EP4395069A1 - Balun rat-race et procédé de réduction d'encombrement de balun rat-race associé - Google Patents

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, 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, ledit balun étant caractérisé en ce que :- 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.

Description

Domaine technique :
• L'invention se situe dans le domaine des baluns de type Rat-Race.
Technique antérieure :
• Le terme balun vient des mots anglais BALanced (équilibré, balancé) et UNbalanced (déséquilibré, non balancé).
• 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.
• 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.
• 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.
• US 2022/0263212 décrit un exemple de balun de type Rat-Race.
• Il existe un besoin de réduire l'encombrement des baluns de type Rat-Race sur les supports électroniques sur lesquels ils sont intégrés.
Résumé de l'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, ledit balun étant caractérisé en ce que :
• 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.
• Un tel balun Rat-Race occupe un encombrement réduit.
• Dans des modes de réalisation, un tel balun comprendra en outre l'une au moins des caractéristiques suivantes :
• la première section du port P₂ et la première section du port P₄ parallèles entre elles se font face ;
• 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 ;
• 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 : $$C=\frac{2\tan \left({\theta }_1\right)}{{\mathit{\omega Z}}_c\tan \left(2{\theta }_1\right)}$$
  
  et $$Z_1=\frac{Z_c}{\tan \left({\theta }_1\right)}$$
  
  • w étant égal à 2πf, avec f la fréquence de fonctionnement, et
  • Z_c étant l'impédance de la section de ligne de transmission non chargée de longueur physique λ/4 équivalente à ladite section de ligne chargée ;
• la section de ligne de transmission respectives entre les ports adjacents P₁ et P₄ est de longueur électrique 6θ ₁ comportant trois sous-sections de ligne consécutives chacune de longueur électrique2θ ₁, d'impédance Z₁ et chargées par un condensateur de capacité C ; où θ ₁ < 45° et les égalités suivantes sont vérifiées : $$C=\frac{2\tan \left({\theta }_1\right)}{{\mathit{\omega Z}}_c\tan \left(2{\theta }_1\right)}$$
  
  et $$Z_1=\frac{Z_c}{\tan \left({\theta }_1\right)}$$
  
  • w étant égal à 2πf, avec f la fréquence de fonctionnement, et
  • Z_c étant l'impédance de la sous-section de ligne de transmission non chargée de longueur physique λ/4 équivalente à ladite sous-section de ligne chargée ;
• 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 : $$C2=-\frac{2\tan \left({\mathrm{\theta }}_2\right)}{{\mathit{\omega Z}}_{P1P4}\tan \left(2{\mathrm{\theta }}_2\right)}$$
  
  et $$Z_3=-\frac{Z_{P1P4}}{\tan {\left(\mathrm{\theta }\right)}_2}$$
  
  w étant égal à 2πf, avec f la fréquence de fonctionnement, et Z_P1P4 étant l'impédance de la section de ligne de transmission non chargée de longueur physique 3λ/4 équivalente à ladite section de ligne chargée ;
• le balun comporte un transformateur d'impédance chargé par un condensateur entre le port P₁ et la boucle de ligne de transmission.
• 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, comprenant les étapes suivantes mises en oeuvre par un dispositif électronique de détermination de caractéristiques de balun Rat-Race :
• détermination d'une forme de haricot pour le balun ;
• connexion d'une première section de chacun des ports P₂, P₄ à la ligne de transmission, la première section du port P₂, étant parallèle à la première section du port P₄.
• Dans des modes de réalisation, un tel procédé comprendra en outre l'une au moins des caractéristiques suivantes :
• la première section du port P₂ et la première section du port P₄ parallèles entre elles se font face ;
• 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.
Brève description des 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.
• Des références identiques peuvent être utilisées dans des figures différentes lorsqu'elles désignent des éléments identiques ou comparables.
Description détaillée :
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• L'impédance en entrée du balun 10 est Z₀, qui est très supérieure à chacune des impédances d'entrée Z_E et de sortie Z_S du HPA 11. Par exemple, Z₀ = 50 Ω et Z_E, Z_S inférieures à 20 voire à 10 Ω (notamment si transistor LDMOS), par exemple ici 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.
• 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°).
• L'impédance de la ligne de transmission non chargée de longueur physique λ/4 est 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.
• 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.
• 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.
• On a alors les égalités suivantes :
  Egalité 0_1 $$Z_1=\frac{Z_c}{\tan \left({\theta }_1\right)}$$

  
• Et égalité 0_2 :
  $$C=\frac{2\tan \left({\theta }_1\right)}{{\mathit{\omega Z}}_c\tan \left(2{\theta }_1\right)}$$

  

  
  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.
• 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.
• Le ratio de réduction dépend du θ ₁choisi, et aussi du PCB (notamment son paramètre de permittivité diélectrique ε_r ) 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.
• 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).
• 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).
• Dans Shamaileh et al., le changement d'impédance était un effet qui est subi par les auteurs.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• Cela vient du fait que ${\theta }_2\in \left[\frac{\pi }{2},\frac{3\pi }{4}\right]\mathit{mod}\left(\pi \right)$

  

  , 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 $\left[\frac{\pi }{2},\frac{3\pi }{4}\right]\mathit{mod}\left(\pi \right)$

  

  .
• 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.
• 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.
• Egalité 0_3 :
  $$Z_3=-\frac{Z_{P1P4}}{\tan \left({\mathrm{\theta }}_2\right)}$$

  

  
  où Z _P1P4 est l'impédance de la section de ligne de transmission équivalente entre les ports adjacents P₁P₄, de longueur physique 3λ/4 et non chargée.
• Egalité 0_4 :
  $$C2=-\frac{2\tan \left({\mathrm{\theta }}_2\right)}{{\mathit{\omega Z}}_{P1P4}\tan \left({\mathrm{2\theta }}_2\right)}$$

  
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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 parallèle
• 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.
• 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 Z_E si nécessaire (un transformateur d'impédance de façon connue comprend des lignes de transmission comportant des diamètres croissants ou décroissants pour modifier l'impédance).
• Un balun 10 correspondant au mode de réalisation 2 et/ou 3 est particulièrement adapté aux utilisations en bande étroite.
• 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.
• 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 2^ème 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.
• 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 transmissionchargées par condensateur. L'invention remplace avantageusement la solution historique associant un transformateur d'impédance $\frac{\lambda }{4}$

  

  associé à un déphaseur $\frac{\lambda }{2}$

  

  . 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.
• 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

  où εr est la permittivité diélectrique associée au substrat FR4 HP h est l'épaisseur du substrat, et S est la surface du composant.

• 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).
• En référence à la figure 7, un procédé de réduction d'encombrement d'un Balun Rat-Race est maintenant décrit.
• 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°.
• 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.
• 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°.
• Le balun est ensuite fabriqué en tenant compte de ces caractéristiques.
• 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.
• Les étapes 101, 102 peuvent par ailleurs être mises en oeuvre indépendamment l'une de l'autre.
• Un tel procédé permet d'obtenir un montage push-pull comportant le Balun Rat-Race construit sous ces conditions, et occupant un encombrement réduit.
• 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)
Justification de l'obtention des égalités 0 3 et 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 θ_q = 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 Z_cl et de longueur électrique θ_cl, avec un condensateur C en parallèle, disposé entre les deux sections.
• La matrice (1) ci-dessous fournit les paramètres ABCD pour la ligne de transmission classique de longueur physique 3λ/4 :
  $$\left[\begin{array}{c}{A}_q{B}_q\\ C_q{D}_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(270\right)& {\mathit{jZ}}_q\sin \left(270\right)\\ {{\mathit{jZ}}_q}^{-1}\sin \left(270\right)& \cos \left(270\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}0& -{\mathit{jZ}}_q\\ -{{\mathit{jZ}}_q}^{-1}& 0\end{array}\right]$$

  
• 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) :
  $$M_c=\left[\begin{array}{c}{A}_c{B}_c\\ C_c{D}_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ \mathit{j\omega C}& 1\end{array}\right]$$

  

  $$M_{\mathit{cl}}=\left[\begin{array}{c}{A}_{\mathit{cl}}{B}_{\mathit{cl}}\\ C_{\mathit{cl}}{D}_{\mathit{cl}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\theta }}_{\mathit{cl}}\right)& {\mathit{jZ}}_{\mathit{cl}}\sin \left({\mathrm{\theta }}_{\mathit{cl}}\right)\\ {{\mathit{jZ}}_{\mathit{cl}}}^{-1}\sin \left({\mathrm{\theta }}_{\mathit{cl}}\right)& \cos \left({\mathrm{\theta }}_{\mathit{cl}}\right)\end{array}\right]$$

  

  $$M_q=M_{\mathit{cl}}{M}_c{M}_{\mathit{cl}}$$

  
• 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 ^-1sin(θ _cl ) #(5.a)
• $B_q=\mathrm{j}{Z}_{\mathit{cl}}\sin \left({\mathrm{\theta }}_{\mathit{cl}}\right)\cos \left({\mathrm{\theta }}_{\mathit{cl}}\right)-{\mathit{j\omega CZ}}_{\mathit{cl}}^2\sin {\left({\mathrm{\theta }}_{\mathit{cl}}\right)}^2+\cos {\left({\mathrm{\theta }}_{\mathit{cl}}\right)}^2$
  
  #(5.b)
• Grâce à la correspondance entre (1) and (5.a), (6) est déterminée : $$\mathit{\omega C}=\frac{2}{Z_{\mathit{cl}}\tan \left(2{\mathrm{\theta }}_{\mathit{cl}}\right)}$$

  
• Puis en substituant (6) dans (5.b), il apparaît (7)
  $$Z_{\mathit{cl}}=-\frac{Z_q}{\tan \left({\mathrm{\theta }}_{\mathit{cl}}\right)}$$

  
• Enfin, en utilisant (6) et (7), la valeur de la capacité utilisée dans la ligne chargée équivalente est égale à
  $$C=-\frac{2\tan \left({\mathrm{\theta }}_{\mathit{cl}}\right)}{{\mathit{\omega Z}}_q\tan \left(2{\mathrm{\theta }}_{\mathit{cl}}\right)}$$

  
• Comme C > 0, il s'ensuit que :
  $$\tan \left({\mathrm{\theta }}_{\mathit{cl}}\right)<0\mathit{and}\tan \left(2{\mathrm{\theta }}_{\mathit{cl}}\right)>0$$

  

  
  ou
  $$\tan \left({\mathrm{\theta }}_{\mathit{cl}}\right)>0\mathit{and}\tan \left(2{\mathrm{\theta }}_{\mathit{cl}}\right)<0$$

  
• Utilisant les conditions (9.a) et (9.b), et prenant en compte que Z_cl > 0, les seules valeurs possibles pour θ _cl sont :
  $${\mathrm{\theta }}_{\mathit{cl}}\in \left]\frac{\pi }{2};\frac{3\pi }{4}\right]\mathit{mod}\left(\pi \right)$$

  
• 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 :
  $$\frac{3\pi }{2}>6{\theta }_{\mathit{cl}3}>2{\theta }_{\mathit{cl}}$$

  
• 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 :
  $${\mathrm{\theta }}_{\mathit{cl}}\in \left]\frac{\pi }{2};\frac{3\pi }{4}\right[\mathit{mod}\left(\pi \right)$$

  
• 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.
• Au-delà des aspects miniaturisation, ces nouveaux aspects procurent une plus grande flexibilité quant à la valeur de l'impédance.

Claims (10)

1. 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 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,
   ledit balun (30) étant caractérisé en ce que :

   - 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.
2. Balun Rat-Race (10) selon la revendication 1, dans lequel la première section du port P₂ et la première section du port P₄ parallèles entre elles se font face.
3. Balun Rat-Race (10) selon la revendication 1 ou 2, 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.
4. Balun Rat-Race (10) selon la revendication 3, 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 Z₁ et chargée par un condensateur de capacité C et; où θ ₁ < 45° et les égalités suivantes sont vérifiées : $$C=\frac{2\tan \left({\theta }_1\right)}{{\mathit{\omega Z}}_c\tan \left(2{\theta }_1\right)}$$

   

   et $$Z_1=\frac{Z_c}{\tan \left({\theta }_1\right)}$$

   

   w étant égal à 2πf, avec f la fréquence de fonctionnement, et

   Z_c étant l'impédance de la section de ligne de transmission non chargée de longueur physique λ/4 équivalente à ladite section de ligne chargée.
5. Balun Rat-Race (10) selon la revendication 3 ou 4, dans lequel :
   la section de ligne de transmission respectives entre les ports adjacents P₁ et P₄ est de longueur électrique 6θ ₁ comportant trois sous-sections de ligne consécutives chacune de longueur électrique2θ ₁, d'impédance Z₁ et chargées par un condensateur de capacité C ; où θ ₁ < 45° et les égalités suivantes sont vérifiées : $$C=\frac{2\tan \left({\theta }_1\right)}{{\mathit{\omega Z}}_c\tan \left(2{\theta }_1\right)}$$

   

   et $$Z_1=\frac{Z_c}{\tan \left({\theta }_1\right)}$$

   

   w étant égal à 2πf, avec f la fréquence de fonctionnement, et

   Z_c étant l'impédance de la sous-section de ligne de transmission non chargée de longueur physique λ/4 équivalente à ladite sous-section de ligne chargée.
6. Balun Rat-Race (10) selon l'une des revendications 3 à 5, dans lequel :
   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 : $$C2=-\frac{2\tan \left({\mathrm{\theta }}_2\right)}{{\mathit{\omega Z}}_{P1P4}\tan \left(2{\mathrm{\theta }}_2\right)}$$

   

   et $$Z_3=-\frac{Z_{P1P4}}{\tan \left({\mathrm{\theta }}_2\right)}$$

   

   w étant égal à 2πf, avec f la fréquence de fonctionnement, et

   Z_P1P4 étant l'impédance de la section de ligne de transmission non chargée de longueur physique 3λ/4 équivalente à ladite section de ligne chargée.
7. 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.
8. Procédé de réduction d'encombrement d'un 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 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, comprenant les étapes suivantes mises en oeuvre par un dispositif électronique de détermination de caractéristiques de balun Rat-Race :

   - détermination d'une forme de haricot pour le balun ;

   - connexion d'une première section de chacun des ports P₂, P₄ à la ligne de transmission, la première section du port P₂, étant parallèle à la première section du port P₄.
9. Procédé de réduction d'encombrement d'un balun Rat-Race (10) selon la revendication 8, selon lequel la première section du port P₂ et la première section du port P₄ parallèles entre elles se font face.
10. Procédé de réduction d'encombrement d'un balun Rat-Race (10) selon la revendication 8 ou 9, selon 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.

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