FR2652197A1 - Transformateurs du type symetrique-dissymetrique perfectionnes. - Google Patents

Transformateurs du type symetrique-dissymetrique perfectionnes. Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un transformateur du type symétrique-dissymétrique formé par des trajets conducteurs imprimés (20, 22) sur une plaquette de circuit imprimé. Un premier conducteur, situé d'un premier côté de la plaquette, s'étend entre une terre (16) et un moyen d'entrée-sortie de signaux du type mis à la terre par un côté (11). Un deuxième conducteur, situé de l'autre côté de la plaquette, s'étend entre une terre (21) et un moyen d'entrée-sortie de signaux symétrique (12), de manière électriquement symétrique. Le montage donne une construction dans laquelle le côté symétrique du transformateur se trouve entièrement sur un côté de la plaquette, ce qui entraîne que les effets parasites sont symétriques. De plus, il n'y a pas besoin de connexions croisées sur la plaquette. Le transformateur symétrique-dissymétrique peut par exemple être utilisé dans les amplificateurs de puissance pour hautes fréquences et remplace avantageusement les transformateurs du type à câble coaxial.

Description

La présente invention concerne des transformateurs symétrique-
dissymétrique qui peuvent adapter une sortie "mise à la
terre par un côté" à une entrée symétrique, et inversement.
Comme exemple d'application d'un transformateur symétrique-dissymétrique, on peut considérer un amplificateur à transistors de grande puissance. Lorsque les demandes de puissance de sortie dépassent ce qui peut être délivré par un unique transistor, plusieurs transistors peuvent être couplés pour se partager la demande de puissance. Dans la station fixe d'un réseau radio cellulaire par exemple, qui fonctionne dans la région de haute fréquence de 900 MHz, une demande de puissance de sortie sur la ligne d'alimentation d'antenne de l'ordre de 1 kW est typique, laquelle est délivrée par dix modules amplificateurs de 100 W. Actuellement, la limite supérieure de puissance pour des transistors de puissance travaillant dans le domaine des radiofréquences (r.f.) est de L'ordre de 60 W, de sorte que, pour réaliser un semblable module de 100 W, il faut utiliser des
transistors couplés.
Un moyen commode et utile de couplage de deux transistors est connu dans La technique sous l'appellation de "push-pull". Ici, l'excitation est partagée entre un transistor qui conduit du courant dans la charge dans un premier sens et un deuxième transistor qui conduit du courant dans la charge dans le sens opposé. Ce montage est avantageux du point de vue de l'adaptation d'impédance, car il présente une impédance de sortie plus élevée que la très faible impédance d'un transistor unique ou l'impédance encore plus faible de transistors en parallèle, cette impédance de sortie supérieure étant plus près de l'impédance voulue typique de A, mais ce montage est malheureusement, par sa nature même, un système symétrique, c'est-à-dire qu'il produit un signal de sortie qui est symétrique par rapport au potentiel de terre commun des transistors couplés, alors que, typiquement, il est demandé un signal venant d'une sortie "mise à la terre par un côté" (c'est-à-dire un signal rapporté au potentiel de la terre). Une solution à ce problème consiste à placer un transformateur entre la charge et la sortie de la paire de transistors push-pull. En vertu de ses propriétés d'isolation, un transformateur peut coupler la
sortie symétrique à une charge du type mis à la terre par un côté.
Dans la technique, on appelle un semblable transformateur un
transformateur symétrique-dissymétrique.
Dans Le cas du montage push-pull, il existe un problème semblable pour la production des signaux d'excitation symétriques complémentaires, qui sont demandés par la paire de transistors push-pull, à partir du signal à amplifier, qui vient d'une entrée mise à la terre par un côté, si bien qu'on peut utiliser un transformateur symétrique-dissymétrique pour transformer un signal d'entrée dissymétrique en les signaux d'excitation symétriques voulus. On connaît dans la technique de nombreuses formes pour les transformateurs symétrique-dissymétrique, y compris des formes en lignes de transmission. Des exemples ont été décrits par C.L. Ruthroff dans l'article "Some Broad-Band Transformers" (Proceedings of the Institute of Radio Engineers, 1959),
pages 1 337 à 1 342.
Dans les applications aux amplificateurs r.f. de haute
fréquence, on utilise typiquement un transformateur symétrique-
dissymétrique en ligne de transmission du type câble coaxial, par exemple une longueur de câble quart d'onde dont le conducteur extérieur est connecté à la terre du côté "mis à la terre par un côté". Un signal d'entrée appliqué par une entrée mise à la terre par un côté produira alors un signal de sortie symétrique entre les conducteurs du câble situés du côté opposé du câble; de la même façon, un signal symétrique appliqué du côté non mis à la terre produira un signal de sortie du type rapporté au potentiel de
terre. Le fait d'incorporer de sembLables transistors symétrique-
dissymétrique dans des circuits amplificateurs push-pull pour
radiofréquences est bien connu de l'homme de l'art.
Alors qu'ils ont de bonnes performances, un certain
nombre d'inconvénients sont associés aux transformateurs symétrique-
dissymétrique du type câble coaxial. On fabrique les transformateurs symétrique-dissymétrique en coupant un câble coaxial à une certaine longueur et, à une fréquence élevée, les imprécisions de Longueur, même si elles sont petites, aLtèrent les performances, l'élément de câbLe n'étant pas, par nature, susceptible d'être mécaniquement mis en place et soudé. Par conséquent, Les tolérances de fabrication, qui sont associées à de semblables assemblages manuels, créent des variations de performance entre un amplificateur et un autre. Pour tenter de surmonter ce problème, on a essayé de fabriquer des transformateurs symétrique-dissymétrique sous forme imprimée, qui offrent une bonne
répétabilité. On connaît des transformateurs symétrique-
dissymétrique sous forme de circuits imprimés, comme par exemple
révélés par le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 193 048.
Malheureusement, on ne peut pas utiliser dans les applications de haute puissance une structure classique imprimée à plat sur une plaquette de circuit en raison de la proximité des grandes sources froides, ou puits de chaleur, métalliques qui sont associées aux transistors amplificateurs. Inévitablement un côté de la plaquette de circuit se trouve plus près du métal que l'autre, ce qui entraîne un déséquilibre inacceptable dans les capacités parasites qui sont appliquées au transformateur symétriquedissymétrique. A ce jour, seuls des circuits imprimés de forme simple ont été utilisés sur des plaquettes séparées montées perpendiculairement sur la plaquette du circuit amplificateur, de manière à assurer une symétrie dans les parasites. De telles plaquettes sont mécaniquement fragiles et, bien qu'elles possèdent une bonne répétabilité en elles-mêmes, elles ne peuvent pas être assemblées automatiquement. Au contraire, l'invention fournit une structure de transformateur symétrique-dissymétrique, pouvant être utilisée dans les applications aux hautes puissances, qui peut être imprimée à
part.
Selon l'invention, un transformateur symétrique-
dissymétrique offrant un moyen d'entrée ou de sortie de signaux, du type mis à la terre par un côté, et un moyen d'entrée ou de sortie de signaux symétrique comporte: plusieurs premiers éléments conducteurs connectés en série entre ledit moyen d'entrée ou de sortie de signaux du type mis à la terre par un côté et la terre, et plusieurs deuxièmes éléments conducteurs couplés aux premiers éléments conducteurs de manière à former avec eux un transformateur et électriquement isolés de ceux-ci, lesdits deuxièmes éléments conducteurs allant, de manière électriquement symétrique, de la terre audit moyen d'entrée ou de
sortie de signaux symétrique.
De préférence, les éléments conducteurs prennent la forme d'un conducteur fusionné continu, lesquels conducteurs peuvent avoir des formes identiques, comme par exemple la forme d'une boucle fermée. Avantageusement, les deuxièmes éléments conducteurs s'étendent depuis une terre commune. Les conducteurs peuvent être
réalisés sous forme de circuit imprimé.
Selon une forme préférée de l'invention qui convient aux applications en large bande, un condensateur de compensation des fuites est connecté au moyen de sortie de signaux symétrique- et les éléments conducteurs sont entourés par un conducteur connecté à
la terre.
Un transformateur symétrique-dissymétrique selon l'invention peut être utilisé dans un amplificateur, par exemple un amplificateur de radiofréquence de haute puissance comportant un
étage push-pull.
La description suivante, conçue à titre d'illustration de
l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: la figure 1 représente un transformateur du type symétrique-dissymétrique selon l'invention; la figure 2 représente une forme du transformateur symétrique-dissymétrique de la figure 1;
la figure 3(a) représente un transformateur symétrique-
dissymétrique sous forme circuit imprimé selon l'invention, qui est vu depuis un côté d'une plaquette de circuit imprimé; la figure 3(b) montre le côté opposé; la figure 3(c) représente une version découplée de la figure 3(a);
La figure 4 représente un amplificateur de puissance r.f.
push-pull comportant des transformateurs symétrique-dissymétrique selon l'invention; et la figure 5 est une vue en coupe de l'amplificateur de la
figure 4, construit sur une plaquette de circuit imprimé.
Comme représenté sur la figure 1, un transformateur symétriquedissymétrique 10 offre un moyen 11 d'entrée-sortie de signaux du type mis à la terre par un côté et un moyen 12 d'entrée-sortie de signaux symétrique_ Des éLéments conducteurs 14 et 15 forment un premier groupe d'éléments allant du moyen d'entrée-sortie 11 mis à la terre par un côté à une terre 16. Des conducteurs 16 et 17 vont respectivement du moyen d'entrée-sortie symétrique 12 à des terres 18 et 19 et ils sont électriquement symétriques. Les éléments conducteurs 14 et 15 constituent une première paire de conducteurs qui est électriquement isolée de la deuxième paire de conducteurs que constituent les éléments conducteurs 16 et 17. En utilisation, un signal appliqué au moyen d'entrée-sortie mis à la terre par un côté 11 produit un signal de sortie symétrique sur le moyen d'entrée-sortie symétrique 12 du fait du couplage de type transformateur (indiqué- schématiquement en 100) entre la première paire de conducteurs (14, 15) faisant fonction de primaire et la deuxième paire de conducteurs (16, 17) faisant fonction de secondaire. Par exemple, un signal produit par un générateur 101 du type mis à la terre par un côté peut exciter une charge symétrique 102 de valeur Z. Selon une autre possibilité, un o signal symétrique appliqué au moyen d'entrée-sortie symétrique 12 produira un signal de'sortie du type mis à la terre par un côté sur le moyen d'entrée-sortie 11. Dans ce montage, les conducteurs 16 et 17 constituent le primaire et les conducteurs 14 et 15 le secondaire. Dans une forme préférée de l'invention, les conducteurs 14 et 15 sont fusionnés en un conducteur unique 20 (voir figure 2) et les terres 18 et 19 sont formées en un point commun 21 qui est un point froid, et qui peut être découplé par un condensateur 22 pour la connexion d'une ligne 23 d'alimentation en puissance, comme représenté sur La figure 3(c), si bien que les conducteurs 16 et 17
sont également réalisés sous La forme d'un conducteur unique 22.
Pour le reste, Les parties identiques sont désignées par Les mêmes
numéros de référence que sur La figure 1.
On comprendra que cette forme de l'invention conduit d'elle-même à la fabrication sur une structure de pLaquette de circuit imprimé, les conducteurs 20 et 22 étant imprimés directement à la surface de la plaquette de circuit imprimé. Le montage résultant peut être vu plus clairement sur Les figures 3(a), 3(b) et 3(c), o les parties identiques portent des numéros de référence communs aux figures I et 2. Dans le montage des figures 3(a), 3(b) et 3(c), le conducteur 20 se trouvant d'un côté du circuit imprimé, le conducteur 22 se trouvant de l'autre côté et les connexions 11 et 12 d'entrée-sortie sont entourées par un réseau de terre 30. La proximité du réseau de terre établit celui-ci comme principale source des capacités parasites coupLées au transformateur, ce qui a pour effet de réduire les autres capacités parasites qui pourraient être présentes. -On peut omettre le réseau de terre sur La face supérieure de la plaquette, si on le souhaite. Un certain nombre d'avantages de cette forme imprimée de l'invention apparaîtront à l'homme de l'art_ Letransformateur symétrique-dissymétrique est imprimé à pLat sur la plaquette de circuit imprimé, qui peut être la plaquette de circuit imprimé portant l'amplificateur, par exemple, si bien qu'il peut être reproduit à répétition avec la précision des plaquettes de circuit imprimé. Aucun assemblage n'est nécessaire, et il n'existe aucune tolérance de composant ou d'assemblage qui puisse affecter les
performances du circuit.
Les modes de réalisation du transformateur symétrique-
dissymétrique décrits ci-dessus, conviennent pour l'utilisation dans un circuit amplificateur de puissance r.f. de haute fréquence utilisant des transistors en montage push-pull. Un amplificateur 40, comme on peut le voir sur la figure 4, o des transformateurs du type symétriquedissymétrique sont présentés sous forme simplifiée, comprend deux transistors 41, 41' montés en configuration push-pull. Le circuit réel qui convient pour une
application particulière apparaîtra clairement à l'homme de l'art.
Un signal d'entrée destiné à être amplifié peut être appliqué à une entrée 45 mise à la terre par un côté. Un transformateur symétriquedissymétrique 48 selon l'invention produit des signaux symétriques complémentaires sur des lignes 49, 49', de manière à exciter la paire de transistors push-pull 41, 41' à partir du réseau d'adaptation imprimé 405, ce qui donne un signal de sortie amplifié symétrique sur des lignes 400, 400' via un deuxième réseau d'adaptation 406 comportant des lignes du type microruban, par exemple la ligne 407, ce signal de sortie symétrique étant destiné à être transformé en un signal de sortie final du type mis à la
terre par un c&té en 401 par le transformateur symétrique-
dissymétrique 402. Les transformateurs symétrique-dissymétrique 48 et 402 possèdent des condensateurs 403 et 404 respectivement connectés aux bornes de Leurs moyens d'entrée-sortie symétriques, de manière à compenser les fuites apparaissant dans les applications en Large bande_ Selon une forme construite de l'amplificateur push-pull de la figure 4, L'amptificatetrr 50, que l'on peut voir sur la figure 5, est monté sur une plaquette de circuit imprimé 51, qui peut être faite en un matériau du type Teflon/verre, convenant aux
applications aux radiofréquences. Des transformateurs symétrique-
dissymétrique 48 et 49 possèdent des conducteurs 20', 22' et 20", 22" qui sont respectivement pla-cés sur les côtés respectifs de la plaquette 51. Les conducteurs sont entourés par un réseau de terre '. Les transistors de puissance (41, 41' sur la figure 4) sont placés dans un unique bottier 55, dont la plaque de montage métallique 52 est fixée à une source froide métallique 53 par une vis 54, de sorte qu'il est connecté à la terre. Les alimentations de base et de collecteur des transistors peuvent être connectées via des transformateurs symétrique-dissymétrique découplés du type représenté sur la figure 3(c). Il est nécessaire que la source froide 53 soit massive eu égard à la forte dissipation de chaleur des transistors, lesquels fonctionnent typiquement en classe AB, ou même en classe A, ces deux classes ayant un rendement relativement médiocre, de sorte que la source froide 53 s'étend sur la longueur de la plaquette 51, de manière à former une structure compacte, comme cela est nécessaire pour maintenir une taille raisonnable à un amplificateur r.f. de grande puissance complet (qui est constiué par de nombreux semblables amplificateurs). Des parties découpées 57 et 58 sont ménagées dans la source froide 53 pour loger respectivement les conducteurs inférieurs des transformateurs
symétrique-dissymétrique 48 et 49.
On comprendra que les conducteurs situés du côté
symétrique (22' pour le transformateur 48 et 22" pour le transfor-
mateur 49) sont tous deux affectés uniformément par tes parasites, du fait de La proximité de la source froide 53, c'est-à-dire du fait que les deux côtés de la sortie symétrique (transformateur 48) ou de l'entrée symétrique (transformateur 49) sont affectés de
manière égale.
Ceci constitue l'important résultat qui permet d'imprimer à plat les transformateurs symétrique-dissymétrique en tant que partie de la plaquette de circuit imprimé de l'ampLificateur. C'est en ceci que l'invention se démarque des formes de réalisation imprimées de transformateurs symétrique-dissymétrique de la technique antérieure, o le coté symétrique est formé en partie au-dessus et en partie au-dessous de la plaquette de circuit imprimé, ce qui conduit à des effets parasites asymétriques non
acceptables.
Les modes de réalisation précédents de l'invention ont été décrits en relation avec une structure en plaquette de circuit imprimé, ce qui est une manière appropriée de produire des éléments conducteurs électriquement isolés par tfn support diélectrique. On notera toutefois que l'invention peut être appliquée à toutes les
structures offrant des conducteurs électriquement isolés.
Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer,
à partir des dispositifs dont la description vient d'être donnée à
titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses
variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention.

Claims (10)

REVENDICATIONS
1. Transformateur du type symétrique-dissymétrique offrant un moyen (11) d'entrée-sortie de signaux du type "mis 'à La terre par un coté' et un moyen (12) d'entrée-sortie de signaux symétrique, caractérisé en ce qu'il comporte: plusieurs premiers éléments conducteurs (14, 15) connectés en série entre ledit moyen d'entrée-sortie de signaux mis à la terre par un côté et la terre, et plusieurs deuxièmes éléments conducteurs (16, 17) couplés aux premiers éléments conducteurs, de manière à former avec eux un transformateur, et électriquement isoLés de ceux-ci, lesdits deuxièmes éLéments conducteurs s'étendant de ?anière électriquement symétrique de la terre audit moyen d'entrée-sortie
symétrique.
2. Transformateur seLon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments conducteurs (14, 15; 16, 17) prennent la
forme d'un conducteur fusionné continu (20; 22).
3. Transformateur selon la revendication 2, caractérisé
en ce que les conducteurs fusionnés ont des formes identiques.
4. Transformateur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'au moins un conducteur fusionné est en forme
de boucle fermée.
5. Transformateur selon l'une quelconque des revendi-
cations 1 à 4, caractérisé en ce que les deuxièmes éléments
conducteurs s'étendent depuis une terre commune (21).
6. Transformateur selon l'une quelconque des revendi-
cations 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte des conducteurs
sous forme de circuit imprimé.
7. Transformateur selon l'une quelconque des revendi-
cations 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte un condensateur de
compensation de fuites (403; 404).
8. Transformateur selon l'une quelconque des revendi-
cations 1 à 7, caractérisé en ce que les éléments conducteurs sont
entourés par un conducteur mis à la terre (30).
9. Amplificateur caractérisé en ce qu'il comporte un transformateur du type symétrique-dissymétrique selon l'une
quelconque des revendications 1 à 8.
10. Amplificateur selon la revendication 9, comportant un
étage push-pull (40).
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