EP0336339A1 - Combineur à déphasage pour ondes élèctromagnétiques - Google Patents

Combineur à déphasage pour ondes élèctromagnétiques Download PDF

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EP0336339A1
EP0336339A1 EP89105813A EP89105813A EP0336339A1 EP 0336339 A1 EP0336339 A1 EP 0336339A1 EP 89105813 A EP89105813 A EP 89105813A EP 89105813 A EP89105813 A EP 89105813A EP 0336339 A1 EP0336339 A1 EP 0336339A1
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Gilbert Prost
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Alcatel Thomson Faisceaux Hertziens SA
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/18—Phase-shifters
    • H01P1/182—Waveguide phase-shifters

Definitions

  • the invention relates to a phase shift combiner for electromagnetic waves.
  • phase-shifters are produced from line sections or from a hybrid coupler, two accesses of which are provided with short-circuited lines.
  • the object of the invention is to overcome the drawbacks highlighted above.
  • the invention proposes, for this purpose, a phase shifting combiner for electromagnetic waves, comprising at least one phase shifting cell formed by a hybrid coupler, an input transmission line, an output transmission line, and a loop transmission line connected between the first input and the first output of the coupler, the input transmission line being connected to the second input of the coupler and the output transmission line being connected to the second output of the coupler, characterized in that it comprises at least one loop combiner cell formed by a hybrid input coupler and a hybrid output coupler, at least one phase-shifting cell being disposed respectively between the first output of the coupler input and the first input of the output coupler, and between the second output of the input coupler and the second input of the output coupler.
  • the principle of the phase-shifting combiner according to the invention is simple and its implementation easy.
  • two hybrid couplers in cascade allow, at output, a recombination of the wave on the opposite access (cancellation of the waves on the second output).
  • a microwave switch can be produced by considering, as shown in FIG. 2, two phase shifters according to the invention 20 and 21 whose inputs are connected to the outputs of a first hybrid coupler 22 and whose outputs are connected to the inputs of a second hybrid coupler 23.
  • phase shifter (20, 21) The insertion between the two hybrid couplers 22, 23 of a phase shifter (20, 21) on each link provides the phase variation with two states whose bandwidth is widened by the offset of the two phase shifters 20 and 21.
  • the action on the permeability and the permeability of the medium provides the state of the outputs.
  • phase shifter 14 In which one of the two inputs or one of the two outputs is connected to a suitable termination R .
  • n cells as shown in Figure 3 for example, allows for a multiplexer with n + 1 inputs shown in Figure 5, which by applying the principle of reciprocity of any passive element is a demultiplexer with n + 1 outputs.
  • a double loop combiner with two inputs and one output such that this combiner comprises a hybrid input coupler 30 and a hybrid output coupler 31, two phase shifters according to the invention (32, 33 and 34, 35) being arranged in cascade respectively between the first output of the input coupler 30 and the first input of the output coupler 31 and between the second output of the input coupler 30 and the second output coupler input 31.
  • the two half-shells are assembled, in the plane of the figure, by screen-printed deposition of solder paste.
  • the half-shell 40 shown has bosses 41 which correspond on the other shell to tuning screws.
  • a tuning quartz blade 42, 48 On each of the loops 37, 38 is arranged a tuning quartz blade 42, 48.
  • the two loops are made of INVAR to guarantee temperature stability.
  • FIG. 8 Another possible embodiment is illustrated in FIG. 8, where, unlike FIG. 6, only one phase shifter (32, 34) according to the invention is used on each channel.
  • the signal represented in FIG. 10 is then obtained, which illustrates the recombination of the first input El towards the output S.

Landscapes

  • Waveguide Switches, Polarizers, And Phase Shifters (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

L'invention concerne un combineur à déphasage pour ondes électromagnétiques, comprenant au moins une cellule à déphasage formée d'un coupleur hybride (12), d'une ligne de transmission d'entrée (10), d'une ligne de transmission de sortie (11), et d'une ligne de transmission de boucle (13) reliée entre la première entrée et la première sortie du coupleur (12), la ligne de transmission d'entrée (10) étant reliée à la deuxième entrée du coupleur et la ligne de transmission de sortie (11) étant reliée à la deuxième sortie du coupleur.
Application notamment au domaine des télécommunications.

Description

  • L'invention se rapporte à un combineur à déphasage pour ondes électromagnétiques.
  • Dans les combineurs à déphasage de l'art antérieur, les déphaseurs sont réalisés à partir de tronçons de ligne ou à partir d'un coupleur hybride dont deux accès sont pourvus de lignes court-circuitées.
  • Les applications restent très limitées à cause des pertes ou des désadaptations qu'ils génèrent.
  • Parmi les applications qui sont couramment utilisées, on peut citer :
    • - les modulateurs à 2 ou 4 états de phase,
    • - les combineurs à déphasage,
    • - les guides à permitivité ou perméabilité variable.
  • Parmi les dispositifs de l'art antérieur, le manuel intitulé "Microwave filters, Impedance matching, Networks and Coupling structures" de MATTHAEI (Mc Graw-Hill 1964) pages 872 à 887 décrit un résonateur en anneau qui est un dispositif passif multiplicateur de puissance.
  • L'invention a pour objet de pallier les inconvénients mis en évidence précédemment.
  • L'invention propose, à cet effet, un combineur à déphasage pour ondes électromagnétiques, comprenant au moins une cellule à déphasage formée d'un coupleur hybride, d'une ligne de transmission d'entrée, d'une ligne de transmission de sortie, et d'une ligne de transmission de boucle reliée entre la première entrée et la première sortie du coupleur, la ligne de transmission d'entrée étant reliée à la deuxième entrée du coupleur et la ligne de transmission de sortie étant reliée à la deuxième sortie du coupleur, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une cellule de combineur à boucle formée d'un coupleur hybride d'entrée et un coupleur hybride de sortie, au moins une cellule à déphasage étant disposée respectivement entre la première sortie du coupleur d'entrée et la première entrée du coupleur de sortie, et entre la deuxième sortie du coupleur d'entrée et la deuxième entrée du coupleur de sortie.
  • D'une manière avantageuse, le principe du combineur à déphasage selon l'invention est simple et sa mise en oeuvre aisée.
  • Il possède la propriété d'être associable en série ou en parallèle à condition de respecter les conditions de phase de la fonction à obtenir.
  • Par ailleurs, il est accordable (agilité en fréquence) par modification de la permitivité ou de la perméabilité de son milieu (support de propagation).
  • En fonction du mode de propagation sélectionné il est à faibles pertes et n'apporte pas ou peu de R.O.S. (Rapport d'ondes stationnaires) sur les lignes lorsque ses longueurs et impédances de boucle sont optimisées et que le couplage est ajusté.
  • Ces divers avantages en font, notamment :
    • - un déphaseur adapté,
    • - un combineur réversible (simple ou multiple),
    • - un commutateur adapté.
  • Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple non limitatif, en référence aux figures annexées sur lesquelles :
    • - la figure 1 illustre schématiquement un déphaseur utilisé dans le combineur à déphasage de l'invention ;
    • - les figures 2 à 8 illustrent différentes formes de réalisation du combineur à déphasage de l'invention ;
    • - les figures 9 et 10 représentent deux courbes illustrant le fonctionnement respectif des combineurs des figures 6 et 8.
  • Le combineur à déphasage de l'invention, représenté à la figure 2, possède au moins un déphaseur selon la figure 1, ce dernier comprend :
    • - une première ligne de transmission d'entrée 10 d'impédance caractéristique Zo à une fréquence f,
    • - une seconde ligne de transmission de sortie 11 d'impédance caractéristique Zo à la fréquence f,
    • - un coupleur hybride 12,
    • - une troisième ligne de transmission de boucle 13, d'impédance caractéristique Zo à la fréquence f.
  • On peut écrire les champs électriques à l'origine :
    • - E1 = 1 (avec une phase = 0)
    • - E2 = (1-C2)½ (avec une phase = 0)
    • - EB1 = c (avec une phase = π/2)
    • - EB2 = c e-(α+jβ) (avec une phase βl = 2π l/x et ir/2 avec
    • c : coefficient de couplage en tension
    • 1 : longueur de la boucle d'impédance Zo
    • α : coefficient d'affaiblissement
    • β : coefficient de propagation
    • X : longueur d'onde avec X = CI/f (CI célérité de la lumière, f fréquence d'utilisation )
  • Si on considère les simplifications suivantes :
    • a = 0 lignes sans pertes (ou très faibles pertes)
      Figure imgb0001
      En régime établi, nous obtenons :
      Figure imgb0002
    • avec
      Figure imgb0003
      et qui, reportée dans E2, fournit l'équation :
      Figure imgb0004
      Lorsque le coefficient de couplage est à -3dB
      Figure imgb0005
      nous obtenons pour expression de E2
      Figure imgb0006
  • L'onde E1, après passage dans le déphaseur à boucle de l'invention, subit un déphasage de π(180°) lorsque la longueur (I) de la ligne résonante (boucle) est un multiple de λ (n=1, 2,..., etc).
  • Le domaine d'application du dispositif de l'invention est le suivant :
    • - Il est utilisable dans toutes les structures de propagation qui permettent la réalisation de coupleurs hybrides ou (T) associés à des lignes de transmission.
    • - Il est utilisable pour tout type d'ondes électromagnétiques Ex H.F. (High Frequency) ; U.H.F. (Ultra High frequency) ; VHF (Very High Frequency) ; Optique cohérente.
    • - Il est utilisable avec tous supports de propagation pour ondes électromagnétiques (lignes de transmission) Ex : coaxial ; micro-ruban ("microstrip"); triplaque ; guide d'onde ; fibre optique...
  • Dans des variantes de réalisation on considère :
    • - n faible" avec c égal ou non à -3dB on obtient alors un déphaseur non sélectif quelconque
    • - n élevé avec c égal ou non à -3dB on obtient alors un déphaseur sélectif.

    pour l'accordabilité du déphaseur selon l'invention on peut jouer sur la permitivité relative er ou la perméabilité u. r du milieu support de la propagation : en effet une onde électromagnétique se propage avec une vitesse de
    Figure imgb0007
    Figure imgb0008
    Figure imgb0009
  • Si l'on considère à présent le cas des hyperfréquences, suivant l'expression des phases, deux coupleurs hybrides en cascade permettent, en sortie, une recombinaison de l'onde sur l'accès opposé (annulation des ondes sur la deuxième sortie).
  • Un principe équivalent met en évidence les recombinaisons avec des "T magiques".
  • L'utilisation de déphaseurs à boucle selon l'invention offre la possibilité d'agir sur la phase de l'une ou des deux entrées en conservant au système les propriétés recherchées ; c'est-à-dire :
    • - faibles pertes en transmission,
    • - bon R.O.S. aux accès,
    • - bon découplage entre accès.
  • Ainsi avec une valeur de n faible on peut réaliser un commutateur hyperfréquence en considérant, comme représenté sur la figure 2, deux déphaseurs selon l'invention 20 et 21 dont les entrées sont reliées aux sorties d'un premier coupleur hybride 22 et dont les sorties sont reliées aux entrées d'un second coupleur hybride 23.
  • L'insertion entre les deux coupleurs hybrides 22, 23 d'un déphaseur (20, 21) sur chaque liaison fournit la variation de phase à deux états dont la bande passante est élargie par le décalage des deux déphaseurs 20 et 21.
  • L'action sur la permitivité er ou la perméabilité ur du milieu fournit l'état des sorties.
  • Pour réaliser un combineur à boucles avec une valeur de n élevée on utilise, comme représenté sur les figures 3 et 4, un tel déphaseur 14 dans lequel l'une des deux entrées ou l'une des deux sorties est reliée à une terminaison adaptée R.
  • La sélectivité est ici la fonction recherchée (application aux branchements).
  • Sa définition autorise la sommation (2 entrées-1 sortie) ou différenciation (1 entrée-2 sorties).
  • Ici la variation sur la perméabilité ur ou la permitivité er du milieu crée la translation en fréquence de l'accès déphasé donc son accordabilité (agilité).
  • La mise en cascade de n cellules, comme représentées à la figure 3 par exemple, permet de réaliser un multiplexeur à n + 1 entrées représenté à la figure 5, qui par application du principe de la réciprocité de tout élément passif est un démultiplexeur à n + 1 sorties.
  • Toute autre disposition par interpénétration des boucles est aussi concevable.
  • Dans un exemple de réalisation, représenté à la figure 6, on obtient un combineur à double boucle, à deux entrées et à une sortie tel que ce combineur comprend un coupleur hybride d'entrée 30 et un coupleur hybride de sortie 31, deux déphaseurs selon l'invention (32, 33 et 34, 35) étant disposés en cascade respectivement entre la première sortie du coupleur d'entrée 30 et la première entrée du coupleur de sortie 31 et entre la deuxième sortie du coupleur d'entrée 30 et la deuxième entrée du coupleur de sortie 31.
  • L'ensemble 36 des deux déphaseurs 32 et 34 peut être réalisé dans un même boîtier représenté à la figure 7 qui comprend :
    • - deux demi-coquilles métalliques obtenues par fraisage, munies à l'extérieur d'un radiateur, dont l'une d'elles 40 est représentée sur la figure,
    • - une première boucle 37 en INVAR,
    • - une seconde boucle 38 en INVAR.
  • L'assemblage des deux demi-coquilles se fait, dans le plan de la figure par dépôt sérigraphié de pâte à souder.
  • La demi-coquille 40 représentée comporte des bossages 41 qui correspondent sur l'autre coquille à des vis d'accord..Sur chacune des boucles 37, 38 est disposée une lame de quartz d'accord 42, 48.
  • Les.deux boucles sont réalisées en INVAR pour garantir la stabilité en température.
  • Avec les dimensions suivantes pour un boîtier :
    • - longueur du boîtier 11 = 500 millimètres
    • - largeur du boîtier 12 = 250 millimètres
    • - longueur de la première boucle 37 = 400 millimètres
    • - longueur de la seconde boucle 38 = 390 millimètres

    on obtient les performances suivantes pour le combineur à double boucle à deux entrées et à une sortie de la figure 8 :
    • - une bande de fréquence de 5,85 à 6,425 MHz.
    • - R.O.S. aux accès < 1,2
    • - Pertes entre la première entrée E1 et la sortie S < 0,2dB dans ± 18MHz
    • - Pertes entre la seconde entrée E2 et la sortie S < 0,2dB
    • - Découplage entre les deux entrées E1 et E2 > 20dB
  • La courbe représentée sur la figure 9 illustre la recombinaison de la deuxième entrée E2 vers la sortie S.
  • Il serait tout aussi possible de réaliser l'ensemble des deux parties 36 et 39 et même l'ensemble du combineur à double boucle de la figure 6 dans un boîtier à deux demi-coquilles tel que celui représenté à la figure 7.
  • Une autre réalisation possible est illustrée à la figure 8, où à la différence de la figure 6 on n'utilise plus sur chaque voie qu'un seul déphaseur (32, 34) selon l'invention.
  • On obtient alors le signal représenté à la figure 10, qui illustre la recombinaison de la première entrée El vers la sortie S.
  • Il est bien entendu que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et que l'on pourra remplacer ses éléments constitutifs par des éléments équivalents sans, pour autant, sortir du cadre de l'invention.

Claims (6)

1/ Combineur à déphasage pour ondes électromagnétiques, comprenant au moins une cellule à déphasage formée d'un coupleur hybride (12), d'une ligne de transmission d'entrée (10), d'une ligne de transmission de sortie (11), et d'une ligne de transmission de boucle (13) reliée entre la première entrée et la première sortie du coupleur (12), la ligne de transmission d'entrée (10) étant reliée à la deuxième entrée du coupleur et la ligne de transmission de sortie (11) étant reliée à la deuxième sortie du coupleur, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une cellule de combineur à boucle formée d'un coupleur hybride d'entrée (22) et un coupleur hybride de sortie (23), au moins une cellule à déphasage (20, 21 )étant disposée respectivement entre la première sortie du coupleur d'entrée et la première entrée du coupleur de sortie, et entre la deuxième sortie du coupleur d'entrée et la deuxième entrée du coupleur de sortie.
2/ Combineur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il a l'une de ses entrées ou l'une de ses sorties reliée à une charge adaptée (R).
3/ Combineur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs cellules de combineur à boucle disposées en cascade.
4/ Combineur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un coupleur hybride d'entrée (30) et un coupleur hybride de sortie (31) dont l'une des sorties est reliée à une charge adaptée, au moins une cellule à déphasage (32, 34) étant disposée respectivement entre la première sortie du coupleur d'entrée et la première entrée du coupleur de sortie, et entre la deuxième sortie du coupleur d'entrée et la deuxième entrée du coupleur de sortie.
5/ Combineur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend un boîtier formé de deux demi-coquilles métalliques auquel sont couplées deux boucles (37, 38).
6/ Combineur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les deux demi-coquilles sont assemblées par dépôt sérigraphie de pâte à souder, les deux boucles (37, 38) étant réalisées en INVAR.
EP89105813A 1988-04-06 1989-04-03 Combineur à déphasage pour ondes élèctromagnétiques Expired - Lifetime EP0336339B1 (fr)

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FR8804542 1988-04-06
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EP0336339A1 true EP0336339A1 (fr) 1989-10-11
EP0336339B1 EP0336339B1 (fr) 1993-12-15

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EP (1) EP0336339B1 (fr)
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