couplage) se retrouve sur la borne CPLD. On considère qu'un coupleur présente 35 une bonne directivité si elle est d'au moins 20 dB. Avec un 20 B9709 - 09-T0-225 8 couplage d'environ -30 dB (ce qui correspond à prélever 1/1000 de la puissance transmise), l'isolation est alors de l'ordre de -50 dB, ce qui est acceptable et une faible partie du signal se retrouve sur la borne ISO. Idéalement, l'antenne 13L absorbe tout le signal sans produire de réflexion. Ceci correspond au fonctionnement d'un coupleur simple. Dans un coupleur bi-bande, l'isolation entre les antennes 13L et 13H n'est pas parfaite et un couplage (flèche 24) apparaît entre les deux antennes. Un signal parasite est donc renvoyé par l'antenne 13H destinée aux hautes fréquences (flèche 25) vers la borne OUTHB du coupleur. Une partie de ce signal réfléchi est couplé sur la borne ISO (flèche 26). Ce couplage parasite dégrade les performances du coupleur et surtout fausse la mesure sur la borne ISO, donc la mesure des pertes en réflexion (différence entre les puissances présentes sur les bornes CPLD et IS0). La figure 3 représente un autre mode de réalisation d'un coupleur bi-bande, équipé d'atténuateurs. Dans l'exemple de la figure 3, des pistes conductrices 3L et 3H participent à la réalisation de lignes secondaires respectivement dédiées aux lignes principales 2L et 2H. Les extrémités respectives des lignes secondaires 3L et 3H sont, côté borne CPLD, reliées par un séparateur résistif 41. Ces lignes sont reliées, côté borne ISO, par un séparateur résistif 40. Chaque séparateur est formé de trois résistances R1, R2 et R3. Deux résistances R1 et R2, généralement de même valeur, sont en série entre les extrémités respectives des lignes 3L et 3H (INLB et INHB pour l'atténuateur 41 et OUTLB et OUTHB pour l'atténuateur 40) et une troisième résistance R3 relie le point milieu de cette association en série à la borne CPLD, respectivement ISO. Toutefois, ces deux séparateurs détériorent la directivité du coupleur dans le cas d'un défaut d'isolation entre les deux antennes 13L et 13H. Par exemple, on suppose que la borne INLB est attaquée par un signal à transmettre à 0 dBm et que le coupleur a une directivité de 20 dB. Avec un couplage B9709 - 09-T0-225 9 de 30 dB, et en supposant que les séparateurs provoquent une atténuation de 8 dB, on retrouve -38 dBm sur la borne CPLD. On suppose également que les pertes d'insertion sont nulles. Les 0 dBm se retrouvent côté antenne 13L (en négligeant les pertes d'insertion et les pertes liées au couplage). Avec une directivité de 20 dB et une isolation parfaite entre les antennes 13L et 13H, on retrouve -50 dBm à l'extrémité de la ligne 3L qui se transforment en -58 dBm sur la borne ISO. Toutefois, en supposant une isolation de 10 dB entre les deux antennes, on retrouve -10 dBm sur l'antenne 13H qui, par couplage, se transforment en -40 dBm à l'extrémité de la ligne 3H côté borne ISO. Par conséquent, ce couplage se traduit par un niveau de -48 dBm sur la borne ISO au lieu des -58 dBm que l'on devrait obtenir. Le résultat obtenu revient à celui que donnerait un coupleur ayant une directivité de 10 dB (donc très peu directif). La figure 4 représente un mode de réalisation d'un coupleur bi-bande 1 préservant la directivité du coupleur. Selon ce mode de réalisation, le séparateur 40 côté borne ISO est remplacé par un diplexeur 50, c'est-à-dire un filtre passe-bas côté ligne 3L associé à un filtre passe-haut côté ligne 3H. L'objectif est de filtrer les signaux reçus par l'antenne non utilisée dans la transmission. On notera que le circuit 50 est un diplexeur dont le rôle est de séparer deux bandes de fréquence éloignées l'une de l'autre et non un duplexeur dont le rôle est de séparer les voies d'émission des voies de réception. On aurait pu penser placer des filtres respectivement passe-bas et passe-haut entre les lignes principales respec- tivement 2L et 3L et leurs antennes 13L et 13H. Toutefois, de tels filtres doivent supporter la puissance transmise, ce qui engendre une taille importante. De plus, la présence d'un filtre sur la ligne principale introduit des pertes d'insertion qui, pour être minimisées, demandent des inductances à facteur de qualité élevé, donc de taille importante. B9709 - 09-T0-225 10 La figure 5 illustre un exemple de courbe de réponse du diplexeur 50 de la figure 4. On suppose de façon arbitraire un diplexeur introduisant 8 dB de pertes d'insertion (pour équilibrer avec le séparateur 41 côté borne CPLD qui introduit également une atténuation de 8 dB). La figure 5 illustre un exemple d'application à la téléphonie mobile dans lequel la bande basses fréquences LF est aux environs de 800 MHz et la bande hautes fréquences HF est aux environs de 2,2 GHz. La voie LP du diplexeur laisse passer, entre l'extrémité de la ligne 3L et la borne ISO, les fréquences basses et coupe les fréquences hautes tandis que la voie HP, entre l'extrémité de la ligne 3H et la borne ISO, coupe les fréquences basses pour laisser passer les fréquences dans la bande des 2,2 MHz. L'exemple numérique de la figure 5 est arbitraire et l'homme du métier pourra adapter le diplexeur 5 en fonction des bandes de fréquence à traiter par le coupleur. En reprenant l'exemple d'un signal attaquant la borne INLB à 0 dBm pour un coupleur ayant une directivité théorique de 20 dB et un couplage de -30 dB, on retrouve comme dans l'exemple de la figure 3 un signal à -38 dBm sur la borne CPLD. Toutefois, côté borne ISO, le signal à -40 dBm provenant de l'antenne 13H et de son couplage à 10 dB avec l'antenne 13L est coupée par le filtre passe-haut. En effet, le signal est dans la bande de fréquence basse. Par conséquent, on retrouve bien désormais sur la borne ISO un signal à -58 dBm. Un fonctionnement similaire se produit en attaquant le coupleur par la ligne 2H avec un signal dans la bande hautes fréquences, le défaut d'isolation entre les deux antennes se trouvant filtré par le diplexeur 5. Le diplexeur est de préférence dimensionné pour avoir une atténuation correspondant à celle de l'atténuateur 41 côté borne CPLD. La figure 6 représente un autre mode de réalisation dans lequel un deuxième diplexeur 51 est prévu côté borne CPLD à la place de l'atténuateur 41. Un tel mode de réalisation rend le B9709 - 09-TO-225 11 coupleur symétrique, donc bidirectionnel, à la différence du montage de la figure 4 qui n'est pas symétrique. La figure 7 représente un premier exemple de réalisation d'un diplexeur utilisable dans le coupleur des figures 4 et 6. Une première branche entre la borne ISO et l'extrémité de la ligne 3L forme un filtre passe-bas d'ordre 3. Trois inductances L11, L12 et L13 sont en série et les points milieu de cette association en série sont directement reliés à la masse par des condensateurs, respectivement C11 et C12. Une deuxième branche entre la borne ISO et l'extrémité de la ligne 3H forme un filtre passe-haut d'ordre 3. Trois condensateurs C21, C22 et C23 sont en série et les points milieu de cette association en série sont directement reliés à la masse par des inductances, respectivement L21 et L22. La figure 8 représente un autre mode de réalisation d'un diplexeur utilisable dans les modes de réalisation des figures 4 et 6. Par rapport à la figure 7, les inductances L11, L12, L13, L21 et L22 sont remplacées par des résistances, respectivement R11, R12, R13, R21 et R22. Le choix entre une réalisation à partir d'éléments inductifs ou résistifs dépend, par exemple, de la technologie disponible et, notamment, de la possibilité d'intégrer facilement des éléments inductifs dans cette technologie. La réalisation, sous forme intégrée, de diplexeurs sous forme de dispositifs résistifs et capacitifs est généralement plus facile. Pour des raisons de sélectivité, les filtres passe-bas et passe-haut formant les diplexeurs sont au moins d'ordre 2 et, 30 de préférence d'ordre 3. Il est désormais possible de réaliser un coupleur bibande qui soit sélectif en fréquence tout en étant de dimension réduite. En effet, les diplexeurs sur les lignes couplées ne voient qu'une faible puissance. B9709 - 09-T0-225 12 Des modes de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, les dimensions des lignes en fonction des bandes de fréquences souhaitées pour le coupleur sont déterminables par l'homme du métier en utilisant les méthodes habituelles. De plus, les dimensions des composants, des diplexeurs et atténuateurs, sont également déterminables par l'homme du métier en fonction de l'atténuation souhaitée. En outre, bien que l'invention ait été décrite en relation avec une chaîne d'émission radiofréquence, elle se transpose sans difficulté à une chaîne de réception. REVENDICATIONS1. Coupleur bi-bande directif (1) en lignes distribuées comportant : une première ligne conductrice (2L) entre des premier et deuxième ports (INLB, OUTLB), destinée à véhiculer un signal 5 à transmettre dans une première bande de fréquences ; une deuxième ligne conductrice (3L) couplée à la première ; une troisième ligne conductrice (2H) entre des troisième et quatrième ports (INHB, OUIHB), destinée à véhiculer 10 un signal à transmettre dans une bande de fréquences supérieure à la première ; une quatrième ligne conductrice (3H) couplée à la troisième ; et au moins un diplexeur (5) reliant, côté deuxième et 15 quatrième ports, les extrémités respectives des deuxième et quatrième lignes à un cinquième port (IS0). 2. Coupleur selon la revendication 1, dans lequel le diplexeur (1) est dimensionné pour filtrer les fréquences de la première bande entre la quatrième ligne (3H) et le cinquième 20 port (IS0) et pour filtrer les fréquences de la deuxième bande entre la deuxième ligne (3L) et le cinquième port. 3. Coupleur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel un atténuateur (4) relie, côté premier (INLB) et troisième (INHB) ports, les extrémités respectives des deuxième 25 (3L) et quatrième (3H) lignes à un sixième port (CPLD). 4. Coupleur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel un deuxième diplexeur (5) relie, côté premier (INLB) et troisième (INHB) ports, les extrémités respectives des deuxième (3L) et quatrième (3H) lignes à un sixième port (CPLD). 30 5. Coupleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel le ou les diplexeurs (5) sont formés de filtres passe-bas et passe-haut au moins d'ordre 2 et, de préférence, d'ordre 3.B9709 - 09-T0-225 14 6. Circuit d'émission ou de réception de signaux radiofréquence, comportant : au moins un amplificateur (12L, 12H) ; au moins un coupleur (1) conforme à l'une quelconque 5 des revendications 1 à 5 ; et au moins un circuit (15) de mesure d'une information prélevée sur le cinquième ou sixième port.