EP0336339B1 - Combineur à déphasage pour ondes élèctromagnétiques - Google Patents

Description

• L'invention se rapporte à un combineur à déphasage pour ondes électromagnétiques.
• Dans les combineurs à déphasage de l'art antérieur, illustrés par le document de brevet US 4,602,227 et agencés conformément au préambule de la revendication 1, 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 permittivité 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 conforme à la revendication 1.
• 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)^1/2 (avec une phase = 0)
• EB1 = c (avec une phase =π/2)
• EB2 = c e^{-(α +jβ) l} (avec une phase βl = 2π l/λ et π/2
avec

c :

coefficient de couplage en tension

l :

longueur de la boucle d'impédance Zo

α :

coefficient d'affaiblissement

β :

coefficient de propagation

λ :

longueur d'onde avec λ = Cl/f : (Cl célérité de la lumière, f fréquence d'utilisation )

   Si on considère les simplifications suivantes :

α =

0 lignes sans pertes (ou très faibles pertes)



$\text{βl = n.2. π ⇒ l=nλ}$



   En régime établi, nous obtenons :

${\text{E2 = (1-c²)}}^{\text{1/2}}\text{+ c . EB2}$



avec


et qui, reportée dans E2, fournit l'équation :


   Lorsque le coefficient de couplage est à -3dB

$$\text{c = 10⁻}\frac{\text{3 }}{\text{20}}\text{≃ 0,71}$$



nous obtenons pour expression de E2

${\text{E2 = -1 ⇒ E2 = E1.e}}^{\text{jπ}}$



   L'onde E1, après passage dans le déphaseur à boucle de l'invention, subit un déphasage de π(180°) lorsque la longueur (l) 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 εr ou la perméabilité µr du milieu support de la propagation : en effet une onde électromagnétique se propage avec une vitesse de
  
  ${\text{v = ( ε . µ )}}^{\text{1/2}}$

  

  
  $\text{avec ε = εo. εr εo = λ/(36.π.10⁹)}$

  

  
  $\text{et µ = µo. µr µo = 4. π.10⁻⁷}$

  

  
  
     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 εr ou la perméabilité µr 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, une telle cellule 14 dans laquelle 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 µr ou la permitivité εr du milieu crée la translation en fréquence de l'accès déphasé donc son accordabilité (agilité).
• La mise en cascade de n cellules 14, 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 prémière 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 E1 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 (14) formée d'un coupleur hybride d'entrée (22), à sorties déphasée de 90°, un coupleur hybride de sortie (23), à sorties déphasées de 90°, ainsi que deux déphaseurs (20,21) compris chacun entre une des deux sorties du coupleur hybride d'entrée (22) et une des deux entrées du coupler hybride de sortie (23), caractérisé en ce que chaque cellule (14) est constituée par un coupleur hybride (12) à sorties déphasées de 90°, dont une première entrée est couplée à une sortie du coupleur hybride d'entrée (22), une première sortie étant couplée à une entrée du coupleur hybride de sortie (23), sa seconde sortie étant couplée à sa seconde entrée par une ligne de transmission de boucle (13) de sorte que, à une fréquence déterminée par les caractéristiques de transmission de la ligne de transmission de boucle, le signal appliqué à ladite première entrée de la cellule (14) se retrouve sur sa première sortie, avec un déphasage commandable par action sur lesdites caractéristiques de transmission, qui peut atteindre 180°.
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 (14) 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 un déphaseur (32, 34) étant disposé 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).
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, 30) étant réalisées en INVAR.

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