Brevet FR3098340A1 — publié le 20210108

Description Titre de l'invention : COMMUTATEUR DE PUISSANCE, LARGE BANDE HAUTES FREQUENCES ET DISPOSITIF INTEGRANT DES COMMUTATEURS DE PUISSANCE [0001 j La présente invention concerne le domaine de l'électronique radio-fréquence, et porte en particulier sur un commutateur de puissance large bande hautes fréquences et sur un dispositif intégrant des commutateurs de puissance capables de fonctionner sur une large bande de fréquences. [0002] La demande toujours croissante en données numériques engendre une augmentation du trafic amenant les systèmes électroniques à rehausser leurs performances. Les réseaux mobiles 5G, par exemple, devront véhiculer 100 fois plus de données et connecter 100 fois plus d'appareils que les précédentes architectures de télécommunications. Ces défis impliquent l'intégration de composants électroniques compacts capables de transmettre des niveaux de puissance élevés à la fois sur la bande 0.8-6 GHz mais aussi aux fréquences millimétriques (28-40 GHz). [0003] Les commutateurs électromécaniques (relais) ou à base de ferrites peuvent dépasser 50W jusqu'à 40 GHz mais ils restent très volumineux. [0004] Bien plus compacts, les commutateurs semi-conducteurs dépassent aisément les longueurs d'ondes millimétriques mais leur tenue en puissance très satisfaisante à basse fréquence (>100 W à 2 GHz) décroît significativement aux longueurs d'ondes millimétriques où la température de jonction devient trop importante. [0005] De la même manière, les commutateurs MEMS (acronyme de l'anglais Micro- Electro-Mechanical Systems - systèmes micro-électromécaniques) sont très peu encombrants et atteignent facilement 40 GHz mais leur tenue en puissance reste limitée par la température qui devient plus importante avec la fréquence au niveau de leur contact mécanique. [0006] Ces limites technologiques peuvent être repoussées en disposant plusieurs transistors, diodes ou plusieurs membranes MEMS en parallèle sur un même dispositif de commutation. Cette technique reste compacte et permet de répartir les courants sur chaque élément, limitant ainsi les échauffements sur chaque jonction ou chaque contact mécanique respectivement. Elle présente néanmoins des limites car : elle engendre des capacités parasites importantes qui réduisent considérablement la bande de fréquences du commutateur, elle ne permet pas de répartir uniformément les courants qui se dirigent vers l'extérieur des conducteurs lorsque la longueur d'onde du signal devient proche de la taille du dispositif. 2 [0007] L'invention vise à résoudre les problèmes de l'état antérieur de la technique en proposant un commutateur de puissance comprenant une ligne d'entrée d'impédance caractéristique ZO, une ligne de sortie d'impédance caractéristique ZO, et une zone de commutation connectée en série entre la ligne d'entrée et la ligne de sortie, la zone de commutation étant constituée par N branches conductrices hi en parallèle, avec N un entier supérieur ou égal à 2 et i appartenant à {1, N}, chaque branche conductrice hi ayant, de la ligne d'entrée à la ligne de sortie du commutateur, une portion de ligne d'entrée d'impédance caractéristique Zbei en série avec un circuit de commutation ci en série avec une portion de ligne de sortie d'impédance caractéristique Zbsi, caractérisé par le fait que le circuit de commutation ci est configure, dans un premier état, pour bloquer le passage d'un signal entre la portion de ligne d'entrée et la portion de ligne de sortie de la branche conductrice hi et, dans un second état, pour transmettre un signal entre la portion de ligne d'entrée et la portion de ligne de sortie de la branche conductrice hi avec un coefficient de réflexion inférieur ou égal à 0,316, chacune des impédances caractéristiques Zbei et Zhsi étant comprise entre 0,75*N*Z0 et 1,35*N"ZO. [0008] Le circuit de commutation ci est ainsi connecté en série entre la portion de ligne d'entrée et la portion de ligne de sortie. [0009] On crée ainsi, sur chaque branche conductrice hi, une impédance caractéristique cor- respondant idéalement à N fois l'impédance caractéristique de la ligne d'entrée et de la ligne de sortie, ce qui amène le courant à se diviser globalement de manière égale sur une large bande de fréquences sur tous les circuits de commutation pour permettre au commutateur de puissance d'assurer une tenue en puissance à très hautes fréquences. [0010] Cette configuration permet en outre de limiter les effets parasites entre les circuits de commutation pour avoir une capacité du commutateur de puissance correspondant à la somme des capacités d'isolation de chaque circuit de commutation. [0011] Selon un mode de réalisation, chaque circuit de commutation ci de la branche conductrice bi possède une impédance caractéristique Zci comprise entre 0,5*N*Z0 et 1,5*WZO permettant un très faible coefficient de réflexion. [0012] Selon un mode de réalisation, chaque circuit de commutation ci a une longueur électrique inférieure au dixième de la longueur d'onde guidée par le commutateur. [0013] La très faible longueur électrique du circuit de commutation au regard de la longueur d'onde guidée par le commutateur permet là aussi un très faible coefficient de réflexion. [0014] Selon un mode de réalisation, chaque circuit de commutation est constitué par l'un parmi un commutateur unique, un ensemble de commutateurs disposés en parallèle, un ensemble de commutateurs disposés en série, un ensemble de commutateurs disposés en dérivation sur la masse, une combinaison des cas précédents. 3 [0015] Selon un mode de réalisation, les circuits de commutation sont identiques sur chacune des branches conductrices hi. [0016] Selon un mode de réalisation, les circuits de commutation sont différents sur au moins deux branches conductrices Ili. [0017] Selon un mode de réalisation, chaque commutateur est l'un parmi un commutateur microélectromécanique (MEMS), un matériau à changement de phase, une diode, un transistor, un relais, un commutateur ferroélectrique, un commutateur ferromagnétique, un commutateur électromécanique, un commutateur à guide d'ondes et un commutateur à hase de ferrite. [0018] Selon un mode de réalisation, le commutateur de puissance comprend en outre un moyen de commande des circuits de commutation configure pour commander l'une parmi l'ouverture et la fermeture des circuits de commutation soit de manière simultanée, soit de manière séquentielle. [0019] Le moyen de commande peut ainsi par exemple être une source de tension commandant les circuits de commutation en ouverture ou en fermeture, la source de tension pouvant être externe ou interne au commutateur de puissance. [0020] Selon un mode de réalisation, chacune de la ligne d'entrée, de la ligne de sortie et de la portion de ligne d'entrée et de la portion de ligne de sortie de chaque branche hi est constituée par l'une parmi un guide d'ondes 3D, une ligne coplanaire, une ligne micro-ruban, une ligne triplaque et un guide coaxial. [0021] Les branches bi au sein d'un commutateur de puissance peuvent être de longueurs identiques ou de longueurs différentes, sans s'écarter du cadre de la présente invention. [0022] L'invention a également pour objet un dispositif commutateur de puissance ca- ractérisé par le fait qu'il comprend une ligne d'entrée d'impédance caractéristique Z1, une ligne de sortie d'impédance caractéristique Z1, et une zone de commutation connectée en série entre la ligne d'entrée et la ligne de sortie, la zone de commutation étant constituée par N branches conductrices Bi en parallèle, avec N un entier supérieur ou égal à 2 et i appartenant à 11, NI, chaque branche conductrice Bi ayant, de la ligne d'entrée à la ligne de sortie du dispositif commutateur, une portion de ligne d'entrée d'impédance caractéristique ZAei en série avec un commutateur de puissance Ci tel que défini ci-dessus en série avec une portion de ligne de sortie d'impédance caractéristique ZAsi, le commutateur de puissance Ci étant configuré, dans un premier état ouvert, pour bloquer le passage d'un signal entre la portion de ligne d'entrée et la portion de ligne de sortie de la branche conductrice Bi et, dans un second état, pour transmettre un signal entre la portion de ligne d'entrée et la portion de ligne de sortie de la branche conductrice Bi avec un coefficient de réflexion inférieur ou égal à 0,316, chacune des impédances caractéristiques ZAei et ZAsi étant comprise entre 0.75*N*Z1 et 1,35*N*Z1. [0023] Cette topologie peut intégrer un commutateur de type unipolaire à une direction (SPST acronyme dc Single Pole Single Throw), unipolaire à deux directions (SPDT acronyme de l'anglais Single Pole Double Throw), unipolaire à N directions (SPNT acronyme de l'anglais Single Pole N Throws), un circuit, par exemple un filtre, un déphaseur, un adaptateur d'impédances, un atténuateur variable. [0024] Pour mieux illustrer l'objet de la présente invention, nous allons en décrire ci-après, à titre illustratif et dc manière non limitative, des modes de réalisation en liaison aux dessins annexés. [0025] Sur ces dessins : [0026] [fig.1] est une vue schématique d'un commutateur dc puissance selon la présente invention ; [0027] [fig.2a] est une vue schématique d'un commutateur de puissance selon la Figure 1 avec des circuits de commutation selon une première variante de l'invention ; [0028] [fig.2b] est une vue schématique d'un commutateur dc puissance selon la Figure 1 avec des circuits de commutation selon une deuxième variante de l'invention ; [0029] [fig.2c] est une vue schématique d'un commutateur de puissance selon la Figure 1 avec des circuits de commutation selon une troisième variante de l'invention ; [0030] [fig.2d] est une vue schématique d'un commutateur dc puissance selon la Figure 1 avec des circuits de commutation selon une quatrième variante de l'invention ; [0031] [fig.3] est une vue schématique d'un dispositif commutateur de puissance selon la présente invention ; [0032] Si l'on se réfère à la Figure 1, on peut voir que l'on a représenté un commutateur de puissance C selon la présente invention. [0033] Le commutateur de puissance C comprend une ligne d'entrée 1, une ligne de sortie 2, et une zone de commutation 3 en série entre la ligne d'entrée 1 et la ligne de sortie 2. [0034] La zone de commutation 3 est constituée dans l'exemple représenté de quatre branches conductrices, respectivement bl, b2, b3 et b4. L'invention n'est toutefois pas limitée à cet égard et la zone de commutation peut avoir tout nombre de branches conductrices. Dans ce qui suit, afin de donner un exemple, on donnera un nombre de branches conductrices égal à quatre à titre d'illustration uniquement. [0035] Chaque branche conductrice comprend une portion de ligne d'entrée, respectivement bel, be2, be3 et be4, une portion de ligne de sortie, respectivement bsl, bs2, bs3 et bs4, et un circuit de commutation, respectivement cl, c2, c3 et c4, entre la portion de ligne d'entrée et la portion de ligne de sortie respective, représentés ici par un commutateur disposé en série. [0036] Les circuits de commutation peuvent être tous identiques ou différents, et peuvent être choisis parmi commutateur microélectromécanique (MEMS), un matériau à changement de phase, une diode, un transistor, un relais, un commutateur ferro- électrique et un commutateur ferromagnétique, un commutateur électromécanique, un commutateur à guide d'ondes et un commutateur à base de ferrite, l'invention n'étant pas limitée à cet égard. [0037] Selon l'invention, l'impédance caractéristique ZO de la ligne d'entrée 1, l'impédance caractéristique ZO de la ligne de sortie 2, l'impédance caractéristique Zbei de la portion de ligne d'entrée bel de chaque branche conductrice hi (i appartenant à l'ensemble {1, ..., 4} dans le cas de la Figure 1), l'impédance caractéristique Zhsi de la portion de ligne de sortie bsi de chaque branche conductrice hi (i appartenant à l'ensemble {1, ..., 4} dans le cas de la Figure 1) vérifient les relations suivantes avec N=4 : [0038] 0,75*WZ0 REVENDICATIONS[Revendication I] - Commutateur de puissance (C) comprenant une ligne d'entrée d'impédance caractéristique ZO, une ligne de sortie d'impédance caractéristique ZO, et une zone de commutation connectée en série entre la ligne d'entrée et la ligne de sortie, la zone de commutation étant constituée par N branches conductrices bi en parallèle, avec N un entier supérieur ou égal à 2 et i appartenant à f I, ..., N), chaque branche conductrice bi ayant, de la ligne d'entrée à la ligne de sortie du commutateur, une portion de ligne d'entrée d'impédance caractéristique Zbei en série avec un circuit de commutation ci en série avec une portion de ligne de sortie d'impédance caractéristique Zbsi, caractérisé par le fait que le circuit de commutation ci est configure', dans un premier état, pour bloquer le passage d'un signal entre la portion de ligne d'entrée et la portion de ligne de sortie de la branche conductrice bi et, dans un second état, pour transmettre un signal entre la portion de ligne d'entrée et la portion de ligne de sortie de la branche conductrice bi avec un coefficient de réflexion inférieur ou égal à 0,316, chacune des impédances caractéristiques Zbei et Zbsi étant comprise entre 0,75*N*Z0 et 1,35*N*Z0. [Revendication 2] - Commutateur de puissance (Ç) selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chaque circuit de commutation ci de la branche conductrice bi possède une impédance caractéristique Zci comprise entre 0,5*N*Z0 et 1,5*N*ZO. [Revendication 3] - Commutateur de puissance (C) selon la revendication 1 ou la reven- dication 2, caractérisé par le fait que chaque circuit de commutation ci a une longueur électrique inférieure au dixième de la longueur d'onde guidée par le commutateur. [Revendication 4] - Commutateur de puissance (C) selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chaque circuit de commutation est constitué par l'un parmi un commutateur unique, un ensemble de commutateurs disposés en parallèle, un ensemble de commutateurs disposés en série, un ensemble de commutateurs disposés en dérivation sur la masse, une combinaison des cas précédents. [Revendication 5] - Commutateur de puissance (C) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les circuits de commutation sont identiques sur chacune des branches conductrices hi. [Revendication 6] - Commutateur de puissance (C) selon l'une des revendications 1 à 4, 10 [Revendication 7] [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] caractérisé par le fait que les circuits de commutation sont différents sur au moins deux branches conductrices hi. - Commutateur de puissance (C) selon la revendication 4, caractérisé par le fait que chaque commutateur est l'un parmi un commutateur microélectromécanique (MEMS), un matériau à changement de phase, une diode, un transistor, un relais, un commutateur ferroélectrique, un commutateur ferromagnétique, un commutateurs électromécanique, un commutateur à guide d'ondes et un commutateur à base de ferrite. - Commutateur de puissance (C) selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un moyen de commande des circuits de commutation configure pour commander l'une parmi l'ouverture et la fermeture des circuits de commutation soit de manière simultanée, soit de manière séquentielle. - Commutateur de puissance (C) selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que chacune de la ligne d'entrée, de la ligne de sortie et de la portion de ligne d'entrée et de la portion de ligne de sortie de chaque branche hi est constituée par l'une parmi un guide d'ondes 3D, une ligne coplanaire une ligne micro-ruban, une ligne triplaquc et un guide coaxial. - Dispositif commutateur de puissance caractérisé par le fait qu'il comprend une ligne d'entrée d'impédance caractéristique ZI, une ligne de sortie d'impédance caractéristique Z1, et une zone de commutation connectée en série entre la ligne d'entrée et la ligne de sortie, la zone de commutation étant constituée par N branches conductrices Bi en parallèle, avec N un entier supérieur ou égal à 2 et i appartenant à NI, chaque branche conductrice Bi ayant, de la ligne d'entrée à la ligne de sortie du dispositif commutateur, une portion de ligne d'entrée d'impédance caractéristique ZAei en série avec un commutateur de puissance (Ci) selon l'une des revendications 1 à 9 en série avec une portion de ligne de sortie d'impédance caractéristique ZAsi, le commutateur de puissance (Ci) étant configuré, dans un premier état ouvert, pour bloquer le passage d'un signal entre la portion de ligne d'entrée et la portion de ligne de sortie de la branche conductrice Bi et, dans un second état, pour transmettre un signal entre la portion de ligne d'entrée et la portion de ligne de sortie de la branche conductrice Bi avec un coefficient de réflexion inférieur ou égal à 0,316, chacune des impédances caractéristiques ZAei et ZAsi étant comprise entre 0,75*N*Z1 et 1.35*N*ZI. 11