MATCHING AND ISOLATUNG ARRANGEMENT WITH FERRITE CIRCULATOR

Abstract: 1. A matching and isolating device for coupling a circuit to be matched (1) to a connection point (A), the device comprising a ferrite circulator having three branches (41, 42, 43) made of a metal plate comprising a resonator disk, the three branches being disposed there around at a mutual angular distance of 120 degrees, the first branch being connected to this connection point (A), the second branch to a biassing resistor (R), the third branch to the circuit to be matched, characterized in that said metal plate is disposed inside a structure constituted by two ground planes situated on either side of the plate, that the lengths of the first and of the second branches (41, 42) are substantially equal to a quarter wavelength in the circulator at a mean frequency, and that this length is substantially greater than that of the third branch (43) which is shown only by way of indication for purposes of connection to the circuit to be matched, and that the circulator is selected in such a way that the real part of the impedance of its third branch is equal to the real part of the impedance of the circuit to be matched and that the Q factors of said impedances are the same.

Description: Dispositif d'adaptation et d'isolement comportant un circulateur à ferrites. La présente invention se rapporte à un dispositif d'adaptation et dtisole- ment, comportant un circulateur à ferrites, pour coupler un circuit à adapter à un point de branchement, le circuit à adapter étant assimilable, du point de vue de son impédance, à un circuit résonnant série. Les dispositifs d'adaptation à large bande pour circuits micro-ondes sont basés sur l'utilisation de résonateurs qui permettent, dans le cas où le circuit à adapter n'est pas assimilable à un circuit résonnant parallèle, de réaliser l'impédance conjuguée de celle du circuit à adapter afin d'obtenir une large bande de fréquences de fonctionnement. De plus il est connu d'utiliser un circulateur entre le circuit micro-ondes avec son dispositif d'adaptation et l'accès considéré, dans le but de réaliser une isolation ou d'améliorer le rapport d'ondes stationnaires (R.O.S.). La liaison entre le circulateur et le circuit microondes à adapter se fait, de manière classique, par un passage à une impédance caractéristique normalisée (50 ohms par exemple) ; ceci entraîne la nécessité de deux dispositifs d'adaptation, un pour le circulateur et un pour le circuit à adapter, et, par conséquent, une réduction de la bande passante. La présente invention a pour but d'éviter ces inconvénients dus à l'emploi des deux dispositifs d'adaptation. Ceci est obtenu en réalisant le dispositif d'adaptation du circuit à adapter à partir du cicculateur à ferrites. Selon l'invention un dispositif d'adaptation et d'isolement pour coupler un circuit à adapter à un point de branchement, le circuit à adapter étant assimilable, du point de vue de son impédance, à un circuit résonnant série, le dispositif comportant un circuit d'adaptation du circuit à adapter, du type circuit résonnant parallèle, couplé au circuit à adapter et un circulateur à ferrites ayant un premier accès couplé au point de branchement et un second accès couplé au circuit à adapter, est caractérisé en ce que le circulateur comportant un circuit d'aiguillage dont les impédances des accès sont assimilables à celles de circuits résonnants parallèles, le circulateur constitue, par lui-même, le circuit d'adaptation. Dans un domaine voisin, il est à noter que la demande de brevet allemand DE-A-3 034 034 décrit un isolateur comportant un circulateur. Dans cet isolateur, afin d'adapter au mieux celle des trois entrées du circulateur proprement dit (correspondant à la fonction d'aiguillage) sur laquelle une charge dissipative est couplée, l'élément de couplage choisi est un circuit oscillant série dont l'impédance ajoutée à celle de la charge dissipative est aussi proche que possible de l'impédance conjuguée du circulateur; ce circuit oscillant série remplace le transformateur d'impédance, de type B/4, qui est habituellement employé pour effectuer l'adaptation et qui fait habituellement partie du circulateur. Ceci n'a donc qu'un lointain rapport avec l'invention qui, elle, conduit, non pas à remplacer un transformateur d'impédance de type X/4 (qui fait partie du circulateur) par un circuit oscillant série (ajouté au circulateur), mais à supprimer le circuit d'adaptation du type circuit résonnant parallèle, habituellement employé pour coupler un circuit à adapter à un circulateur; le circuit à adapter est ainsi branché directement sur le circulateur sans élément en remplacement du circuit d'adaptation. La présente invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des figures s'y rapportant qui représentent: - les figures 1 et 4 des impédances représentatives de circuits, - les figures 2 et 3 des montages relatifs respectivement à l'art antérieur et à l'invention, - les figures 5 et 6 des vues montrant un circulateur à ferrites utilisé dans le montage selon la figure 3. Sur les différentes figures les éléments correspondants portent les mêmes repères. Dans ce qui suit il va être question d'un circuit à adapter; il s'agira d'un circuit micro-ondes du genre amplificateur, filtre, mélangeur ...etc. Sur la figure 1 est représentée schématiquement l'impédance d'un circuit à adapter dans le cas le plus général, c'est-à-dire dans le cas où cette impédance est assimilable à celle d'un circuit résonnant série RtIrC1. Si la fréquence centrale de travail, F0, du circuit à adapter est différente de sa fréquence de résonance, une impédance est ajoutée en série avec le circuit à adapter pour rendre ces deux fréquences égales; dans le cas de la figure 1 cette impédance est obtenue par une inductance L'1. Dans ce qui suit et dans les revendications cette impédance, à ajouter éventuellement, sera considérée comme faisant partie du circuit à adapter et ce dernier sera considéré comme un circuit résonnant série formé des éléments Rl-Ll-Cl avec L1 = L + L'l; et la pulsation 2w0, correspon dant à la fréquence centrale de travail, est telle que: Ll.Cl. al w = 1. q L'impédance, à la pulsation w, du circuit à adapter de la figure 1 est: Zl=Rl+j(Ll.w - Cl.w ) (1) et son coefficient de surtension EMI3.1 Lorsqu'un circuit à adapter, du type de celui dont il a été question ci-avant, doit être couplé à un point de branchement à travers un circuit d'isolement, il est connu d'utiliser pour cela un circulateur à ferrites dans un montage représenté schématiquement sur la figure 2. La figure 2 représente un circuit à adapter, 1, qui est relié à un point de branchement, A, par un circuit d'adaptation, 10, suivi d'un circulateur, 20 à 23. Le circuit d'adaptation, 10, est constitué, de façon classique, à l'aide d'un ou de plusieurs circuits résonnants parallèles; les éléments de ce circuit 10 sont choisis de telle sorte qu'il présente une impédance d'entrée purement ohmique et de valeur Zc donnée dans toute la bande de fréquences de travail, lorsque sa sortie est reliée à l'entrée du circuit à adapter. Le circulateur, bien que constitué d'un seul élément, a été représenté par quatre blocs de manière à distinguer entre ses différentes fonctions : un bloc, 20, appelé circuit d'aiguillage qui concerne la fonction "circulateur" proprement dite et trois blocs, 21 à 23, appelés transformateurs d'impédance, branchés sur chacun des trois accès du circuit d'aiguillage 20 pour ramener à la valeur Zc, ci-avant mentionnée, les impédances des trois accès du circulateur. La fonction "circulateur" représentée par le bloc 20, permet d'isoler le circuit à adapter 1 d'un autre circuit à adapter branché en aval du point A, de manière à améliorer le rapport d'ondes stationnaires au point A. Les transformateurs d'impédance, 21 à 23, ont, comme le circuit d'adaptation 10, un rôle d'adaptation d'impédance mais, au contraire du circuit 10, ils ne nécessitent pas de résonateurs pour jouer ce rôle étant donné que, comme il sera indiqué plus loin, un circulateur présente à ses accès des impédances du type de celles des circuits résonnants parallèles; les transformateurs d'impédance 21 à 23 sont, le plus généralement, constitués par des transformateurs quart d'onde. Le transformateur d'impédance 21 est relié au point A, le transformateur d'impédance 22 est relié à la première extrémité d'une résistance R dont la seconde extrémité est à la masse; quant au transformateur d'impédance 23 il est couplé au circuit à adapter 1 par le circuit d'adaptation 10. La figure 3 montre comment, dans le cadre de l'invention, est modifié le montage selon la figure 2. Le montage selon la figure 3 se distingue du montage selon la figure 2 par le fait que le transformateur d'impédance 23 et le circuit d'adaptation 10 ont été supprimés et remplacés, selon les cas, soit par une liaison directe, soit par un simple transformateur d'impédance 3 ne comportant pas d'élément résonnant parallèle; cette alternative est figurée par un dessin du pourtour du bloc 3 en traits interrompus. Un tel montage, par la suppression du transformateur d'impédance 23 et du circuit d'adaptation 10 et donc de son résonateur, a une bande passante plus large que le montage selon la figure 2; de plus, du fait de la diminution du nombre des éléments, le montage selon la figure 3 présente moins de pertes que le montage suivant la figure 2. Dans la suite de la description il va être montré pourquoi le montage selon la figure 3 est possible. Pour un circulateur à ferrites il est connu (voir en particulier l'article: Operation of the ferrite junction circulator, paru dans IEEE Transactions on microwave theory and techniques, de janvier 1965, pages 15 à 27), et les mesurespermettent de le vérifier, que les impédances des accès sont assimilables à celles de circuits résonnants parallèles. La figure 4 représente un circuit résonnant parallèle, formé d'une résistance R2 en parallèle sur une inductance L2 et un condensateur C2. Cette figure est la représentation schématique de l'impédance d'un accès d'un circulateur à ferrites dont l'impédance, à la pulsation w est: EMI4.1 Le coefficient de surtension du circuit résonnant selon la figure 4 est: Q2 = R2.C2. w O (4) o où 13 w est la pulsation de résonance du circulateur et est telle que L2.C2. w o Quand un circulateur est utilisé dans un montage, comme dispositif d'isolement pour un circuit micro-ondes, sa fréquence de résonance est choisie, pour des raisons de largeur de bande de fréquences de fonctionnement, égale ou du moins aussi proche que possible de la fréquence centrale de travail et donc de la fréquence de résonance du circuit micro 2 ondes; c'est pourquoi dans la forme L1.C1. #o2 =1 relative au circuit à 2 adapter de la figure 1 et dans la formule L2.C2. w = 1, la pulsation de o r,çre no les ns les 4#'ix cas. représentée par w Pour que le circuit résonnant parallèle selon la figure 4 puisse constituer un circuit d'adaptation pour le circuit résonnant série selon la figure 1, c'est-à-dire pour que le schéma de la figure 2 puisse être remplacé par le schéma de la figure 3 avec une liaison sans transformateur d'impédance entre les circuits 20 et 1, il faut que l'impédance Z2 du circuit résonnant parallèle soit égale au conjugué de l'impédance ZI, c'est-à-dire que EMI5.1 en remplaçant, dans cette équation, Cl et L2 par leurs valeurs tirées des formules Ll.Cl.w 2=1 et L2.C2. w 2 = o o il vient, en faisant l'égalité entre les parties réelles d'une part et les parties imaginaires d'autre part EMI5.2 pour w = w O la relation (5) entraîne: R1 = R2 pour w différent de #o la relation (6) entraîne: EMI5.3 w ce qui donne en multipliant par o : w EMI5.4 ce qui peut s'écrire, compte tenu des formules (2) et (4) Q1 =Q2 Connaissant les valeurs de RI et de Q1, à la pulsation de résonance wO, d'un circuit à adapter, il est toujours possible de réaliser un circulateur dont la pulsation de résonance, le coefficient de surtension et l'impédance à la résonance sont respectivement égaux, ou du moins proches, de wo, ## Q1 et R1. Ainsi il est possible de réaliser l'adaptation optimale en large bande entre le circulateur et le circuit micro-ondes. Il est à noter que si la résistance R2 du circulateur est nettement différente de la résistance RI du circuit à adapter, il est possible d'effectuer une adaptation par un transformateur d'impédance, sans élément résonnant parallèle, monté comme le transformateur d'impédance 3 de la figure 3. L'ensemble constitué par le transformateur d'impédance 3 associé au circuit à adapter, 1, a toujours la même pulsation de résonance w O que le circuit à adapter 1 et sa résistance est déterminée pour être égale à R2; par ailleurs son coefficient de surtension à la pulsation w o n'est plus égal à Q1 mais est modifié par le transformateur d'impédance, 3, il faut donc que le circulateur ait été choisi de telle sorte que son coefficient de surtension à la résonance, Q2, soit aussi proche que possible du coefficient de surtension de l'ensemble "circuit 1 et transformateur 3'. Un exemple de réalisation d'un circulateur destiné à un montage selon la figure 3, avec liaison directe, sans le transformateur 3, entre le circuit à adapter I et le circuit d'aiguillage 20, va être décrit ci-après à l'aide des figures 5 et 6. Le circuit à adapter était un circuit utilisant un transistor à effet de champ à l'arséniure de gallium, travaillant dans la gamme de fréquences 3,6 - 4,2 GHz et présentant les caractéristiques ciaprès: - fréquence de résonance : F0 = 3,9 GHz - coefficient de surtension : QI = 3,15 - impédance à la résonance : R1 = 15 ohms Le but de l'adaptation de ce circuit était l'obtention du minimum de facteur de bruit du transistor à effet de champ. Le circulateur réalisé (figures 5 et 6) possède les caractéristiques suivantes: - fréquence de résonance : F0 = 3,9 GHz - coefficient de surtension :42 = 2,12 - impédance à la résonance: R2 = 15 ohms. Il est à remarquer que le circulateur selon les figures 5 et 6 ne satisfait pas parfaitement la condition Q2 = Q1 ; toutefois les mesures ont montré que, dans la gamme des fréquences de travail (3,6 - 4,2 GHz), l'écart entre l'impédance optimale qui permet d'obtenir le minimum de facteur de bruit et l'impédance réalisée par le circulateur, reste faible et que le facteur de bruit obtenu est pratiquement minimum. La figure 5 montre, en traits interrompus, le pourtour C de l'ensemble constitué par le boîtier du circulateur et le boîtier du circuit à adapter qui sont accolés. Sur la figure 5 n'ont été représentés qu'une pièce 4 située au milieu du circulateur, deux fiches de raccordement du résonateur, 31, 32, et le transistor à effet de champ, 11, du circuit à adapter 1 de la figure 3. La pièce 4 constitue la partie conducteur intérieure ou ruban (strip dans la littérature anglo-saxonne) d'une structure de type guide d'ondes triplaque, c'est-à-dire d'une structure formée de deux plans de masse parallèles et d'un ruban disposé parallèlement aux deux plans de masse et entre eux. Ces deux plans de masse apparaissent sur la figure 6 où ils portent les repères 61 et 62. La pièce 4 est constituée d'une plaque métallique en laiton argenté de 1,2 mm d'épaisseur comportant un disque résonateur 40, de 14 mm de diamètre, percé d'un trou de centrage, 44; autour de ce disque sont disposées trois branches, 41, 42, 43, à 120O les unes des autres. Les branches 41 et 42, de longueur nettement supérieure à la branche 43, sont soudées au conducteur intérieur des fiches coaxiales, 31, 32. Ces fiches, d'impédance caractéristique égale à 50 ohms, permettent le raccordement au point A et à la résistance R (figure 3); leur conducteur extérieur relié au boîtier du circulateur, n'a pas été représenté sur la figure 5. La branche 43, qui n'est en fait là qu'à titre de repèrage pour le branchement, est soudée sur l'extrémité de la connexion de grille, C, du transistor à effet de champ, 11, du circuit à adapter ; la longueur de la connexion de grille du transistor 11, c'est-à-dire la longueur de la connexion entre le boîtier du transistor et le disque 40, détermine l'inductance L'1 dont il a été question lors de la description de la figure 1 par souci de simplification et parce que cela n'apporterait rien à la compréhension de l'invention, les éléments connectés au drain, D, du transistor 11 n'ont pas été représentés; quant à la source du transistor 11, elle comporte deux connexions de sorties, SI et S2, qui sont toutes les deux soudées sur le boîtier du circuit à adapter. Il est à noter que, dans la réalisation décrite, la polarisation de la grille du transistor 11 se fait par l'intermédiaire du circulateur ; en effet la résistance R qui, par souci de simplification, est branchée, sur la figure 3, directement entre le circulateur et la masse est, en réalité, reliée par sa première extrémité au circulateur (transformateur 22 comportant la branche 42) et par sa seconde extrémité à un circuit de découplage; ce circuit de découplage se comporte comme un court-circuit aux fréquences de travail du circuit à adapter et comme une impédance infinie pour la tension continue de polarisation ; cette tension de polarisation est appliquée sur la seconde extrémité de la résistance R. Le circuit de découplage peut être réalisé de manière classique par des lignes quart d'onde ouvertes qui ramènent un court-circuit et/ou par un condensateur. Dans la figure 3 il a été question des transformateurs d'impédance 21 et 22 et du circuit d'aiguillage 20 qui constituaient le circulateur. Sur la figure 4 le disque résonateur 40 et les branches 41 et 42 correspondent respectivement au circuit d'aiguillage 20 et aux transformateurs d'impédance 21 et 22; ces transformateurs d'impédance sont du type transformateurs quart d'onde, c'est-à-dire que la longueur des branches est sensiblement égale au quart de la longueur, dans le circulateur, de l'onde à la fréquence moyenne de 3,9 GHz. En fait les blocs 20, 21 et 22 de la figure 3 sont plus exactement à identifier avec l'association des éléments 40, 41, 42 et des éléments entre lesquels ils se trouvent insérés dans le circulateur et qui vont être décrits à l'aide de la figure 6. La figure 6 est une vue en coupe, selon l'axe XX (figure 5) du circulateur. Cette vue montre que, de part et d'autre du ruban 4, sont disposées deux structures symétriques par rapport au ruban et qui comportent, à partir du ruban: - un disque de ferrite 51, 52 dont le diamètre est sensiblement égal au diamètre du disque résonateur 40 (figure 5) et une pièce en silice, 53, 54, qui recouvre presque toute la partie du ruban 4 extérieure au disque 40 (figure 5); les pièces 51 à 54 ont une épaisseur de 2,1 mm; le disque de ferrite 51, 52 est percé d'un trou en son centre, - un flasque en aluminium,61, 62, constituant l'un des plans de masse mentionnés plus avant et qui comporte, dans sa face opposée au ruban 4, un creux en forme de cuvette circulaire disposée en regard des disques de ferrite 51, 52 - dans le creux en forme de cuvette: une lame d'air 71, 72, une rondelle en acier doux de 0,5 mm d'épaisseur, 81, 82, et un aimant permanent, 91, 92, de 1,5 mm d'épaisseur; le circuit magnétique formé avec les deux aimants 91, 92 fournit un champ de 400 gauss, - une barre d'un fer en U, 60 ; ce fer en U recouvre, respectivement par ses deux barres en regard, les deux aimants 91, 92 afin de refermer leurs lignes de champ ; ce fer en U est réalisé avec une bande d'acier doux de 1 mm d'épaisseur et 17 mm de largeur. Une tige cylindrique isolante,45, réalisée en nylon (marque dépo sée), traverse les trous percés dans le ruban 4 (trou 44) et dans les disques en ferrites, 51, 52, afin d'assurer le positionnement de ces pièces les unes par rapport aux autres. Une feuille d'argent très mince, non représentée sur la figure 6, est disposée entre le disque 51 et la pièce en silice 53 d'une part et le flasque 61 d'autre part, pour assurer un bon contact électrique entre ces éléments. Une autre feuille, non représentée, assure un bon contact entre le disque 52 et la pièce en silice 54 d'une part et le flasque 62 d'autre part. Le boîtier du circulateur comporte, entre les flasques 61 et 62 et le fer en U,60, une prise 31, fixée sur les flasques 61 et 62, au moyen de vis non représentées. Ce circulateur à ferrite a été fabriqué, en fonction des caractéristiques à obtenir pour réaliser l'adaptation du circuit à adapter dont il a été question ci-avant; pour cela le choix s'est porté d'abord sur un circulateur existant présentant des caractéristiques assez proches de celles à obtenir puis, après des essais successifs, le circulateur décrit à l'aide des figures 5 et 6 a été réalisé. Il est à noter que l'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit; c'est ainsi, en particulier, qu'il est possible, dans le montage selon la figure 3, de supprimer le transformateur d'impédance 22 c'est-à-dire, pratiquement la branche 42 du ruban 4 (voir figure 5), il suffit alors de donner à R la valeur présentée, à la résonance, par la sortie correspondante du résonateur. Il est également à noter que le circulateur peut être utilisé comme élément d'adaptation d'un circuit à adapter, non seulement sur l'entrée du circuit, comme dans l'exemple décrit, mais aussi sur la sortie du circuit; ainsi un même circulateur peut servir d'élément d'adaptation pour deux circuits à adapter: un premier circuit à adapter ayant sa sortie couplée à l'un des accès du circulateur et un second circuit à adapter ayant son entrée couplée à un autre ccès du circulateur.

Claims: REVENDICATIONS 1. Dispositif d'adaptation et d'isolement pour coupler un circuit à adapter (1) à un point de branchement (A), le circuit à adapter étant assimilable, du point de vue de son impédance, à un circuit résonnant série, le dispositif comportant un circuit d'adaptation (R2-L2-C2) du circuit à adapter, du type circuit résonnant parallèle, couplé au circuit à adapter et un circulateur à ferrites (20-21-22) ayant un premier accès couplé au point de branchement et un second accès couplé au circuit à adapter, caractérisé en ce que le circulateur comportant un circuit d'aiguillage dont les impédances des accès sont assimilables à celles de circuits résonnants parallèles, le circulateur constitue, par lui-même, le circuit d'adaptation. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit à adapter est directement connecté sur un accès du circuit d'aiguillage. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que, le circuit à adapter étant assimilable à un circuit résonnant série (Rl-Ll-C1) présentant une pulsation de résonance w O, une impédance Rl à la résonance et un coefficient de surtension Q1, le circulateur est choisi de telle sorte que, du point de vue de l'accès sur lequel est connecté le circuit à adapter, il soit assimilable à un circuit résonnant parallèle de pulsation w O, d'impédance R2 à la résonance et de coefficient de surtension Q2 avec R2 et Q2 sensiblement égaux respectivement à R1 et Q1.

Inventors: JUNG, FRANCOIS, MANTEAUX, JEAN-PIERRE, MODREGO-PENA, MANUEL, VAN KERREBROECK, CLAUDE, Jung, François
Applicants: ALCATEL THOMSON FAISCEAUX HERTZIENS
Application year: 1983
Main classification: H01P1
IPC codes: H03F3, H03D9, H01P5, H01P1