EP0013222A1 - Déphaseur hyperfréquence à diodes et antenne à balayage électronique comportant un tel déphaseur - Google Patents

Déphaseur hyperfréquence à diodes et antenne à balayage électronique comportant un tel déphaseur Download PDF

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EP0013222A1
EP0013222A1 EP79401032A EP79401032A EP0013222A1 EP 0013222 A1 EP0013222 A1 EP 0013222A1 EP 79401032 A EP79401032 A EP 79401032A EP 79401032 A EP79401032 A EP 79401032A EP 0013222 A1 EP0013222 A1 EP 0013222A1
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EP
European Patent Office
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line
phase shifter
phase
diode
ribbon
Prior art date
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EP79401032A
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German (de)
English (en)
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EP0013222B1 (fr
Inventor
Michel Baril
Vu San Hoang
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Thales SA
Thomson CSF Scpi
Original Assignee
Thomson CSF Scpi
Thomson CSF SA
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Publication date
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Publication of EP0013222A1 publication Critical patent/EP0013222A1/fr
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/18—Phase-shifters
    • H01P1/185—Phase-shifters using a diode or a gas filled discharge tube

Definitions

  • the present invention relates to a microwave phase shifter with diodes. More particularly, this phase shifter can be produced in a flat structure on a substrate of high dielectric constant and is capable of giving four phase states.
  • phase shifter there are different kinds of diode phase shifter, using those of the PIN type, such as disturbance phase shifters which are characterized by high power handling and wide bandwidth and line section phase shifters, such as the switching phase shifter, which characterized compared to the previous ones by a smaller footprint and constant losses as a function of the phase shift.
  • disturbance phase shifters which are characterized by high power handling and wide bandwidth
  • line section phase shifters such as the switching phase shifter
  • phase shifters of the prior art involving propagation line lengths, therefore have phase shift, loss and TOS characteristics varying as a function of frequency.
  • the object of the invention is a microwave phase shifter with PIN diodes, the structure of which makes it possible to avoid the drawbacks previously mentioned.
  • This structure combines the advantages of perburbation structures which fairly conveniently give constant phases, but at the cost of a large number of diodes, and those of line segment structures which use few diodes, but whose phase shift varies linearly in the frequency band envisaged.
  • the phase shifter is advantageously produced by the combination of two identical elementary phase shifters with diodes commonly called 0- ⁇ phase shifters, producing a structure giving four phase steps, while having only two different electrical states.
  • Such a structure gives the advantage of a simple development.
  • the phase shift of ⁇ between two positions - (O, n) and ( ⁇ , ⁇ + ⁇ ) ⁇ - is created by the field inversion obtained in the coupling zone of a line with an asymmetric field structure such as a slotted line and a line with a symmetrical field structure, such as a ribbon line or a coplanar line, also achievable in planar structure on ceramic substrate of high dielectric constant; on the other hand, the phase shift of ⁇ is obtained by changing the structure of the line ensuring the transmission of the wave.
  • the phase shifter considered comprises a first phase shifter 0- ⁇ acting in the coupling zone of two lines with different electric field structures, and a second phase shifter 0- ⁇ identical to the first, located at a determined distance first, the connection between the two phase shifters being established by two propagation lines with different electric field structures, different propagation constants and coincident or parallel propagation axes, the two lines then being located in two parallel planes and the propagation axes defining a plane orthogonal to the planes of the lines.
  • the invention proposes to produce a phase shifter giving four phase steps, also called two-bit phase shifter, with PIN diodes, using the absence of coupling which exists between two superposed parallel lines, of which one has a symmetric field structure and the other an asymmetric field structure, these two lines having parallel propagation axes belonging to the same plane orthogonal to the planes of the lines.
  • the connection between the two identical phase shifters 0-n is made by such lines, produced in planar structure on ceramic substrate, and of which another characteristic is that they have different propagation constants ⁇ 1 and ⁇ 2 , such as the difference ( ⁇ 1 - ⁇ 2 ) is constant in the selected frequency band.
  • the difference between the propagation constants can either be due to the very nature of the lines, or be obtained using high pass filters in one line and low pass filters in the other.
  • a slotted line is a propagation line consisting of an opening made in a ground plane, deposited on a dielectric substrate.
  • the dielectric support provides the mechanical strength of the metal conductors, generally produced by photoengraving or photolithography. It is a line with asymmetrical field structure.
  • the almost totality of the energy propagates in the dielectric and is concentrated between the edges of the slit.
  • the thickness of the dielectric material is linked to its nature and the width of the slotted line then determines the characteristic impedance of the line.
  • a ribbon propagation line known by the term microstrip line in the English language, comprises a dielectric plate placed between a metallic ribbon and a metallic plane, the latter called ground plane. Again, almost all of the energy is concentrated in the dielectric. It is a line with a symmetrical field structure.
  • a coplanar line is made up of a thin metal strip deposited on the surface of a dielectric 90 with two ground electrodes placed in parallel on either side of the strip. When the dielectric constant is high, most of the energy is stored in the dielectric.
  • the coplanar line is a line capable of transmitting two propagation modes represented by FIGS. 6 and 7: a mode with symmetrical field structure and a mode with asymmetric field structure.
  • the object of the invention is achieved by combining, by at least two diodes, two phase shifters with 0-n diodes as described in a patent application filed by Applicant No. 76.12999 of April 30, 1976.
  • the coupling between the line with asymmetric field structure and the line with symmetrical field structure is done at either the first phase shifter 0-n, or the second; and in these conditions the transmission of energy is done in one or the other case in a line or in the other.
  • FIG. 1 represents an example of a two-bit phase-shifter with diodes according to the invention, constituted by two 0- ⁇ microwave phase-shifters, with diodes, produced in the coupling zone of a slotted line and a ribbon line, and connected together by two lines with different electric field structure, a slotted line which extends on both sides by the slotted lines of the two phase shifters 0-n thus constituting line 3, and a ribbon line which is extended at one of its ends by the ribbon line of the second phase-shifter 0- ⁇ , thus constituting line 2.
  • the ribbon lines 1 and 2 are obtained by depositing a conductive ribbon of a certain length on a ceramic substrate 90, located above a ground plane 10.
  • the slotted line 3 is cut in this ground plane and its axis of propagation is parallel to the longitudinal axis of the ribbon lines 1 and 2, and defines with the latter a plane orthogonal to the plane of the lines.
  • the adaptation between the lines is obtained, on the one hand by the fact that the slit line 3 extends towards the ribbon line 1 with a length of X / 4, and on the other hand by a diode 9 which can be short -circuit the slotted line 3 at a distance close to X / 4 from the end of the ribbon line 2.
  • diodes At the end of the strip line 1 are placed on either side two diodes, generally of the PIN type, 4 and 5.
  • the another terminal of the diode 4 is connected to an edge 41 of the strip line 1 by a conductor 410.
  • the diodes can be fixed directly by soldering to the strip lines 1 and 2, if the dimensions thereof allow it, and connected to the quarter wave lines by a conductor.
  • a diode 8 is fixed directly by brazing to the ribbon line 2 and connected to the ribbon line 1 by a conductor 81.
  • the polarization of this diode is done by 1 ' ' through a quarter wave ribbon line 21, connected to the edge 72 of the ribbon line 2 by a conductor 212 and to the source 83 of bias voltage by a conductor 210.
  • a diode 9 is fixed by brazing under the ground plane 10 and connected by a conductor 994, to a capacitor 94, itself connected to a bias voltage source 93 by a conductor 934.
  • a coaxial jack P is generally used, the connection of which with a ribbon line is easier than with a slotted line, because of the radial arrangement of the field lines in a coaxial jack . This is why the slit line 3 is coupled at its end to a ribbon line 100, so that the energy propagating in the slit line exits through the ribbon line 100.
  • the invention makes it possible to obtain, the electrical lengths of the lines identified by ⁇ 1 and ⁇ 2 representing the zones outside the phase shifters 0-n and whose phase shift is constant.
  • the diodes 4, 5, 6, 7, 8 and 9 are mounted as indicated in the description and in Figure 1, they behave as a first approximation, according to their polarity, either as a short-circuit equivalent to a low value inductance , or as an open circuit, equivalent to a low value capacity.
  • state 0 is defined by reverse biasing the diodes 5, 6, 7, 8 and 9 and direct the diode 4.
  • the strip line 1 is connected by the conductive diode 4 to the slotted line 3, as described above.
  • the diode 8 between the two ribbon lines 1 and 2 is blocked, the energy is not transmitted in the ribbon line 2 but in the slotted line 3.
  • the electric field E o applied to the ribbon line 1, induced in the slit line 3, an electric field E 4 in a determined direction and this field is maximum, the short-circuit of the slit line being placed, as has been indicated, at a length close to a / 4 below the ribbon line.
  • the blocking of diodes 6 and 7 makes it impossible to couple the ribbon line 2 and and the slotted line 3.
  • the transmission phase is then: since the energy propagates over a length 1 of the slotted line 3, the propagation constant of which is ⁇ 2 .
  • the state ⁇ is also defined, by reverse biasing the diodes 4, 5 and 7 and direct the diodes 6, 8 and 9.
  • the first phase-shifter 0- ⁇ does not work and the diode 8 being conductive, the energy propagates from the ribbon line 1 to the ribbon line 2 to the conductive diode 6, where it is then transmitted in the slit line 3.
  • the diode 9 in conduction short-circuits the slit line 3 at ⁇ / 4 from the end of the ribbon line 2 and ensures its adaptation.
  • the electric field E 6 created in the slotted line is of the same value as E 4 , but their directions form an angle ⁇ between them.
  • the third state ⁇ works in the same way as state 0, this time with the diode 5 in conduction instead of the diode 4.
  • the electric field E 5 has a value identical to E 4 but its meaning is reversed.
  • FIG. 2 A variant of the invention is presented in FIG. 2, in which the ribbon line 2 is formed by two separate sections T 1 and T 2 ' The microwave link between these two sections is provided by a capacitor 200 of very large value. On the other hand, continuously this capacitor insulates the two sections, avoiding any parasitic propagation of the control signals of the iodines.
  • the polarization of the diode 8 takes place via an open quarter wave line 21, which on one side is connected to it by a conductor 212 and on the other is connected to the bias voltage source 83 by a conductor 210.
  • the microwave adaptation of the second section T 2 of the ribbon line 2 is ensured by an open quarter-wave line 221, placed at a distance of X / 4 from the line 2.
  • Figure 3 shows in simplified section a part of the first phase shifter of Figure 1, showing more clearly how the connections of a diode of the phase shifter are made.
  • the diode 4 for example, is on the one hand fixed by brazing to the ribbon of the quarter-wave line 44 by one of its electrodes, the same which connects it to a source of non-drawn bias voltage, and on the other hand part, connected by its other electrode to the ribbon line 1 by means of the conductor 410.
  • the quarter-wave line 44 is eliminated and the contact with the slotted line is made through the substrate 90.
  • the substrate is cut directly above the ribbon line 1.
  • a diode 4 on a base 40, by which the polarization of this diode is effected.
  • a dielectric disc 41, metallized on its two faces is brazed on the ground plane 10 and on the base of the diode.
  • the conductor 410 directly connects an electrode of the diode to an edge of the strip line 1.
  • FIG. 5 shows another example of a two-bit diode phase shifter according to the invention, constituted by two 0-n microwave microwave elements with diodes, produced in the coupling zone of a slotted line and a coplanar line, and connected between them both by a coplanar line extending at one of its ends by the coplanar line of the second phase shifter 0- ⁇ and constituting with it the line 13, and also by a slotted line divided into two parallel sections 14 and 15 located on either side of the central metal strip of the coplanar line 13.
  • the coplanar lines 12 and 13, the longitudinal axes of which coincide, are obtained by depositing a conductive tape of a certain length, lying between two ground planes 16 and 17, on a ceramic substrate.
  • the coplanar line is capable of transmitting two propagation modes, therefore it has two propagation constants: YI for the mode with symmetric field structure and Y2 for the mode with asymmetric field structure.
  • the coplanar line constituted by the central conductor 13 and the two ground planes 16 and 17, transmits the propagation mode with symmetrical field structure, it can be likened to a slotted line, constituted by the two slots 14 and 15 made between the metal conductors.
  • the adaptation between the lines is obtained by the fact that, on the one hand, the slotted line 14-15 extends towards the coplanar line 12 with a length close to X / 4 up to the conductor 30 and on the other hand, a diode 601 can short-circuit the slotted line at a distance close to X / 4 from the end of the coplanar line 13.
  • State 0 is defined by reverse biasing the diodes 201, 301, 401, 501 and 601 and direct the diode 101.
  • the coplanar line 12 is at the same potential as the ground plane 16 in the plane of the diode 101 which excites a mode with asymmetric field structure beyond this diode to the plane containing the diodes 301 and 401.
  • the transmission phase is: since the energy propagates over a length L of the line with asymmetric field structure, the propagation constant of which is ⁇ 2 .
  • the state l'mony is also defined, by reverse biasing the diodes 101, 201 and 401 and direct the diodes 301, 501 and 601. Then the first phase shifter does not work, and the diode 501 being conductive, the energy propagates from the coplanar line 12 to the coplanar line 13 to the conductive diode 601, where it is transmitted in the slotted line.
  • the transition phase is: since the energy propagates over the length L of the symmetrical field line.
  • the third state ⁇ is defined in the same way as state 0, but this time the diode 201 in conduction instead of the diode 101.
  • the coplanar line 12 is set to the potential of the ground plane 17 in the plane of the diode 201, thus exciting, beyond this plane, an asymmetrical mode in phase opposition with respect to that of the state 0.
  • the differential phase shift is:
  • the energy propagates from the coplanar line 12 to the coplanar line 13 to the plane of the diode 601.
  • the transmission phase is: and the differential phase shift with respect to state 0 is:
  • phase shifters Two embodiments of broadband two-bit diode phase shifters have thus been described, produced in a flat structure on a ceramic substrate of high dielectric constant and established in the coupling zone of two transmission lines with different electric field and axis structures. of coincident or parallel propagation, the two lines then being located in two parallel planes and the propagation axes defining a plane orthogonal to the planes of the lines.
  • These phase shifters have several advantages, in particular a small variation of the phase shift in the frequency band considered, which can have a large width.
  • the superimposition of lines with different field structures, having parallel propagation axes, makes it possible to produce phase shifters of reduced bulk.
  • the width of the strip, the width of the slot, and the thickness of the substrate are conditioned by the value of the characteristic impedance of the transmission line upstream and downstream of the plane of the diodes.
  • the line is charged by this characteristic impedance so that a maximum transmitted power is obtained with a low TOS, which may be close to 1.
  • phase shifters which are particularly reliable and have a small variation in depha wise, attenuation and the standing wave ratio in a large frequency band are advantageously used in electronically scanned antennas, being connected directly to the radiating element mainly if the latter is slotted on the substrate.
  • the radiating element mainly if the latter is slotted on the substrate.

Abstract

Déphaseur hyperfréquence à diodes (4,5,6,7,8,9) réalisé en structure plane sur substrat céramique (90), donnant plusieurs états de phase. Comporte deux déphaseurs élementaires 0-π reliés 5 par deux lignes de transmission (1,2; 3) a structures de champ électriqeu différentes. Antenne à balayage électronique comportant un tel déphaseur.

Description

  • La présente invention est relative à un déphaseur hyperfréquence à diodes. Plus particulièrement, ce déphaseur est réalisable en structure plane sur substrat de constante diélectrique élevée et est capable de donner quatre états de phase.
  • Il existe différentes sortes de déphaseur à diodes, utilisant celles du type PIN, comme les déphaseurs à perturbation qui se caractérisent par une forte tenue en puissance et une large bande passante et les déphaseurs à tronçons de lignes, tel le déphaseur à commutation, qui se caractérisent par rapport aux précédents par un plus faible encombrement et des pertes constantes en fonction du déphasage. Ces deux types de déphaseurs, à perturbation et à tronçons de lignes, se prêtent bien à une réalisation en structure plane, et c'est sur les critères de nombre de diodes de déphasage, de taux d'ondes stationnaires (TOS), de pertes d'insertion et de tenue en puissance, que le choix se porte sur l'un ou l'autre type.
  • Cependant, ces déphaseurs relevant de l'art antérieur, faisant intervenir des longueurs de lignes de propagation, présentent de ce fait des caractéristiques de déphasage, de pertes et de TOS variant en fonction de la fréquence.
  • L'objet de l'invention est un déphaseur hyperfréquence à diodes PIN, dont la structure permet d'éviter les inconvénients précédemment signalés. Cette structure regroupe les avantages des structures à perburbation qui donnent assez commodément des phases constantes, mais au prix d'un grand nombre de diodes,ét ceux des structures à tronçons de lignes qui utilisent peu de diodes, mais dont le déphasage varie linérairement dans la bande de fréquence envisagée.
  • Suivant l'invention, le déphaseur est réalisée avantageusement par la combinaison de deux déphaseurs élémentaires identiques à diodes appelés communément déphaseurs 0-π, réalisant une structure donnant quatre pas de phase, tout en ne présentant que deux états électriques différents. Une telle structure donne l'avantage d'une mise au point simple.
  • Suivant l'invention, d'une part, le déphasage de π entre deux positions - (O,n) et (ϕ, ϕ + π)· - est créé par l'inversion de champ obtenue dans la zone de couplage d'une ligne à structure de champ dissymétrique comme une ligne à fente et d'une ligne à structure de champ symétrique, telle qu'une ligne à ruban ou une ligne coplanaire, réalisables également en structure plane sur substrat céramique de constante diélectrique élevée ; d'autre part, le déphasage de π est obtenu par changement de la structure de la ligne assurant la transmission de l'onde.
  • Suivant une caractéristique de l'invention, le déphaseur considéré comporte un premier déphaseur 0-π agissant dans la zone de couplage de deux lignes à structures de champ électrique différentes, et un deuxième déphaseur 0-π identique au premier, situé à une distance déterminée du premier, la liaison entre les deux déphaseurs étant établie par deux lignes de propagation à structures de champ électrique différentes, de constantes de propagation différentes et d'axes de propagation confondus ou parallèles, les deux lignes étant alors situées dans deux plans parallèles et les axes de propagation définissant un plan orthogonal aux plans des lignes.
  • L'invention sera mieux comprise dans la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à l'aide des figures qui représentent :
    • - la figure 1, un déphaseur à quatre pas de appelé aussi à deux bits, réalisé entre une ligne à ruban et une ligne à fente, vu de dessus ;
    • - la figure 2, un autre type de réalisation d'un déphaseur à deux bits réalisé entre une ligne à ruban et une ligne à fente, vu de dessus ;
    • - la figure 3, le déphaseur de la figure 1 vu en coupe ;
    • - la -figure 4, une variante vue en coupe du déphaseur de la figure 1 ;
    • - la figure 5, un déphaseur à deux bits réalisé entre une ligne coplanaire et une ligne à fente, vu de dessus ;
    • - la figure 6, une ligne coplanaire vue en coupe, transmettant un mode de réalisation à structure de champ électrique symétrique ;
    • - la figure 7, une ligne coplanaire, vue en coupe, transmettant un mode de propagation à structure de champ électrique dissymétrique.
  • Comme cela a été indiqué dans l'introduction, l'invention se propose de réaliser un déphaseur donnant quatre pas de phase, appelé aussi déphaseur deux bits, à diodes PIN, utilisant l'absence de couplage qui existe entre deux lignes parallèles superposées, dont l'une a une structure de champ symétrique et l'autre une structure de champ dissymétrique, ces deux lignes ayant des axes de propagation parallèles appartenant à un même plan orthogonal aux plans des lignes. La liaison entre les deux déphaseurs identiques 0-n se fait par de telles lignes, réalisées en structure plane sur substrat céramique, et dont une autre caractéristique est qu'elles ont des constantes de propagation β1 et β2 différentes, telles que la différence (β1 - β2) est constante dans la bande de fréquence choisie. La différence entre les constantes de propagation peut bien être due à la nature même des lignes, ou bien être obtenue à l'aide de filtres passe-haut dans une ligne et passe-bas dans l'autre.
  • On rappellera brièvement dans ce qui suit, ce que l'on entend par ligne à fente, ligne à ruban et ligne coplanaire dont les structures de champ sont différentes.
  • Une ligne à fente est une ligne de propagation constituée d'une ouverture pratiquée dans un plan-de masse, déposé sur un substrat diélectrique. Le support diélectrique assure la tenue mécanique des conducteurs métalliques, généralement réalisés par photogravure ou photolithographie. C'est une ligne à structure de champ dissymétrique.
  • Dans une ligne de propagation à fente, la presque total-ité de l'énergie se propage dans le diélectrique et se trouve concentrée entre les bords de la fente. L'épaisseur du matériau diélectrique est liée à sa nature et la largeur de la ligne à fente détermine alors l'impédance caractéristique de la ligne.
  • Une ligne de propagation à ruban, connue sous le vocable de ligne microstrip en langue anglaise, comporte une plaque diélectrique placée entre un ruban métallique et un plan métallique, ce dernier appelé plan de masse., Là aussi, la presque totalité de l'énergie est concentrée dans le diélectrique. C'est une ligne à structure de champ symétrique.
  • Une ligne coplanaire se compose d'un ruban métallique de faible épaisseur déposé sur la surface d'un diélectrique 90 avec deux électrodes de masse placées parallèlement et de part et d'autre du ruban. Lorsque la constante diélectrique est élevée, la majeure partie de l'énergie est emmagasinée dans le diélectrique. La ligne coplanaire est une ligne susceptible de transmettre deux modes de propagation représentés par les figures 6 et 7 : un mode à structure de champ symétrique et un mode à structure de champ dissymétrique.
  • Suivant l'invention, il s'agit de déphaser le champ électromagnétique hyperfréquence établi dans une ligne de transmission considérée, en un point localisé de cette ligne. Le but que se propose l'invention est atteint en associant, par au moins deux diodes, deux déphaseurs à diodes 0-n tels qu'ils ont été décrits dans une demande de brevet déposée par la Demanderesse N° 76.12999 du 30 avril 1976.
  • Suivant les différentes combinaisons des polarités de chacune des diodes de ce dispositif, le couplage entre la ligne à structure de champ dissymétrique et la ligne à structure de champ symétrique se fait au niveau soit du premier déphaseur 0-n, soit du second ; et dans ces conditions la transmission de l'énergie se fait dans l'un ou l'autre cas dans une ligne ou dans l'autre.
  • La figure 1 représente un exemple de déphaseur à deux bits à diodes suivant l'invention, constitué par deux déphaseurs 0-π hyperfréquence, à diodes, réalisés dans la zone de couplage d'une ligne à fente et d'une ligne à ruban, et reliés entre eux par deux lignes à structure de champ électrique différentes, une ligne à fente qui se prolonge de part et d'autre par les lignes à fente des deux déphaseurs 0-n constituant ainsi la ligne 3, et une ligne à ruban qui se prolonge à l'une de ses extrémités par la ligne à ruban du second déphaseur 0-π, constituant ainsi la ligne 2.
  • Les lignes à ruban 1 et 2, dont les axes longitudinaux sont confondus, sont obtenues par dépôt d'un ruban conducteur d'une certaine longueur sur un substrat céramique 90, situé au-dessus d'un plan de masse 10. La ligne à fente 3 est découpée dans ce plan de masse et son axe de propagation est parallèle à l'axe longitudinal des lignes à ruban 1 et 2, et définit avec ce dernier un plan orthogonal au plan des lignes. L'adaptation entre les lignes est obtenue, d'une part par le fait que la ligne à fente 3 se prolonge vers la ligne à ruban 1 d'une longueur de X/4, et d'autre part par une diode 9 pouvant court-circuiter la ligne à fente 3 à une distance voisine de X/4 à partir de l'extrémité de la ligne à ruban 2.
  • A l'extrémité de la ligne à ruban 1 sont placées de part et d'autre deux diodes, généralement du type PIN, 4 et 5. Une des bornes d'une diode, 4 par exemple, est fixée d'une part à une ligne à ruban 44 quart d'onde ouverte réalisée dans le plan du substrat 90, sur lequel sont déposées les lignes à ruban 1 et 2, et d'autre part à la source 43 de tension de polarisation, par le conducteur 434. L'autre borne de la diode 4 est connectée à un bord 41 de la ligne à ruban 1 par un conducteur 410. Un montage identique est réalisé pour les diodes 5, 6 et 7, dont une borne est fixée respectivement d'une part aux lignes à ruban 54, 64 et 74 quart d'onde ouvertes, et d'autre part aux sources 53, 63 et 73 de tension de polarisation par des conducteurs 534, 634 et 734, et dont l'autre borne est connectée respectivement aux bords 51, 62 et 72 des lignes à ruban 1 et 2 par les conducteurs 410, 510, 620 et 720. L'adaptation en hyperfréquence de la ligne à ruban 1 se fait par une ligne quart d'onde ouverte 11, placée à une distance de X/4 de la ligne à ruban 1 ; cette ligne quart d'onde 11, équivalente en hyperfréquence à un court-circuit dans son plan, ramène une impédance infinie dans le plan de la ligne à ruban 1.
  • On pourra noter que les diodes peuvent être fixées directement par brasage sur les lignes à ruban 1 et 2, si les dimensions de celles-ci le permettent, et reliées aux lignes quart d'onde par un conducteur.
  • Pour assurer la transmission de l'énergie de la ligne à ruban 1 à la ligne à ruban 2, ou à la ligne à fente 3, une diode 8 est fixée directement par brasage sur la ligne à ruban 2 et reliée à la ligne à ruban 1 par un conducteur 81. La polarisation de cette diode se fait par 1''intermédiaire d'une ligne à ruban quart d'onde 21, reliée au bord 72 de la ligne à ruban 2 par un conducteur 212 et à la source 83 de tension de polarisation par un conducteur 210.
  • Pour assurer la transmission de l'énergie de la ligne à ruban 2 à la ligne à fente 3, une diode 9 est fixée par brasage sous le plan de masse 10 et reliée par un conducteur 994, à un condensateur 94, lui-même relié à une source de tension de polarisation 93 par un conducteur 934.
  • Pour recueillir le signal en sortie du déphaseur, on utilise généralement une prise coaxiale P, dont le raccordement avec une ligne à ruban est plus aisé qu'avec une ligne à fente, en raison de la disposition radiale des lignes de champ dans une prise coaxiale. C'est pourquoi la ligne à fente 3 est couplée à son extrémité à une ligne à ruban 100, afin que l'énergie se propageant dans la ligne à fente ressorte par la ligne à ruban 100.
  • On rappellera brièvement la réalisation du couplage entre les deux lignes à structures de champ différentes que sont par exemple la ligne à ruban 1 ou 2 et la ligne à fente 3, situées dans deux plans confondus ou parallèles, d'axes de propagation confondus ou parallèles définissant un plan orthogonal aux plans des lignes. Chaque élément de ligne à ruban quart d'onde 44 ou 54 ou 64 ou 74 ramène, dans le plan perpendiculaire à son plan de connexion au bord de la ligne à ruban, un effet équivalent à un court-circuit entre le bord considéré de la ligne à ruban et un bord de la ligne à fente. Ainsi, un champ électrique t perpendiculaire à la ligne à ruban 1 ou 2 induit un champ électrique dans la ligne à fente 3.
  • Pour mettre en évidence le fonctionnement, on va examiner les différents états de phase que l'invention permet d'obtenir, les longueurs électriques des lignes repérées par φ1 et φ2 représentant les zones extérieures aux déphaseurs 0-n et dont le déphasage est constant. Lorsque les diodes 4, 5, 6, 7, 8 et 9 sont montées comme indiqué dans la description et la figure 1, elles se comportent en première approximation, suivant leur polarité, soit comme un court-circuit équivalent à une inductance de faible valeur, soit comme un circuit ouvert, équivalent à une capacité de faible valeur.
  • Dans ces conditions, on définit l'état 0 en polarisant en inverse les diodes 5, 6, 7, 8 et 9 et en direct la diode 4. Ainsi la ligne à ruban 1 est reliée par la diode conductrice 4 à la ligne à fente 3, tel que cela a été décrit précédemment. Comme la diode 8, entre les deux lignes à ruban 1 et 2, est bloquée, l'énergie n'est pas transmise dans la ligne à ruban 2 mais dans la ligne à fente 3. Le champ électrique Eo , appliqué à la ligne à ruban 1, induit dans la ligne à fente 3, un champ électrique E4 dans un sens déterminé et ce champ est maximum, le court-circuit de la ligne à fente étant placé, comme cela a été signalé, à une longueur voisine de a/4 sous la ligne à ruban. Le bloquage des diodes 6 et 7 rend impossible le couplage entre la ligne à ruban 2 et et la ligne à fente 3. La phase de transmission est alors :
    Figure imgb0001
    puisque l'énergie se propage sur une longueur 1 de la ligne à fente 3, dont la constante de propagation est β2.
  • On définit aussi l'état ϕ, en polarisant en inverse les diodes 4, 5 et 7 et en direct les diodes 6, 8 et 9. Dans ce cas, le premier déphaseur 0-π ne fonctionne pas et la diode 8 étant conductrice, l'énergie se propage de la ligne à ruban 1 à la ligne à ruban 2 jusqu'à la diode 6 conductrice, où elle est transmise alors dans la ligne à fente 3. La diode 9 en conduction court-circuite la ligne à fente 3 à λ/4 de l'extrémité de la ligne à ruban 2 et assure son adaptation. Le champ électrique E6 créé dans la ligne à fente est de même valeur que E4 , mais leurs directions font entre elles un angle ϕ.
  • Cette fois, la phase de transmission est φϕ = φ1 + β1 1 + φ2 puisque l'énergie se propage sur la longueur 1 de la ligne à ruban 2 de constante de propagation β1.
  • Le déphasage différentiel par rapport à l'état 0 est donc :
    Figure imgb0002
  • Le troisième état π fonctionne de la même manière que l'état 0, avec cette fois la diode 5 en conduction au lieu de la diode 4. Ainsi, dans la ligne à fente 3, le champ électrique E5 a une valeur identique à E4 mais son sens est inversé.
  • Le déphasage différentiel par rapport à l'état 0 est :
    Figure imgb0003
  • Enfin, le dernier état ϕ + π fonctionne comme l'état ϕ, avec la diode 7 en conduction au lieu de la diode 6. Le champ électrique E9 , créé dans la ligne à fente 3, a une valeur identique à E6 mais son sens est inversé.
  • En conséquence, le déphasage différentiel par rapport à l'état 0 est :
    Figure imgb0004
  • Une variante de l'invention est présentée figure 2, dans laquelle la ligne à ruban 2 est formée de deux tronçons distincts T1 et T2' La liaison hyperfréquence entre ces deux tronçons est assurée par un condensateur 200 de très grosse valeur. Par contre, en continu ce condensateur isolé les deux tronçons, évitant toute propagation parasite des signaux de commande des d'iodes. La polarisation de la diode 8 se fait par l'intermédiaire d'une ligne quart d'onde ouverte 21, qui d'un côté lui est reliée par un conducteur 212 et de l'autre est reliée à la source de tension de polarisation 83 par un conducteur 210. L'adaptation en hyperfréquence du deuxième tronçon T2 de la ligne à ruban 2 est assurée par une ligne quart d'onde ouverte 221, placée à une distance de X/4 de la ligne 2.
  • La figure 3 présente en coupe simplifiée une partie du premier déphaseur de la figure 1, montrant plus nettement comment sont réalisées les connexions d'une diode du déphaseur. La diode 4, par exemple, est d'une part fixée par brasage au ruban de la ligne quart d'onde 44 par une de ses électrodes, la même qui la relie à une source de tension de polarisation non dessinée, et d'autre part, reliée par son autre électrode à la ligne à ruban 1 au moyen du conducteur 410.
  • Dans la variante présentée en coupe seulement figure 4, la ligne quart d'onde 44 est supprimée et le contact à la ligne à fente se fait à travers le substrat 90. Dans la réalisation dessinée, le substrat est découpé à l'aplomb de la ligne à ruban 1. Dans la fente ainsi réalisée et dans le plan de masse 10 on dispose une diode 4 sur un culot 40, par lequel se fait la polarisation de cette diode. Un disque diélectrique 41, métallisé sur ses deux faces est brasé sur le plan de masse 10 et sur le culot de la diode. Le conducteur 410 connecte directement une électrode de la diode à un bord de la ligne à ruban 1.
  • La figure 5 représente un autre exemple de déphaseur deux bits à diodes suivant l'invention, constitué par deux éléments 0-n hyperfréquence à diodes, réalisés dans la zone de couplage d'une ligne à fente et d'une ligne coplanaire, et reliés entre eux à la fois par une ligne coplanaire se prolongeant à l'une de ses extrémités par la ligne coplanaire du second déphaseur 0-π et constituant avec elle la ligne 13, et aussi par une ligne à fente divisée en deux tronçons parallèles 14 et 15 situés de part et d'autre du ruban métallique central de la ligne coplanaire 13.
  • Les lignes coplanaires 12 et 13, dont les axes longitudinaux sont confondus, sont obtenues par dépôt d'un ruban conducteur d'une certaine longueur, compris entre deux plans de masse 16 et 17, sur un substrat céramique.
  • Comme on l'a vu précédemment, la ligne coplanaire est susceptible de transmettre deux modes de propagation donc elle à deux constantes de propagation : YI pour le mode à structure de champ symétrique et Y2 pour le mode à structure de champ dissymétrique.
  • C'est pourquoi, lorsque la ligne coplanaire, constituée par le conducteur central 13 et les deux plans de masse 16 et 17, transmet le mode de propagation à structure de champ symétrique, on peut l'assimiler à une ligne à fente, constituée par les deux fentes 14 et 15 réalisées entre les conducteurs métalliques. Là encore, l'adaptation entre les lignes est obtenue par le fait que, d'une part, la ligne à fente 14-15 se prolonge vers la ligne coplanaire 12 d'une longueur voisine de X/4 jusqu'au conducteur 30 et d'autre part, une diode 601 peut court-circuiter la ligne à fente à une distance voisine X/4 à partir de l'extrémité de la ligne coplanaire 13.
  • Comme dans la figure 1, on retrouve un système de diodes, 101, 201, 301, 401, 501 et 601 reliées respectivement d'une part, par des conducteurs 102, 202, 302, 402, 502 et 602, aux sources de tension de polarisation 103, 203, 303, 403, 503 et 603 et d'autre part aux lignes 12 et 13 par des conducteurs 104, 204, 304, 404 et 504 et au plan de masse 17 par un conducteur 604. Pour mettre en évidence le fonctionnement de ce déphaseur deux bits, on va étudier les différents états de phase que l'invention permet d'obtenir.
  • On définit l'état 0 en polarisant en inverse les diodes 201, 301, 401, 501 et 601 et en direct la diode 101. Ainsi la ligne coplanaire 12 est au même potentiel que le plan de masse 16 dans le plan de la diode 101 ce qui excite un mode à structure de champ dissymétrique au-delà de cette diode jusqu'au plan contenant les diodes 301 et 401. Entre ces deux plans, la phase de transmission est :
    Figure imgb0005
    pu sque l'énergie se propage sur une longueur L de la ligne à structure de champ dissymétrique, dont la constante de propagation est γ2.
  • On définit aussi l'état ϕ, en polarisant en inverse les diodes 101, 201 et 401 et en direct les diodes 301, 501 et 601. Alors le premier déphaseur ne fonctionne pas, et la diode 501 étant conductrice, l'énergie se propage de la ligne coplanaire 12 à la ligne coplanaire 13 jusqu'à la diode conductrice 601, où elle est transmise dansla ligne à fente.
  • Cette fois, la phase de transition est :
    Figure imgb0006
    puisque l'énergie se propage sur la longueur L de la ligne de champ symétrique.
  • Par rapport à l'état 0, le déphasage différentiel est :
    Figure imgb0007
  • Le troisième état π est définit de la même manière que l'état 0, mais avec cette fois la diode 201 en conduction au lieu de la diode 101. Ainsi, la ligne coplanaire 12 est mise au potentiel du plan de masse 17 dans le plan de la diode 201, excitant ainsi, au-delà de ce plan, un mode dissymétrique en opposition de phase par rapport à celui de l'état 0. Par rappcrt à ce dernier, le déphasage différentiel est :
    Figure imgb0008
  • Enfin, le dernier état ϕ + π est établi comme l'état ϕ, avec la diode 401 en conduction au lieu de la diode 301.
  • L'énergie se propage de la ligne coplanaire 12 à la ligne coplanaire 13 jusqu'au plan de la diode 601. La phase de transmission est :
    Figure imgb0009
    et le déphasage différentiel par rapport à l'état 0 est :
    Figure imgb0010
  • Dans ces trois exemples de déphaseurs, on notera un cas particulier, celui où ϕ = π/2, permettant d'obtenir les quatre déphasages symétriques 0, π/2, π, , 3n/2. On obtient ϕ = π/2 en utilisant, comme liaison entre les deux déphaseurs 0-π des lignes à structures de champ électrique différentes de longueur 1, et dont les constantes de propagation β1 et β2 (ou γ1 et Y2) sont telles que
    Figure imgb0011
  • On a ainsi décrit deux réalisations de déphaseurs deux bits à diodes, à large bande, réalisés en structure plane sur substrat céramique de constante diélectrique élevée et établis dans la zone de couplage de deux lignes de transmission à structures de champ électrique différentes et d'axes de propagation confondus ou parallèles, les deux lignes étant alors situées dans deux plans parallèles et les axes de propagation définissant un plan orthogonal aux plans des lignes. Ces déphaseurs présentent plusieurs avantages, notamment une faible variation du déphasage dans la bande de fréquence considérée, qui peut avoir une grande largeur. La superposition de lignes à structures de champ différentes, ayant des axes de propagation parallèles, permet de réaliser des déphaseurs d'encombrement réduit.
  • On notera que dans les exemples décrits, la largeur du ruban, la largeur de la fente, et l'épaisseur du substrat sont conditionnées par la valeur de l'impédance caractéristique de la ligne de transmission en amont et en aval du plan des diodes. La ligne est chargée par cette impédance caractéristique pour que l'on obtienne une puissance maximale transmise avec un faible TOS, pouvant être voisin de 1.
  • On notera également une application intéressante de ces déphaseurs. Ceux-ci, particulièrement fiables et présentant une faible variation du déphasage, de l'atténuation et du rapport d'onde stationnaire dans une bande de fréquence importante sont avantageusement utilisés dans des antennes à balayage électronique, étant connectés directement à l'élément rayonnant principalement si celui-ci est à fente sur substrat. Dans ce cas, en se reportant à la figure 5 par exemple, on peut connecter un élément rayonnant R à la ligne à fente 14-15 et connecter la ligne coplanaire 12 à une source d'énergie H.

Claims (17)

1. Déphaseur hyperfréquence à diodes, comportant au moins un, déphaseur 0-π hyperfréquence à diodes réalisé en structure plane sur substrat céramique, caractérisé en ce qu'il comprend un second déphaseur 0-π, relié au premier par au moins deux lignes de transmission à structures de champ électrique différentes, de longueur 1, d'axes de propagation confondus ou parallèles superposés, ces lignes ayant des constantes de propagation β1 et β2 différentes telles que leur différence (β1 - β2) est constante dans la bande de fréquence utilisée, et au moins une diode étant prévue à l'une des extrémités de chacune de ces deux lignes, avec des moyens de commutation de leurs état.
2. Déphaseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux déphaseurs 0-n hyperfréquence à diodes, comprenant chacun une ligne à ruban et une ligne à fente d'axes de propagation parallèles superposas, séparées par un substrat diélectrique (90), ces deux déphaseurs étant reliés entre eux d'une part par un tronçon de ligne à fente creusée dans le plan de masse se prolongeant à chaque extrémité par la ligne à fente des deux déphaseurs, une diode (9) étant directement fixée sur le plan de masse par une de ses électrodes et l'autre électrode étant reliée par un conducteur (994) à un condensateur (94) connecté à une source de tension de polarisation (93), et d'autre part par un tronçon de ligne à ruban déposé sur le substrat céramique (90) dont une extrémité se prolonge par la ligne à ruban du deuxième déphaseur 0-π et sur l'autre extrémité duquel est fixée une diode (8) par une de ses électrodes, l'autre électrode étant fixée à la ligne à ruban du premier déphaseur 0-π par un conducteur (81), la diode (8) étant polarisée par l'intermédiaire d'une ligne à ruban quart d'onde (21), reliée d'un côté par un conducteur (212) à la ligne à ruban (2) et de l'autre par un conducteur (210) à une source de tension de polarisation (83).
3. Déphaseur suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que la diode (9) est placée à une distance de λ/4 de l'extrémité du second déphaseur 0-π.
4. Déphaseur suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que la ligne à fente (3) se prolonge d'une longueur égale au quart de la longueur d'onde, sous la ligne à ruban (1).
5. Déphaseur suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que la diode-(8) assurant la transmission de l'énergie électrique du premier déphaseur 0-π à l'une ou l'autre des deux lignes de transmission, est fixée directement par brasage sur la ligne à ruban (1) du premier déphaseur 0-π et reliée par un conducteur à la ligne à ruban (2).
6. Déphaseur suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'il comprend une ligne à ruban (100) couplée à l'extrémité de sortie de la ligne à fente (3) du second déphaseur 0-π.
7. Déphaseur suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que la ligne à ruban (2) faisant la liaison entre les deux déphaseurs 0-π est divisée en deux tronçons T1 et T2, reliés entre eux par un condensateur (200), une ligne quart d'onde ouverte (221) étant placée à une distance de λ/4 de la ligne (2).
8. Déphaseur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend deux déphaseurs 0-π, comprenant chacun une ligne coplanaire et une ligne à fente réalisées du même côté d'un substrat céramique d'axes de propagation parallèles comprises entre deux plans de masse (16 et 17), ces deux déphaseurs 0-π étant reliés entre eux d'une part par un tronçon de ligne à fente (14-15), une diode (601) étant directement fixée sur un des plans de masse par une de ses électrodes, la même qui la relie à une source de tension de polarisation (603) et l'autre électrode étant reliée au second plan de masse par un conducteur (604), cette diode (601) court-circuitant la ligne à fente (14-15), et d'autre part par un tronçon de ligne coplanaire (13) dont une extrémité se prolonge par la ligne coplanaire du second déphaseur 0-n et sur l'autre extrémité duquel est fixée une diode (501) par la même électrode qui la relie à une source de tension de polarisation (503), l'autre électrode la reliant à la ligne coplanaire (12) du premier déphaseur 0-π.
9. Déphaseur suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la diode (601) est placée à une distance égale au quart de la longueur d'onde, de l'extrémité du second déphaseur 0-π.
10. Déphaseur suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que chacune des diodes est fixée directement sur un support (40) monté dans les fentes des lignes à fentes associées aux lignes à ruban et aux lignes coplanaires, par une de ses électrodes, l'autre électrode de la diode étant connectée par un conducteur (410) à travers le substrat des lignes à ruban et des lignes coplanaires, et à la source de tension de polarisation.
11. Déphaseur suivant l'une des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que l'une des diodes du premier déphaseur 0-n est polarisée en direct, toutes les autres diodes du déphaseur deux bits étant polarisées en inverse, définissant ainsi l'état de phase dit 0.
12. Déphaseur suivant l'une des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait qu'une des deux diodes du premier déphaseur 0-π, celle qui est polarisée en inverse dans l'état de phase 0, est polarisée en direct, toutes les autres diodes du déphaseur deux bits étant polarisées en inverse, définissant ainsi l'état de phase dit π.
13. Déphaseur suivant l'une des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que les deux diodes du premier déphaseur 0-π et une des deux diodes du second déphaseur 0-π sont polarisées en inverse, toutes les autres diodes du déphaseur deux bits étant polarisées en directe et les constantes de propagation β1 et β2 des deux lignes de liaison entre les deux déphaseurs 0-π étant telles que (β1 - β2) . 1 = ϕ, définissant ainsi l'état de phase dit ϕ.
14. Déphaseur suivant l'une des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que les deux diodes du premier déphaseur 0-π et la diode du second déphaseur 0-π, qui est polarisée en direct dans l'état ϕ, sont polarisées en inverse, toutes les autres diodes étant polarisées en direct et les constantes de propagation des deux déphaseurs 0-π étant telles que (β1 - β2) . 1 = ϕ définissant l'état de phase dit ϕ + π.
15. Déphaseur selon les revendications 13 ou 14, caractérisé par le fait que les lignes de liaison entre les deux déphaseurs 0-r sont telles que
Figure imgb0012
16. Déphaseur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé par le fait qu'il est utilisé dans une antenne à balayage électronique, la sortie du déphaseur étant connectée à un élément rayonnant et la ligne à ruban (1) ou la ligne coplanaire (12) étant connectée à une source d'énergie.
17. Antenne à balayage électronique utilisant les déphaseurs conformément aux revendications 1 à 16.
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