EP4395068A1 - Rat-race balun and method of reducing rat-race balun footprint therefor - Google Patents

Rat-race balun and method of reducing rat-race balun footprint therefor

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Publication number
EP4395068A1
EP4395068A1 EP23217926.7A EP23217926A EP4395068A1 EP 4395068 A1 EP4395068 A1 EP 4395068A1 EP 23217926 A EP23217926 A EP 23217926A EP 4395068 A1 EP4395068 A1 EP 4395068A1
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EP
European Patent Office
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balun
section
transmission line
port
impedance
Prior art date
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Pending
Application number
EP23217926.7A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Aymeric CAILLEUX
Laure HOGOMMAT-CHABROT
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Thales SA
Original Assignee
Thales SA
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Publication date
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Abstract

L'invention concerne un balun Rat-Race comprenant une boucle de ligne de transmission et 4 ports d'entrée-sortie P1, P2, P3, P4 connectés à ladite boucle de ligne de transmission, la section de ligne de transmission respectives entre les ports adjacents P1 et P4 est de longueur électrique 2θ 2 , d'impédance Z3 et est une section de ligne chargée par un condensateur de capacité C2 ; où θ 2 < 135 et les égalités suivantes sont vérifiées : C 2 = 2 tan θ 2 ωZ P 1 P 4 tan 2 θ 2 et Z 3 = Z P 1 P 4 tan θ 2 w étant égal à 2πf, avec f la fréquence de fonctionnement, et ZP1P4 étant l'impédance de la section de ligne de transmission non chargée de longueur physique 3λ/4 équivalente à ladite section de ligne chargée. A Rat-Race balun includes a transmission line loop and 4 input-output ports P 1 , P 2 , P 3 , P 4 connected to said transmission line loop, the transmission line section respective between the adjacent ports P 1 and P 4 is of electrical length 2 θ 2 , of impedance Z 3 and is a line section charged by a capacitor of capacitance C2; where θ 2 < 135 and the following equalities are verified: VS 2 = 2 tan θ 2 ωZ P 1 P 4 tan 2 θ 2 And Z 3 = Z P 1 P 4 tan θ 2 w being equal to 2πf, with f the operating frequency, and Z P1P4 being the impedance of the unloaded transmission line section of physical length 3λ/4 equivalent to said loaded line section.

Description

Domaine technique : Technical area :

L'invention se situe dans le domaine des baluns de type Rat-Race.The invention lies in the field of Rat-Race type baluns.

Technique antérieure : Prior technique :

Le terme balun vient des mots anglais BALanced (équilibré, balancé) et UNbalanced (déséquilibré, non balancé).The term balun comes from the English words BALanced (balanced) and UNbalanced (unbalanced).

Un balun est un circuit électrique utilisé pour effectuer la liaison entre une ligne de transmission symétrique (ligne bifilaire ou lignes imprimées parallèles) et une ligne de transmission asymétrique (câble coaxial ou ligne imprimée au-dessus d'un plan de masse). Un balun est par exemple réalisé à l'aide de câble coaxial enroulé ou d'une petite section de ligne bifilaire bobinée sur un tore en ferrite ou sur un mandrin sans noyau (balun dans l'air). Un tel balun peut fonctionner sur une large bande de fréquences (2 à 4 octaves). On peut également fabriquer un balun à l'aide d'une boucle de câble coaxial d'une longueur électrique égale à la demi-longueur d'onde. Le balun est alors mono-fréquence, en fait il fonctionne correctement sur une bande de fréquences étroite, de quelques pourcents. Des baluns sont réalisés sur des circuits imprimés, avec des microstrips, des striplines par exemple.A balun is an electrical circuit used to make the connection between a symmetrical transmission line (two-wire line or parallel printed lines) and an asymmetrical transmission line (coaxial cable or printed line above a ground plane). A balun is for example made using coiled coaxial cable or a small section of two-wire line wound on a ferrite toroid or on a coreless mandrel (air balun). Such a balun can operate over a wide frequency band (2 to 4 octaves). A balun can also be made using a loop of coaxial cable with an electrical length equal to the half wavelength. The balun is then single-frequency, in fact it works correctly on a narrow frequency band, of a few percent. Baluns are made on printed circuits, with microstrips, striplines for example.

Un balun de type Rat-Race est un composant en forme de boucle, classiquement en anneau ou en carré, comportant quatre ports n°1, 2, 3, 4 tels qu'un signal entrant sur le port 1 est divisé entre les ports 2 et 4 en opposition de phase et un signal entrant sur le port 3 est divisé entre les ports 2 et 4 en phase, le port 3 étant isolé. Il a donc pour fonction de diviser un signal radiofréquence (RF) de puissance P en deux signaux RF de puissance P/2 ou de combiner deux signaux RF de puissance P/2 en un signal RF de puissance P.A Rat-Race type balun is a loop-shaped component, classically ring or square, comprising four ports No. 1, 2, 3, 4 such that a signal entering port 1 is divided between ports 2 and 4 out of phase and an incoming signal on port 3 is split between ports 2 and 4 in phase, with port 3 isolated. Its function is therefore to divide a radio frequency (RF) signal of power P into two RF signals of power P/2 or to combine two RF signals of power P/2 into one RF signal of power P.

Un balun de type Rat-Race peut également être utilisé pour combiner des signaux : au port 3 est délivrée la différence entre deux signaux injectés en entrée du balun, après remise en phase, l'un au port 2, l'autre au port 4 et au port 1 est délivrée, après remise en phase, leur somme.A Rat-Race type balun can also be used to combine signals: at port 3 the difference between two signals injected at the input of the balun, after re-phasing, one to port 2, the other to port 4 and to port 1 is delivered, after re-phasing, their sum.

US 2022/0263212 décrit un exemple de balun de type Rat-Race. US 2022/0263212 describes an example of a Rat-Race type balun.

Il existe un besoin de réduire l'encombrement des baluns de type Rat-Race sur les supports électroniques sur lesquels ils sont intégrés.There is a need to reduce the bulk of Rat-Race type baluns on the electronic supports on which they are integrated.

Résumé de l'invention : Summary of the invention :

A cet effet, suivant un premier aspect, la présente invention décrit un balun Rat-Race, comprenant une boucle de ligne de transmission et 4 ports d'entrée-sortie P1, P2, P3, P4 connectés à ladite boucle de ligne de transmission, ledit balun étant adapté pour recevoir un premier signal sur le port P1, et pour diviser ledit premier signal en un deuxième signal délivré sur le port P2 et un troisième signal délivré sur le port P4, ledit deuxième signal et ledit troisième signal étant en opposition de phase l'un avec l'autre, dans lequel les ports adjacents entre eux parmi les ports P1, P2, P3, P4 sont reliés par des sections respectives de la boucle de ligne de transmission, et certaines au moins desdites sections sont des sections de lignes de transmission chargées par condensateur ; ledit balun étant caractérisé en ce que :
la section de ligne de transmission respectives entre les ports adjacents P1 et P4 est de longueur électrique 2θ 2 , d'impédance Z3 et est une section de ligne chargée par un condensateur de capacité C2 ; où θ 2 < 135 et les égalités suivantes sont vérifiées : C 2 = 2 tan θ 2 ωZ P 1 P 4 tan 2 et Z 3 = Z P 1 P 4 tan θ 2 w étant égal à 2πf, avec f la fréquence de fonctionnement, et ZP1P4 étant l'impédance de la section de ligne de transmission non chargée de longueur physique 3λ/4 équivalente à ladite section de ligne chargée.
To this end, according to a first aspect, the present invention describes a Rat-Race balun, comprising a transmission line loop and 4 input-output ports P 1 , P 2 , P 3 , P 4 connected to said loop of transmission line, said balun being adapted to receive a first signal on port P 1 , and to divide said first signal into a second signal delivered to port P 2 and a third signal delivered to port P 4 , said second signal and said third signal being in phase opposition to each other, wherein the ports adjacent to each other among the ports P 1 , P 2 , P 3 , P 4 are connected by respective sections of the transmission line loop , and at least some of said sections are capacitor-charged transmission line sections; said balun being characterized in that:
the respective transmission line section between the adjacent ports P 1 and P 4 is of electrical length 2 θ 2 , of impedance Z 3 and is a line section charged by a capacitor of capacity C2; where θ 2 < 135 and the following equalities are verified: VS 2 = 2 tan θ 2 ωZ P 1 P 4 tan 2 And Z 3 = Z P 1 P 4 tan θ 2 w being equal to 2 πf , with f the operating frequency, and Z P1P4 being the impedance of the unloaded transmission line section of physical length 3λ/4 equivalent to said loaded line section.

Un tel balun permet de réduire l'encombrement des baluns de type Rat-Race sur les supports électroniques sur lesquels ils sont intégrés.Such a balun makes it possible to reduce the bulk of Rat-Race type baluns on the electronic supports on which they are integrated.

Dans des modes de réalisation, un tel balun comprendra en outre l'une au moins des caractéristiques suivantes :In embodiments, such a balun will also include at least one of the following characteristics:

- chacune des sections de lignes de transmission respectives entre P1 et P2, entre P2 et P3, entre P3 et P4 est une section de ligne de longueur électrique 2θ 1, d'impédance Z1 et chargée par un condensateur de capacité C et; où θ 1 < 45° et les égalités suivantes sont vérifiées : C = 2 tan θ 1 ωZ c tan 2 θ 1 et Z 1 = Z c tan θ 1

  • w étant égal à 2πf, avec f la fréquence de fonctionnement, et
  • Zc étant l'impédance de la section de ligne de transmission non chargée de longueur physique λ/4 équivalente à ladite section de ligne chargée ;
  • le balun présente une forme de haricot et les ports P2, P4 comportent chacun au moins une première section connectée à la ligne de transmission, la première section du port P2, étant parallèle à la première section du port P4 ;
  • la première section du port P2 et la première section du port P4 parallèles entre elles se font face ;
  • le balun comporte un transformateur d'impédance chargé par un condensateur entre le port P1 et la boucle de ligne de transmission.
- each of the respective transmission line sections between P 1 and P 2 , between P 2 and P 3 , between P 3 and P 4 is a line section of electrical length 2 θ 1 , of impedance Z 1 and loaded by a capacitor of capacity C and; where θ 1 < 45° and the following equalities are verified: VS = 2 tan θ 1 ωZ vs tan 2 θ 1 And Z 1 = Z vs tan θ 1
  • w being equal to 2 πf, with f the operating frequency, and
  • Z c being the impedance of the unloaded transmission line section of physical length λ/4 equivalent to said loaded line section;
  • the balun has a bean shape and the ports P 2 , P 4 each comprise at least a first section connected to the transmission line, the first section of the port P 2 being parallel to the first section of the port P 4 ;
  • the first section of port P 2 and the first section of port P 4 parallel to each other face each other;
  • the balun has an impedance transformer loaded by a capacitor between port P 1 and the transmission line loop.

Suivant un autre aspect, l'invention décrit un procédé de réduction d'encombrement d'un balun Rat-Race comprenant une boucle de ligne de transmission et 4 ports d'entrée-sortie P1, P2, P3, P4 connectés à ladite boucle de ligne de transmission, ledit balun étant adapté pour recevoir un premier signal sur le port P1, et pour diviser ledit premier signal en un deuxième signal délivré sur le port P2 et un troisième signal délivré sur le port P4, ledit deuxième signal et ledit troisième signal étant en opposition de phase l'un avec l'autre, dans lequel les ports adjacents entre eux parmi les ports P1, P2, P3, P4 sont reliés par des sections respectives de la boucle de ligne de transmission, et certaines au moins desdites sections sont des sections de lignes de transmission chargées par condensateur, ledit procédé comprenant l'étape suivante mises en oeuvre par un dispositif électronique de détermination de caractéristiques de balun Rat-Race :
la section de ligne de transmission respectives entre les ports adjacents P1 et P4 étant de longueur électrique 2θ 2 , d'impédance Z3 et étant une section de ligne chargée par un condensateur de capacité C2, détermination de l'impédance Z3 et de la capacité C2, vérifiant θ 2 < 135 et les égalités suivantes : C 2 = 2 tan θ 2 ωZ P 1 P 4 tan 2 et Z 3 = Z P 1 P 4 tan θ 2

  • w étant égal à 2πf, avec f la fréquence de fonctionnement, et
  • ZP1P4 étant l'impédance de la section de ligne de transmission non chargée de longueur physique 3λ/4 équivalente à ladite section de ligne chargée.
According to another aspect, the invention describes a method of reducing the bulk of a Rat-Race balun comprising a line loop of transmission and 4 input-output ports P 1 , P 2 , P 3 , P 4 connected to said transmission line loop, said balun being adapted to receive a first signal on port P 1 , and to divide said first signal in a second signal delivered on port P 2 and a third signal delivered on port P 4 , said second signal and said third signal being in phase opposition with each other, in which the ports adjacent to each other among the Ports P 1 , P 2 , P 3 , P 4 are connected by respective sections of the transmission line loop, and at least some of said sections are capacitor charged transmission line sections, said method comprising the following step implemented by an electronic device for determining Rat-Race balun characteristics:
the respective transmission line section between the adjacent ports P 1 and P 4 being of electrical length 2 θ 2 , of impedance Z 3 and being a line section charged by a capacitor of capacitance C2, determination of the impedance Z 3 and the capacity C2, verifying θ 2 < 135 and the following equalities: VS 2 = 2 tan θ 2 ωZ P 1 P 4 tan 2 And Z 3 = Z P 1 P 4 tan θ 2
  • w being equal to 2πf, with f the operating frequency, and
  • Z P1P4 being the impedance of the unloaded transmission line section of physical length 3λ/4 equivalent to said loaded line section.

Dans des modes de réalisation, un tel procédé comprendra en outre l'une au moins des caractéristiques suivantes :

  • chacune des sections de lignes de transmission respectives entre P1 et P2, entre P2 et P3, entre P3 et P4 étant une section de ligne de longueur électrique 2θ 1, d'impédance Z1 et chargée par un condensateur de capacité C, détermination de l'impédance Z1 et de la capacité C, vérifiant θ 1 < 45° et les égalités suivantes : C = 2 tan θ 1 ωZ c tan 2 θ 1 et Z 1 = Z c tan θ 1 w étant égal à 2πf, avec f la fréquence de fonctionnement, et Zc étant l'impédance de la section de ligne de transmission non chargée de longueur physique λ/4 équivalente à ladite section de ligne chargée ;
  • le balun présente une forme de haricot et les ports P2, P4 comportent chacun au moins une première section connectée à la ligne de transmission, la première section du port P2, étant parallèle à la première section du port P4 ;
  • la première section du port P2 et la première section du port P4 parallèles entre elles se font face ;
  • le balun comporte un transformateur d'impédance chargé par un condensateur entre le port P1 et la boucle de ligne de transmission.
In embodiments, such a method will also include at least one of the following characteristics:
  • each of the respective transmission line sections between P 1 and P 2 , between P 2 and P 3 , between P 3 and P 4 being a line section of electrical length 2 θ 1 , of impedance Z 1 and charged by a capacitor of capacitance C, determination of the impedance Z 1 and the capacitance C, verifying θ 1 < 45° and the following equalities: VS = 2 tan θ 1 ωZ vs tan 2 θ 1 And Z 1 = Z vs tan θ 1 w being equal to 2 πf , with f the operating frequency, and Z c being the impedance of the unloaded transmission line section of physical length λ/4 equivalent to said loaded line section;
  • the balun has a bean shape and the ports P 2 , P 4 each comprise at least a first section connected to the transmission line, the first section of the port P 2 being parallel to the first section of the port P 4 ;
  • the first section of port P 2 and the first section of port P 4 parallel to each other face each other;
  • the balun has an impedance transformer loaded by a capacitor between port P 1 and the transmission line loop.

Brève description des figures :Brief description of the figures:

L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit, donnée à titre non limitatif, et grâce aux figures annexées, données à titre d'exemple.

  • [Fig. 1] La figure 1 représente schématiquement un montage de type push-pull dans un mode de réalisation de l'invention ;
  • [Fig. 2] La figure 2 illustre le remplacement, dans un schéma fonctionnel de balun, des lignes classiques par des lignes chargées ;
  • [Fig. 3] La figure 3 est un schéma fonctionnel de balun dans un mode de réalisation de l'invention ;
  • [Fig. 4] La figure 4 illustre une topologie de balun considérée dans un mode de réalisation de l'invention ;
  • [Fig. 5] La figure 5 représente une ligne de transmission 3λ/4 classique et une ligne 3λ/4 chargée équivalente ;
  • [Fig. 6] La figure 6 représente une ligne 3λ/4 chargée et trois lignes λ/4 chargé équivalentes ;
  • [Fig. 7] La figure 7 représente un procédé de réduction d'encombrement de balun dans un mode de réalisation de l'invention ;
  • [Fig.8] La figure 8 représente une vue de dessus d'un circuit imprimé de dispositif push-pull du type représenté en figure 1 avec un balun en forme de haricot.
The invention will be better understood and other characteristics, details and advantages will appear better on reading the description which follows, given on a non-limiting basis, and thanks to the appended figures, given by way of example.
  • [ Fig. 1 ] There figure 1 schematically represents a push-pull type assembly in one embodiment of the invention;
  • [ Fig. 2 ] There figure 2 illustrates the replacement, in a functional balun diagram, of classic lines by loaded lines;
  • [ Fig. 3 ] There Figure 3 is a functional diagram of a balun in one embodiment of the invention;
  • [ Fig. 4 ] There Figure 4 illustrates a balun topology considered in one embodiment of the invention;
  • [ Fig. 5 ] There Figure 5 represents a conventional 3λ/4 transmission line and an equivalent loaded 3λ/4 line;
  • [ Fig. 6 ] There Figure 6 represents a charged 3λ/4 line and three equivalent charged λ/4 lines;
  • [ Fig. 7 ] There Figure 7 represents a method of reducing balun bulk in one embodiment of the invention;
  • [ Fig.8 ] There figure 8 represents a top view of a printed circuit of a push-pull device of the type shown in figure 1 with a bean-shaped balun.

Des références identiques peuvent être utilisées dans des figures différentes lorsqu'elles désignent des éléments identiques ou comparables.Identical references may be used in different figures when they designate identical or comparable elements.

Description détaillée : Detailed description :

La figure 1 représente schématiquement un module électronique de traitement 1 de type push-pull dans un mode de réalisation de l'invention, par exemple opérant à haute fréquence et intégré, sur un circuit imprimé, dans le dernier étage d'une chaîne d'émission d'un dispositif électronique de radiocommunication.There figure 1 schematically represents an electronic processing module 1 of the push-pull type in one embodiment of the invention, for example operating at high frequency and integrated, on a printed circuit, in the last stage of a transmission chain an electronic radiocommunication device.

Le module de traitement 1 comprend un transistor de puissance (« High Power Amplifier »), nommé HPA 11. Il fonctionne sur la bande L (ou toute autre bande de fréquence, en bande étroite, par exemple de largeur inférieure à 20 MHz, voire à 15 MHz et à des puissances pouvant atteindre 1,5 kW peak.The processing module 1 includes a power transistor (“High Power Amplifier”), named HPA 11. It operates on the L band (or any other frequency band, in narrow band, for example of width less than 20 MHz, or even at 15 MHz and at powers up to 1.5 kW peak.

Comme il est connu, les transistors de puissance ont une faible impédance d'entrée comparée à l'impédance standard 50 Ω et sont régulièrement composés de deux puces (assimilables à deux transistors), en montage push-pull ici, ce qui impose d'avoir de diviser (splitter) le signal en entrée et de les déphaser entre eux de 180° avant de les fournir en entrée du transistor. Le fait que les signaux fournis en entrée du HPA 11 soient en opposition de phase permet de réduire leurs interférences dues à l'amplification sur deux puces très proches.As is known, power transistors have a low input impedance compared to the standard impedance 50 Ω and are regularly composed of two chips (similar to two transistors), in push-pull assembly here, which requires have to divide (split) the input signal and phase shift them by 180° before providing them as input to the transistor. The fact that the signals supplied at the input of the HPA 11 are in phase opposition makes it possible to reduce their interference due to amplification on two very close chips.

A cet effet, le module de traitement 1 comprend en amont du HPA 11 un balun 10 dans un mode de réalisation de l'invention.For this purpose, the processing module 1 comprises, upstream of the HPA 11, a balun 10 in one embodiment of the invention.

Le signal d'entrée du module de traitement 1, typiquement un train d'impulsions RF dans la bande L (dans l'exemple considéré de puissance In 47 dBm,et de taux de charge 2%), est fourni en entrée du port P1 du balun 10. La puissance de ce signal d'entrée est P.The input signal of processing module 1, typically a train of RF pulses in the L band (in the example considered with power In 47 dBm, and load rate 2%), is supplied at the input of port P1 of balun 10. The power of this input signal is P.

Les deux signaux en sortie des ports P2 et P4, de même puissance P/2 (à +/-0,2 dB % par exemple) et en opposition de phase l'un par rapport à l'autre, sont fournis l'un en entrée d'une des deux puces du HPA 11, l'autre en entrée de l'autre des deux puces du HPA 11.The two signals output from ports P2 and P4, of the same power P/2 (at +/-0.2 dB% for example) and in phase opposition to each other, are supplied one as input to one of the two chips of the HPA 11, the other as input to the other of the two chips of the HPA 11.

En sortie du HPA 11, les deux signaux amplifiés, en opposition de phase, sont fournis en entrée d'un balun 12, l'un sur son port P2, l'autre sur le port P4. Le balun 12 remet en phase ces signaux l'un par rapport à l'autre et délivre en sortie sur son port P1, la somme de ces deux signaux remis en phase.At the output of the HPA 11, the two amplified signals, in phase opposition, are supplied at the input of a balun 12, one on its port P2, the other on the port P4. The balun 12 puts these signals back in phase with respect to each other and outputs on its port P1, the sum of these two signals put back in phase.

L'impédance en entrée du balun 10 est Z0, qui est très supérieure à chacune des impédances d'entrée ZE et de sortie ZS du HPA 11. Par exemple, Z0 = 50 Ω et ZE, ZS inférieures à 20 voire à 10 Ω (notamment si transistor LDMOS), par exemple ici 2,5 Ω.The input impedance of the balun 10 is Z 0 , which is much greater than each of the input impedances Z E and output Z S of the HPA 11. For example, Z 0 = 50 Ω and Z E , Z S less than 20 or even 10 Ω (especially if LDMOS transistor), for example here 2.5 Ω.

Le balun 10, ici construit sur une carte à circuits imprimés (PCB) avec des microstrips par exemple, comporte des sections de ligne de transmission entre chaque port P1, P2, P3, P4.The balun 10, here built on a printed circuit board (PCB) with microstrips for example, includes transmission line sections between each port P 1 , P 2 , P 3 , P 4 .

Dans un premier mode de réalisation, chaque section de ligne de transmission entre deux ports adjacents, de façon classique, est de longueur physique (en mètres) λ/4 en-dehors de la section entre les ports adjacents P1 et P4 (i.e. la section qui qui ne comporte pas les ports P2, P3) et qui elle, est de longueur physique 3λ/4, λ étant la longueur d'onde correspondant à la fréquence centrale du signal d'entrée du module de traitement 1. La longueur électrique correspondant à la longueur physique λ/4 est égale à 90°. Comme il est connu, la « longueur électrique » est une manière théorique d'exprimer la longueur d'onde sans avoir à évoquer l'environnement du circuit : PCB (printed circuit board)... Concrètement cela consiste à considérer qu'une longueur d'onde λ correspond à 360°. De manière théorique, pour une application spécifique, il faut garder le même ratio de longueur d'onde. La propagation des ondes EM dépend du milieu, donc en fonction du substrat λ (en m) change, mais pas sa longueur associée (toujours 360°).In a first embodiment, each section of transmission line between two adjacent ports, conventionally, is of physical length (in meters) λ/4 apart from the section between the adjacent ports P 1 and P 4 (ie the section which does not include the ports P 2 , P 3 ) and which is of physical length 3λ/4, λ being the wavelength corresponding to the central frequency of the input signal of the processing module 1. The electrical length corresponding to the physical length λ/4 is equal to 90°. As is known, the “electrical length” is a theoretical way of expressing the wavelength without having to mention the environment of the circuit: PCB (printed circuit board)... Concretely this consists of considering only a length wave λ corresponds to 360°. Theoretically, for a specific application, it is necessary to keep the same wavelength ratio. The spread of EM waves depend on the medium, therefore depending on the substrate λ (in m) changes, but not its associated length (always 360°).

L'impédance de la ligne de transmission non chargée de longueur physique λ/4 est Zc.The impedance of the unloaded transmission line of physical length λ/4 is Z c .

Dans un deuxième mode de réalisation, chaque section de ligne quart d'onde considérée dans le premier mode de réalisation est remplacée par son équivalent en ligne de transmission chargée par un condensateur.In a second embodiment, each quarter-wave line section considered in the first embodiment is replaced by its transmission line equivalent charged by a capacitor.

En termes de dimensions physiques, ces sections équivalentes diffèrent, mais en terme de comportement (si on fait l'étude de paramètres S par exemple) elles sont identiques, comme le montre une observation en bande étroite.In terms of physical dimensions, these equivalent sections differ, but in terms of behavior (if we study S parameters for example) they are identical, as shown by a narrow band observation.

Cette modification est détaillée dans « Compact Tunable 3 dB Hybrid and Rat-Race Couplers with Harmonics Suppression », Khair Al Shamaileh, Mohammad Almalkawi, Vijay Devabhaktuni, and Nihad Dib, INTERNATIONAL JOURNAL OF MICROWAVE AND OPTICAL TECHNOLOGY, VOL.7, NO.6, NOVEMBER 2012 , et est illustrée en figure 2 pour le cas d'un balun en forme d'anneau : chaque section de ligne de transmission de longueur λ/4 (comme représenté à gauche de la figure 2) est ainsi remplacée (comme représenté à droite de la figure 2) par une section de ligne de transmission de longueur électrique 2θ 1, d'impédance Z1 et chargée en condensateur, i.e. par deux tronçons de ligne de transmission chacun de longueur électrique θ 1 et d'impédance Z1 entrecoupés d'un condensateur mis en parallèle, de capacité C, et donc relié à la masse.This modification is detailed in “Compact Tunable 3 dB Hybrid and Rat-Race Couplers with Harmonics Suppression”, Khair Al Shamaileh, Mohammad Almalkawi, Vijay Devabhaktuni, and Nihad Dib, INTERNATIONAL JOURNAL OF MICROWAVE AND OPTICAL TECHNOLOGY, VOL.7, NO.6, NOVEMBER 2012 , and is illustrated in figure 2 for the case of a ring-shaped balun: each section of transmission line of length λ /4 (as shown on the left of the figure 2 ) is thus replaced (as shown on the right of the figure 2 ) by a section of transmission line of electrical length 2 θ 1 , of impedance Z 1 and loaded with capacitor, ie by two sections of transmission line each of electrical length θ 1 and impedance Z 1 interspersed with a capacitor placed in parallel, of capacity C, and therefore connected to ground.

On a alors les égalités suivantes :
Z 1 = Z c tan θ 1
We then have the following equalities:
Z 1 = Z vs tan θ 1

Et C = 2 tan θ 1 ωZ c tan 2 θ 1 And VS = 2 tan θ 1 ωZ vs tan 2 θ 1

où w est la pulsation de fréquence, i.e. ω = 2πf, avec f la fréquence de fonctionnement du balun, i.e. la fréquence centrale du signal.where w is the frequency pulsation, ie ω = 2 πf, with f the operating frequency of the balun, ie the central frequency of the signal.

Une réduction de taille du balun de 52% correspondant notamment au choix d'une valeur de θ 1 inférieure à 45°a été obtenue dans un exemple de réalisation.A reduction in balun size of 52% corresponding in particular to the choice of a value of θ 1 less than 45° was obtained in an exemplary embodiment.

Le ratio de réduction dépend du θ 1 choisi, et aussi du PCB (notamment son paramètre de permittivité diélectrique εr) considéré. Il y a une réduction dès lors que θ 1 < 45° : il y a une réduction de la longueur de ligne, qui dépend beaucoup du PCB utilisé, De plus, comme Z1 est inversement proportionnelle à tan(θ 1), que tan(45°) = 1 et que la fonction tan est croissante sur [0 ;45°] alors l'impédance des lignes équivalentes est supérieure à celle de la ligne originale. Dans ce cas il y a une réduction de la largeur de la ligne, qui dépend beaucoup du PCB utilisé, en grande partie de son épaisseur.The reduction ratio depends on the θ 1 chosen, and also on the PCB (in particular its dielectric permittivity parameter ε r ) considered. There is a reduction when θ 1 < 45°: there is a reduction in the line length, which depends a lot on the PCB used. Moreover, as Z1 is inversely proportional to tan( θ 1 ), that tan( 45°) = 1 and the tan function is increasing on [0;45°] then the impedance of the equivalent lines is greater than that of the original line. In this case there is a reduction in the width of the line, which depends a lot on the PCB used, largely on its thickness.

La valeur de capacité du condensateur ainsi que l'impédance des tronçons de lignes chargées se déduisent des équations ci-dessus les liant à la longueur électrique θ 1 choisie inférieure à 45°. L'impédance étant fonction de la largeur physique de microstrip, cette dernière sont déterminées en fonction de l'impédance Z1 (Z1 désignant ici l'impédance du type impédance caractéristique des lignes chargées, i.e. l'impédance qu'aurait une ligne en entrée si cette dernière était de longueur infinie : elle ne dépend pas de la longueur).The capacitance value of the capacitor as well as the impedance of the charged line sections are deduced from the above equations linking them to the electrical length θ 1 chosen less than 45°. The impedance being a function of the physical width of the microstrip, the latter are determined as a function of the impedance Z 1 (Z1 here designating the impedance of the characteristic impedance type of the loaded lines, ie the impedance that an input line would have if the latter was of infinite length: it does not depend on the length).

Il s'ensuit en outre que la valeur de fréquence de résonance de la ligne de transmission chargée est ajustable en fonction des besoins en modifiant la valeur de C (par exemple en utilisant des condensateurs de type varactor).It further follows that the resonant frequency value of the loaded transmission line is adjustable as required by changing the value of C (for example by using varactor type capacitors).

Dans Shamaileh et al., le changement d'impédance était un effet qui est subi par les auteurs.In Shamaileh et al., the impedance change was an effect that is experienced by the authors.

Il est proposé ici d'exploiter ce changement d'impédance : plus la longueur θ 1 des sections chargées est faible, plus leur impédance est élevée. Lorsqu'on utilise un balun 10 fonctionnant à faible impédance, on a donc plus de marge de manoeuvre pour réduire la longueur des lignes avant d'arriver aux limites de fabricabilité associées aux largeurs de lignes. On peut donc obtenir un composant avec des lignes très fines, de longueur réduite, fonctionnant à des impédances faibles.It is proposed here to exploit this change in impedance: the lower the length θ 1 of the loaded sections, the higher their impedance. When using a balun 10 operating at low impedance, we therefore have more room to maneuver to reduce the length of the lines before reaching the limits of manufacturability associated with line widths. We can therefore obtain a component with very fine lines, of reduced length, operating at low impedances.

Or, pour répondre à une des spécificités du HPA mentionnées plus haut, il est justement besoin d'un balun 10 fonctionnant à des impédances faibles en sortie P2, P4.However, to meet one of the specificities of the HPA mentioned above, it is precisely necessary to have a balun 10 operating at low output impedances P 2 , P4.

Dans un troisième mode de réalisation du balun 10, le deuxième mode de réalisation est modifié en ce que la section de ligne 3λ/4 entre les ports adjacents P1, P4 est remplacée par son équivalent en ligne chargée avec un unique condensateur cette fois, de capacité C2, comme représenté sur le schéma fonctionnel de la figure 3, cette section de ligne est alors constituée par deux tronçons de ligne de transmission chacun d'impédance Z3 et de longueur électrique θ 2, entrecoupés d'un condensateur en parallèle de capacité C2 par ailleurs relié à la masse.In a third embodiment of the balun 10, the second embodiment is modified in that the line section 3 λ /4 between the adjacent ports P 1 , P 4 is replaced by its equivalent in line loaded with a single capacitor this times, of capacity C2, as shown in the functional diagram of the Figure 3 , this line section is then constituted by two transmission line sections each of impedance Z 3 and electrical length θ 2 , interspersed with a parallel capacitor of capacity C2 also connected to ground.

Cette topologie est plus contraignante que la précédente exposée dans le deuxième mode de réalisation, car l'impédance des deux tronçons remplaçant la ligne 3λ/4 est alors, contrairement à précédemment, proportionnelle à leur longueur électrique.This topology is more restrictive than the previous one exposed in the second embodiment, because the impedance of the two sections replacing the line 3 λ /4 is then, unlike previously, proportional to their electrical length.

Cela vient du fait que θ 2 π 2 3 π 4 mod π , et que la fonction tan() est négative et croissante sur cet intervalle. Le signe « - » de l'égalité 0_3 « transforme » la fonction tan() en un équivalent de la fonction abs(tan) sur cet intervalle. Or abs(tan(θ 2))≥1 sur π 2 3 π 4 mod π .This comes from the fact that θ 2 π 2 3 π 4 mod π , and that the tan() function is negative and increasing on this interval. The “-” sign of the equality 0_3 “transforms” the tan() function into an equivalent of the abs(tan) function on this interval. Or abs(tan( θ 2 ))≥1 on π 2 3 π 4 mod π .

Une réduction supplémentaire de taille du balun 10 peut être obtenue si la valeur de θ 1 est choisie inférieure à 45° et si la valeur de θ 2 est choisie inférieure à 135°, les valeurs d'impédance et de longueur électrique étant déterminées à l'aide des égalités suivantes 0_3 et 0_4.An additional reduction in size of the balun 10 can be obtained if the value of θ 1 is chosen less than 45° and if the value of θ 2 is chosen less than 135°, the impedance and electrical length values being determined at the using the following equalities 0_3 and 0_4.

Cette réduction supplémentaire est obtenue notamment si 3θ 1 > θ 2 et si on travaille avec un substrat et des impédances qui n'engendre pas une trop grosse différence de largeur de lignes entre les impédances Z1 et Z3 ( i.e. si on travaille avec un substrat, qui en fonction des impédances Z1 et Z3 utilisées, n'engendre pas une augmentation de la largeur des lignes qui causerait une augmentation globale de la surface couverte par le balun, malgré la diminution de la longueur des lignes) ; un exemple de critère standard est que la longueur doit être au moins supérieure à 3 fois la largeur. Z 3 = Z P 1 P 4 tan θ 2 ZP1P4 est l'impédance de la section de ligne de transmission équivalente entre les ports adjacents P1P4, de longueur physique 3λ/4 et non chargée. C 2 = 2 tan θ 2 ωZ P 1 P 4 tan 2 θ 2 This additional reduction is obtained in particular if 3 θ 1 > θ 2 and if we work with a substrate and impedances which do not generate too big a difference in line width between the impedances Z1 and Z3 (ie if we work with a substrate , which depending on the impedances Z1 and Z3 used, does not cause an increase in the width of the lines which would cause an overall increase in the surface covered by the balun, despite the reduction in the length of the lines); A Example of a standard criterion is that the length must be at least greater than 3 times the width. Z 3 = Z P 1 P 4 tan θ 2 where Z P1P4 is the impedance of the equivalent transmission line section between the adjacent ports P 1 P 4 , of physical length 3λ/4 and unloaded. VS 2 = 2 tan θ 2 ωZ P 1 P 4 tan 2 θ 2

Ceci impose de faire des compromis entre les impédances des différents tronçons de lignes du balun : pour réduire la taille du balun, il faut soit diminuer la longueur électrique de ses lignes, soit augmenter l'impédance de ses lignes ; or dans le cas de la ligne 3λ/4 chargée avec un seul condensateur, ces deux paramètres sont proportionnels, un compromis est nécessaire. Il faut également tenir compte de l'impédance des lignes λ/4, si elle est trop différente de celle de la ligne 3λ/4, la rupture d'impédance pourrait baisser les performances. Le contraire est qui si elles sont trop proches, alors cela signifie que θ 1 est proche de 45° et donc que la réduction des lignes λ/4 est moins importante.This requires compromises to be made between the impedances of the different line sections of the balun: to reduce the size of the balun, it is necessary either to reduce the electrical length of its lines, or to increase the impedance of its lines; however in the case of the 3λ/4 line loaded with a single capacitor, these two parameters are proportional, a compromise is necessary. It is also necessary to take into account the impedance of the λ/4 lines; if it is too different from that of the 3λ/4 line, the impedance break could reduce performance. The opposite is that if they are too close, then this means that θ 1 is close to 45° and therefore that the reduction of the λ/4 lines is less important.

Les valeurs de capacité C et d'impédance Z1 pour chaque tronçon de longueur 2θ 1 reliant entre eux les points adjacents P1, P2, respectivement reliant entre eux les points adjacents P2, P3, et reliant entre eux les points adjacents P3, P4, restent, eux, déterminées par application des équations 0_1 et 0_2 ci-dessus.The values of capacitance C and impedance Z 1 for each section of length 2 θ 1 connecting the adjacent points P 1 , P 2 , respectively connecting the adjacent points P 2 , P 3 , and connecting the points together adjacent P 3 , P 4 , remain determined by application of equations 0_1 and 0_2 above.

La forme d'un balun Rat Race usuellement utilisé est circulaire ou carrée et n'est donc pas idéale notamment pour une utilisation dans un module de traitement du type push-pull 10 sur circuit imprimé, qui présente une structure toute en longueur.The shape of a Rat Race balun usually used is circular or square and is therefore not ideal, particularly for use in a push-pull type processing module 10 on a printed circuit, which has a long structure.

Dans un quatrième mode de réalisation, il est donc proposé, de réaliser le balun 10 en lui donnant une forme de « haricot » (dans le plan dans lequel s'étend le circuit imprimé), comme représenté en figure 4, à la place d'une forme d'anneau telle que figurant en figures 2 et 3. Cette nouvelle topologie permet d'orienter les deux ports P2, P4 vers le transistor HPA 11, tout en ayant un port d'entrée P1 orienté à l'opposé, via, par exemple, un transformateur d'impédance.In a fourth embodiment, it is therefore proposed to produce the balun 10 by giving it a “bean” shape (in the plane in which the printed circuit extends), as shown in Figure 4 , instead of a ring shape as shown in figure 2 And 3 . This new topology makes it possible to orient the two ports P 2 , P 4 towards the transistor HPA 11, while having an input port P 1 oriented in the opposite direction, via, for example, an impedance transformer.

Dans un mode de réalisation, en référence à la figure 4, le balun haricot 10 comprend un périmètre 41 constitué de sections de ligne de transmission. Dans le sens trigonométrique, la section entre les ports P2 et P4 est concave, puis la section entre P4 et P2 est convexe.In one embodiment, with reference to the figure 4 , the bean balun 10 comprises a perimeter 41 made up of transmission line sections. In the trigonometric sense, the section between ports P2 and P4 is concave, then the section between P4 and P2 is convex.

En référence à la figure 4, chaque condensateur de sections de ligne chargée est relié d'une part à la ligne de transmission formant périmètre 41 et d'autre part à la masse par l'intermédiaire d'un des vias (représentés par des petits cercles en figure 4) dans la zone 40 qui se trouve à l'intérieur du périmètre du balun haricot 10.In reference to the Figure 4 , each capacitor of charged line sections is connected on the one hand to the transmission line forming perimeter 41 and on the other hand to ground via one of the vias (represented by small circles in Figure 4 ) in zone 40 which is inside the perimeter of bean balun 10.

Dans un mode de réalisation, le balun haricot 10 est construit à l'aide d'arcs de cercle entre les 4 ports consécutifs et les longueurs de ces arcs sont fixées en fonction des longueurs entre ports définies par calcul selon l'un des premier, deuxième et troisième modes de réalisation. La combinaison de cette forme de haricot avec l'utilisation de lignes chargées comme décrit dans les deuxième et troisième modes de réalisation permettent de réduire de manière importante la taille des lignes.In one embodiment, the bean balun 10 is constructed using circular arcs between the 4 consecutive ports and the lengths of these arcs are fixed according to the lengths between ports defined by calculation according to one of the first, second and third embodiments. The combination of this bean shape with the use of loaded lines as described in the second and third embodiments allows the size of the lines to be significantly reduced.

Par exemple, dans le cas où l'on souhaite mettre en oeuvre la forme haricot combinée avec le deuxième mode de réalisation avec 6 condensateurs, 31, 32, 33, 34, 35, 36, chacun de capacité C : 12 arcs de cercles et leurs longueurs respectives sont définis, avec 2 arcs de cercles concentriques (délimitant une ligne de transmission) entre chaque couple de ports consécutifs : la structure est divisée en 12 arcs de cercle ; l'angle de certains est augmenté (ceux adjacents aux ports P2, P3 et P4), sans changer leur longueur, de manière à obtenir la forme souhaitée.For example, in the case where we wish to implement the bean shape combined with the second embodiment with 6 capacitors, 31, 32, 33, 34, 35, 36, each of capacity C: 12 arcs of circles and their respective lengths are defined, with 2 concentric arcs of circles (delimiting a transmission line) between each pair of consecutive ports: the structure is divided into 12 arcs of circle; the angle of some is increased (those adjacent to ports P2, P3 and P4), without changing their length, so as to obtain the desired shape.

Dans un mode de réalisation, les sections 52, 54 des ports P2 et P4 immédiatement connectées au corps du balun 10 en forme de haricot (s'étendant dans le plan du circuit imprimé) sont parallèles entre elles et s'étirent (dans les modes de réalisation où leur longueur est non nulle) dans une même direction, DE, depuis le corps du balun 10 en forme de haricot. Dans un mode de réalisation, ces deux sections parallèles sont identiques.In one embodiment, the sections 52, 54 of the ports P 2 and P 4 immediately connected to the body of the bean-shaped balun 10 (extending in the plane of the printed circuit) are parallel to each other and stretch (in the embodiments where their length is non-zero) in the same direction, DE, from the body of the bean-shaped balun 10. In one embodiment, these two parallel sections are identical.

Dans un mode de réalisation, une section 51 du port P1 (s'étendant dans le plan du circuit imprimé) du balun 10 est parallèle aux sections des ports P2 et P4 et s'étire dans une direction depuis le balun 10 dans une direction opposée, D0. Dans un mode de réalisation, elle est remplacée par une résistance en parallèleIn one embodiment, a section 51 of port P 1 (extending in the plane of the printed circuit) of balun 10 is parallel to sections of ports P 2 and P 4 and extends in one direction from balun 10 in an opposite direction, D0. In one embodiment, it is replaced by a parallel resistor

Ainsi comme décrit plus haut et de façon classique, dans ce mode de réalisation aussi, le signal d'entrée est fourni en entrée du balun 10 en forme de haricot, au port P1 ; le signal se transmettant dans le balun 10 subit une division de puissance et une opposition de phase et les signaux en sortie des pots P2 et P4 ont une puissance égale à la moitié de la puissance du signal d'entrée et sont en opposition de phase. Le port P3 du balun 10 est isolé (relié par une charge à la terre), dans le module de traitement représenté en figure 1.Thus as described above and in a conventional manner, in this embodiment also, the input signal is supplied at the input of the bean-shaped balun 10, at port P1; the signal transmitted in the balun 10 undergoes a power division and a phase opposition and the signals output from pots P2 and P4 have a power equal to half the power of the input signal and are in phase opposition. Port P3 of balun 10 is isolated (connected by a load to earth), in the processing module shown in figure 1 .

En sortie du balun 10, l'impédance est par exemple de 12,5 Ω, puis des circuits d'adaptation (longueur différente de λ/4) sont disposés entre le HPA 11 et le balun 10 pour descendre l'impédance jusqu'à ZE si nécessaire (un transformateur d'impédance de façon connue comprend des lignes de transmission comportant des diamètres croissants ou décroissants pour modifier l'impédance).At the output of the balun 10, the impedance is for example 12.5 Ω, then adaptation circuits (length different from λ/4) are arranged between the HPA 11 and the balun 10 to lower the impedance to Z E if necessary (an impedance transformer in a known manner comprises transmission lines having increasing or decreasing diameters to modify the impedance).

Un balun 10 correspondant au mode de réalisation 2 et/ou 3 est particulièrement adapté aux utilisations en bande étroite.A balun 10 corresponding to embodiment 2 and/or 3 is particularly suitable for narrow band uses.

Les modes de réalisation décrits ci-dessus peuvent être mis en oeuvre indépendamment ou en combinaison : par exemple, dans un mode de réalisation de l'invention, le balun haricot 10 est combiné avec un des premier, deuxième et troisième modes de réalisation de balun. Chacun des modes de réalisation permet de disposer d'un balun avec un encombrement réduit.The embodiments described above can be implemented independently or in combination: for example, in one embodiment of the invention, the bean balun 10 is combined with one of the first, second and third balun embodiments. . Each of the embodiments makes it possible to have a balun with a reduced footprint.

Dans un mode de réalisation pour que le balun puisse conserver une impédance d'entrée de 50 Ω, en référence à la figure 4, un transformateur d'impédance 42, qui, dans un mode de réalisation, est chargé lui aussi par un condensateur 37 est inséré entre le périmètre 41 du balun 10 et le port P1, pour réduire encore l'encombrement du module de traitement 1. Similairement à ce qui a été expliqué relativement au 2ème mode de réalisation et à l'aide des mêmes égalités 0_1 et 0_2, une portion λ/4 de ligne de transmission du transformateur d'impédance est remplacée par une ligne chargée par un condensateur, qui est plus courte que l'équivalent non chargé.In one embodiment so that the balun can maintain an input impedance of 50 Ω, with reference to the Figure 4 , an impedance transformer 42, which, in one embodiment, is also loaded by a capacitor 37 is inserted between the perimeter 41 of the balun 10 and the port P 1 , to further reduce the bulk of the processing module 1 Similar to what was explained in relation to the 2nd embodiment and using the same equalities 0_1 and 0_2, a portion λ/4 of the transmission line of the impedance transformer. is replaced by a line charged by a capacitor, which is shorter than the uncharged equivalent.

Le balun 10 selon l'invention est donc un répartiteur de signal, avec transformation d'impédance ou non suivant les cas, qui est miniaturisé et optimisé avec des lignes de transmission chargées par condensateur. L'invention remplace avantageusement la solution historique associant un transformateur d'impédance λ 4 associé à un déphaseur λ 2 . L'invention est encore plus intéressante pour les substrats de faible permittivité (FR-4 ou RO4350b, substrats à faible coût), là où l'encombrement de la solution classique est encore plus significatif.The balun 10 according to the invention is therefore a signal splitter, with impedance transformation or not depending on the case, which is miniaturized and optimized with transmission lines loaded by capacitors. The invention advantageously replaces the historical solution associating an impedance transformer λ 4 associated with a phase shifter λ 2 . The invention is even more interesting for low permittivity substrates (FR-4 or RO4350b, low-cost substrates), where the bulk of the classic solution is even more significant.

En termes de comparaison avec la solution, l'encombrement est fortement diminué : pour un substrat FR4 HP de constante de permittivité diélectrique de 4,34 et de hauteur 0,245mm, on observe, en référence au tableau ci-dessous, une réduction d'environ 80%, en combinant les modes de réalisation 3 et 4 avec transformateur chargé. Cela dépend de la largeur minimale d'une ligne et de la puissance acceptée dans les lignes et dans les condensateurs. [Table 1] Solution historique Solution courante Encombrement εr = 4,34, εr = 4,34, h = 0,245mm h = 0,245mm S = 40 * 40 = 1600 mm 2 S = 16,5 * 19,6 = 323 mm 2 Réduction de presque 80% Moyens Lignes microstrip Lignes microstrip et 5 à 7 condensateurs εr est la permittivité diélectrique associée au substrat FR4 HP h est l'épaisseur du substrat, et S est la surface du composant.In terms of comparison with the solution, the size is greatly reduced: for an FR4 HP substrate with a dielectric permittivity constant of 4.34 and a height of 0.245mm, we observe, with reference to the table below, a reduction in about 80%, combining embodiments 3 and 4 with loaded transformer. It depends on the minimum width of a line and the power accepted in the lines and in the capacitors. [Table 1] Historical solution Common solution Clutter ε r = 4.34, ε r = 4.34, h = 0.245mm h = 0.245mm S = 40 * 40 = 1600 mm 2 S = 16.5 * 19.6 = 323 mm 2 Almost 80% reduction Means Microstrip lines Microstrip lines and 5 to 7 capacitors where ε r is the dielectric permittivity associated with the FR4 HP substrate h is the thickness of the substrate, and S is the surface area of the component.

La figure 8 représente une vue de dessus d'un circuit imprimé d'un dispositif push-pull 1 dans un mode de réalisation de l'invention. Le balun 10, respectivement 12 a une forme haricot suivant le quatrième mode de réalisation (cf cadre 10_1, respectivement 12_1). Le cadre 10_2, respectivement 12_2 indique là où se trouve le transformateur d'impédance (la charge du transformateur n'est pas apparente sur cette figure).There figure 8 represents a top view of a printed circuit of a push-pull device 1 in one embodiment of the invention. The balun 10, respectively 12 has a bean shape according to the fourth embodiment (see frame 10_1, respectively 12_1). Frame 10_2, respectively 12_2 indicates where the impedance transformer is located (the transformer load is not apparent in this figure).

En référence à la figure 7, un procédé de réduction d'encombrement d'un Balun Rat-Race est maintenant décrit.In reference to the Figure 7 , a method for reducing the bulk of a Rat-Race Balun is now described.

Dans un mode de réalisation, dans une étape 101 de conception d'un tel Balun Rat-Race, par exemple correspondant au deuxième mode de réalisation, un module de réduction d'encombrement comprenant une mémoire stockant des instructions logicielles et un processeur, détermine, suite à l'exécution des instructions logicielles sur le processeur, les valeurs de Z1 , θ 1 et C du balun 10 vérifiant les égalités 0_1 et 0_2 tel que θ 1 <45°.In one embodiment, in a step 101 of designing such a Rat-Race Balun, for example corresponding to the second embodiment, a bulk reduction module comprising a memory storing software instructions and a processor, determines, following the execution of the software instructions on the processor, the values of Z 1 , θ 1 and C of the balun 10 verifying the equalities 0_1 and 0_2 such that θ 1 <45°.

Par exemple, le substrat à utiliser est connu, la dimension des lignes en fonction de l'impédance et de la longueur diélectrique est donc anticipable. L'impédance de fonctionnement est connu, θ 1 est choisi arbitrairement (en respectant la condition θ 1 <45°), en fonction des valeurs de Z1 et C obtenues. Il est vérifié que les lignes associées sont réalisables techniquement, et répondent aux exigences. En fonction de cette vérification, il est décidé de conserver ce θ 1 ou de le modifier en conséquence. La recherche est affinée à chaque θ 1.For example, the substrate to be used is known, the dimension of the lines as a function of the impedance and the dielectric length can therefore be anticipated. The operating impedance is known, θ 1 is chosen arbitrarily (respecting the condition θ 1 <45°), depending on the values of Z 1 and C obtained. It is verified that the associated lines are technically feasible and meet the requirements. Depending on this verification, it is decided to keep this θ 1 or to modify it accordingly. The search is refined at each θ 1 .

Dans un autre mode de réalisation, le module de réduction d'encombrement détermine en outre les valeurs de Z3 , θ 2 et C2 vérifiant les égalités 0_3 et 0_4 tel que θ 2 <135°.In another embodiment, the congestion reduction module further determines the values of Z 3 , θ 2 and C2 verifying the equalities 0_3 and 0_4 such that θ 2 <135°.

Le balun est ensuite fabriqué en tenant compte de ces caractéristiques.The balun is then manufactured taking these characteristics into account.

Dans une étape 102 de conception, les longueurs électriques des sections de ligne entre ports du balun étant définies, le module de réduction d'encombrement détermine, en fonction de ces longueurs et des impédances réelles des lignes, les données de définition d'une forme en haricot pour un balun Rat-Race et des ports, pour obtenir un balun haricot tel que décrit plus haut par exemple.In a design step 102, the electrical lengths of the line sections between balun ports being defined, the bulk reduction module determines, based on these lengths and the real impedances of the lines, the definition data of a bean shape for a Rat-Race balun and the ports, to obtain a bean balun as described above for example.

Les étapes 101, 102 peuvent par ailleurs être mises en oeuvre indépendamment l'une de l'autre.Steps 101, 102 can also be implemented independently of each other.

Un tel procédé permet d'obtenir un montage push-pull comportant le Balun Rat-Race construit sous ces conditions, et occupant un encombrement réduit.Such a process makes it possible to obtain a push-pull assembly comprising the Rat-Race Balun constructed under these conditions, and occupying a reduced footprint.

Le procédé peut être mis en oeuvre par l'exécution d'instructions logicielles sur un processeur comme décrit. Alternativement, il peut être mis en oeuvre par un hardware dédié, typiquement un circuit intégré numérique, soit spécifique (ASIC) ou basé sur une logique programmable (par exemple FPGA/Field Programmable Gate Array)The method may be implemented by executing software instructions on a processor as described. Alternatively, it can be implemented by dedicated hardware, typically a digital integrated circuit, either specific (ASIC) or based on programmable logic (for example FPGA/Field Programmable Gate Array)

Justification de l'obtention des égalités 0 3 et 0 4 :Justification for obtaining the equalities 0 3 and 0 4:

En figure 5 sont représentées :

  • à gauche (section a) : une ligne de transmission classique (i.e non chargée par des condensateurs) de longueur physique 3λ/4 et de longueur électrique électrique θq = 270° et
  • à droite (section b) : la ligne équivalente de transmission chargée en condensateur, sous la forme de seulement deux sections de ligne, chacun d'impédance Zcl et de longueur électrique θcl, avec un condensateur C en parallèle, disposé entre les deux sections.
In figure 5 are represented:
  • on the left (section a): a conventional transmission line (ie not charged by capacitors) of physical length 3λ/4 and electrical electrical length θ q = 270° and
  • on the right (section b): the equivalent transmission line loaded with capacitor, in the form of only two line sections, each of impedance Z cl and electrical length θ cl , with a capacitor C in parallel, placed between the two sections.

La matrice (1) ci-dessous fournit les paramètres ABCD pour la ligne de transmission classique de longueur physique 3λ/4 :
A q B q C q D q = cos 270 jZ q sin 270 jZ q 1 sin 270 cos 270 = 0 jZ q jZ q 1 0
Matrix (1) below provides the ABCD parameters for the classic transmission line of physical length 3λ/4:
HAS q B q VS q D q = cos 270 jZ q sin 270 jZ q 1 sin 270 cos 270 = 0 jZ q jZ q 1 0

Ensuite, pour avoir un équivalent, il faut avoir une égalité entre (1) et la matrice ABCD d'un shunt court-circuité (2) multipliée des deux côtés par la matrice d'un tronc chargé en condensateur (3), représenté par (4) :
M c = A c B c C c D c = 1 0 jωC 1

M cl = A cl B cl C cl D cl = cos θ cl jZ cl sin θ cl jZ cl 1 sin θ cl cos θ cl

M q = M cl M c M cl
Then, to have an equivalent, we must have an equality between (1) and the matrix ABCD of a short-circuited shunt (2) multiplied on both sides by the matrix of a trunk loaded with capacitor (3), represented by (4):
M vs = HAS vs B vs VS vs D vs = 1 0 jωC 1

M cl = HAS cl B cl VS cl D cl = cos θ cl jZ cl sin θ cl jZ cl 1 sin θ cl cos θ cl

M q = M cl M vs M cl

L'égalité (4) permet d'établir les équations suivantes :
A q = cos θ cl 2 ωCZ cl sin θ cl cos θ cl + jZ cl 1 sin θ cl
B q = j Z cl sin θ cl cos θ cl jωCZ cl 2 sin θ cl 2 + cos θ cl 2
Equality (4) allows us to establish the following equations:
HAS q = cos θ cl 2 ωCZ cl sin θ cl cos θ cl + jZ cl 1 sin θ cl
B q = j Z cl sin θ cl cos θ cl jωCZ cl 2 sin θ cl 2 + cos θ cl 2

Grâce à la correspondance entre (1) and (5.a), (6) est déterminée : ωC = 2 Z cl tan 2 θ cl Thanks to the correspondence between (1) and (5.a), (6) is determined: ωC = 2 Z cl tan 2 θ cl

Puis en substituant (6) dans (5.b), il apparaît (7)
Z cl = Z q tan θ cl
Then by substituting (6) into (5.b), it appears (7)
Z cl = Z q tan θ cl

Enfin, en utilisant (6) et (7), la valeur de la capacité utilisée dans la ligne chargée équivalente est égale à
C = 2 tan θ cl ωZ q tan 2 θ cl
Finally, using (6) and (7), the value of the capacitance used in the equivalent loaded line is equal to
VS = 2 tan θ cl ωZ q tan 2 θ cl

Comme C > 0, il s'ensuit que :
tan θ cl < 0 and tan cl > 0
ou
tan θ cl > 0 and tan cl < 0
As C > 0, it follows that:
tan θ cl < 0 and tan cl > 0
Or
tan θ cl > 0 and tan cl < 0

Utilisant les conditions (9.a) et (9.b), et prenant en compte que Zcl > 0, les seules valeurs possibles pour θ cl sont :
θ cl ] π 2 ; 3 π 4 ] mod π
Using conditions (9.a) and (9.b), and taking into account that Z cl > 0, the only possible values for θ cl are:
θ cl ] π 2 ; 3 π 4 ] mod π

Le but est de réduire la longueur de la ligne de transmission 3λ/4 en remplaçant les trois lignes chargées λ/4 par une ligne 3λ/4 chargée comme représenté en figure 6, il est nécessaire de trouver la condition pour :
3 π 2 > 6 θ cl 3 > 2 θ cl
The goal is to reduce the length of the 3λ/4 transmission line by replacing the three loaded λ/4 lines with one loaded 3λ/4 line as shown in Figure 6 , it is necessary to find the condition for:
3 π 2 > 6 θ cl 3 > 2 θ cl

Pour satisfaire (11), il est nécessaire de prendre en compte la condition (10). Finalement, la ligne 3λ/4 chargée peut présenter une réduction de taille pour :
θ cl ] π 2 ; 3 π 4 [ mod π
To satisfy (11), it is necessary to take into account condition (10). Finally, the loaded 3λ/4 line can present a reduction in size for:
θ cl ] π 2 ; 3 π 4 [ mod π

Par une simulation ADS, il a été démontré que les coupleurs miniaturisés rat-race présentent les mêmes performances pour trois lignes λ/4 chargées en condensateurs et pour une ligne 3λ/4 chargée en condensateur.By an ADS simulation, it was demonstrated that the miniaturized rat-race couplers present the same performances for three λ/4 lines loaded with capacitors and for one 3λ/4 line loaded with capacitors.

Au-delà des aspects miniaturisation, ces nouveaux aspects procurent une plus grande flexibilité quant à la valeur de l'impédance.Beyond the miniaturization aspects, these new aspects provide greater flexibility regarding the value of the impedance.

Claims (10)

Balun Rat-Race (10), comprenant une boucle de ligne de transmission et 4 ports d'entrée-sortie P1, P2, P3, P4 connectés à ladite boucle de ligne de transmission, ledit balun (10) étant adapté pour recevoir un premier signal sur le port P1, et pour diviser ledit premier signal en un deuxième signal délivré sur le port P2 et un troisième signal délivré sur le port P4, ledit deuxième signal et ledit troisième signal étant en opposition de phase l'un avec l'autre, dans lequel les ports adjacents entre eux parmi les ports P1, P2, P3, P4 sont reliés par des sections respectives de la boucle de ligne de transmission, et certaines au moins desdites sections sont des sections de lignes de transmission chargées par condensateur ; ledit balun étant caractérisé en ce que :
la section de ligne de transmission respectives entre les ports adjacents P1 et P4 est de longueur électrique 2θ 2 , d'impédance Z3 et est une section de ligne chargée par un condensateur de capacité C2 ; où θ 2 < 135 et les égalités suivantes sont vérifiées : C 2 = 2 tan θ 2 ωZ P 1 P 4 tan 2 θ 2 et Z 3 = Z P 1 P 4 tan θ 2 w étant égal à 2πf, avec f la fréquence de fonctionnement, et ZP1P4 étant l'impédance de la section de ligne de transmission non chargée de longueur physique 3λ/4 équivalente à ladite section de ligne chargée.
Rat-Race balun (10), comprising a transmission line loop and 4 input-output ports P 1 , P 2 , P 3 , P 4 connected to said transmission line loop, said balun (10) being adapted to receive a first signal on port P 1 , and to divide said first signal into a second signal delivered on port P 2 and a third signal delivered on port P 4 , said second signal and said third signal being in phase opposition with each other, in which the ports adjacent to each other among the ports P 1 , P 2 , P 3 , P 4 are connected by respective sections of the transmission line loop, and at least some of said sections are sections of capacitor-charged transmission lines; said balun being characterized in that :
the respective transmission line section between the adjacent ports P 1 and P 4 is of electrical length 2 θ 2 , of impedance Z 3 and is a line section charged by a capacitor of capacity C2; where θ 2 < 135 and the following equalities are verified: VS 2 = 2 tan θ 2 ωZ P 1 P 4 tan 2 θ 2 And Z 3 = Z P 1 P 4 tan θ 2 w being equal to 2 πf, with f the operating frequency, and Z P1P4 being the impedance of the unloaded transmission line section of physical length 3λ/4 equivalent to said loaded line section.
Balun Rat-Race (10) selon la revendication 1, dans lequel :
chacune des sections de lignes de transmission respectives entre P1 et P2, entre P2 et P3, entre P3 et P4 est une section de ligne de longueur électrique 2θ 1, d'impédance Z 1 et chargée par un condensateur de capacité C et; où θ 1 < 45° et les égalités suivantes sont vérifiées : C = 2 tan θ 1 ωZ c tan 2 θ 1 et Z 1 = Z c tan θ 1 w étant égal à 2πf, avec f la fréquence de fonctionnement, et Zc étant l'impédance de la section de ligne de transmission non chargée de longueur physique λ/4 équivalente à ladite section de ligne chargée.
Rat-Race balun (10) according to claim 1, in which:
each of the respective transmission line sections between P 1 and P 2 , between P 2 and P 3 , between P 3 and P 4 is a line section of electrical length 2 θ 1 , of impedance Z 1 and charged by a capacitor of capacity C and; where θ 1 < 45° and the following equalities are verified: VS = 2 tan θ 1 ωZ vs tan 2 θ 1 And Z 1 = Z vs tan θ 1 w being equal to 2 πf, with f the operating frequency, and Z c being the impedance of the unloaded transmission line section of physical length λ/4 equivalent to said loaded line section.
Balun Rat-Race (10) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel : - le balun présente une forme de haricot et - les ports P2, P4 comportent chacun au moins une première section connectée à la ligne de transmission, la première section du port P2, étant parallèle à la première section du port P4. Rat-Race balun (10) according to claim 1 or 2, in which: - the balun has a bean shape and - the ports P 2 , P 4 each comprise at least a first section connected to the transmission line, the first section of the port P 2 being parallel to the first section of the port P 4 . Balun Rat-Race (10) selon la revendication 3, dans lequel la première section du port P2 et la première section du port P4 parallèles entre elles se font face.Rat-Race balun (10) according to claim 3, in which the first section of port P 2 and the first section of port P 4 parallel to each other face each other. Balun (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant un transformateur d'impédance chargé par un condensateur entre le port P1 et la boucle de ligne de transmission.Balun (10) according to any one of the preceding claims, comprising an impedance transformer loaded by a capacitor between port P 1 and the transmission line loop. Procédé de réduction d'encombrement d'un balun Rat-Race comprenant une boucle de ligne de transmission et 4 ports d'entrée-sortie P1, P2, P3, P4 connectés à ladite boucle de ligne de transmission, ledit balun étant adapté pour recevoir un premier signal sur le port P1, et pour diviser ledit premier signal en un deuxième signal délivré sur le port P2 et un troisième signal délivré sur le port P4, ledit deuxième signal et ledit troisième signal étant en opposition de phase l'un avec l'autre, dans lequel les ports adjacents entre eux parmi les ports P1, P2, P3, P4 sont reliés par des sections respectives de la boucle de ligne de transmission, et certaines au moins desdites sections sont des sections de lignes de transmission chargées par condensateur, ledit procédé comprenant l'étape suivante mises en oeuvre par un dispositif électronique de détermination de caractéristiques de balun Rat-Race : - la section de ligne de transmission respectives entre les ports adjacents P1 et P4 étant de longueur électrique 2θ 2 , d'impédance Z3 et étant une section de ligne chargée par un condensateur de capacité C2, détermination de l'impédance Z3 et de la capacité C2, vérifiant θ 2 < 135 et les égalités suivantes : C 2 = 2 tan θ 2 ωZ P 1 P 4 tan 2 θ 2 et Z 3 = Z P 1 P 4 tan θ 2 w étant égal à 2πf, avec f la fréquence de fonctionnement, et ZP1P4 étant l'impédance de la section de ligne de transmission non chargée de longueur physique 3λ/4 équivalente à ladite section de ligne chargée. Method for reducing the bulk of a Rat-Race balun comprising a transmission line loop and 4 input-output ports P 1 , P 2 , P 3 , P 4 connected to said transmission line loop, said balun being adapted to receive a first signal on port P 1 , and to divide said first signal into a second signal delivered on port P 2 and a third signal delivered on port P 4 , said second signal and said third signal being in phase opposition one with the other, in which the ports adjacent to each other among the ports P 1 , P 2 , P 3 , P 4 are connected by respective sections of the transmission line loop, and at least some of said sections are sections of transmission lines charged by capacitor, said method comprising the following step implemented by an electronic device for determining Rat-Race balun characteristics: - the respective transmission line section between the adjacent ports P 1 and P 4 being of electrical length 2 θ 2 , of impedance Z 3 and being a line section charged by a capacitor of capacity C2, determination of the impedance Z 3 and the capacity C2, verifying θ 2 < 135 and the following equalities: VS 2 = 2 tan θ 2 ωZ P 1 P 4 tan 2 θ 2 And Z 3 = Z P 1 P 4 tan θ 2 w being equal to 2 πf, with f the operating frequency, and Z P1P4 being the impedance of the unloaded transmission line section of physical length 3λ/4 equivalent to said loaded line section. Procédé de réduction d'encombrement d'un balun Rat-Race (10) selon la revendication 6, selon lequel, chacune des sections de lignes de transmission respectives entre P1 et P2, entre P2 et P3, entre P3 et P4 étant une section de ligne de longueur électrique 2θ 1, d'impédance Z1 et chargée par un condensateur de capacité C, détermination de l'impédance Z1 et de la capacité C, vérifiant θ 1 < 45° et les égalités suivantes : C = 2 tan θ 1 ωZ c tan 2 θ 1 et Z 1 = Z c tan θ 1 w étant égal à 2πf, avec f la fréquence de fonctionnement, et
Zc étant l'impédance de la section de ligne de transmission non chargée de longueur physique λ/4 équivalente à ladite section de ligne chargée.
Method for reducing the bulk of a Rat-Race balun (10) according to claim 6, according to which, each of the sections of respective transmission lines between P 1 and P 2 , between P 2 and P 3 , between P 3 and P 4 being a section of line of electrical length 2 θ 1 , of impedance Z 1 and charged by a capacitor of capacitance C, determination of the impedance Z 1 and the capacitance C, checking θ 1 < 45° and the equalities following: VS = 2 tan θ 1 ωZ vs tan 2 θ 1 And Z 1 = Z vs tan θ 1 w being equal to 2πf, with f the operating frequency, and
Z c being the impedance of the unloaded transmission line section of physical length λ/4 equivalent to said loaded line section.
Procédé de réduction d'encombrement d'un balun Rat-Race (10) selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, selon lequel : le balun présente une forme de haricot et les ports P2, P4 comportent chacun au moins une première section connectée à la ligne de transmission, la première section du port P2, étant parallèle à la première section du port P4. Method for reducing the bulk of a Rat-Race balun (10) according to any one of claims 6 or 7, according to which: the balun has a bean shape and the ports P 2 , P 4 each comprise at least a first section connected to the transmission line, the first section of the port P 2 being parallel to the first section of the port P 4 . Procédé de réduction d'encombrement d'un balun Rat-Race (10) selon la revendication 8, dans lequel la première section du port P2 et la première section du port P4 parallèles entre elles se font face.Method for reducing the bulk of a Rat-Race balun (10) according to claim 8, in which the first section of port P 2 and the first section of port P 4 parallel to each other face each other. Procédé de réduction d'encombrement d'un balun Rat-Race (10) selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, selon lequel le balun comporte un transformateur d'impédance chargé par un condensateur entre le port P1 et la boucle de ligne de transmission.Method for reducing the bulk of a Rat-Race balun (10) according to any one of claims 6 to 9, according to which the balun comprises an impedance transformer loaded by a capacitor between port P 1 and the loop of transmission line.
EP23217926.7A 2023-12-19 Rat-race balun and method of reducing rat-race balun footprint therefor Pending EP4395068A1 (en)

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