Brevet FR2979042A1 — publié le 20130215

B10988 - 11-TO-0244FR01 1 COUPLEUR DIFFERENTIEL Domaine de l'invention La présente invention concerne de façon générale l'industrie électronique et, plus particulièrement, les systèmes d'émission/réception radiofréquence. L'invention concerne plus précisément un coupleur directif. 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 coupleurs à éléments localisés) ou de lignes conductrices proches les unes des autres pour être couplées (on parle alors de coupleurs à lignes distribuées). L'invention concerne la deuxième catégorie de coupleurs. Les ports de la ligne principale sont généralement désignés IN (entrée) et OUT (sortie). Ceux de la ligne couplée sont généralement désignés CPLD (couplé) et ISO (isolé). 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 système d'émission, pour contrôler la linéarité d'un B10988 - 11-TO-0244FR01 2 amplificateur d'émission en fonction des pertes liées à la réception d'une antenne, pour adapter dynamiquement une antenne, pour régler un réseau d'adaptation d'impédance, etc. Une mesure de l'amplitude (et parfois de la phase) des signaux présents sur les bornes de la ligne secondaire sert à prélever cette information. L'exploitation des informations prélevées sur la ligne secondaire du coupleur utilise généralement des circuits électroniques à signaux différentiels. L'utilisation de signaux différentiels améliore la dynamique notamment dans des fréquences élevées (plusieurs centaines de mégahertz à quelques gigahertz) que vise plus particulièrement la présente invention. La conversion des signaux de mode commun en mode différentiel requiert généralement des circuits spécifiques. En particulier, pour effectuer cette conversion dans le circuit de mesure, on utilise souvent des circuits actifs connectés aux bornes CPLD et ISO. Toutefois, des circuits actifs augmentent la consommation. De plus, cela accroît l'encombrement du circuit de 20 mesure. Résumé Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de proposer une nouvelle architecture de coupleur directif qui pallie tout ou partie des inconvénients des 25 coupleurs usuels. Un autre objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de proposer un coupleur différentiel. Un autre objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de proposer une architecture de coupleur en lignes 30 distribuées. Pour atteindre tout ou partie de ces objets ainsi que d'autres, on prévoit un coupleur différentiel en lignes distribuées, comportant une première ligne conductrice ; et deux deuxièmes lignes conductrices couplées à la première, chaque 35 deuxième ligne conductrice comportant deux tronçons conducteurs B10988 - 11-TO-0244FR01 3 électriquement en série, les points milieux respectifs des associations en série étant destinés à être connectés à la masse. Selon un mode de réalisation de la présente invention, des premières extrémités des deuxièmes lignes fournissent des signaux en opposition de phase de signaux fournis par des deuxièmes extrémités des deuxièmes lignes. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les signaux fournis par lesdites premières extrémités sont en phase l'un avec l'autre, les signaux fournis par lesdites deuxièmes extrémités étant en phase l'un avec l'autre. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la première ligne comporte quatre tronçons conducteurs électriquement en série entre deux bornes d'extrémité, chaque tronçon étant couplé avec un des tronçons des deuxièmes lignes. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les points de phase des tronçons de la première ligne sont dirigés vers un point milieu de celle-ci, les points de phase des tronçons des deuxièmes lignes étant appariés avec ceux des tronçons de la première ligne avec lesquels ils sont respectivement en regard. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les extrémités des deuxièmes lignes sont reliées à des atténuateurs. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les atténuateurs sont dimensionnés en fonction des coefficients de couplage respectifs entre la première ligne et des premier et second tronçons respectifs des deuxièmes lignes. Un mode de réalisation de la présente invention 30 prévoit une chaîne de transmission radiofréquence comportant un coupleur différentiel tel que ci-dessus. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante B10988 - 11-TO-0244FR01 4 de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 est une représentation schématique d'un coupleur en lignes distribuées ; la figure 2 représente partiellement un exemple d'architecture usuelle de chaîne d'émission/réception ; la figure 3 représente un mode de réalisation d'un coupleur différentiel en lignes distribuées ; la figure 4 représente de façon très schématique et sous forme de blocs un mode de réalisation d'une architecture d'exploitation des signaux de la ligne secondaire d'un coupleur différentiel tel qu'illustré en figure 3 ; et la figure 5 illustre le fonctionnement du coupleur de la figure 3. Description détaillée De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures. Par souci de clarté, seuls les éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et seront exposés. En particulier, les circuits d'émission-réception connectés en amont et en aval de la ligne principale du coupleur n'ont pas été détaillés, les modes de réalisation décrits étant compatibles les applications usuelles d'un coupleur. De plus, l'exploitation des signaux détectés à l'aide de la ligne secondaire du coupleur n'ont pas non plus été détaillés, les modes de réalisation étant là encore compatible avec les applications usuelles. La figure 1 est une vue schématique d'un coupleur 1 en lignes distribuées. Une ligne principale 12 est destinée à être intercalée sur une ligne de transmission et comporte deux ports ou bornes IN et OUT ou DIR respectivement d'entrée et de sortie. Une ligne secondaire 14, couplée à la première, comporte deux ports ou bornes respectivement CPLD et ISO et est destinée à véhiculer une information proportionnelle au signal parcourant la ligne 12. Les lignes 12 et 14 sont en pratique formées de pistes conductrices portées par un substrat isolant. Les B10988 - 11-TO-0244FR01 longueurs des lignes dépendent de la fréquence de fonctionnement et du niveau de couplage souhaités. Leur largeur dépend, entre autres, de l'impédance caractéristique recherchée. Le coupleur de la figure 1 est directif, les signaux 5 présents sur les ports CPLD et ISO ne présentant pas les mêmes niveaux. Un tel coupleur est toutefois symétrique ce qui le rend bidirectionnel, 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 DIR est couplé au niveau de la borne ISO. Dans un coupleur directif et symétrique tel qu'illustré par la figure 1, les rôles des bornes sont définis par les connexions du coupleur aux autres éléments. La figure 2 représente partiellement un exemple d'utilisation d'un coupleur directif tel qu'illustré en figure 1. La ligne principale du coupleur 1 est intercalée sur une ligne de transmission entre un amplificateur de puissance PA (non détaillé) et une antenne ANT (non détaillée). Dans l'exemple de la figure 2, la borne IN du coupleur est côté amplificateur de puissance et la borne DIR est côté antenne. Les signaux directs (FWD) véhiculés, en émission, de l'amplificateur vers l'antenne sont susceptibles d'être réfléchis (REV) par l'antenne. De façon plus générale, des signaux sont susceptibles de revenir depuis l'antenne vers l'amplificateur d'émission. Il est utile de mesurer ces signaux pour modifier divers paramètres, par exemple de circuits d'adaptation d'impédance, et améliorer ainsi la transmission. Les ports CPLD et ISO du coupleur 1 sont reliés à des bornes d'entrée d'un détecteur 2 (POWER SENSOR) dont le rôle est d'exploiter les niveaux des signaux présents sur les ports CPLD et ISO pour détecter l'amplitude du signal d'émission (FORWARD, FWD) et du signal provenant de l'antenne (REVERSE, REV). Les résultats des mesures effectuées par le circuit 2 sont exploités par un circuit de commande 3 (CTRL), typiquement un microcontrôleur ou similaire qui, par exemple, adapte le gain (GAIN) de l'amplificateur de puissance PA et modifie les B10988 - 11-TO-0244FR01 6 paramètres d'un circuit d'adaptation d'impédance (MATCH) côté antenne. Le fonctionnement d'une telle chaîne de transmission est usuel et ne sera pas détaillé plus avant. Dans le circuit de la figure 2, le circuit 2 intègre 5 des éléments de conversion de signaux de mode commun en signaux différentiels de façon à améliorer la détection. On pourrait penser reporter le changement de mode vers un circuit passif, à l'aide de transformateurs à changement de mode (généralement appelés dans la technique "baluns" pour 10 Balanced-Unbalanced) qui peuvent être, comme pour les coupleurs, à éléments localisés ou en lignes distribuées. Les ports CPLD et ISO du coupleur sont alors individuellement reliés aux entrées de mode commun respectives de deux baluns. Les sorties de mode différentiel des baluns fournissent les mesures différentielles. 15 On améliore ainsi la dynamique et on diminue la consommation et le coût de la partie active de la chaîne de transmission. Toutefois, la présence de deux baluns en plus du coupleur accroît la taille et le coût de la partie du circuit réalisée en lignes distribuées. 20 La figure 3 représente, de façon schématique, un mode de réalisation d'un coupleur différentiel 4. Le coupleur 4 comporte une première ligne ou ligne principale 42, formée de quatre tronçons conducteurs 421, 422, 423 et 424 électriquement en série entre les bornes IN et DIR. 25 Il comporte également deux deuxième lignes ou lignes secondaires 44 et 46 formées, chacune, de deux tronçons conducteurs 441, 442 et 462, 461 électriquement en série. Chaque tronçon est couplé avec l'un des quatre tronçons conducteurs 421 à 424 de la ligne principale. Les points milieux respectifs 443 et 463 des 30 associations en série des tronçons 441, 442 et 462, 461 sont destinés à être connectés à la masse. Les deux extrémités de la première ligne secondaire 44 définissent deux ports couplés CPLDO et CPLD180 fournissant des signaux déphasés de 180 degrés l'un par rapport à l'autre. Les deux extrémités de la deuxième 35 ligne secondaire 46 définissent deux bornes ISO180 et ISO0 B10988 - 11-TO-0244FR01 7 fournissant des signaux déphasés de 180 degrés l'un par rapport à l'autre. Les bornes CPLDO et ISO0 fournissent une première sortie différentielle du coupleur 4 avec des signaux en phase l'un avec l'autre. Les bornes CPLD180 et ISO180 fournissent une deuxième sortie différentielle avec des signaux en phase l'un avec l'autre. En figure 3 ont été illustrés les points de phase des lignes conductrices. La position de ces points définit, côté lignes secondaires, les bornes sur lesquelles se retrouvent les signaux respectivement en phase (0°) et en opposition de phase (180°) par rapport aux signaux de la ligne principale. Dans l'exemple de la figure 3, les points de phase des lignes 421 et 422 sont côté borne DIR et les points de phase des lignes 423 et 424 sont côté borne IN. En d'autres termes, les points de phase sont dirigés vers le milieu de la ligne 42. Côté lignes secondaires, le point de phase de chaque tronçon 441, 442, 462 ou 461 est du même côté que le point de phase du tronçon 421 à 424 avec lequel il est couplé. Dans une telle configuration, les signaux en phase (bornes CPLDO et ISO0) avec les signaux de la ligne principale sont du côté des bornes IN et DIR. De préférence, des atténuateurs (non représentés en figure 3) sont prévus aux sorties respectives des lignes secondaires pour compenser une différence dans les coefficients de couplage entre les tronçons. La figure 4 représente, sous forme de blocs, un exemple de connexion d'un coupleur différentiel 4 tel qu'illustré par la figure 3 à un circuit de mesure 2 à entrées différentielles. La ligne principale 42 du coupleur est connectée, par ses deux bornes IN et DIR, respectivement côté amplificateur de puissance PA et côté antenne ANT. Dans l'exemple de la figure 4, on suppose un coupleur connecté côté chaîne d'émission, la borne IN étant donc côté amplificateur PA. Dans une réalisation en réception, la borne IN est côté antenne. B10988 - 11-TO-0244FR01 8 Côté lignes secondaires, on suppose la présence d'atténuateurs 48 (ATT) entre les extrémités respectives des lignes secondaires et les bornes CPLDO, CPLD180, ISO0 et ISO180. Les points milieux respectifs 443 et 463 sont interconnectés à une borne de masse 43. Les bornes CPLDO et CPLD180 sont respectivement reliées à des bornes d'entrée différentielle RFlp et RFln destinées à un circuit 22 de mesure de la puissance transmise (LINE "FWD"). Les bornes ISO180 et ISO0 sont respectivement reliées à des bornes d'entrée différentielle RF2p et RF2n d'un circuit 24 de mesure de la puissance réfléchie (LINE "REV"). Grâce à la présence des atténuateurs 48 et comme on le verra en relation avec la figure 5, les signaux différentiels fournis par les bornes CPLDO et CPLD180 peuvent avoir la même amplitude. De façon similaire, les signaux fournis par les bornes ISO180 et ISO0 peuvent avoir la même amplitude. Chaque circuit 22, 24 de mesure de puissance comporte, de façon usuelle, un atténuateur programmable différentiel respectivement 222, 242 en série avec un détecteur de puissance respectivement 224 et 244. Le circuit 2 reçoit bien entendu des signaux d'alimentation (non représentés) et fournit des résultats à des circuits non représentés d'exploitation des mesures pour, par exemple, régler le gain de l'amplificateur d'émission et adapter l'impédance côté antenne. La figure 5 illustre un exemple de dimensionnement d'atténuateurs 48 dans le coupleur 4 en fonction des puissances souhaitées côté bornes ISO et CPLD pour obtenir des amplitudes égales sur les bornes respectives CPLDO, CPLD180 et ISO0, ISO180. Les principaux paramètres d'un coupleur sont : - les pertes d'insertion qui représentent la perte de transmission entre les deux accès de la ligne principale (les pertes d'insertion se définissent alors que les deux autres ports du coupleur sont chargés par une impédance de 50S) ; B10988 - 11-TO-0244FR01 9 - le couplage qui représente la perte de transmission entre les ports IN et CPLD (le couplage se définit alors que les deux autres ports DIR et ISO sont chargés par une impédance de 50Ç) ; - l'isolation qui représente la perte de transmission entre les ports IN et ISO (l'isolation se définit alors que les deux autres ports DIR et CPLD sont chargés par une impédance de 50S) ; et - la directivité qui représente la différence de perte en transmission entre les ports ISO et CPLD, depuis le port IN. La directivité représente donc la différence en puissance (exprimée en dB) entre les deux accès de la ligne couplée ou secondaire, de même phase dans le coupleur différentiel représenté. Dans le coupleur différentiel, on est en présence de deux coefficients de couplage différents CF1 et CF2 respectivement pour les signaux fournis par les bornes CPLDO et ISO0 et pour les signaux fournis par les bornes CPLD180 et ISO180. Le fait que les coefficients de couplage soient différents requiert l'utilisation préférée d'atténuateurs pour rééquilibrer les puissances et fournir, au circuit de mesure, des niveaux identiques pour les ports CPLD et des niveaux identiques pour les ports ISO. En variante, on pourra prévoir de reporter les atténuateurs du côté du circuit d'exploitation des mesures (par exemple en amont des atténuateurs 222 et 242). Dans l'exemple de la figure 5, on suppose (de façon arbitraire) un coefficient de couplage CF1 de -30 dB entre la ligne principale et les tronçons 441 et 461 et un coefficient de couplage CF2 de -40 dB entre la ligne principale et les tronçons 442 et 462. On suppose que : le coupleur est attaqué par un signal à émettre sur la borne IN avec un niveau Pla de 30 dBm ; le niveau Plb du signal réfléchi par l'antenne est 0 dBm ; et B10988 - 11-TO-0244FR01 10 le coupleur présente une directivité de 30 dB. On retrouve alors, aux extrémités non déphasée et déphasée de la ligne 44, respectivement des puissances P2a et P3a de 0 dBm et de -10 dBm. Côté ligne 46, on retrouve, aux extrémités respectivement non déphasée et déphasée, des puissances P2b et P3b de -30 dBm et -40dBm. Les blocs référencés PHASE SHIFTER 180° en figure 5 sont, comme pour la figure 4, simplement indicateurs du déphasage apporté par les lignes, mais ne représentent pas des circuits particuliers. On note Y et X les atténuations en dB apportées respectivement par des atténuateurs 481 destinés aux signaux non déphasés et 482 destinés aux signaux déphasés de 180°. Les atténuations X et Y se déduisent des coefficients de couplage CF1 et CF2 ainsi que d'une éventuelle atténuation commune ATT. Le coefficient de couplage CF1 étant supposé supérieur au coefficient de couplage CF2, l'atténuation X correspond à l'atténuation ATT. L'atténuation Y correspond alors à cette atténuation commune ATT, diminuée de la différence (CF1-CF2) entre les coefficients CF1 et CF2 de façon à compenser cette différence au niveau des atténuateurs. Dans l'exemple représenté, en supposant une atténuation commune X = ATT de -5 dB, l'atténuation Y est choisie pour produire -15 dB. Les puissances P4a et P5a respectivement fournies sur les ports CPLDO, CPLD180 sont alors identiques et valent -15 dBm. Les puissances P5b et P4b respectivement fournies sur les ports ISO180 et ISO0 sont identiques et valent -45 dBm. D'autres valeurs que celles prisent pour exemple en relation avec la figure 5 pourront être utilisées en fonction des caractéristiques de directivité et de couplage du coupleur différentiel réalisé. Un coupleur différentiel tel qu'illustré ci-dessus peut être réalisé en lignes distribuées, par exemple en réalisant des enroulements conducteurs pour former les différents tronçons des lignes principale et secondaires en B10988 - 11-TO-0244FR01 11 veillant à respecter les sens des enroulements pour obtenir les points de phase souhaités. Divers modes de réalisation ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, les dimensions à donner aux lignes conductrices dépendent de l'application et sont à la portée de l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus de même que le dimensionnement des atténuateurs. REVENDICATIONS1. Coupleur différentiel en lignes distribuées, comportant : une première ligne conductrice (42) ; et deux deuxièmes lignes conductrices (44 et 46) couplées à la première, chaque deuxième ligne conductrice comportant deux tronçons conducteurs (441, 442 ; 461, 462) électriquement en série, les points milieu respectifs (443, 463) des associations en série étant destinés à être connectés à la masse. 2. Coupleur selon la revendication 1, dans lequel des premières extrémités (CPLDO, ISOO) des deuxièmes lignes (44, 46) fournissent des signaux en opposition de phase de signaux fournis par des deuxièmes extrémités (CPLD180, IS0180) des deuxièmes lignes (44, 46). 3. Coupleur selon la revendication 2, dans lequel les signaux fournis par lesdites premières extrémités (CPLDO, ISOO) sont en phase l'un avec l'autre, les signaux fournis par lesdites deuxièmes extrémités (CPLD180, IS0180) étant en phase l'un avec l'autre. 4. Coupleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la première ligne (42) comporte quatre tronçons conducteurs (421, 422, 423, 424) électriquement en série entre deux bornes (IN, DIR) d'extrémité, chaque tronçon étant couplé avec un des tronçons (441, 442 ; 462, 461) des deuxièmes lignes (44, 46). 5. Coupleur selon la revendication 4, dans lequel les points de phase des tronçons (421, 422, 423, 424) de la première ligne (42) sont dirigés vers un point milieu de celle-ci, les points de phase des tronçons (441, 442 ; 462, 461) des deuxièmes lignes (44, 46) étant appariés avec ceux des tronçons de la première ligne avec lesquels ils sont respectivement en regard. 6. Coupleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les extrémités des deuxièmes lignes (44, 46) sont reliées à des atténuateurs (48 ; 481, 482).B10988 - 11-TO-0244FR01 13 7. Coupleur selon la revendication 6, dans lequel les atténuateurs (48, 481, 482) sont dimensionnés en fonction des coefficients de couplage respectifs (CF1, CF2) entre la première ligne (42) et des premier et second tronçons (441, 442 ; 461, 462) respectifs des deuxièmes lignes (44, 46). 8. Chaîne de transmission radiofréquence comportant un coupleur différentiel conforme à l'une quelconque des revendications précédentes.