EP0321331A1 - Dispositif de couplage d'énergies - Google Patents
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- H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
Definitions
- the present invention relates to an energy coupling device, usable in VHF and UHF.
- Such devices are necessary in different cases: to, from a source, make several amplifiers or preamplifiers operate in an equipotential and equiphase fashion, or else to add up the powers delivered by several equipotential preamplifiers and equiphases in order, with the power obtained , to operate amplifiers in an equipotential and equiphase manner, or else to add up the powers delivered by several equipotential amplifiers and equiphases to supply the same user generally consisting of a transmitting antenna.
- this solution is ideal, but in practice it has various drawbacks such as power limitation, selectivity and relatively large losses in the circulators; - Hybrid junctions of the ring type, 3dB couplers, etc., have been cascaded, the amplifiers being connected two by two on such a junction; excellent decoupling is thus achieved between the amplifiers but, especially for a large number of amplifiers, this solution is expensive because of the number of hybrid junctions required and, moreover, the losses are significant; - distribution boxes have been associated with Wilkinson type protection devices; it is a pretty good solution but the realization in decimetric band for a large number of amplifiers, is very difficult.
- the object of the present invention is to obtain the same advantages as those linked to the embodiments with cascaded hybrid junctions, while minimizing the disadvantages.
- a device for coupling energies between m energy sources, with m positive integer, and n users, n positive integer and m + n greater than 2 is characterized by a combination of m first and n second circuits. 90 ° 3dB hybrids, each having four ports, the first and second ports as well as the third and fourth ports of each hybrid circuit forming pairs of conjugate ports of m and n balancing loads and a first and second equipotential distribution boxes and equiphases with m inputs and n outputs, having the same input / output phase shift, ⁇ c, the combination being such that the m first circuits have their m first accesses coupled respectively to the m sources, their m second ports connected respectively to the m loads, their m third ports connected respectively to the m inputs of the first box, their m fourth ports connected respectively to the m inputs of the second box, that the n second circuits have their n first ports connected respectively to the n outlets of the first box, their n second
- FIG. 1 shows the diagram of a coupling device making it possible to supply an antenna A with the sum, to the nearest losses, of the energies supplied by n amplifiers, E1 to En, (in the example described n was equal to 8 and the amplifiers each had an output power of 1 kilowatt).
- the outputs of amplifiers E1 to En are respectively connected to accesses 1 of n couplers to 3dB, D1 to Dn. Between the ports 2 of the couplers D1 to Dn and the earth, balancing resistors Rd1 to Rdn are mounted, which constitute suitable loads.
- the ports 3 of the couplers D1 to Dn are respectively connected to the inputs 1 to n of a distribution box C1 with n inputs and an output; similarly, the accesses 4 of the couplers D1 to DN are respectively connected to the inputs 1 to n of a distribution box C2 with n inputs and an output; the C1, C2 boxes are equipotential and equiphase and even have input / output phase shift.
- the outputs of the distribution boxes C1, C2 are respectively connected to the accesses 1 and 2 of a coupler to 3dB, B, whose access 3 is connected to ground by a balancing resistor Rb and whose access 4 is connected to antenna A, the latter comprising an impedance matching circuit, not shown.
- the amplifiers E1 to En must deliver equipotential and equiphase signals; known arrangements exist to obtain this result, but it is also possible, as will be seen with the aid of FIGS. 2 and 3, to achieve this result with arrangements according to the invention since it involves, each time , to distribute the power of one or more sources to one or more users, these users becoming sources in the following amplifier step; thus the amplifiers of figure 1, which are the users of the energy of preamplifiers of figure 2, are also if the energy sources for the user that is the antenna A of figure 1.
- ⁇ c is the phase change resulting from the crossing of boxes C1 and C2
- the signals on ports 1 and 2 of coupler B are respectively of the form: U / ⁇ 2. exp (j ⁇ c) U / ⁇ 2. exp-j ( ⁇ / 2 - ⁇ c) which gives, respectively on accesses 3 and 4 of coupler B U / 2.exp (j ⁇ c) + U / 2.exp-j ( ⁇ - ⁇ c) zero signal U / 2.exp-j ( ⁇ / 2- ⁇ c) + U / 2.exp-j ( ⁇ / 2 - ⁇ c) signal representing the total recombined power.
- the assembly formed by the couplers and the distribution boxes of FIG. 1 constitutes a switch from the accesses 1 of the couplers D1 to Dn towards the access 4 of the coupler B when the accesses 2 of the couplers D1 to Dn and the access 3 of coupler B, are perfectly decoupled.
- Installation according to the figure 1 operates as a power summator, the power on the access 4 of the coupler B being the sum, to the nearest losses, of the powers delivered by the amplifiers E1 to En.
- the assembly according to FIG. 1 is reversible, with the amplifiers E1 to within.
- the assembly according to Figure 1 therefore provides perfect protection of the amplifiers against any imbalance and even against any complete stop of one or more amplifiers. And the ratio of the total power normally available to the total power actually available is, at losses near the system, as for a combination of cascaded couplers: n2 / (nn ′) 2 where n is the number of amplifiers out of order.
- FIG. 2 shows how the n amplifiers E1 and En are supplied from m equipotential and equiphase preamplifiers, J1 to Jm.
- the assembly includes the m preamplifiers followed by m 3dB couplers, at 90 °, H1 to Hm, followed by 2 equipotential and equiphase distribution boxes, identical G1, G2 with m inputs and n outputs, followed by n couplers at 3dB, with 90 °, F1 to Fn, followed by the n amplifiers E1 to En. Between ports 2 of couplers H1 to Hm and ground as well as between ports 3 of couplers F1 to Fn and ground. balancing resistors Rh1 to Rhm and Rf1 to Rfn are connected.
- the part of the assembly of FIG. 2 going from the preamplifiers J1 to Jn to the inputs of the distribution boxes G1, G2 corresponds to the part of the assembly according to FIG. 1 comprised between the amplifiers E1 to En and the inputs of the distribution boxes C1 and C2 ; the protection of the preamplifiers J1 to Jm against abnormal operation of one of them is thus ensured.
- the part of the assembly of FIG. 2 going from the outputs of the distribution boxes G1, G2 to the inputs of the amplifiers E1 to En corresponds to the part of the assembly according to FIG. 1 between the inputs of the distribution boxes C1 and C2 and the outputs of the amplifiers E1 to En, that is to say a part used in the opposite direction to its use according to FIG. 1 by taking advantage of its reversibility.
- This part of the assembly of FIG. 2 allows an equipotential and equiphase supply of the amplifiers E1 to En.
- FIG. 3 shows how the preamplifiers J1 to Jm can be supplied in an equipotential and equiphase manner from a source represented by a single amplifier, N, on the input of which is applied a signal S.
- the assembly comprises the amplifier N followed by a 3dB coupler, at 90 °, M, followed by 2 equipotential distribution boxes and equiphases, identical L1, L2 with one input and m outputs, followed by m couplers at 3dB, at 90 °, K1 at Km, followed by the m preamplifiers J1 to Jm.
- the part of the assembly according to FIG. 3 comprised between the output of the source N and the inputs of the preamplifiers J1 to Jm corresponds to the part of the assembly according to FIG. 1 comprised between the antenna A and the outputs of the amplifiers E1 to En, and therefore used, thanks to its reversibility, in the opposite direction to its use according to FIG. 1.
- This assembly allows an equipotential and equiphase supply of the preamplifiers J1 to Jm.
- the invention is not limited to the examples described, it generally applies to the equipotential and equiphase supply of n users by m energy sources, with m and n positive integers and m + n greater than 2.
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Abstract
Description
- La présente invention a pour objet un dispositif de couplage d'énergies, utilisable en ondes métriques et décimétriques.
- De tels dispositifs sont nécessaires dans différents cas : pour, à partir d'une source, faire que plusieurs amplificateurs ou préamplificateurs fonctionnent de façon équipotentielle et équiphase, ou bien pour sommer les puissances délivrées par plusieurs préamplificateurs équipotentiels et équiphases afin, avec la puissance obtenue, de faire fonctionner des amplificateurs de façon équipotentielle et équiphase, ou bien encore de sommer les puissances délivrées par plusieurs amplificateurs équipotentiels et équiphases pour alimenter un même utilisateur constitué généralement par une antenne d'émission.
- Dans le cas, par exemple, des amplificateurs à faire fonctionner de façon équipotentielle et équiphase, il existe des boîtes de distribution à une entrée et n sorties, associées à des circuits d'adaptation d'impédance par transformateurs quart d'onde, qui assurent correctement ce fonctionnement dans la mesure où tous les amplificateurs délivrent la même puissance ; mais si un ou plusieurs amplificateurs tombent en panne, les désadaptations, qui en résultent,perturbent notablement le fonctionnement de l'ensemble du montage et il est nécessaire de protéger les amplificateurs par des dispositifs d'isolation. Dans ce but différentes solutions ont été utilisées :
- des boîtes de distribution ont été associées à des dispositifs isolateurs du type circulateurs utilisant les propriétés gyromagnétiques des ferrites. Théroriquement cette solution est idéale mais, en pratique, elle présente divers inconvénients tels que limitation en puissance, sélectivité et pertes relativement importantes dans les circulateurs ;
- des jonctions hybrides du type anneaux, coupleurs à 3dB, etc, ont été montées en cascade, les amplificateurs étant reliés deux par deux sur une telle jonction ; un excellent découplage est ainsi réalisé entre les amplificateurs mais, surtout pour un nombre élevé d'amplificateurs, cette solution est onéreuse en raison du nombre de jonctions hybrides nécessaires et, de plus, les pertes sont importantes ;
- des boîtes de distribution ont été associées à des dispositifs de protection du type Wilkinson ; c'est une assez bonne solution mais la réalisation en bande décimétrique pour un grand nombre d'amplificateurs, s'avère très difficile. - La présente invention a pour but d'obtenir les mêmes avantages que ceux liés aux réalisations à jonctions hybrides montées en cascade, tout en en minimisant les inconvénients.
- Ceci est obtenu en associant de manière adéquate des jonctions hybrides et des boîtes de distribution.
- Selon l'invention un dispositif de couplage d'énergies entre m sources d'énergie, avec m entier positif, et n utilisateurs, n entier positif et m+n supérieur à 2, est caractérisé par une combinaison de m premiers et n seconds circuits hybrides à 3dB, à 90°, ayant chacun quatre accès, le premier et le deuxième accès ainsi que le troisième et le quatrième accès de chaque circuit hybride formant des paires d'accès conjugués de m et n charges d'équilibrage et d'une première et d'une seconde boîte de distribution équipotentielles et équiphases à m entrées et n sorties, présentant un même déphasage entrée/sortie, φc, la combinaison étant telle que les m premiers circuits ont leurs m premiers accès couplés respectivement aux m sources, leurs m seconds accès reliés respectivement aux m charges, leurs m troisièmes accès reliés respectivement aux m entrées de la première boîte, leurs m quatrièmes accès reliés respectivement aux m entrées de la seconde boîte, que les n seconds circuits ont leurs n premiers accès reliés respectivement aux n sorties de la première boîte, leurs n seconds accès reliés respectivement aux n sorties de la seconde boîte, leurs n troisièmes accès reliés respectivement aux n charges et leurs n quatrièmes accès reliés respectivement aux n utilisateurs.
- La présente invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des figures s'y rapportant qui représentent :
- - la figure 1, un dispositif de couplage entre des amplificateurs et un utilisateur ;
- - la figure 2, un dispositif de couplage entre des préamplificateurs et les amplificateurs de la figure 1 ;
- - la figure 3, un dispositif de couplage entre une source et les préamplificateurs de la figure 2.
- Sur les différentes figures les éléments correspondants sont désignés par les mêmes repères.
- Dans la description qui va suivre ainsi que dans les revendications il est question de jonctions hybrides à 3dB, à 90°, comportant deux paires d'accès conjugués. Il faut entendre par paire d'accès conjugués de la jonction, deux des quatre accès de la jonction tels que, si des charges adaptées y sont branchées, il n'y a pratiquement pas de couplage entre les deux autres accès du circuit, les deux autres accès constituant d'ailleurs également une paire d'accès conjugués ; et, toujours quand des charges adaptées sont branchées sur l'une des paires d'accès conjugués, la puissance appliquée sur l'un des deux accès conjugués de l'autre paire ressort par les accès de la paire sur laquelle sont branchées des charges adaptées, à égalité de puissance mais avec des ondes en quadrature de phase. Sur les schémas les paires d'accès conjugués des jonctions hybrides à 3dB, à 90°, seront repérées respectivement 1-2 et 3-4 ; ces jonctions sont des coupleurs directifs dans les montages qui ont servi d'exemples à la présente description et ces coupleurs directifs à 3dB, à 90°, seront, dans ce qui suit, appelés "coupleurs à 3dB", voir même "coupleurs" ; mais il est à noter que ces jonctions peuvent, sans sortir du cadre de l'invention, être constituées par toutes autres jonctions équivalentes telles que, par exemple, des tés magiques ou des anneaux hybrides associés à des éléments de déphasage de valeur convenable.
- La figure 1 montre le schéma d'un dispositif de couplage permettant d'alimenter une antenne A avec la somme, aux pertes près, des énergies fournies par n amplificateurs, E1 à En, (dans l'exemple décrit n était égal à 8 et les amplificateursaavaient chacun une puissance de sortie de 1 kilowatt). Les sorties des amplificateurs E1 à En sont respectivement reliées aux accès 1 de n coupleurs à 3dB, D1 à Dn. Entre les accès 2 des coupleurs D1 à Dn et la masse, sont montées des résistances d'équilibrage Rd1 à Rdn, qui constituent des charges adaptées. Les accès 3 des coupleurs D1 à Dn sont respectivement reliés aux entrées 1 à n d'une boîte de distribution C1 à n entrées et une sortie ; de même les accès 4 des coupleurs D1 à DN sont respectivement reliés aux entrées 1 à n d'une boîte de distribution C2 à n entrées et une sortie ; les boîtes C1, C2 sont équipotentielles et équiphases et ont même déphasage entrée/sortie. Les sorties des boîtes de distribution C1, C2 sont respectivement reliées aux accès 1 et 2 d'un coupleur à 3dB, B, dont l'accès 3 est relié à la masse par une résistance d'équilibrage Rb et dont l'accès 4 est relié à l'antenne A, cette dernière comportant un circuit d'adaptation d'impédance, non représenté.
- Pour que le fonctionnement du montage selon la figure 1 soit correct, il faut que les amplificateurs E1 à En délivrent des signaux équipotentiels et équiphases ; des montages connus existent pour obtenir ce résultat mais il est également possible, comme il sera vu à l'aide des figures 2 et 3, d'atteindre ce résultat avec des montages selon l'invention puisqu'il s'agit, à chaque fois, de répartir la puissance d'une ou plusieurs sources vers un ou plusieurs utilisateurs, ces utilisateurs devenant des sources dans l'étape d'amplificateur suivante ; ainsi les amplificateurs de la figure 1, qui sont les utilisateurs de l'énergie de préamplificateurs de la figure 2, sont aus si les sources d'énergie pour l'utilisateur qu'est l'antenne A de la figure 1.
- En fonctionnement normal, c'est à dire avec les amplificateurs E1 à En délivrant des signaux équipotentiels de équiphases, la puissance de l'amplificateur Ei (i : nombre entier-pouvant prendre toute valeur de 1 à n) est divisée en deux parties égales mais avec un déphasage apériodique de 90°, par le coupleur Di :
- une partie U/√2, qui apparaît sur l'accès 3 du coupleur Di (U étant la tension correspondant à la puissance fournie par l'amplificateur Di qui est d'ailleurs la même quelle que soit la valeur prise par i de 1 à n) ;
- une partie U/√2.exp (-jπ/2), où exp(-jπ/2) représente l'exponentielle de -jπ/2, avec j=√-1 ;
toute la puissance des signaux apparaissant sur l'accès 3 des coupleurs D1 à Dn est appliquée sur la boîte de distribution C1 et toute celle apparaissant sur l'accès 4 des coupleurs D1 à Dn est appliquée sur la boîte de distribution C2. Si φ c est le changement de phase résultant de la traversée des boîtes C1 et C2, les signaux sur les accès 1 et 2 du coupleur B sont respectivement de la forme :
U/√2. exp(jφc)
U/√2. exp-j(π/2 -φc)
ce qui donne, respectivement sur les accès 3 et 4 du coupleur B
U/2.exp(jφc) + U/2.exp-j(π-φc) signal nul
U/2.exp-j(π/2- φc)+ U/2.exp-j(π/2 -φc) signal représentant la puissance totale recombinée. - Ainsi l'ensemble formé par les coupleurs et les boîtes de distribution de la figure 1, constitue un aiguillage des accès 1 des coupleurs D1 à Dn vers l'accès 4 du coupleur B lorsque les accès 2 des coupleurs D1 à Dn et l'accès 3 du coupleur B, sont parfaitement découplés. Le montage selon la figure 1 fonctionne en sommateur de puissance, la puissance sur l'accès 4 du coupleur B étant la somme, aux pertes près, des puissances délivrées par les amplificateurs E1 à En. Il est de plus à remarquer que le montage selon la figure 1, est réversible, aux amplificateurs E1 à En près.
- Mais quel est l'isolement des amplificateurs E1 à En les uns par rapport aux autres ? - Le signal provenant d'un amplificateur Ei (i : nombre entier pouvant prendre toute valeur de 1 à n) et parvenu aux entrées i des boîtes C1 et C2, se divise en trois parties :
- une partie transmise vers les accès 1 et 2 du coupleur B ;
- une partie réfléchie vers l'amplificateur Ei ;
- une partie retransmise vers les autres amplificateurs ;
lorsque tous les signaux délivrés par les amplificateurs E1 à En sont équipotentiels et équiphases seule la partie transmise vers les accès 1 et 2 du coupleur B existe, les autres parties sont nulles ; lorsque ce n'est pas le cas en raison d'un déséquilibre d'amplitude ou de phase entre les amplificateurs ou en raison d'une panne d'un ou plusieurs amplificateurs, tout signal provenant d'un amplificateur Ei défectueux et réfléchi au niveau des boîtes C1 et C2 ou retransmis vers les autres amplificateurs, se recombine pour apparaître sur les accès 2 des coupleurs D1 à Dn où il est absorbé par les charges de protection constituées par les résistances d'équilibrage Rd1 à Rdn. Le montage selon la figure 1 assure donc une protection parfaite des amplificateurs vis à vis de tout déséquilibre et même vis à vis de tout arrêt complet d'un ou plusieurs amplificateurs. Et le rapport de la puissance totale normalement disponible à la puissance totale effectivement disponible est, aux pertes près du système, comme pour une association de coupleurs en cascade :
n²/(n-n′)²
où n' est le nombre d'amplificateurs en panne. - La figure 2 montre comment les n amplificateurs E1 et En sont alimentés à partir de m préamplificateurs équipotentiels et équiphases, J1 à Jm. Le montage comporte les m préamplificateurs suivis de m coupleurs à 3dB, à 90°, H1 à Hm, suivis de 2 boîtes de distribution équipotentielles et équiphases, identiques G1, G2 à m entrées et n sorties, suivies de n coupleurs à 3dB, à 90°, F1 à Fn, suivis des n amplificateurs E1 à En. Entre les accès 2 des coupleurs H1 à Hm et la masse ainsi qu'entre les accès 3 des coupleurs F1 à Fn et la masse. sont branchées des résistances d'équilibrage Rh1 à Rhm et Rf1 à Rfn.
- La partie du montage de la figure 2 allant des préamplificateurs J1 à Jn aux entrées des boîtes de distribution G1, G2 correspond à la partie du montage selon la figure 1 comprise entre les amplificateurs E1 à En et les entrées des boîtes de distribution C1 et C2 ; la protection des préamplificateurs J1 à Jm contre un fonctionnement anormal de l'un d'entre eux est ainsi assurée.
- La partie du montage de la figure 2 allant des sorties des boîtes de distribution G1, G2 aux entrées des amplificateurs E1 à En correspond à la partie du montage selon la figure 1 entre les entrées des boîtes de distribution C1 et C2 et les sorties des amplificateurs E1 à En, c'est à dire à une partie utilisée dans le sens inverse de son utilisation selon la figure 1 en mettant à profit sa réversibilité. Cette partie du montage de la figure 2 permet une alimentation équipotentielle et équiphase des amplificateurs E1 à En.
- La figure 3 montre comment les préamplificateurs J1 à Jm peuvent être alimentés de façon équipotentielle et équiphase à partir d'une source figurée par un amplificateur unique, N, sur l'entrée duquel est appliqué un signal S. Le montage comporte l'amplificateur N suivi d'un coupleur à 3dB, à 90°, M, suivi de 2 boîtes de distribution équipotentielles et équiphases, identiques L1, L2 à une entrée et m sorties, suivies de m coupleurs à 3dB, à 90°, K1 à Km, suivis des m préamplificateurs J1 à Jm. Entre l'accès 2 du coupleur M et la masse ainsi qu'entre les accès 3 des coupleurs K1 à Km et la masse, sont branchées des résistances d'équilibrage, R et Rk1 à Rkm.
- La partie du montage selon la figure 3 comprise entre la sortie de la source N et les entrées des préamplificateurs J1 à Jm correspond à la partie du montage selon la figure 1 comprise entre l'antenne A et les sorties des amplificateurs E1 à En, et utilisée donc, grâce à sa réversibilité, dans le sens inverse de son utilisation selon la figure 1. Ce montage permet une alimentation équipotentielle et équiphase des préamplificateurs J1 à Jm.
- L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits, elle s'applique de manière générale à l'alimentation équipotentielle et équiphase de n utilisateurs par m sources d'énergie, avec m et n entiers positifs et m+n supérieur à 2.
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