Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
20~6344
Coupleur hybride hyperfréquence à 3xN entrées
et 3xM sorties, notqmment coupleur 3x3
La présente invention concerne les coupleurs hybrides pour
5 hyperfréquences.
Le plus souvent, ces coupleurs sont des composants à quatre
accès ou ports, à savoir deux entrées et deux sorties, dans lesquels
un signal appliqué sur l'une des entrées voit sa puissance divisée
par deux et restituée aux deux sorties, l'entrée non alimentée étant
10 isolée. Sur les deux sorties, les vecteurs représentatifs des tensions
complexes sont orthogonaux, c'est-a-dire que les tensions complexes,
qui sont de même amplitude, se présentent en quadrature ou en
opposition quant à leur relation de phase.
Dans de nombreuses applications, comme par exemple les ré-
15 seaux de formation de faisceaux multiples d'antennes ou les amplifi-
cateurs à accès multiples, il est souhaitable de disposer de coupleurs
hybrides, qui, tout en conservant les propriétés ci-dessus d'isolation
entre les entrées et d'orthogonalité des vecteurs tensions complexes
en sortie, possèdent un nombre d'entrées et de sorties supérieur à
20 deux.
Les matrices de Butler et les coupleurs dits généralisés sont des
exemples de tels coupleurs à accès multiples.
Ces coupleurs à accès multiples sont généralement constitués de
coupleurs hybrides élémentaires à quatre accès combinés entre eux
25 par des lignes de tr~n~mi~sion. Par principe, ils ont un nombre
d'entrées et un nombre de sorties qui sont toujours des puissances
de deux, et comportent en outre des lignes de tr~n~mi~sion qui se
croisent, ce qui en complique la fabrication.
Pour étendre les possibilités de combinaison, il serait souhaitable
30 de disposer de coupleurs compacts à trois entrées et trois sorties, à
entrées adaptées et isolées, chacune de ces entrées pouvant fournir
aux trois sorties une distribution uniforme de puissance orthogonale
à celle des deux autrcs.
l~e tcls composants pcrn-cttraicl-t d'ctcndrc l~ r~alisatioll dcs
35 coupleurs généralisés en simplifiant grandement la réalisation de
~i
20S6344
_
matrices dont le nombre d'entrées ou de sorties serait un multiple de
trois, par exemple des matrices carrées 3x3, 6x6, 9x9, etc. ou rectan-
gulaires 3x6, 6x3, 3x9, etc.
L'objet de la présente invention est de proposer un tel coupleur
hyperfréquence à trois entrées isolées et adaptées produisant cha-
cune aux trois sorties une distribution uniforme en amplitude et
orthogonale à celles correspondant aux autres entrées, ainsi que des
coupleurs généralisés lltili~nt de tels coupleurs 3x3 élémentaires.
Le seul coupleur 3x3 présentant ces propriétés qui ait été proposé
dans la littérature est un composant dccrit dans un article de J. P.
~helton ct K ~S. Kellcher intitl~le M llti~ m.~ fr ~m r,in(~r
Arrays, paru dans les IRE Transc~ctions on Antennas and Propaga-
tion de mars 1961, pages 154 à 161, notamment l'annexe I, pages
158 a 160, intitulee Six-~'ort Junclion fc)r Multiple-l~e~d Arrays.
16 Ce coupleur, qui est illustré schématiquement figure 1, comporte
trois entrées, 1, 3 et 5 et trois sorties 2, 4 et 6 reliées essentiellement
par les éléments référencés 20, à savoir trois lignes de transmission
21 disposées symétriquement et reliées transversalement par deux
séries de traverses 22, 23; cette configuration réalise, dans la zone
comprise entre les éléments 21, 22 et 23 des régions de couplage car-
rées réalisant la répartition de puissance entre les trois lignes 21.
Pour que les phases des signaux sur les trois sorties 2, 4 et 6 soient
uniformément déphasées entre elles de 120, on introduit un circuit
déphaseur 24 dans l'une des lignes. Ce circuit 24, qui rajoute un
déphasage de 120 permet ainsi d'obtenir la relation de phase re-
cherchée entre les sorties.
Ce type de coupleur, qui en pratique n'a guère fait l'objet de réa-
lisations effectives, présente un certain nombre d'inconvénients,
notamment un encombrement excessif et des difficultés de fabrica-
tion en raison du dimensionnement délicat des différents éléments
(sur lequel l'article précité ne donne aucune indication), avec un coût
corrélativement élevé.
En outre, un tel coupleur, du fait de sa configuration tridimen-
sionnelle, impose le recours à une technologie en ligne coaxiale ou en
guide d'onde, ce qui limite ses possibilités d'utilisation, ou impose un
~ `
- -- 2~5634~
interracagc avec dcs ligncs rcalis~c6 dans unc autre technologic,
accroissant ainsi la dirrlcultc de réalisation et de mise au point.
La présente invention se propose de remédier à ces inconvé-
nients, en proposant un coupleur 3x3 du type précité mais réalisé
5 suivant une configuration essentiellement plane, se prêtant donc à
une réalisation dans des technologies très variées telles qu'en ligne
microruban, ligne triplaque, ligne coaxiale carrée, en technologie
dite bar-line, etc.
A cet effet, le coupleur de l'invention, qui est du type coupleur
10 hyperfréquence hybride à six accès comprenant trois entrées et trois
sorties isolées et adaptées, où un signal appliqué à l'une quelconque
de ces entrées produit aux trois sorties des signaux distribués ortho-
gonalement en phase et uniformément en amplitude, est caractérisé
par un configuration plane de lignes de transmission comprenant:
15 une couronne interne formée de trois segments semblables, les
points de jonction de ces segments constituant trois premiers accès,
entrées ou sorties, du coupleur; une couronne externe formée de
trois segments semblables, les points de jonction de ces segments
constituant trois seconds accès, respectivement sorties ou entrées,
20 du coupleur; et trois branches radiales, reliant entre eux les points
de jonction des segments de la couronne interne aux points de jonc-
tion homologues de ]a couronne externe.
De préférence, selon l'im7ention, A étant la longueur
d'onde guidée, les valeurs des longueurs étant considérées modulo
25 et Zo étant l'impédance caractéristique des lignes d'entrée et de sor-
tie, les segments de la couronne interne sont de longueur ~/3 et
d'impédance caractéristique Zo, les segments de la couronne externe
sont de longueur ~3 ou 4~J3 et d'impédance caractéristique Zo et les
branches radiales sont de longueur ~ et d'impédance caractéristi-
30 que Zo.
De préférence, selon l'illvention, avec les mE~s conv~-
tions, les segments de la couronne interne sont de longueur ~J3 etd'impédance caractéristique Zo/2, les segments de la couronne ex-
terne sont de longueur ~3 et d'impédance caractéristique Zo/2 et les
35 branches radiales sont de longueur 5~/12 et d'impédance caractéris-
- r
4 205634~
tique Zo.
De ~r~e, i~ t êtL~ tre ~évu, pour élar~
bande passante du coupleur, des branches radiales additionnelles
reliant la couronne interne à la couronne externe en des points de
5 celles-ci situés dans des régions intermédiaires entre lesdits points
de jonction respectifs.
L'invention couvre également les coupleurs hyperfréquence hy-
brides généralisés à 3xN entrées et 3xM sorties isolées et adaptées,
N et M étant des entiers naturels, où un signal appliqué à l'une
10 quelconque des 3xN entrées produit une distribution uniforme de
signaux aux 3xM sorties, dans lesquels, N et M étant supérieurs à 1,
le coupleur généralisé est formé par combinaison d'une pluralité de
coupleurs élémentaires 3x3 du type indiqué plus haut ainsi que,
éventuellement, de coupleurs 2x2 de type classique.
o
D'autre caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront
à la lecture de la description détaillée ci-dessous, faite en référence
20 aux dessins annexés.
La figure 1, précitée, montre schématiquement un coupleur 3x3
de l'art antérieur.
La figure 2 montre le coupleur 3x3 de l'invention, vu en plan.
Les figures 3 et 4 sont des vues en coupe du coupleur de la figure
26 2, réalisé respectivement en ligne microruban et en ligne triplaque.
La figure 5 est une vue en plan homologue de la figure 2, pour
une variante de réalisation plus particulièrement adaptée à une réa-
lisation en ligne microruban.
La figure 6 montre un exemple de coupleur 9x9 réalisé par combi-
30 naison d'une pluralité de coupleurs 3x3 selon l'invention.
La figure 7 est une variante de la figure 6, dans lequel le cou-
plage des dif~érentes entrées et sorties des coupleurs élémentaires a
été réalisé sans croisement de lignes.
La figure 8 est un exemple de coupleur 6x6 réalisé par combinai-
35 son de coupleurs 3x3 selon l'invention et de coupleurs 2x2 de type
~ 5 20~6344
classlque.
A titre limin~ire, on indiquera que, sur toutes les figures, les
références 1 à 18 désignent les différents accès du coupleur de façon
entièrement indépendante des divers modes de réalisation; par
convention, les nombres pairs dcsignent les entrécs et les nombres
impairs, les sorties.
En revanche, les autres références numériques désignent, d'une
figure à l'autre, des éléments fonctionnellement semblables.
Sur la figure 2, on a représenté schématiquement, en plan, le
coupleur 30 selon l'invention. Celui-ci comporte essentiellement
trois branches radiales 31 équiangulairement disposées, reliant les
entrées 1, 3 ou 5 aux sorties homologues 2, 4 ou 6, respectivement,
du coupleur. Par ailleurs, les entrées 1, 3 et 5 sont reliées entre elles
par une couronne interne formée de trois segments semblables 32,
tandis que les sorties 2, 4 et 6 sont reliées entre elles par une cou-
ronne externe formée de trois segments semblables 33. Pour élargir
la bande passante du coupleur, il est en outre possible d'ajouter des
branches radiales additionnelles 31' reliant la couronne interne à la
couronne externe en des points de celles-ci situés dans des régions
intermédiaires entre les points de jonction respectifs.
Avec une telle configuration, un signal hyperfréquence appliqué
à l'une quelconque des entrées 1, 3 ou 5 est restitué aux trois sorties
2, 4 et 6 avec des amplitudes nominalement égales. Deux des phases
de sortie sont égales, la troisième étant nominalement à 120 par
rapport aux deux autres. Les deux autres entrées non utilisées sont
nominalcmcnt d6couplccs. Du poinl dc vuc dcs impcdanccs, I'cnscm-
ble du composant est nominalement adapté.
Du fait de sa configuration essentiellement plane, ce composant
peut être réalisé dans des technologies très variées, par exemple en
- ligne microruban, en ligne triplaque, en ligne coaxiale de section cir-
culaire, rectangulaire ou carrée, en ligne coaxiale carrée, en techno-
36 logie dite bar-l~ne, etc.
205634~
On a ainsi représenté, en coupe, sur la figure 3 une réalisation en
ligne microruban, avec une métallisation 34 déposée sur un substrat
35 ou, sur la figure 4, une réalisation en ligne triplaque avec un
conducteur central 36 disposé entre deux plans de masse 37 et 38.
En ce qui concerne le dimensionnement et la détermination des
impédances caractéristiques des différents segments de lignes du
dispositif, on proposcra dcux confi~ rations typiqucs.
Dans la première réalisation, correspondant à la géométrie de la
figure 2, tous les segments 31, 32 ou 33 ont la même impédance
caractéristique Zo que les lignes d'entrée et de sortie. Les segments
radiaux 31 ont une longueur égale à ~112, les segments 32 ont une
longueur ~J3 et les segments 33, une longueur 3~J4. Bien entendu,
toutes ces dimensions sont données modulo ~.
Dans une seconde réalisation, correspondant à l'illustration de la
figure 5, les segments radiaux 31 ont une impédance caractéristique
Zo égale à celle des lignes d'entrée et de sortie, tandis que les seg-
ments 32 et 33 des couronnes interne et externe ont une impédance
caractéristique égale à Zo/2. La longueur des segments radiaux 31
est de 5~112 et celle des segments 32 et 33 des couronnes interne et
externe, de ~/3. On notera que, pour les segments 33 de la couronne
externe, il peut être avantageux, comme illustré sur la figure 5,
d'allonger ceux-ci d'une ou plusieurs longueurs d'onde afln d'éviter
un couplage entre les couronnes interne et externe, notamment dans
le cas d'une réalisation en ligne microruban (avec une configuration
de type coaxiale carrée ou bar-line, cette contrainte est absente, du
fait que les lignes sont fermées et découplées).
Les figures 6 à 8 illustrent des réalisations de coupleurs générali-
sés présentant un nombre d'entrées et de sorties supérieur à trois,
obtenus par combinaison de coupleurs 3x3 du type que l'on vient de
décrire (figure 4). La manière de combiner entre eux des coupleurs
est en elle-même bien connue de la technique, et exposée en détail
par exemple dans l'article de Shelton et Kelleher mentionné plus
haut. On ne décrira donc ces coupleurs généralisés que de façon très
succinte.
Ainsi, sur la figure 6, on a décrit un coupleur 9x9, avec dix-huit
~ _ 7 20S6344
accès référencés 1 à 18, réalisé par combinaison de six coupleurs élé-
mentaires 3x3, référencés 30.
Si l'on veut éviter le croisement des lignes reliant entre elles les
entrées et les sorties des divers coupleurs élémentaires 30, on peut
choisir la configuration illustrée figure 7, qui se prête particulière-
ment bien à une réalisation entièrement plane (par exemple en ligne
microruban): pour éviter le croisement des lignes, on y prévoit deux
coupleurs 3x3 supplémentaires 30' et 30" placés dos à dos, de sorte
que le signal appliqué à l'accès 1' se retrouve sur l'accès 1", celui
appliqué à l'accès 3', sur l'accès 3", etc., et vice versa.
Avec une telle configuration de coupleur généralisé selon la
figure 6 ou 7, un signal appliqué à l'une quelconque des entrées
(c'est-à-dire à l'un quelconque des accès de rang impair) se retrouve
identiquement sur toutes les sorties (c'est-à-dire sur tous les accès
de rang pair) et vice versa.
Sur la figure 8, on a illustré un coupleur 6x6 réalisé en combi-
nant deux coupleurs élémentaires 3x3 selon l'invention, référencés
30, avec trois coupleurs élémentaires 2x2 de type classique, référen-
cés 40; ces derniers permettent de combiner deux par deux les dif~é-
rentes entrées 1 et 3, 5 et 7, 9 et 11, respectivement, les signaux
obtenus étant ensuite appliqués aux entrées respectives des deux
coupleurs 3x3 pour être restitués aux six sorties 2, 4, 6, 8, 10 et 12.
Il est clair que d'autres configurations comportant un nombre
plus important d'accès (coupleurs 6x12, 9x18, 27x27, etc.) sont réali-
sables par diverses combinaisons de coupleurs 2x2, 3x3 et 4x4, com-
me cela est exposé dans l'article précité de Shelton et Kelleher.
Parmi les diverses applications envisageables pour de tels cou-
pleurs élémentaires ou généralisés, on peut citer:
--les réseaux de formation de faisceaux pour antennes multi-
faisceaux contourées ou non, pour satellites de télécommuni-
cations ou d'observation, ou pour radars;
--les réseaux de formation de faisceaux d'écartométrie pour
antennes de satellites, pour stations terriennes mobiles ou
non, ou pour radars;
--les systèmes à redondances multiplcs, par exemple pour les
` ~ 8 205~344
antennes de télémétrie/télécommande à plusieurs éléments
(typiquement trois ou quatre) pouvant être reliés à plusieurs
blocs émetteurs/récepteurs par les coupleurs de l'invention;
--les systèmes amplificateurs à accès multiples, permettant de
répartir la puissance d'émission sur plusieurs amplificateurs
et de la distribuer efficacement et avec une certaine souplesse
à plusieurs sorties ou faisceaux d'antennes;
--ainsi que, plus généralement, tous les circuits de distribution
hyperfréquence, notamment (mais sans caractère limitatif),
pour les applications spatiales.
