Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
~3~?~3é;~
L'invention concerne les dispositis pour
sommer ou combiner N signaux hyperfréquence équiphase et
équiamplitude qui proviennent de N amplificateurs de
puissance ou voies; elle concerne également ces mêmes
dispositifs dans lesquels un signal hyperfréquence est
distribué ou divisé de manière identique sur N canaux ou
voies~
Un but de la présente invention est de
réaliser un combineur/diviseur multivoie du type radial qui
présente un découplage amélioré de manière à supporter un
nombre accru de coupleurs non alimentés sans risque de
dégradation des amplificateurs associés aux coupleurs
alimentés.
Plus spécifiquement, l'invention se rapporte
à un combineur/diviseur multivoie du type radial pour
signaux hyperfréquence de longueur d'onde b qui comprend un
ensemble formé de:
une paire de disques metalliques de forme
circulaire ou polygonale, superposés de façon à définir une
cavité fermée d'épaisseur ~, la cavité présentant une
ouverture centrale circulaire qui recoit une ligne coaxiale,
et N voies de transmission radiales communiquant avec
l'ouverture centrale;
une couronne péripherique fixée aux disques
inférieur et supérleur, sur laquelle sont connectés N lignes
coaxiales et N coupleurs correspondants, disposés
régulièrement sur la couronne,
caracterise en ce que chaque voie de transmission comporte
une échine radiale qui s'étend de l'ouverture centrale vers
le coupleur correspondant pour concentrer le champ
électrique, ainsi qu'une paire de fentes radiales disposees
de part et d'autre du coupleur correspondant.
Selon des modes de réalisation préférés:
.-. ~
- les fentes radiales ont une longueur qui est un multiple
entier de b/4 et comportent à chaque distance b/4 une
résistance d'absorption;
le coupleur est réalisé à l'aide d'une palette qui a la
forme d'un secteur annulaire et qui est surmonté d'une
échine radiale dont la hauteur peut être variable;
- lorsque les fentes radiales ne s'étendent pas jusqu'au
centre, le disque supérieur présente des fentes radiales qui
prolongent celles du disque inférieur;
- il est prévu des moyens d'absorption de l'énergie
hyperfréquence qui est rayonnée par les fentes radiales.
Bien entendu, les rôles des disques inférieur
et supérieur peuvent être intervertis. En outre, les
échines radiales peuvent être disposées sur chaque disque à
condition qu'elles ne soient pas en contact.
D'autres caractéristiques et avantages de la
presente invention apparaitront à la lecture de la
description suivante, ladite description étant faite en
relation avec les dessins joints dans lesquels:
- la figure 1 est un combineur/diviseur
multivoie du type coupleurs en cascade selon l'art
antérieur,
- la figure 2 est un combineur/diviseur
multivoie du type chandelier selon l'art antérieur,
- la figure 3 est un combineur/diviseur
multivoie du type radial en technologie microstrip selon
l'art antérieur,
- les figures 4 et 5 sont des vues de dessus
et en coupe d'un combineur/diviseur multivoie en mode radial
selon l'art antérieur,
- les figures 6 et 7 sont respectivement des
vues de dessus et en coupe d'un combineur/diviseur multivoie
selon la présente invention,
~ 2~
la figure 8 est une vue de dessus d'ur
coupleur et d'une échine selon l'invention, et
- la figure 9 est une vue en coupe selon la
ligne IX-IX de la figure 8.
Les derniers etAges de puissance des émetteurs
hyperfréquence, notamment ceux utilisés dans les radars,
sont de plus en plus réalisés à l'aide de dispositifs à
semiconducteurs. Comme la puissance fournie par les
semiconducteurs n'atteint pas encore celle des tubes, il est
prévu de combiner les signaux de sortie de plusieurs voies
identiques pour obtenir par addition la puissance requise.
Cette combinaison ou s~mmation peut être réalisée de
différences manières.
L'une de ces manières consiste à utiliser une
structure du type coupleurs en cascade comme le montre la
figure 1. Cette structure comprend par exemple un nombre k
de coupleurs diviseurs Dk à Dl disposés en série qui
divisent la puissance d'entree Pe dans les rapports 1/k et
k/k+l de manière à aiguiller un signal de puissance Pe/k+l
vers un amplificateur Ak de gain G et un signal de puissance
kPe/k+l vers l'entrée du coupleur suivant. Les signaux
amplifiés sont recombinés à l'aide de k coupleurs combineurs
ou additior~neurs Cl à Ck qui ont les mêmes rapports définis
ci-dessus pour les coupleurs diviseurs Dl à Dk de manière à
additionner les signaux qui sont appliqués à leurs deux
entrées.
Une telle structure permet d'utiliser des
amplificateurs de puissance A0 à Ak à semiconducteurs dont
les signaux de sortie sont combinés dans les coupleurs Ck à
Cl de sorte que la puissance Pe du signal à l'entrée de la
structure est multipliée par un gain G.
Cette structure présente l'inconvénient majeur
de présenter des pertes d'insertion importantes de sorte que
~ 3~ 2.~
son efficacité diminue rapidement avec le nombre de voies
d'amplification utilisées. En outre, il est nécessaire
d'obtenir des valeurs de couplage très précises, d'autant
plus précises que le nombre de voies est élevé.
Une autre structure qui est utilisée est celle
du type chandelier telle que celle montrée schématiquement
par la figure 2. Sur cette figure, on n'a représenté que la
partie correspondant à la combinaison ou l'addition des
signaux de sortie de N=8 (N=2n) amplificateurs Al à AN mais
on comprend que les signaux d'entrée de ces amplificateurs
sont obtenus par un réseau diviseur du tvpe chandelier. Les
N signaux de sortie des amplificateurs Al à AN sont
appliqués deux à deux à N/2=4 combineurs à deux voies B1 à
B4 qui sont connus sous le nom de combineurs du type
"Wilkinson deux voies". A leur tour, les N/2=4 signaux
résultant de la combinaison sont appliqués à N/4=2
combineurs B5 et B6 et ainsi de suite jusqu'à ne plus avoir
qu'une seule sortie, celle du combineur B7 quand N=8.
Une telle structure permet d'obtenir un bon
découplage entre les différentes voies mais les pertes
d'insertion sont proportionnelles au nombre d'éléments mis
en série. Une troisième structure utilisée pour réaliser un
combineur/diviseur est celle du type radial mettant en
oeuvre une technologie dite à ruban ou microstrip. Elle est
constituée, comme le montre la figure 3, qui est une vue de
dessus, d'un substrat l de forme circulaire en un materiau
diélectrique qui est métallisé sur la face inferieure. La
face supérieure du substrat 1 est divisée en N=12 secteurs
métalliques correspondant chacun à une ligne radiale Sl à SN
qui se termine par une ligne microstrip Ll à LN reliée
respectivement à une borne Dl à DN. Le centre des secteurs
radiaux est couple à une ligne coaxiale non représentée.
Des résistances Rl à RN sont connectées entre les
2 J ";l
différentes voies pour absorber les différences d'énergie
entre les voies en cas de dissymétries qui pourraient
appara~tre entre les voies.
Cette structure a une grande efficacité, de
l'ordre de 95%, mais elle ne peut convenir que pour des
puissances relativement faibles de 1'ordre de cinquante
watts en valeur moyenne et un à deux kilowatts en valeur
crête au ce~tre.
Enfin, pour des puissances plus importantes en
valeur crête, de l'ordre de plusieurs kilowatts, on utilise
une structure de type radial mais dans laquelle la
propagation des ondes a lieu suivant une mode radial. Comme
le montrent les figures 4 et 5, qui sont, la première une
vue de dessus partiellement ouverte et la deuxième une vue
en coupe diamétrale suivant la ligne V.V de la figure 4, la
structure comprend deux disques parallèles 10 et 11 qui
définissent entre eux un espace circulaire 12 se terminant
à la périphérie des disques par une paroi 13. Cette paroi
13 supporte N=16 sorties coaxiales 14 qui sont connectées
chacune à un coupleur 15 disposé à la periphérie interne de
l'espace circulaire 12. Le disque supérieur ne comporte pas
d'ouverture, mais le disque inférieur 10 est ouvert en son
centre pour mettre en place un coupleur 16 dont la partie
centrale 17 a une forme évasee à partir d'un barreau
cylindrique 18 et dont la partie latérale 19 est de forme
cylindrique à section circulaire, l'ensemble barreau-
cylindre realisant une ligne coaxiale.
En mode diviseur, les signaux pénètrent au
centre du disque et l'effet de la partie évasee 17, appelée
suivant le terme anglo-saxon "door knob", est de modifier
progressivement la distribution du champ électrique pour
qu'il se propage entre les deux disques 10 et 11. La
densité du champ électrique diminue au fur et à mesure que
l'on s'éloigne du centre et il en résulte une division par
N lorsqu'il est recueilli par N coupleurs 15.
Inversement, en mode combineur dans lequel des
signaux sont appliques aux coupleurs 15, les champs
électriques ainsi que les courants radiaux associés sont de
plus en plus intenses en direction de la partie centrale et
il en résulte une addition des signaux appliqués à condition
que ces derniers soient de même phase et de même amplitude.
Un tel dispositif de ce type est par exemple
décrit dans l'article de Bobby J. Sanders paru dans la revue
Microwaves de novembre 1980 pp 55-58 et intitulé "Radial
Combiner Runs Circles Around Hybrids".
Ce type de structure a une très bonne
efficacité et permet de combiner de nombreuses voies, N=llO
dans l'article précité, ainsi que d'obtenir des puissances
crête de l'ordre de quelques kilowatts. Cependant, le
principal inconvénient est que le découplage entre les voies
est donné par lOlog VN, soit -13db pour N=20, de sorte que,
en mode combineur, l'onde de retour recu par un coupleur 15,
lorsque plusieurs coupleurs ne sont pas alimentés peut être
tr~s élevé et occasionner des dégradations des
amplificateurs en fonctionnement.
Tel que mentionné prédécemment, un but de la
présente invention est de réaliser un combineur/diviseur
multivoie du type radial qui présente un découplage améliore
de manière à supporter un nombre accru de coupleurs non
alimentés sans risque de dégradation des amplificateurs
associés aux coupleurs alimentés.
Le combineur/diviseur multivoie selon
l'invention sera décrit en relation avec les figures 6 à 9.
Il comprend,
comme dans la structure de l'art antérieur des figures 4
et 5, deux disques metalliques de forme circulaire, l'un
inferieur 20 et l'autre supérieur 21, qui sont séparés
l'un de l'autre par une distance e imposee par la
hauteur d'une paroi périphérique ou couronne 22. Cette
paroi 22, qui repose sur le disque inférieur 20, est
métallique et de forme circulaire ou polygonale. Cette
paroi sert de support du côté extérieur, à des
connecteurs coaxiaux 41 au nombre de N=16 uniformément
répartis sur le pourtour et sur lesquels viennent
s'enficher des câbles coaxiaux non représentés sur la
figure. Du côte intérieur, c'est-à-dire dans l'espace
annulaire 23 entre les deux disques 20 et 21, chaque
conducteur central des connecteurs coaxiaux 41 est fixé
à chacun des N=16 coupleurs 24 qui seront décrits plus
en détail en relation avec les figures 8 et 9. La paroi
22 sert de support et de fixation aux deux disques 20 et
21 par l'intermédiaire de percages, de trous taraudés et
de vis associes qui n'ont pas été représentés.
Le disque supérieur 21 est plein mais peut comporter des
ouvertures radiales comme cela sera expliqué ci-après.
Le disque inf~rieur 20 présente une ouverture centrale
circulaire 25 au milieu de laquelle est disposée une
tige cylindrique 26 d'un élément 27 en forme de soupape,
soupape dont la tête 30 vient en contact avec le disque
supérieur 21 et y est fixé par tous moyens connus. Au
bord 28 de l'ouverture circulaire 25 est fixé un manchon
ou fût cylindrique 29 qui coopère avec la tige 26 pour
former une ligne coaxiale. Par ailleurs, la tête 30 de
l'élement 27 et notamment la partie evasée, coopère avec
l'espace annulaire 23 pour réaliser un couplage
electromagnétique entre la ligne coaxiale et ledit
espace 23. Le couplage est obtenu par une modification
progressive de l'orientation du champ électri~ue comme
~ ~ L h é ~ ~ 3 ~
le montrent les fl~ches 31 représentant le sens dudit
champ.
Selon l'invention, il est proposé de séparer les
coupleurs 24 les uns des autres par des fentes radiales
43 qui s'étendent non seulement sur la longueur radiale
des coupleurs 24 mais qui se prolon~ent vers le centre
jusqu'a une certaine distance du bord circulaire 28. La
longueur et la largeur des fentes doivent être
compatibles avec une bonne tenue mécanique non seulement
du disque inférieur 20, mais aussi de l'ensem~le puisque
ce dernier supporte le reste de la structure.
En outre, du point de vue électromagnétique, les fentes
radiales ont une longueur égale à 3b/4 si b est la
longueur d'onde des ondes electromagnétiques. Ces N= 16
fentes définissent entre elles N voies en parallele qui
se comportent comme des lignes à ruban ou microstrip.
Pour absorber les dissymetries entre les voies, des
résistances 32 sont disposées à une distance b/4 de
chaque extrémité des fentes radiales et sont donc
séparées entre elles de b/4 dans le cas d'une fente de
longueur 3b/4.
Selon l'invention, il est également proposé de placer
une echine métallique radiale 33 au centre de chaque
voie, cette échine s'étendant du coupleur 24 vers le
centre. Cette échine 33 a tendance à concentrer le champ
électrique au niveau de chaque voie.
Les figures 8 et 9 correspondent à un exemple
particulier de réalisation d'une échine 33 associée à un
coupleur 24. En coupe verticale (figure 9), l'échine 33
présente à partir du centre une arête inclinée 34 qui se
continue vers la périphérie par une arête horizontale 35
dont la hauteur h est inf~rieure à la distance e entre
les deux disques 20 et 21. Les échines 33, dont
l'épaisseur est de quelques millimètres, sont fixées sur
le disque inférieur 20 par un syst~me de trous taraudés
36 coopérant avec des vis et des orifices du disque
inferieur 20 (non représentes).
Chaque échine 33 vient en contact mécanique et
électrique avec un coupleur associé 24 qui est constitué
par une palette metallique 37. Cette palette 37 a, en
coupe radiale, la forme générale de la lettre L dont une
branche 38 repose et est fixée sur le disque inférieur
20 et dont l'autre branche 42 est reliée électxiquement
au conducteur central du connecteur coaxial 41. Le
dessus de chaque palette 37 est surmonté d'une échine 38
qui est disposée radialement dans le prolongement de
l'échine 33. En coupe verticale, cette échine présente
une arête inclinée 39 dont la crête 40 surplombe
l'échine 33 et dont la hauteur s'amenuise dans la
direction de la couronne 22.
Le couplage électromagnétique entre chaque borne
coaxiale 41 et la palette associée est réalisé par tous
moyens connus et notamment en connectant l'âme 44 de la
ligne coaxiale 41 à la palette (orifice 45) de manière à
réaliser une ligne triplaque court-circuitée à b/4
(longueur radiale de la palette)
Le couplage électromagn~tique entre chaque palette 37 et
la voie associée est obtenu par une transformation de
type "Balun" entre une ligne symétrique coaxiale et une
ligne dissymétrique en mode TEM radial.
Vue de dessus (figure 8), la palette a la forme d'un
secteur circulaire qui a une longueur radiale de b/4 et
une largeur angulaire légèrement inférieure à
30 360/N=225 si N=16.
Dans l'e~emple particulier de réalisation qui vient
d'être décrit en relation avec les figures 6 ~ 9, les
fentes radiales s'étendent entre la couronne et
l'ouverture centrale du disque inférieur 20. Dans
~312~3~
certaines applications dans lesquelles le rayon des
disques est sup~rieur à 3b/4, il peut être preférable,
notamment pour des raisons de tenue mécanique, de ne pas
augmenter la longueur radiale de ces fentes en laissant,
au niveau de l'ouverture centrale une zone sans fentes.
~ans ce cas, il est proposé de réaliser des fentes
radiales sur le disque supérieur au voisinage de la tête
de l'élement 27. Ces nouvelles fentes radiales sont
situées dans des plans verticaux qui contiennent
également les fentes radiales du disque inférieur de
manière à constituer le prolongement de ces dernières
avec ou sans recouvrement.
Par suite de la présence des fentes radiales, une partie
de l'énergie électromagnétique est rayonnée en cas de
dissymétries. Aussi, il est proposé, d'absorber ce
rayonnement en disposant des materiaux absorbants au
voisinage des fentes à l'extérieur de l'espace 23.
Les dispositifs réalises selon l'invention permettent
d'obtenir un découplage de -20 décibels entre voies pour
N=20 à comparer avec -13 décibels dans les dispositifs
de l'art antérieur pour le même nombre de voies.
L'invention a été décrite en relation avec un exemple
particulier de realisation mais elle peut être mise en
oeuvre de manière plus générale. Ainsi, les rôles des
disques inférieur et supérieur peuvent être intervertis
tout en obtenant les r~sultats de l'invention.
Egalement, les fentes radiales peuvent avoir des
longueurs autres que 3b/4, par exemple b/4, b/2 ou un
autre multiple entier de b/4. Avec ces nouvelles
longueurs de fentes, les résistances sont placées à des
distances b/4 l'une de l'autre le long de chaque fente.
En outre, les échines peuvent être disposées sur chaque
disque à condition de ne pas être en contact électrique
entre elles.
1 3 ~ 2 , ~J ~
Enfin, dans l'exemple particulier décrit ci-dessus, les
fentes peuvent etre réalisées sur le disque supérieur au
lieu de l'être sur le disque inférieur.
