EP2327120A1 - Diviseur / combineur de puissance - Google Patents

Diviseur / combineur de puissance

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Publication number
EP2327120A1
EP2327120A1 EP09740360A EP09740360A EP2327120A1 EP 2327120 A1 EP2327120 A1 EP 2327120A1 EP 09740360 A EP09740360 A EP 09740360A EP 09740360 A EP09740360 A EP 09740360A EP 2327120 A1 EP2327120 A1 EP 2327120A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
topological
divider
volume
type
elementary
Prior art date
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Granted
Application number
EP09740360A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP2327120B1 (fr
Inventor
Omar Houbloss
Jérôme PUECH
Luc Lapierre
Mohamed Masmoudi
Christelle Boichon
Michel Aubourg
Stéphane BILA
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National dEtudes Spatiales CNES
Original Assignee
Centre National dEtudes Spatiales CNES
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Filing date
Publication date
Application filed by Centre National dEtudes Spatiales CNES filed Critical Centre National dEtudes Spatiales CNES
Priority to EP16162683.3A priority Critical patent/EP3062385A1/fr
Publication of EP2327120A1 publication Critical patent/EP2327120A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP2327120B1 publication Critical patent/EP2327120B1/fr
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
    • H01P5/19—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port of the junction type

Definitions

  • the invention relates to a method for obtaining a power divider / combiner from any topological form.
  • a combiner with two input channels and an output channel is thus identical to a divider with one input channel and two output channels, the inputs / outputs are simply exchanged. Also, for simplicity, we will often talk about dividers only. Planar technology is the simplest for the realization of dividers and power combiners comprising a large number of inputs and / or outputs.
  • a basic component for producing such combiners or dividers is the planar splitter 1 input channel / 2 output Wilkinson type channels.
  • Such a divider shown in Figure la comprises two quarter-wave lines and an insulation resistance. The first ends of each line are connected together to form the input of the divider, the second ends of the two lines form the two outputs of the divider, and the resistor is connected between the two outputs to isolate them from each other.
  • planar divider By associating several planar elementary dividers according to an N-stage tree structure (FIG. 1b) associating input / output dividers via transmission lines, a planar divider with one input and 2 N outputs is obtained.
  • the length of the transmission lines increases sharply with the number of elementary dividers to be associated. Also, this technology can not be used if the number of inputs or outputs becomes important, because the power provided by an additional stage becomes lower than the losses in the transmission lines.
  • Another disadvantage of elementary dividers of the Wilkinson type, and still more of a combination of several elementary dividers, is the surface of the circuits, which on the one hand is not negligible and, on the other hand, can not be varied. Indeed, the length of the quarter wave lines is fixed according to their frequency of use.
  • Wilkinson splitters are their low bandwidth due to the use of quarter wave lines.
  • One solution for broadening the bandwidth is to add quarter-wave lines to the inputs / outputs of the divider, but this solution increases the size of the divider and its insertion losses.
  • N-type Wilkinson-type splitters are also known, with N> 2, but they can not be made in planar technology.
  • the object of the invention is to propose power dividers / combiners that do not have the disadvantages of known divisors / combiners, as well as a method for obtaining such a divider / combiner.
  • the invention provides a power divider / combiner comprising M inputs and N outputs, M and N being integers, one of which is greater than one and the other of which is greater than two. .
  • the divider according to the invention is characterized in that it comprises a body of related form made of a metallic material.
  • a body contour includes a first zone and a second zone, the entries being connected to one of the zones and the outlets being connected to the other zones.
  • the body includes a first region located approximately between the first zone of the contour and a center plane approximately midway between the first zone and the second zone, and a second region located approximately between the second zone of the contour and the middle plane. .
  • the body also includes a recess localized in the first region so that each output is connected to at least one input by two different topological paths.
  • the shape of the body can be flat with a linear outline.
  • the shape of the body can also be voluminal with a surface contour. The inputs are distributed over the first zone of the contour and the outputs are distributed over the second zone of the contour, or else the reverse.
  • the shape and dimensions of the body are not limited to a quarter-wave line or a quarter-wave line assembly, as will be seen later in examples, so that dimensions of a divider according to the invention are easily adaptable to the space in which the divider must be inserted for the intended application.
  • the electrical characteristics of the dividers according to the invention are particularly interesting, especially with regard to the transmission coefficients (in amplitude and in phase) between an input and an output, the reflection coefficients (amplitude and phase) at an input or an output, and the bandwidth.
  • the divider body may comprise an axis of symmetry extending substantially between a point of symmetry of the first zone of the contour and a point of symmetry of the second zone of the contour. The presence of a axis of symmetry facilitates the dimen onnemen t and the realization of the divisor. If the shape of the divider body is volume, then the body may include an axis or plane of symmetry. The divider body may also include a slot extending substantially between the recess and the second zone of the contour.
  • Such a slot may be particularly advantageous for placing either a resistor or a resistive layer between the two metallized areas, in both cases, to improve the insulation between the two output channels.
  • Such a slot can also be used to separate the two branches formed to associate other dividers and form a divider with a larger number of outputs.
  • the slot may extend along the axis of symmetry (or the plane of symmetry if there is one). It is noted in practice that, along the axis of symmetry, the linear currents are quite low or even zero so that it is easy to cut a slot in the divider body.
  • a slot divides the second area of the outline into a first portion and a second portion.
  • an electrical resistance (a wire, a section of a line, etc.) connected between the first part and the second part of the second zone of the contour.
  • the said resistor serves mainly as a heat sink, as will be better seen in examples.
  • the body may also include one or more recesses located in the second region substantially in one or more planes parallel to the center plane.
  • the body may further comprise at least one stub in the vicinity of at least one input or at least one output, to adapt the impedance of the input or the output concerned.
  • the invention also provides a method for obtaining a divider / combiner as described above. The method according to the invention comprises the following steps, consisting of:
  • El define an initial topological volume and a position of M inputs and N outputs on a contour of said volume, M and N being integers, one of which is greater than one and the other of which is greater than two, the volume initial topological being defined by an initial shape and its electrical, insulating or conductive characteristic,
  • E24 mesh the initial topological volume to decompose the initial topological volume into a set of elementary volumes; for example, the topological volume can be decomposed into elementary triangles in the case of using the finite element method;
  • E25 define a cost criterion to be optimized, the cost criterion defining at least one intrinsic electrical characteristic desired for the divider / combiner; for example, the cost criterion may be based on a linear combination of the reflection coefficients at each input or output of the divider / combiner;
  • E26 to define an initial type of the process among the metallization type and the demetallization type, unitary topological elements
  • E3 to produce a final topological volume forming a divider / combiner body by optimizing the cost criterion by a method of topological gradient during which: • if the process is of metallization type, elementary volumes of insulator type are replaced by elementary volumes of conductive type, or If the process is of the demetallization type, elementary volumes of the conductive type are replaced by elementary volumes of insulating type.
  • the method according to the invention thus makes it possible, from any elementary topological volume, to develop power divisors / combiners having the most appropriate characteristics for the intended application: a number of inputs and outputs, a form global geometry, a maximum value of a reflection coefficient, a minimum value of a transmission coefficient, etc., are parameters that are at the user's choice, as will be seen later.
  • the method as described above makes it possible to obtain particularly efficient dividers according to the criteria of its choice (maximized transmission coefficient and / or minimized reflection coefficients, etc.), starting from an initial topological volume. any.
  • the initial topological volume can in particular be chosen according to the geometry of the circuit for which it is intended. The process thus makes it possible to develop new couplers that are particularly well adapted to their environment.
  • the initial topological volume may also be any form that is believed to be most certainly of good performance and / or reflective performance. The method thus makes it possible to obtain a high performance divider / combiner.
  • the method described can make it possible to improve the performance of existing divisors / combiners, such as, for example, the Wilkinson type dividers / combiners, for example by choosing as initial topological volume the shape of the divisors / combiners to be improved, or a shape approached.
  • the initial topological volume may have a very small thickness, or may be substantially flat. In this case we speak of initial topological surface rather than topological volume, but the implementation of the process is the same.
  • FIGS. 1a and 1b are known Wilkinson type divider / combiner diagrams
  • FIGS. 2a to 6a are diagrammer / combiner diagrams according to the invention.
  • FIGS. 2b to 5b show the evolution of the transmission coefficient of the dividers of FIGS. 2a to 5a
  • FIGS. 2c to 5c show the evolution of the reflection coefficient of the dividers of FIGS. 2a to 5a
  • FIG. 6 shows a method for obtaining combiners according to the invention
  • FIG. 7 shows an example of initial volume for a method according to the invention.
  • the combiners / dividers of FIGS. 1a and 1b are of the Wilkinson type, constructed on the basis of quarter-wave lines, that is to say lines whose length is imposed as a function of the inverse of the frequency of use. .
  • a disadvantage of this type of divider is the size imposed by the use of quarter-wave lines, and which necessarily limits the multiplication of the number of inputs and / or output.
  • Another disadvantage of this type of divider is the small width of its bandwidth, that is to say the frequency range over which the reflection coefficient at an input or at an output of the divider is less than - 25 dB.
  • the reflection coefficient is less than or equal to -25 dB over a frequency band of width at most 2.7 GHz.
  • the circuit of FIG. 2a is a divider 20 according to the invention, comprising an inlet 21 and two outlets 22, 23. It comprises a body made from a rectangular metal plate 24 (copper plate) of approximately 4.1x1.7 cmxcm and of fairly low thickness (of the order of 0.1 to 1 mm), so that the body can be considered as plane.
  • a Wilkinson type splitter with an input and two outputs measures approximately 11.3 ⁇ 4.0 cm ⁇ cm (as an indication, the width of a microstrip line impedance 56.3 ohms at 2 GHz is 1.82 mm).
  • the inlet 21 is located in a first zone of the contour of the body, in this case on one of the shortest edges of the plate 24, and the outlets 22, 23 are located in a second zone of the contour of the body, in this case on the other of the shorter edges of the plate 24.
  • the middle plane passing through an axis BB2 and perpendicular to the plate 24 defines two regions of the body: the first region is located between the middle plane and the first zone of the contour (ie, in Figure 2a, to the right of the BB2 axis, between the axis BB2 and the input 21), and the second region is located between the middle plane and the second zone of the contour (ie, in Figure 2a, left of the axis BB2, between l BB2 axis and the outputs 22, 23).
  • the divider body includes a first recess 25a located in the first region.
  • the input 21 is thus the input 21 connected to each output 22, 23 by at least two different topological paths.
  • the divider body also comprises three recesses 25b, 25c, 25d located in the second region (ie in Figure 2a to the left of the axis BB2), substantially in a plane parallel to the center plane. , more precisely in the example along the plane passing through an axis CC2 and perpendicular to the plate 24.
  • the divider body further comprises an additional recess 25e situated substantially along another plane parallel to the plane middle .
  • the circuit also has an axis of symmetry AA2 passing substantially through the inlet 21 and by a point of symmetry of the second zone, in this case a point equidistant from the outlets 22, 23.
  • the transmission coefficient of the divider of Figure 2a is shown in Figure 2b.
  • the dashed line represents the simulated transmission coefficient using appropriate software and a mechanical and electrical representation of the divider of Figure 2a.
  • the solid line represents the transmission coefficient measured from a prototype divider according to that of FIG. 2a.
  • the transmission coefficient is of the order of - 3.2 dB over a frequency range of the order of 600 MHz around 2 GHz.
  • the reflection coefficient at the input of the divider of FIG. 2a is represented in FIG. 2c (simulated value represented in dotted lines and measured value represented in solid lines).
  • the reflection coefficient is of the order of -25 dB over a frequency range of the order of 400 MHz around a central frequency of 2 GHz.
  • the circuit of FIG. 3a is a divider 30 according to the invention, comprising an input 31 and four outputs 32, 33, 34, 35. It comprises a body made from a metal plate 36 (copper plate) of shape approximately square about 3.4x4.2 cmxcm, of rather low thickness.
  • a Wilkinson type splitter with one input and four outputs such as that of FIG. 1b and working approximately at the same center frequency is approximately 22.5 x 12.0 cm x cm.
  • the inlet 31 is located in a first zone of the contour of the body, in this case on a first side of the plate, and the outlets 32, 33, 34, 35 are located in a second zone of the contour of the body, in the on a second side the plate 24 opposite the first side.
  • the center plane of the divider body is perpendicular to the plate 36 and passes through an axis BB3 equidistant from the first side and the second side.
  • the first region of the body extends between the middle plane and the first zone of the contour of the divider body (eg the first side of the plate to which input 31 is connected); the second region of the body extends between the middle plane and the second zone of the contour of the divider body (eg the second side of the plate on which the outlets 32, 33, 34, 35 are connected).
  • a first recess 37a located in the first region of the body, between the first zone and the middle plane.
  • the recess 37a measures approximately 2.2x1.0 cmxcm.
  • Seven other recesses 36b, 36c, 36d, 36e, 36f, 36h are drilled in a plane substantially parallel to the center plane (the plane passing through an axis CC3). Two of the seven recesses (36b, 36h) open on one side of the body.
  • the recesses 36b, 36h measure approximately 0.3x0.1 cmxcm
  • the recesses 36c, 36g measure approximately 0.3x0.2 cmxcm
  • the recesses 36d, 36f measure approximately 0.2x0.1 cmxcm
  • the recess 36e 1.0x0.1 cmxcm.
  • the inlet 31 is connected to each outlet 32, 33, 34 or 35 by at least two paths. different topologies.
  • the circuit 30 also has an axis of symmetry AA3 passing substantially through the inlet 21 and a symmetry point of the second zone of the contour of the body, in this case equidistant from the outputs 33, 34, and also equidistant from the outputs 32, 35.
  • the transmission coefficient between the input 31 and the output 33 is shown in dashed lines in FIG. 3b, and the transmission coefficient between the input and the output 34 is represented in solid lines.
  • the transmission coefficients are of the order of -6.5 to -7.5 dB over a frequency range of the order of 1 GHz around 2.25 GHz.
  • the reflection coefficient at the input 31 of the divider of FIG. 3a is shown in FIG. 3c (simulated value represented in dotted lines and measured value represented in solid lines). It is less than about -8 dB over a frequency range of around 1 GHz around 2.25 GHz.
  • the divider of FIG. 4a is a divider 40 according to the invention, comprising an input 41 and eight outputs 42a to 42h.
  • the divider 40 is obtained by combining two divisors 43, 44 with an input and four outputs (obtained by modifying a divider according to FIG. 3a) via a divider 45 with an input and two outputs ( obtained by modifying a divider according to FIG. 2a) in the following manner.
  • a slot is cut along the axis of symmetry AA2.
  • the slot starts from the second zone of the contour, more precisely from a point of the second zone situated approximately halfway between the two outputs of the divider in FIG. 2a, and extends to the nearest recess 25a. of the inlet 21, then the two outlets have been separated from one another to form two branches 46,
  • a slot is cut along the axis AA3.
  • the slot starts from the second zone of the contour, more precisely from a point of the second zone situated approximately halfway between the two central outlets 33, 34 and extends to the recess 37a closest to the entrance 31.
  • the divider 45 is then associated with the dividers 43, 44 so that: • the input of the divider 45 forms the input of the divider 40,
  • the outputs of the dividers 43, 44 form the eight outputs of the divider 40,
  • the inputs of the dividers 43, 44 are connected to the outputs of the divider 45.
  • the branches 46, 47 form the first zone of the contour on which is connected the input 41 of the divider; the second sides of the dividers 43, 44 on which are connected the outputs 42a to 42h together form the second zone of the divider 40.
  • the center plane of the divider passes through an axis BB4 equidistant from the first zone and the second zone.
  • the first region of the divider body is located between the input 41 and the axis BB4, and the second region of the body is located between the axis BB4 and the outputs 42a to 42h.
  • dividers 43, 44, 45 form a recess 48 delimited approximately by the two branches 46, 47 of the divider 45, and a part 43a, 44a of the contours of the dividers 44, 45 located in the vicinity of the input of said dividers 44, 45.
  • the divider 40 also has a series of smaller recesses located in the second region of the divider body, substantially along a plane passing through an axis CC4 and parallel to the center plane.
  • the divider 40 finally has two recesses 49a, 49b, located in the first region of the divider body, between the recess 48 and the center plane.
  • the divider 40 of FIG. 4a has an axis of symmetry AA4 passing through the input 41 of the divider and by a point of symmetry PS4 of the second zone of the contour of the divider 40 on which the outputs 42a to 42b are distributed.
  • the divider 40 also comprises a slot extending along the axis of symmetry, from the point PS4 to the recess 48.
  • the divider 40 also comprises an electrical resistance 60 connecting the two parts of the second zone of the contour of the divider 40.
  • This resistor serves essentially as heat sink.
  • the divider 40 is used as an eight-input combiner and an output (the inputs and outputs are inverted), and an energy + E is applied to the inputs 52a to 52d, and an opposite energy -E on the inputs 52e to 52h, the energy transmitted on the output 51 is zero and the energy applied on the inputs dissipates through the resistor 60.
  • the distance between the point PS4 and input 41 is of the order of 4 cm at 2 GHz
  • the distance between the two outputs 42a and 42h farthest from each other is of the order of 6 cm at 2 GHz.
  • the reflection coefficient of the divider of FIG. 4a is represented in dashed line at the input 41.
  • FIG. 4b shows the transmission coefficients between the input and four of the outputs 42a to 42d. Over the frequency range of 5 GHz wide around 12.5 GHz, the coefficients are almost identical (so a very good electrical symmetry between the different outputs), of the order of - 6.7 dB. These values correspond to simulations taking into account the magnetic short-circuit symmetry plane, otherwise, without this plane, the values are around -9 dB).
  • the divider according to FIG. 5a is a divider 50 according to the invention, comprising an inlet 51 and two outlets 52, 53. It comprises a body made from a metal plate 54 of substantially trapezoidal shape having dimensions approximately for a divider working around 2 GHz: large side 2 cm, small side 1 cm and height 4 cm. Entrance 51 is located on the short side, and outlets are located on the long side.
  • FIG. 5b shows the transmission coefficient between the input 51 and the output 53 and in FIG. 5c is shown the reflection coefficient on the input channel 51 of the divider. Over the frequency range 1.7 to 2.4 GHz, the transmission coefficient is very close to -3 dB and the reflection coefficient is less than -17 dB.
  • the invention also proposes a method for obtaining power dividers / combiners according to the invention.
  • the process is shown in Figure 6.
  • the method comprises all of an initial step El defining the initial topological volume from which the combiner will be obtained.
  • the M inputs and N outputs desired for the divider are positioned on the contour of the selected initial volume.
  • M and N are integers, one of which is greater than one and the other is greater than two.
  • the electrical characteristic of the initial volume is specified.
  • the electrical characteristic is here chosen from two values: insulator or conductor.
  • the initial topological volume can be defined by any initial shape and its electrical, insulative or conductive characteristic.
  • the initial topological volume can be defined by an initial shape such as a simple volume shape, possibly of very small thickness (the volume is in this case rather a surface), for example a tetrahedron, a rectangular parallelepiped (cf. 2a, 3a), or a planar square surface, of insulating or conductive type.
  • the initial topological volume can also be defined by an assembly of initial shapes and their respective initial electrical characteristics.
  • the M entries are positioned at an entry of GE1 guides to GEM and the N outputs are positioned at an output of the GS1 to GSN guides.
  • the following step E3 will define and optimize the metallic connections between the input waveguides and the output waveguides, as will be seen later.
  • More complex initial topological volumes may also be used, such as an assembly of final topological volumes obtained by the method according to the invention.
  • initial topological volumes such as an assembly of final topological volumes obtained by the method according to the invention.
  • an association of several dividers was used as initial topological volume to obtain a divider comprising a greater number of outputs.
  • step E1 it is also possible to provide a step E12 consisting of defining a desired plane or axis of symmetry for the divisor to be obtained.
  • a step E12 consisting of defining a desired plane or axis of symmetry for the divisor to be obtained.
  • the divider of FIG. 2a with one input and two outputs, was obtained by the method according to the invention, from an initial surface of rectangle type (equivalent to an initial topological volume of parallelepiped type with very low thickness) of conductive material such as copper.
  • the inlet was positioned in the middle of a small side and the outlets were positioned on the small opposite side, with a plane of symmetry passing through the entrance and the middle of a segment whose outputs form the ends.
  • the method then comprises an initialization step E2 of the method. During step E2, the following substeps E24 and E25 are performed.
  • the initial topological volume is meshed (E24) to decompose the initial topological volume into a set of elementary volumes.
  • the elementary volumes are for example all of tetrahedral form or of cubic form. If the initial volume is flat, that is to say if it is a surface, the elementary surface may be decomposed into a set of elementary surfaces, for example of triangular shape or of rectangular shape.
  • a cost criterion to be optimized is defined (E25).
  • the cost criterion defines at least one intrinsic characteristic, for example an electrical characteristic, desired for the divider.
  • a divider / combiner is considered as performing in a given frequency band if, in the said frequency band: • its transmission coefficients are maximum and / or
  • the cost criterion is defined as a sum, possibly weighted, of the differences between a desired value of each intrinsic characteristic and an actual value of the said characteristic.
  • a and B are weighting coefficients.
  • SI1 represents the reflection coefficient at the input of the structure.
  • the power losses of the divisors are minimal when SI1 tends to zero, that is, to - ⁇ in dB.
  • the difference S21 - S31 is minimal when the input power is perfectly shared between the two outputs, that is to say if the two outputs are well isolated from each other.
  • Step E2 may also comprise a step E26 of defining an initial type of the method among the metallization type and the demetallization type.
  • step E3 will consist in replacing elementary voids of the insulating type with elementary volumes of the conducting type, the choice of the elementary volumes to be replaced being optimized to minimize the criterion of cost .
  • Next E3 will consist of replacing elementary volumes of conductive type by elementary volumes of insulating type, the choice of elementary volumes to be replaced being optimized to minimize the cost criterion. It should be noted that the elementary volumes of the insulating type can simply be elementary volumes filled with air.
  • a final topological volume forming a body of a divider / combiner is produced by optimizing the cost criterion by a topological gradient method during which: • if the process is of the metallization type, volumes elementary type insulators are replaced by elementary volumes of conductive type, or • if the process is of the demetallization type, elementary volumes of conductive type are replaced by elementary volumes of insulating type.
  • a topological gradient method is described in particular in the paper by J. Pommier, Topological asymptotics in Electromagnetism, PhD Thesis, Paul Sabatier University, Toulouse, May 2002.
  • the method may also comprise the following step E4, carried out after step E3 and consisting of:
  • step E4 smooth contours of the Divider / combiner and repeat step E3. This step is interesting to facilitate the practical realization of the divider, especially if the step E3 reveals a divider comprising a body whose contour is particularly serrated.
  • the method may further comprise the following step E5, performed after step E3 and / or after step E4, and consisting of:
  • step E5 locally add or remove a block of conductive material in the intermediate form from a step E3, then repeat step E3.
  • step E5 is appropriate to further reduce the cost criterion and thus obtain a more efficient divider.
  • the divider of FIG. 4a was obtained by a method according to the invention during which a step E5 was carried out, for example after some embodiments of step E3, to add line sections in the vicinity of the input and outputs of the divider.
  • step E3 a so-called topological gradient method is used to optimize the cost criterion.
  • the step E3 of using the topological gradient method comprises in particular the following substeps E31 to E34.
  • the topological gradient is calculated (E31) according to the electrical characteristic, insulator or driver, of each elementary volume. All elementary volumes are then ranked (E32) according to their topological gradient value.
  • step E33 the state, insulating or dielectric, of the elementary volumes having the smallest topological gradients is changed, depending on the type of process. More precisely :
  • NP predefined number determined by a threshold value of the topological gradient below which the voids / elementary surfaces have their gradient value or by a percentage of unitary elements chosen among the most negative, taking into account their classification of elementary volumes among the elementary volumes of conducting type having the smallest topological gradients, by elementary volumes of insulating type, the elementary volumes of insulating type are not modified , or
  • steps E31 to E34 are repeated. If the cost criterion increases, it means that for the cost criterion, a minimum value has been reached. This minimum can be a local minimum. The following steps of the method make it possible, if necessary, to leave a local minimum for the cost criterion, and to search for a lower value of the cost criterion.
  • step E3 may also comprise the following sub-step E35, performed after step E34 for calculating the cost criterion if the cost criterion increases.
  • Step E35 consists of decreasing the predefined number NP. Steps E33 and E34 are then repeated. Step E35 makes it possible to make finer variations of the cost criterion.
  • the step E3 may also comprise the following sub-step E37, performed after the cost criterion calculation step E34 if the cost criterion increases and if the predefined number is equal to 1.
  • Step E37 consists in selecting an elementary volume other than the elementary volume of lower topological gradient, for example the elementary volume classified before last in the list of elementary volumes ordered in decreasing topological gradient order. Steps E33, E34 are then repeated.
  • Step E3 may also comprise the following substep E36, performed after substep E35 if the predefined number is equal to a minimum value (for example 0).
  • Step E36 consists of changing the type of the process (going from a metallization process to a demetallization process or vice versa) and then repeating step E3.

Landscapes

  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

L'invention concerne un Diviseur / combineur de puissance ayant un fort coefficient de transmission sur une bande de fréquence étendue. L'invention concerne également un procédé comprenant les étapes suivantes, consistant à: E1 : définir un volume topologique initial et une position de M entrées et N sorties sur un contour du dit volume, le volume topologique initial étant défini par une forme initiale et sa caractéristique électrique, isolant ou conducteur; E2 : Initialiser le procédé : E24 : mailler le volume topologique initial pour décomposer le volume topologique initial en un ensemble de volumes élémentaires; E25 : définir un critère de coût à optimiser, le critère de coût définissant au moins une caractéristique intrinsèque souhaitée pour le Diviseur / combineur; E3 : produire un volume topologique final formant un corps d'un diviseur / combineur en optimisant le critère de coût par une méthode de gradient topologique.

Description

DIVISEUR / COMBINEUR DE PUISSANCE
L'invention concerne un procédé d'obtention d'un diviseur / combineur de puissance à partir d'une forme topologique quelconque .
Ces circuits sont réversibles . Un combineur à deux voies d'entrée et une voie de sortie est ainsi identique à un diviseur à une voie d'entrée et deux voies de sortie, les entrées / sorties sont simplement échangées. Aussi, pour simplifier, on parlera souvent par la suite de diviseurs uniquement. La technologie planaire est la plus simple pour la réalisation de diviseurs et de combineurs de puissance comprenant un grand nombre d'entrées et / ou de sorties.
Un composant de base pour la réalisation de tels combineurs ou diviseurs est le diviseur planaire 1 voie d'entrée / 2 voies de sortie de type Wilkinson. Un tel diviseur représenté sur la figure la comprend deux lignes quart d'onde et une résistance d'isolation. Les premières extrémités de chaque ligne sont reliées ensemble pour former l'entrée du diviseur, les deuxièmes extrémités des deux lignes forment les deux sorties du diviseur, et la résistance est connectée entre les deux sorties pour les isoler l'une de l'autre.
En associant plusieurs diviseurs élémentaires planaires selon une structure arborescente (figure Ib) à N étages associant des diviseurs 1 entrée / deux sorties par l'intermédiaire de lignes de transmission, on obtient un diviseur planaire à une entrée et 2N sorties .
La longueur des lignes de transmission augmente fortement avec le nombre de diviseurs élémentaires à associer. Aussi, cette technologie ne peut pas être utilisée si le nombre de d'entrées ou de sorties devient important, car la puissance apportée par un étage supplémentaire devient inférieure aux pertes dans les lignes de transmission. Un autre inconvénient des diviseurs élémentaires de type Wilkinson, et plus encore d ' une combinaison de plusieurs diviseurs élémentaires est la surface des circuits, qui d'une part est non négligeable et d'autre part ne peut pas être variée. En effet, la longueur des lignes quart d ' onde est fixée en fonction de leur fréquence d'utilisation.
Un autre inconvénient encore des diviseurs de type Wilkinson est la faiblesse de leur bande passante due à l 'utilisation de lignes quart d' onde. Une solution pour élargir la bande passante consiste à ajouter des lignes quart d'onde sur les entrées / sorties du diviseur, mais cette solution augmente la taille du diviseur et ses pertes d'insertion. Des diviseurs à N sorties de type Wilkinson, sont également connus, avec N > 2, mais ils ne peuvent pas être réalisés en technologie planaire.
Des diviseurs autres que les diviseurs de Wilkinson existent, mais tous sont réalisés à partir de lignes de transmission, et ont les mêmes limites que les diviseurs de Wilkinson, notamment en termes de pertes d'insertion, de bande passante et de taille.
L ' obj et de l ' invention est de proposer des diviseurs / combineurs de puissance ne présentant pas les inconvénients des diviseurs / combineurs connus, ainsi qu'un procédé d'obtention d'un tel diviseur / combineur.
Ainsi, l ' invention propose un diviseur / combineur de puissance comprenant M entrées et N sorties, M et N étant des nombres entiers dont l'un est supérieur à un et dont l'autre est supérieur à deux. .
Le diviseur selon l 'invention est caractérisé en ce qu' il comprend un corps de forme connexe réalisé dans un matériau métallique. Un contour du corps comprend une première zone et une deuxième zone, les entrées étant reliées à l'une des zones et les sorties étant reliées à l'autre des zones. Le corps comprend une première région située approximativement entre la première zone du contour et un plan milieu situé approximativement à mi- chemin de la première zone et de la deuxième zone, et une deuxième région située approximativement entre la deuxième zone du contour et le plan milieu. Le corps comprend également un évidement localisé dans la première région de sorte que chaque sortie soit reliée à au moins une entrée par deux chemins topologiques différents.
La forme du corps peut être plane avec un contour linéaire. La forme du corps peut également être volumique avec un contour surfacique. Les entrées sont réparties sur la première zone du contour et les sorties sont réparties sur la deuxième zone du contour, ou bien 1 ' inverse .
Contrairement aux diviseurs de type Wilkinson, la forme et les dimensions du corps ne sont pas limités à une ligne quart d'onde ou un assemblage de lignes quart d'onde, comme on le verra mieux plus loin dans des exemples, de sorte que les dimensions d'un diviseur selon l'invention sont facilement adaptables à l'espace dans lequel le diviseur doit être inséré pour l'application envisagée . Par ailleurs, comme on le verra mieux dans des exemples, les caractéristiques électriques des diviseurs selon l'invention sont particulièrement intéressantes, notamment en ce qui concerne les c o efficients de transmission (en amplitude et en phase) entre une entrée et une sortie, les coefficients de réflexion (en amplitude et en phase) au niveau d'une entrée ou une sortie, et la bande passante.
Le corps du diviseur peut comprendre un axe de symétrie s 'étendant sensiblement entre un point de symétrie de la première zone du contour et un point de symétrie de la deuxième zone du contour. La présence d'un axe de symétrie facilite le dimen s i onnemen t et la réalisation du diviseur. Si la forme du corps du diviseur est volumique, alors le corps peut comprendre un axe ou un plan de symétrie. Le corps du diviseur peut comprendre également une fente s'étendant sensiblement entre l'évidement et la deuxième zone du contour.
Une telle fente peut s'avérer être particulièrement intéressante pour placer soit une résistance soit une couche résistive entre les deux zones métallisées, afin, dans les deux cas, d'améliorer l'isolation entre les 2 voies de sorties. Une telle fente peut également être utilisée pour écarter les deux branches formées pour associer d'autres diviseurs et former un diviseur avec un plus grand nombre de sortie.
Si le corps présente un axe de symétrie, la fente peut s'étendre selon l'axe de symétrie (ou le plan de symétrie s'il y en a un) . On remarque dans la pratique que, selon l'axe de symétrie, les courants linéiques sont assez faibles voire nuls de sorte qu'il est facile de découper une fente dans le corps du diviseur.
Une fente partage la deuxième zone du contour en une première partie et une deuxième partie. Comme évoqué précédemment, on peut prévoir une résistance électrique (un fil, un tronçon de ligne, etc.) reliée entre la première partie et la deuxième partie de la deuxième zone du contour. La dite résistance sert principalement de dissipateur thermique, comme on le verra mieux dans des exemples . Le corps peut également comprendre un ou plusieurs évidements localisés dans la deuxième région sensiblement selon un ou plusieurs plans parallèles au plan milieu.
Le corps peut encore comprendre au moins un stub au voisinage d'au moins une entrée ou d'au moins une sortie, pour adapter l'impédance de l'entrée ou de la sortie concernée . L'invention propose également un procédé permettant d'obtenir un diviseur / combineur tel que décrit ci- dessus. Le procédé selon l'invention comprend les étapes suivantes, consistant à :
El : définir un volume topologique initial et une position de M entrées et N sorties sur un contour du dit volume, M et N étant des nombres entiers dont l'un est supérieur à un et dont l'autre est supérieur à deux, le volume topologique initial étant défini par une forme initiale et sa caractéristique électrique, isolant ou conducteur,
E2 : Initialiser le procédé :
E24 : mailler le volume topologique initial pour décomposer le volume topologique initial en un ensemble de volumes élémentaires ; par exemple, le volume topologique peut être décomposé en triangles élémentaires dans le cas de l'utilisation de la méthode des éléments finis; E25 : définir un critère de coût à optimiser, le critère de coût définissant au moins une caractéristique électrique intrinsèque souhaitée pour le diviseur / combineur ; par exemple, le critère de coût peut être basé sur une combinaison linéaire des coefficients de réflexion à chaque entrée ou sortie du diviseur / combineur;
E26 : définir un type initial du procédé parmi le type métallisat ion et le type démétallisat ion, des éléments topologiques unitaires, E3 : produire un volume topologique final formant un corps d'un diviseur / combineur en optimisant le critère de coût par une méthode de gradient topologique au cours de laquelle : • si le procédé est de type métallisation, des volumes élémentaires de type isolant sont remplacés par des volumes élémentaires de type conducteur, ou • si le procédé est de type démétallisation, des volumes élémentaires de type conducteur sont remplacés par des volumes élémentaires de type isolant.
Le procédé selon l'invention permet ainsi, à partir d'un volume topologique élémentaire quelconque, de développer des diviseurs / combineurs de puissance ayant les caractéristiques les plus appropriées à l'application envisagée : un nombre d'entrées et de sortie, une forme géométrique globale, une valeur maximale d'un coefficient de réflexion, une valeur minimale d'un coefficient de transmission, etc., sont des paramètres qui sont au choix de l'utilisateur, comme on le verra mieux par la suite.
Le procédé te l que dé cri t ci-dessus permet d' obtenir des diviseurs particulièrement performants selon les critères de son choix ( coefficient de transmission maximisés et / ou coefficients de réflexion minimisés, etc . ) , à partir d ' un volume topologique initial quelconque. Le volume topologique initial peut notamment être choisi en fonction de la géométrie du circuit pour lequel il est destiné. Le procédé permet ainsi de développer de nouveaux coupleurs particulièrement bien adaptés à leur environnement . Le volume topologique initial peut également être une forme quelconque dont on estime que les performances de tran smi s s i on et / ou de ré flexion sont très certainement intéressantes . Le procédé permet ainsi d'obtenir un diviseur / combineur de puissance performant.
Egalement, le procédé décrit peut permettre d'améliorer les performances de diviseurs / combineurs existants, tels que par exemple les diviseurs / combineurs de type Wilkinson, en choisissant par exemple comme volume topologique initial la forme des diviseurs / combineurs à améliorer, ou une forme approchée. A noter que le volume topologique initial peut avoir une très faible épaisseur, voire peut être sensiblement plat. On parle dans ce cas de surface topologique initial plutôt que de volume topologique, mais la mise en oeuvre du procédé est la même.
L' invention sera mieux comprise et d' autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, d'exemples de mise en oeuvre d'un diviseur / combineur selon l ' invention et d'un procédé susceptible d'être utilisé pour l'obtention d'un tel diviseur / combineur. La description est à lire en relation aux dessins annexés dans lesquels : • les figures la et Ib sont des schémas de diviseur / combineurs de type Wilkinson connus,
• les figures 2a à 6a, sont des schémas de diviseurs/ combineurs selon l'invention,
• les figures 2b à 5b montrent l 'évolution du coefficient de transmission des diviseurs des figures 2a à 5a,
• les figures 2c à 5c montrent l'évolution du coefficient de réflexion des diviseurs des figures 2a à 5a,
• la figure 6 montre un procédé d'obtention de combineurs selon l'invention, • la figure 7 montre un exemple de volume initial pour un procédé selon l'invention.
Les combineurs /diviseurs des figures la, Ib sont de type Wilkinson, construits à base de lignes quart d'onde, c'est-à-dire de lignes dont la longueur est imposée en fonction de l ' inverse de la fréquence d' utilisation .
Le diviseur de la figure la comprend M = I entrée El et N = 2 sorties Sl, S2. Le diviseur de la figure Ib comprend M = I entrée et N = 4 sorties. Il est réalisé par deux diviseurs 11, 12 à une entrée et deux sorties (15 et 16 pour l'un, 17 et 18 pour l'autre) associés ensemble par l'intermédiaire d'un troisième diviseur 13 à une entrée 14 et deux sorties . Comme dit précédemment, un inconvénient de ce type de diviseur est la taille, imposée par l'utilisation de lignes quart d'onde, et qui limite nécessairement la multiplication du nombre d'entrées et / ou de sortie.
Un autre inconvénient de ce type de diviseur est la faible largeur de sa bande passante, c'est-à-dire la plage de fréquence sur laquelle le coefficient de réflexion au niveau d'une entrée ou au niveau d'une sortie du diviseur est inférieur à - 25 dB . Pour un circuit à une entrée et deux sorties tel que celui de la figure la, le coefficient de réflexion est inférieur ou égal à - 25 dB sur une bande de fréquence de largeur au plus 2.7 GHz.
Le circuit de la figure 2a est un diviseur 20 selon l'invention, comprenant une entrée 21 et deux sorties 22, 23. Il comprend un corps réalisé à partir d'une plaque métallique 24 (plaque de cuivre) de forme rectangulaire d'environ 4.1x1.7 cmxcm et d'épaisseur assez faible (de l'ordre de 0,1 à 1 mm), de sorte que le corps peut être considéré comme plan.
A titre de comparaison, un diviseur de type Wilkinson à une entrée et deux sorties tel que celui de la figure la et travaillant approximativement à la même fréquence centrale mesure approximativement 11.3x4.0 cmxcm (à titre indicatif, la largeur d'une ligne microstrip d'impédance 56.3 ohms à 2 GHz est de 1.82 mm) .
L'entrée 21 est localisée dans une première zone du contour du corps, en l'espèce sur l'un des bords les plus courts de la plaque 24, et les sorties 22, 23 sont localisées dans une deuxième zone du contour du corps, en l'espèce sur l'autre des bords les plus courts de la plaque 24. Le plan milieu passant par un axe BB2 et perpendiculaire à la plaque 24 définit deux régions du corps : la première région est située entre le plan milieu et la première zone du contour (ie, sur la figure 2a, à droite de l'axe BB2, entre l'axe BB2 et l'entrée 21) , et la deuxième région est située entre le plan milieu et la deuxième zone du contour (ie, sur la figure 2a, à gauche de l 'axe BB2, entre l 'axe BB2 et les sorties 22 , 23 ) . Le corps du diviseur comprend un premier évidement 25a situé dans la première région. L'entrée 21 est ainsi l 'entrée 21 reliée à chaque sortie 22, 23 par au moins deux chemins topologiques différents.
Dans l ' exemple de la figure 2a, le corps du diviseur comprend également trois évidements 25b, 25c, 25d situés dans la deuxième région (ie sur la figure 2a à gauche de l ' axe BB2) , sensiblement selon un plan parallèle au plan milieu, plus précisément dans l'exemple selon le plan passant par un axe CC2 et perpendiculaire à la plaque 24. Dans l'exemple de la figure 2a, le corps du diviseur comprend encore un évidement additionnel 25e situé sensiblement selon un autre plan parallèle au plan milieu .
Le circuit présente également un axe de symétrie AA2 passant sensiblement par l'entrée 21 et par un point de symétrie de la deuxième zone, en l 'espèce un point à équidistance des sorties 22, 23.
Le coefficient de transmission du diviseur de la figure 2a est représenté sur la figure 2b. La courbe en pointillés représente le coefficient de transmission simulé à l ' aide d ' un logiciel approprié et d ' une représentation mécanique et électrique du diviseur de la figure 2a . La courbe en trait plein représente le coef ficient de transmission mesuré à partir d ' un prototype de diviseur conforme à celui de la figure 2a. Le coefficient de transmission est de l'ordre de - 3.2 dB sur une plage de fréquence de l'ordre de 600 MHz autour de 2 GHz.
Le coefficient de réflexion au niveau de l'entrée du diviseur de la figure 2a est représenté sur la figure 2c (valeur simulée représentée en pointillés et valeur mesurée représentée en trait plein) . Le coefficient de réflexion est de l'ordre de - 25 dB sur une plage de fréquence de l'ordre de 400 MHz autour d'une fréquence centrale de 2 GHz .
Le circuit de la figure 3a est un diviseur 30 selon l'invention, comprenant une entrée 31 et quatre sorties 32, 33, 34, 35. Il comprend un corps réalisé à partir d'une plaque métallique 36 (plaque de cuivre) de forme sensiblement carré d'environ 3.4x4.2 cmxcm, d'épaisseur assez faible. A titre de comparaison, un diviseur de type Wilkinson à une entrée et quatre sorties tel que celui de la figure Ib et travaillant approximativement à la même fréquence centrale mesure approximativement 22.5x12.0 cmxcm.
L'entrée 31 est localisée dans une première zone du contour du corps, en l'espèce sur un premier côté de la plaque, et les sorties 32, 33, 34, 35 sont localisées dans une deuxième zone du contour du corps, en l'espèce sur un deuxième côté la plaque 24 opposé au premier côté.
Le plan milieu du corps du diviseur est perpendiculaire à la plaque 36 et passe par un axe BB3 à équidistance du premier côté et du deuxième côté. La première région du corps s'étend entre le plan milieu et la première zone du contour du corps du diviseur (e.g. le premier côté de la plaque sur lequel est relié l'entrée 31) ; la deuxième région du corps s'étend entre le plan milieu et la deuxième zone du contour du corps du diviseur (e.g. le deuxième côté de la plaque sur lequel sont reliées les sorties 32, 33, 34, 35) . Dans la plaque 36 est percé un premier évidement 37a situé dans la première région du corps, entre la première zone et le plan milieu. L'évidement 37a mesure environ 2.2x1.0 cmxcm. Sept autres évidements 36b ,36c, 36d, 36e, 36f, 36h, sont percés selon un plan sensiblement parallèle au plan milieu (le plan passant par un axe CC3) . Deux des sept évidements (36b, 36h) débouchent sur un côté du corps. Les évidements 36b, 36h mesurent environ 0.3x0.1 cmxcm, les évidements 36c, 36g mesurent environ 0.3x0.2 cmxcm, les évidements 36d, 36f mesurent environ 0.2x0.1 cmxcm et l'évidement 36e : 1.0x0.1 cmxcm.
De même que dans le cas précédent, dans l'exemple de la figure 3a, du fait de la présence d'au moins un évidement, l'entrée 31 est reliée à chaque sortie 32, 33, 34 ou 35 par au moins deux chemins topologiques différents. Le circuit 30 présente également un axe de symétrie AA3 passant sensiblement par l'entrée 21 et par un point de symétrie de la deuxième zone du contour du corps, en l'espèce à équidistance des sorties 33, 34, et également à équidistance des sorties 32, 35.
Sur la figure 3b, le coefficient de transmission entre l'entrée 31 et la sortie 33 est représenté en pointillés sur la figure 3b, et le coefficient de transmission entre l 'entrée et la sortie 34 est représenté en trait plein. On peut remarquer la quasi- symétrie électrique entre les sorties (coefficients de transmission quasi-identiques) . De plus, les coefficients de transmission sont de l'ordre de -6.5 à -7.5 dB sur une plage de fréquence de l'ordre de 1 GHz autour de 2.25 GHz.
Le coefficient de réflexion au niveau de l'entrée 31 du diviseur de la figure 3a est représenté sur la figure 3c (valeur simulée représentée en pointillés et valeur mesurée représentée en trait plein) . Il est inférieur à environ -8 dB sur une plage de fréquence de l'ordre de 1 GHz autour de 2.25 GHz.
Le diviseur de la figure 4a est un diviseur 40 selon l'invention, comprenant une entrée 41 et huit sorties 42a à 42h.
En pratique, le diviseur 40 est obtenu en associant deux diviseurs 43, 44 à une entrée et quatre sorties (obtenus par modification d'un diviseur selon la figure 3a) par l'intermédiaire d'un diviseur 45 à une entrée et deux sorties (obtenu par modification d'un diviseur selon la figure 2a) de la manière suivante.
Pour obtenir le diviseur 45, dans un diviseur selon la figure 2a, une fente est découpée selon l'axe de symétrie AA2. La fente part de la deuxième zone du contour, plus précisément d'un point de la deuxième zone situé environ à mi-chemin des deux sorties du diviseur le la figure 2a, et s'étend jusqu'à l'évidement 25a le plus proche de l'entrée 21, puis les deux sorties ont été écartées l'une de l'autre pour former deux branches 46,
47 du diviseur 45 de la figure 5a.
Pour obtenir les diviseurs 43, 44, dans un diviseur selon la figure 3a, une fente est découpée selon l'axe AA3. La fente part de la deuxième zone du contour, plus précisément d'un point de la deuxième zone situé environ à mi-chemin des deux sorties centrales 33, 34 et s'étend jusqu'à l'évidement 37a le plus proche de l'entrée 31.
Le diviseur 45 est ensuite associé aux diviseurs 43, 44 de sorte que : • l'entrée du diviseur 45 forme l'entrée du diviseur 40,
• les sorties des diviseurs 43, 44 forment les huit sorties du diviseur 40,
• les entrées des diviseurs 43, 44 sont reliées aux sorties du diviseur 45. Les branches 46, 47 forment la première zone du contour sur laquelle est reliée l'entrée 41 du diviseur ; les deuxièmes côtés des diviseurs 43, 44 sur lesquels sont reliés les sorties 42a à 42h forment ensemble la deuxième zone du diviseur 40. Le plan milieu du diviseur passe par un axe BB4 à équidistance de la première zone et de la deuxième zone. La première région du corps du diviseur est localisée entre l'entrée 41 et l'axe BB4, et la deuxième région du corps est localisée entre l'axe BB4 et les sorties 42a à 42h.
L'association des diviseurs 43, 44, 45 forme un évidement 48 délimité approximativement par les deux branches 46, 47 du diviseur 45, et une partie 43a, 44a des contours des diviseurs 44, 45 située au voisinage de l'entrée des dits diviseurs 44, 45.
Le diviseur 40 présente également une série d'évidements plus petits situés dans la deuxième région du corps du diviseur, sensiblement le long d'un plan passant par un axe CC4 et parallèle au plan milieu. Le diviseur 40 présente enfin deux évidements 49a, 49b, localisés dans la première région du corps du diviseur, entre 1 'évidement 48 et le plan milieu.
Le diviseur 40 de la figure 4a présente un axe de symétrie AA4 , passant par l'entrée 41 du diviseur et par un point de symétrie PS4 de la deuxième zone du contour du diviseur 40 sur laquelle sont réparties les sorties 42a à 42h.
Le diviseur 40 comprend également une fente s 'étendant selon l'axe de symétrie, depuis le point PS4 jusqu'à l' évidement 48.
Le diviseur 40 comprend également une résistance électrique 60 reliant les deux parties de la deuxième zone du contour du diviseur 40.
Cette résistance sert essentiellement de dissipateur thermique. Par exemple, lorsque le diviseur 40 est utilisé comme combineur à huit entrées et une sorties (les entrées et les sorties sont inversées), et qu'on applique une énergie +E sur les entrées 52a à 52d, et une énergie opposée -E sur les entrées 52e à 52h, l'énergie transmise sur la sortie 51 est nulle et l'énergie appliquée sur les entrées se dissipe à travers la résistance 60. A titre indicatif, la distance entre le point PS4 et l'entrée 41 est de l'ordre de 4 cm à 2 GHz, la distance entre les deux sorties 42a et 42h les plus éloignées l'une de l'autre est de l'ordre de 6 cm à 2 GHz. Sur la figure 4c est représenté en pointillés le coefficient de réflexion du diviseur de la figure 4a à l'entrée 41. Sur la plage de fréquence de l'ordre de 5 GHz de large autour de 12,5 GHz, le coefficient de réflexion est de l'ordre de -10 dB . Sur la figure 4b sont représentés les coefficients de transmission entre l'entrée et quatre des sorties 42a à 42d. Sur la plage de fréquence de 5 GHz de large autour de 12,5GHz, les coefficients sont quasi-identiques (donc une très bonne symétrie électrique entre les différentes sorties) , de l 'ordre de - 6.7 dB. Ces valeurs correspondent à des simulations avec prise en compte du plan de symétrie de type Court-Circuit magnétique, sinon, sans ce plan, les valeurs sont autour de - 9 dB) .
Le diviseur selon la figure 5a est un diviseur 50 selon l'invention, comprenant une entrée 51 et deux sorties 52, 53. Il comprend un corps réalisé à partir d'une plaque métallique 54 de forme sensiblement trapézoïdale ayant pour dimensions approximativement, pour un diviseur travaillant autour de 2 GHz : grand côté 2 cm, petit côté 1 cm et hauteur 4 cm. L'entrée 51 est localisée sur le petit côté, et les sorties sont localisées sur le grand côté.
Sur la figure 5b, est représenté le coefficient de transmission entre l'entrée 51 et la sortie 53 et sur la figure 5c est représenté le coefficient de réflexion sur la voie d'entrée 51 du diviseur. Sur la plage de fréquence comprise entre 1.7 et 2.4 GHz, le coefficient de transmission est très proche de -3 dB et le coefficient de réflexion est inférieur à -17 dB .
L'invention propose également un procédé permettant d'obtenir des diviseurs / combineurs de puissance selon l'invention. Le procédé est représenté sur la figure 6.
Le procédé comprend tout d'bord une étape El de définition du volume topologique initial à partir duquel le combineur va être obtenu. Au cours de l'étape El également, les M entrées et les N sorties souhaitées pour le diviseur sont positionnées sur le contour du volume initial choisi. M et N sont des entiers, dont l'un est supérieur à un et l'autre est supérieur à deux. Egalement au cours de l'étape El, la caractéristique électrique du volume initial est précisée. La caractéristique électrique est ici choisie parmi deux valeurs : isolant ou conducteur. Le volume topologique initial peut être défini par une forme initiale quelconque et sa caractéristique électrique, isolant ou conducteur.
Par exemple, le volume topologique initial peut être défini par une forme initiale telle qu'une forme volumique simple, éventuellement de très faible épaisseur (le volume est dans ce cas plutôt une surface) , par exemple un tétraèdre, un parallélépipède rectangle (cf figures 2a, 3a), ou une surface carrée plane, de type isolant ou conducteur. Le volume topologique initial peut également être défini par un assemblage de formes initiales et leur caractéristique électrique initiale respective. Par exemple, le volume topologique initial peut être défini par (figure 7) un ensemble de guides d'ondes : M = 3 guides d'onde d'entrée et N = 4 guides d'ondes de sortie Gl à GN. Les M entrées sont positionnées à une entrée des guides GEl à GEM et les N sorties sont positionnées à une sortie des guides GSl à GSN. L'étape E3 suivante permettra de définir et d'optimiser les liaisons métalliques entre les guides d'ondes d'entrée et les guides d'ondes de sortie, comme on le verra par la suite.
Des volumes topologiques initiaux plus complexes peuvent également être utilisés, tels qu'un assemblage de volumes topologiques finals obtenus par le procédé selon l'invention. Par exemple, dans le cas du diviseur selon la figure 4a, une association de plusieurs diviseurs a été utilisée comme volume topologique initial pour l'obtention d'un diviseur comprenant un plus grand nombre de sorties.
Au cours de l'étape El, on peut également prévoir une étape E12, consistant à définir un plan ou un axe de symétrie souhaité pour le diviseur à obtenir. Cela peut permettre de simplifier les calculs et ainsi d'accélérer l'exécution du procédé. Par exemple, le diviseur de la figure 2a, à une entrée et deux sorties a été obtenu par le procédé selon l'invention, à partir d'une surface initiale de type rectangle (équivalent à un volume topologique initial de type parallélépipède à très faible épaisseur) en matériau conducteur comme par exemple du cuivre. L'entrée a été positionnée au milieu d'un petit côté et les sorties ont été positionnées sur le petit côté opposé, avec un plan de symétrie passant par l'entrée et par le milieu d'un segment dont les sorties forment les extrémités.
Le procédé comprend ensui te une étape E2 d'initialisation du procédé. Au cours de l 'étape E2, les sous-étapes E24 et E25 suivantes sont réalisées.
Tout d' abord, le volume topologique initial est maillé (E24) pour décomposer le volume topologique initial en un ensemble de volumes élémentaires. Les volumes élémentaires sont par exemple tous de forme tétraédrique ou de forme cubique. Si le volume initial est plat, c'est-à-dire si c'est une surface, la surface élémentaire pourra être décomposée en un ensemble de surfaces élémentaires, par exemple de forme triangulaire ou de forme rectangulaire.
Ensuite, un critère de coût à optimiser est défini (E25) . Le critère de coût définit au moins une caractéristique intrinsèque, par exemple une caractéristique électrique, souhaitée pour le diviseur. En fonction des applications envisagées, un diviseur / combineur est considéré comme performant dans une bande de fréquence donnée si, dans la dite bande de fréquence : • ses coefficients de transmission sont maximum et / ou
• si ses coefficients de réflexion sont minimum et / ou
• ses sorties et / ou ses entrées sont électriquement équilibrées (c'est-à-dire si ses coefficients de transmission sont sensiblement égaux) . Le critère de coût est défini comme une somme, éventuellement pondérée, des différences entre une valeur souhaitée de chaque caractéristique intrinsèque et une valeur réelle de la dite caractéristique.
Par exemple, pour obtenir un combineur à une entrée et deux sorties ayant des coefficients de transmission les meilleurs possibles (c'est-à-dire le plus proche possible de OdB) et des sorties équilibrées, on peut définir le critère de coût suivant :
C = A.abs (SIl) + B.abs(S21 - S31), avec S21 le coefficient de transmission de puissance entre l'entrée et une première sortie, exprimé en dB
S31 le coefficient de transmission de puissance entre l'entrée et une deuxième sortie exprimé en dB,
A et B sont des coefficients de pondération. Le terme SIl représente le coefficient de réflexion en entrée de la structure. Les pertes de puissance du diviseur sont minimales lorsque SIl tend vers zéro, c'es- à-dire vers -∞ en dB . La différence S21 - S31 est minimale lorsque la puissance d'entrée est parfaitement partagée entre les deux sorties, c'est-à-dire si les deux sorties sont bien isolées l'une de l'autre. Ces deux caractéri s tiques (pertes minimales et sorties équilibrées) définissent un diviseur optimal.
L'étape E2 peut également comprendre une étape E26 de définition d'un type initial du procédé parmi le type métallisation et le type démétallisation .
Si le procédé est de type métallisation, l 'étape E3 suivante va cons i ster à rempl acer de s vo lumes élémentaires de type isolant par des volumes élémentaires de type conducteur, le choix des volumes élémentaires à remplacer étant optimisé pour minimiser le critère de coût .
Si le procédé est de type démétallisation, l'étape
E3 suivante va consister à remplacer des volumes élémentaires de type conducteur par des volumes élémentaires de type isolant, le choix des volumes élémentaires à remplacer étant optimisé pour minimiser le critère de coût. A noter que les volumes élémentaires de type isolant peuvent être tout simplement des volumes élémentaires remplis d'air.
Lors de l ' étape E3 , est produit un volume topologique final formant un corps d'un diviseur / combineur en optimisant le critère de coût par une méthode de gradient topologique au cours de laquelle : • si le procédé est de type métallisation, des volumes élémentaires de type isolant sont remplacés par des volumes élémentaires de type conducteur, ou • si le procédé est de type démétallisation, des volumes élémentaires de type conducteur sont remplacés par des volumes élémentaires de type isolant. Une version très générale de la méthode du gradient topologique est décrite notamment dans le document de J. Pommier, L ' asymptotique Topologique en Electromagnétisme, PhD Thesis, Université Paul-Sabatier, Toulouse, May 2002.
Le procédé peut également comprendre l ' étape E4 suivante, réalisée après l'étape E3 et consistant à :
E4 : lisser des contours du Diviseur / combineur puis répéter l'étape E3. Cette étape est intéressante pour faciliter la réalisation pratique du diviseur, notamment si l ' étape E3 fait apparaître un diviseur comprenant un corps dont le contour est particulièrement dentelé .
Le procédé peut encore comprendre l ' étape E5 suivante, réalisée après l 'étape E3 et / ou après l 'étape E4, et consistant à :
E5 : ajouter ou supprimer localement un bloc de matière conductrice dans la forme intermédiaire issue d'une étape E3, puis répéter l 'étape E3. Dans certains cas, l 'étape E5 est appropriée pour diminuer encore le critère de coût et ainsi obtenir un diviseur plus performant .
Par exemple, le diviseur de la figure 4a a été obtenu par un procédé selon l ' invention au cours duquel une étape E5 a été effectuée, par exemple après quelques réalisations de l 'étape E3, pour ajouter des tronçons de ligne au voisinage de l ' entrée et des sorties du diviseur .
Lors de l'étape E3, une méthode dite du gradient topologique est utilisée pour optimiser le critère de coût. L'étape E3 d'utilisation de la méthode du gradient topologique comprend notamment les sous-étapes E31 à E34 suivantes. Tout d'abord, pour chaque volume élémentaire, le gradient topologique est calculé (E31) en fonction de la caractéristique électrique, isolant ou conducteur, de chaque volume élémentaire. Tous les volumes élémentaires sont ensuite classés (E32) en fonction de leur valeur du gradient topologique.
Lors de l'étape E33 suivante, on change l'état, isolant ou diélectrique, des volumes élémentaires ayant les plus faibles gradients topologiques, en fonction du type de procédé. Plus précisément :
• si le procédé est de type procédé de démétallisation, on remplace un nombre prédéfini NP (nombre prédéfini déterminé par une valeur seuil du gradient topologique en dessous de laquelle les v o 1 urne s / s u r f a c e s élémentaires ont leur valeur de gradient ou par un pourcentage d'éléments unitaires choisis parmi les plus négatifs en tenant compte de leur classement) de volumes élémentaires parmi les volumes élémentaires de type conducteur ayant les plus faibles gradients topologiques, par des volumes élémentaires de type isolant, les volumes élémentaires de type isolant ne sont pas modifiés, ou
• si inversement, le procédé est de type procédé de métallisation, remplacement d'un nombre prédéfini de volumes élémentaires parmi les volumes élémentaires de type isolant ayant les plus faibles gradients topologiques, par des volumes élémentaires de type conducteur, les volumes élémentaires de type conducteur ne sont pas modifiés. Enfin, le critère de coût est calculé (E34) à partir des caractéristiques électriques modifiées des volumes élémentaires .
Si le critère de coût diminue, c'est-à-dire si la valeur calculée du critère de coût est inférieure à une valeur calculée lors d'une précédente étape E3, les étapes E31 à E34 sont répétées. Si le critère de coût augmente, cela signifie que, pour le critère de coût, une valeur minimale a été atteinte. Ce minimum peut être un minimum local. Les étapes suivantes du procédé permettent le cas échéant de sortir d'un minimum local pour le critère de coût, et de rechercher une valeur plus faible du critère de coût.
Pour cela, l'étape E3 peut également comprendre la sous-étape E35 suivante, réalisée après l'étape E34 de calcul du critère de coût si le critère de coût augmente. L'étape E35 consiste à diminuer le nombre prédéfini NP. Les étapes E33 et E34 sont ensuite répétées. L'étape E35 permet de réaliser des variations plus fines du critère de coût .
Si, après exécution d'étapes E35, le critère de coût augmente et le nombre prédéfini est égal à 1, cela signifie que la diminution du nombre prédéfini ne permet pas de sortir d'un minimum local. Dans ce cas, l'étape E3 peut également comprendre la sous-étape E37 suivante, réalisée après l'étape E34 de calcul de critère de coût si le critère de coût augmente et si le nombre prédéfini est égal à 1. L'étape E37 consiste à sélectionner un volume élémentaire autre que le volume élémentaire de plus faible gradient topologique, par exemple le volume élémentaire classé avant dernier dans la liste des volumes élémentaires classés par ordre de gradient topologique décroissant. Les étapes E33, E34 sont ensuite répétées .
L'étape E3 peut également comprendre la sous-étape E36 suivante, réalisée après la sous-étape E35 si le nombre prédéfini est égal à une valeur minimale (par exemple 0) . L'étape E36 consiste à changer le type du procédé (on passe d'un procédé de métallisation à un procédé de démétallisation ou l'inverse) puis à répéter l'étape E3.

Claims

REVENDICATIONS
1. Diviseur / combineur de puissance à M entrées et N sorties, M et N étant des nombres entiers dont l'un est au moins égal à un et dont l'autre est au moins égal à deux, le diviseur comprenant un corps de forme connexe réalisé dans un matériau métallique, un contour du corps comprenant une première zone et une deuxième zone, les entrées étant reliées à l'une des zones et les sorties étant reliées à l'autre des zones, le corps comprenant une première région située approximativement entre la première zone du contour et un plan milieu situé approximativement à mi-chemin de la première zone et de la deuxième zone, et une deuxième région située approximativement entre la deuxième zone du contour et le plan milieu, le corps comprenant également un évidement localisé dans la première région de sorte que chaque sortie soit reliée à au moins une entrée par deux chemins topologiques différents, caractérisé en ce que le corps comprend également un ou plusieurs évidements localisés dans la deuxième région sensiblement selon un ou plusieurs plans parallèles au plan milieu.
2. Diviseur / combineur de puissance selon la revendication 1, dans lequel le corps comprend un axe de symétrie s'étendant sensiblement entre un point de symétrie de la première zone du contour et un point de symétrie de la deuxième zone du contour.
3. Diviseur / combineur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le corps comprend également une fente s'étendant sensiblement entre l' évidement et la deuxième zone du contour.
4 . Divi seur / combi neur s e l on l a revendi cat i on 3 , dans leque l l a fente s ' étend sens iblement se l on l ' axe de symétrie du corps .
5. Diviseur / combineur selon l ' une des revendications 2 à 4, dans lequel la fente partage la deuxième zone du contour en une première partie et une deuxième partie, le diviseur comprenant également une résistance électrique (60) reliée entre la première partie et la deuxième partie de la deuxième zone du contour .
6. Diviseur / combineur selon l ' une des revendications précédentes, dans lequel le corps comprend au moins un stub au voisinage d'au moins une entrée ou d'au moins une sortie.
7. Procédé d'obtention d'un diviseur / combineur de puissance, comprenant les étapes suivantes, consistant à:
El : définir un volume topologique initial et une position de M entrées et N sorties sur un contour du dit volume, M et N étant des nombres entiers dont l'un est supérieur à un et dont l'autre est supérieur à deux, le volume topologique initial étant défini par une forme initiale et sa caractéristique électrique, isolant ou conducteur,
E2 : Initialiser le procédé :
E24 : mailler le volume topologique initial pour décomposer le volume topologique initial en un ensemble de volumes élémentaires
E25 : définir un critère de coût à optimiser, le critère de coût définissant au moins une caractéristique intrinsèque souhaitée pour le diviseur / combineur, E26 : définir un type initial du procédé parmi le type métallisation et le type démétallisation, E3 : produire un volume topologique final formant un corps d'un diviseur / combineur en optimisant le critère de coût par une méthode de gradient topologique au cours de laquelle : • si le procédé est de type métallisation, des volumes élémentaires de type isolant sont remplacés par des volumes élémentaires de type conducteur, ou • si le procédé est de type démétallisation, des volumes élémentaires de type conducteur sont remplacés par des volumes élémentaires de type isolant.
8. Procédé selon la revendication 7, comprenant également l'étape E4 suivante, réalisée après l'étape E3 et consistant à : E4 : lisser des contours du volume topologique final puis répéter l'étape E3.
9. Procédé selon la revendication 8, comprenant également l'étape E5 suivante, réalisée après l'étape E3 et / ou après l'étape E4, et consistant à :
E5 : ajouter ou supprimer localement un bloc de matière conductrice dans le volume topologique final, puis répéter l'étape E3.
10. Procédé selon l'une des revendications 7 à 9, dans lequel l'étape E3 d'utilisation de la méthode du gradient topologique comprend notamment les sous-étapes suivantes, consistant à :
E31 Calcul du gradient topologique de chaque volume élémentaire en fonction de sa caractéristique électrique,
E32 : classement des volumes topologiques élémentaires en fonction de la valeur du gradient topologique,
E33 : • si le procédé est de type procédé de démétallisation, remplacement d'un nombre prédéfini (NP) de volumes élémentaires parmi les volumes élémentaires de type conducteur ayant les plus faibles gradients topologiques, par des volumes élémentaires de type isolant, ou • si le procédé est de type procédé de métallisation, remplacement d'un nombre prédéfini (NP) de volumes élémentaires parmi les volumes élémentaires de type isolant ayant les plus faibles gradients topologiques, par des volumes élémentaires de type conducteur, E34 : calcul du critère de coût et, si le critère de coût diminue, répéter les étapes E31 à E34.
11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel l'étape E3 comprend également la sous-étape E35 suivante, réalisée après l'étape E34 de calcul du critère de coût si le critère de coût augmente, l'étape E35 consistant à:
E35 : diminuer le nombre prédéfini, puis répéter les étapes E33 et E34.
12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel l'étape E3 comprend également la sous-étape E37 suivante, réalisée après l'étape E34 de calcul du critère de coût si le critère de coût augmente et si le nombre prédéfini est égal à 1, sélectionner un volume élémentaire autre que le volume élémentaire ayant le plus faible gradient topologique, puis répéter les étapes E33 et E34.
13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel l'étape E3 comprend également la sous-étape E36 suivante, réalisée après la sous-étape E35 si le nombre prédéfini est égal à une valeur minimale, l'étape E36 consistant à:
E36 : changer le type du procédé puis répéter les étapes E32 à E34.
14. Procédé selon l'une des revendications 7 à 13, dans lequel, lors de l'étape El, le volume topologique initial est défini par :
• une forme initiale telle qu'une forme volumique simple, par exemple un tétraèdre, un parallélépipède rectangle, de type isolant ou conducteur,
• une forme initiale telle qu'une forme volumique de très faible épaisseur et de surface simple, par exemple un triangle, un rectangle ou un trapèze, de type isolant ou conducteur, ou
• un assemblage de formes volumiques simples, ou
• un assemblage de volumes topologiques finals.
15. Procédé selon l'une des revendications 7 à 14, dans lequel, lors de l'étape El, le volume topologique initial est obtenu par un assemblage de plusieurs Diviseurs / combineurs obtenus par le procédé selon l'une des revendications 8 à 14.
16. Procédé selon l'une des revendications 7 à 15, dans lequel l'étape El comprend également une sous-étape E12 consistant à :
E12 : définir au moins un plan de symétrie ou au moins un axe de symétrie pour le volume topologique initial.
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