3 coupleurs bran

3 coupleurs bran
Communication Science & technology N° 15. January 2015
COST
COUPLEURS BRANCHLINE TEM ET QUASI-TEM
A LIGNES COAXIALES CLASSIQUES
Djamal LACHACHI1, Nadia BENABDALLAH2 et Nasreddine BENAHMED1
1Département
de Génie Electrique et Electronique, Université de Tlemcen
N_Benahmed@yahoo.fr
2Département de Physique, Ecole Préparatoire des Sciences et Techniques de Tlemcen
N_Benabdallah@yahoo.fr
Abstract
In this article a novel type of Branchline coupler convenient for high power
applications and for high power measurement systems is presented, analyzed and
designed.
Our novel type of Branchline coupler is realized with traditional coaxial TEM
and quasi-TEM lines and does not have any geometrical discontinuities.
For instance, this coupler was designed to operate at 450 MHz. The insertion
loss of the coupler S31 and direct S21 paths is better than −3.73 dB over the 14.3 %
bandwidth from 100 to 800 MHz. Return loss S11 and isolation S41 are better than
−14.14 dB over this bandwidth.
To reach this objective and these results, it was necessary to determine
numerically the electromagnetic parameters of the TEM and quasi-TEM coaxial
lines. Also we developed a set of accurate closed-form formulas for the
electromagnetic parameters of quasi-TEM coaxial lines.
Our analytical expressions, deduced from rigorous analysis by the finite element
method and curves fitting techniques, can be easily implemented in CAD simulation
tools, to design others circuits (couplers, filters…) operating at different frequencies
and using the quasi-TEM coaxial line.
Our results obtained for two TEM and quasi-TEM Branchline couplers were
validated by our simulations done under MATPAR and CST environments.
Keywords : Quasi-TEM Branchline coupler / inhomogeneous coaxial ligne /
electromagnetic parameters / developped expressions / scattering parameters [S] / finite
element method.
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Résumé
Dans cet article, un nouveau type de coupleur Branchline destiné pour des
applications dans le domaine des télécommunications hautes puissances et de
mesure radiofréquence (RF) est présenté, analysé et conçu.
Notre nouveau type de coupleur Branchline est réalisé à base de tronçons de
lignes coaxiales classiques TEM et quasi-TEM et ne présente pas de discontinuités
géométriques.
Ce coupleur a été conçu pour fonctionner par exemple à 450 MHz et ses
réponses couplée S31 et directe S21 sont meilleures que -3.73 dB dans une bande de
fréquence s’étalant de 400 à 500 MHz, ce qui limite la bande passante à environ
14.3%. Les pertes de réflexion S11 et d’isolation S41 sont meilleurs que -14.14 dB
dans cette même bande passante.
Pour atteindre cet objectif et ces résultats, il fallait déterminer les paramètres
électromagnétiques de la ligne coaxiale homogène et inhomogène par voie
numérique (méthode des éléments finis) à partir de l’énergie électrique moyenne en
résolvant l’équation de Laplace. Ce qui nous a permit de développer des expressions
analytiques rigoureuses pour l’ensemble des paramètres EM de la ligne coaxiale
inhomogène.
Nos expressions développées peuvent être utilisées pour concevoir d’autres
coupleurs Branchline fonctionnant à d’autres fréquences RF en calculant
correctement la longueur des tronçons de lignes coaxiales qui les forment. En outre
elles peuvent être utilisées pour concevoir d’autres circuits radiofréquences ou
microondes (filtres à saut d’impédances, filtres ULB,…) utilisant la ligne coaxiale
classique quasi-TEM.
Nos résultats de conceptions ont été validés par nos simulation des réponses
fréquentielles de deux coupleurs TEM et quasi-TEM obtenues sous les
environnements MATPAR et CST.
Mots clés : Coupleur Branchline quasi-TEM / ligne coaxiale inhomogène / paramètres
électromagnétiques / expressions développées / matrice [S] / méthode des éléments finis.
1. INTRODUCTION
La théorie des lignes de transmission monofilaire, nous permet de
déterminer certaines grandeurs électromagnétiques (EM) de la ligne
coaxiale classique (Fig. 1), à savoir : l’impédance caractéristique Zc, la
permittivité effective εeff et la valeur capacitive C et inductive L, et ceci à
partir de la distribution du potentiel scalaire V à l’intérieur du substrat
diélectrique [1-2]. Il nous reste qu’à l’appliquer au cas de la ligne coaxiale
homogène (TEM) et inhomogène (quasi-TEM).
De tels types de lignes TEM et quasi-TEM sont présentées sur la figure
1.
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a)
COST
b)
Figure 1 : Sections transversales de la ligne coaxiale homogène en a)
et inhomogène en b).
Le potentiel à l’intérieur d’une ligne coaxiale homogène est régi par
l’équation suivante :
r
Log
 rb
V (r ) 
r
Log a
 rb






(1)
Il en résulte que le champ électrique est réduit à sa composante
radiale et le champ magnétique à sa composante angulaire.
V V
1
(2)
Er  1 2
exp j  z 
 rb  r
Log 
 ra 
(3)
Er   H
Certains résultats analytiques concernant cette ligne sont déjà établis
comme suit :
La tension entre les deux conducteurs est :
V V1 V2 exp  j  z 
(4)
D’où immédiatement l’impédance caractéristique Zc :
r 
V 
(5)
Z c   0 Log b  
I
r
 ra 
Enfin, la capacité et la self linéique sont données par :
2 
(6)
F / m 
C
r
Log b
 ra



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r 

Log b  H / m
2
 ra 
En pratique µ=µ0, il vient alors en unités Giorgi :
r 
60
Zc 
Log b   
r
 ra 
109  r
F / m 
C
 rb 
18Log 
 ra 
L
COST
(7)
(8)
(9)
r 
(10)
L  0.2106 Log b  H / m 
 ra 
Pour la ligne coaxiale inhomogène, nous ne possédons pour ses
paramètres EM d’aucune expression analytique exacte ou même
approchées dans la littérature scientifique. Par conséquent l’utilisation
de méthode numérique, telle que la méthode des éléments finis (MEF),
s’impose
pour
résoudre
ce
problème
de
caractérisation
électromagnétique.
Dans ce qui suit nous nous proposons de calculer les paramètres EM
de la ligne coaxiale homogène et inhomogène en fonction de ses
caractéristiques géométriques et physiques. Tout le problème revient à

résoudre l’équation de Laplace div r grad t V   0 avec des conditions
aux limites fixées [3, 4]. Le calcul du potentiel scalaire V repose sur une
résolution numérique par la méthode des éléments finis sous
l’environnement FreeFEM4 [5].
2. PARAMETRES ELECTROMAGNETIQUES
La théorie des lignes sans pertes nous permet de déterminer le champ


électrique E et le champ magnétique H à partir du potentiel V.
L’énergie électrique moyenne Wem emmagasinée dans la structure

d’étude et le courant I se calculent à partir du champ électrique E et
toutes les constantes primaires et secondaires de la ligne coaxiale se
calculent aisément de l’énergie électrique moyenne Wem et à partir du
courant I.
Par conséquent il est impératif que le calcul du potentiel V doit se faire
avec une grande précision.
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2.1 Détermination du champ électrique
On peut déduire du potentiel scalaire V, le champ électrique par
simple dérivation sachant que :


(11)
E   grad (V )
2.2 Energie électrique moyenne
La structure emmagasine une énergie électrique moyenne qu’on peut
déduire du champ électrique comme suit :
 
1
(12)
W em 
 0 r .Et .Et*dxdy.
4 
2.3 Capacité linéique
Elle est déduite directement de l’énergie électrique moyenne. Soit :
4W em en (F/m)
(13)
C
V1  V2 2
Où V1 et V2 sont les conditions d’excitation de la ligne.
2.4 Impédance caractéristique
Elle est calculée à partir de la relation suivante :
Zc 
1
en ()
v C
(14)
8
où v  3.10 en (m / s) pour un milieu homogène.
r
8
Pour le cas inhomogène, v  3.10 en (m / s) , où εeff est la permittivité
 eff
effective de la ligne calculée à partir du rapport de l’énergie électrique
moyenne emmagasinée dans la ligne inhomogène sur l’énergie électrique
moyenne emmagasinée dans la même ligne mais vide (diélectriques
remplacés par l’air), c'est-à-dire en utilisant l’équation suivante :
 eff
 
1
 0 r Et .Et *dxdy

 4
 
1
 0 Et 0 .Et 0*dxdy

4
(15)
2.5 Inductance linéique
Elle se déduit de l’impédance caractéristique Zc et de la capacité
linéique C comme suit :
Zc 
L
 L  Z c2 C en ( H / m)
C
31
(16)
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Sur la base de cette théorie, nous avons établi deux programmes en
utilisant le jeu d’instructions du logiciel FreeFEM4. Ces deux
programmes permettent la caractérisation EM de lignes coaxiales
homogènes et inhomogènes (Figure 2).
a)
b)
Figure 2 : Maillage en éléments finis de la section transversale en a) et
distribution du potentiel scalaire après résolution de l’équation de
Laplace en b) de la ligne coaxiale quasi-TEM.
3. RESULTATS DE CARACTERISATION NUMERIQUES ET VALIDATION
En premier lieu, nous avons appliqué par exemple notre programme
pour une ligne coaxiale homogène dont les caractéristiques
géométriques et physiques sont :
- Rayon du conducteur central : ra = 0.45 mm ;
- Permittivité relative :
εr = 2.95
Nous avons trouvé les résultats présentés dans le tableau I. A partir de
ce tableau, il apparaît clairement un très bon accord entre nos résultats
obtenus par la MEF et ceux calculés analytiquement (théoriques). Ici
l’erreur relative est inférieure à 0.4% pour tous les paramètres EM de la
ligne homogène.
Tableau 1 : Résultats de caractérisation d’une ligne coaxiale homogène
Paramètres
EM
Impédance
caractéristiqu
e (Ω)
Résultats
Résultats
numériques
analytiques
(MEF)
(théoriques)
Pour rb/ra=2.7508
35.4
35.35
32
Erreur
relative
en (%)
0.141
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Paramètres
EM
Inductance
linéique
(nH/m)
Capacité
linéique
(pF/m)
Résultats
Résultats
numériques
analytiques
(MEF)
(théoriques)
Pour rb/ra=2.7508
COST
Erreur
relative
en (%)
202.665
202.12
0.268
161.73
161.11
0.383
Pour rb/ra=4.184
Impédance
caractéristiqu
e (Ω)
Inductance
linéique en
(nH/m)
Capacité
linéique
(pF/m)
50.07
50
0.140
286.68
285.93
0.261
114.33
114.009
0.280
En second lieu, nous nous sommes intéressés à la caractérisation de
lignes coaxiales inhomogènes. Ce cas présente un grand intérêt pratique
car la donnée du rayon de l’interface diélectrique-diélectrique rh précise
l’encombrement du câble coaxial.
Tout d’abord, nous avons fait une recherche numérique (recherche du
rapport rh/ra) d’une ligne d’impédance 35.35 Ω pour : ra=0.45 mm,
rb/ra=4.184, εr1=2.95 et εr2=7.24. Cette valeur de l’impédance
caractéristique nous l’avons obtenue pour rh/ra=1.25, qui lui correspond
εeff=5.9, L=286.64 nH/m et C=229.3 pF/m.
Pour ce rapport rh/ra de 1.25, l’impédance caractéristique de la même
ligne inhomogène caractérisée sous l’environnement CST [6] (Fig. 3) est
trouvée égale à 35.25 Ω ce qui prouve que notre programme en éléments
finis du cas inhomogène est correctement réalisé.
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Figure 3 : Caractérisation EM d’une ligne coaxiale inhomogène sous
l’environnement CST.
Impédance caractéristique ( )
(pour rb/ra=4.184; r1=2.95 et r2=7.24)
Ensuite, nous avons étudié la dépendance entre le rapport rh/ra (pour
rb/ra=4.184, εr1=2.95 et εr2=7.24) et les paramètres EM de la ligne
coaxiale inhomogène. Cette dépendance est montrée sur les graphes des
figures 4 à 6.
50,0
47,5
45,0
42,5
40,0
37,5
35,0
32,5
1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 2,50 2,75 3,00 3,25 3,50 3,75 4,00 4,25
Rapport rh/ra
Figure 4 : Impédance caractéristique en fonction du rapport (rh/ra).
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Permittivité effective eff
(pour rb/ra=4.184; r1=2.95 et r2=7.24)
7,5
7,0
6,5
6,0
5,5
5,0
4,5
4,0
3,5
3,0
1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 2,50 2,75 3,00 3,25 3,50 3,75 4,00 4,25
Rapport rh/ra
Figure 5 : Permittivité effective en fonction du rapport (rh/ra).
Capacité linéique en pF/m
(pour rb/ra=4.184; r1=2.95 et r2=7.24)
300
280
260
240
220
200
180
160
140
120
100
1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 2,50 2,75 3,00 3,25 3,50 3,75 4,00 4,25
Rapport rh/ra
Figure 6 : Capacité linéique en fonction du rapport (rh/ra).
La figure 4 montre que plus le rapport rh/ra augmente plus
l’impédance caractéristique de la ligne coaxiale augmente. Par contre la
permittivité effective et la capacité linéique sont inversement
proportionnelles au rapport rh/ra d’après les graphes des figures 5 et 6.
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4. MODELES ANALYTIQUES DEVELOPPES
En utilisant une technique de lissage de nos résultats numériques
obtenus par la MEF des figures précédentes, nous avons pu développer
des expressions analytiques rigoureuses pour l’ensemble des paramètres
caractéristiques de la ligne coaxiale inhomogène. Ces expressions se
présentent comme suit.
4.1 Impédance caractéristique
L’impédance caractéristique (Zc) de la ligne coaxiale inhomogène est
exprimée par la relation suivante :
Zc  Z0  A e
 3( r 1) 


5 


Avec : Z0=52.804 ; A=-20.31 ; r=rh/ra. Ce qui donne :
5
 Z  Z0 
r  1  Log  c

3
 A 
4.2 Permittivité effective et capacité linéique
(17)
(18)
La permittivité effective et la capacité linéique de la ligne coaxiale
inhomogène sont données respectivement par les relations (19) et (20).
 eff   c  A1 e
 ( r 1) 


 0.363 
 A2 e
 ( r 1) 


 1.87 
(19)
Avec : εc=2.417 ; A1=1.89 ; A2=2.915 ; r=rh/ra
C  C0  A1 e
 ( r 1) 


 0.376 
 A2 e
 ( r 1) 


 1.93 
 pF 


 m 
(20)
Avec : C0=92.96; A1=74.71; A2=111.86; r=rh/ra
Les erreurs relatives entre nos résultats numériques et ceux obtenus
après lissage telles qu’elles sont montrées sur le tableau II ne dépassent
pas 0.2% pour rh/ra=1.25. Ceci montre clairement la précision de nos
expressions analytiques proposées pour la ligne coaxiale inhomogène.
Cette première partie de cet article consistait à déterminer les
paramètres EM de la ligne coaxiale homogène et inhomogène par voie
numérique en utilisant la théorie des lignes de transmission
monofilaires.
Pour atteindre cet objectif, il fallait connaître la distribution du
potentiel scalaire sur la section transverse de la ligne.
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Or aux fréquences radioélectriques le problème s’approxime par la
résolution de l’équation de Laplace. Cette résolution, nous l’avons faite en
utilisant la méthode des éléments finis par le biais de nos programmes
réalisés sous l’environnement FreeFEM4, et a permit le calcul des
paramètres EM à partir de l’énergie électrique moyenne.
Tableau 2 : Résultats de caractérisation d’une ligne coaxiale
inhomogène
Pour rb/ra=4.184, rh/ra=1.25, εr1=2.95, εr2=7.24
Résultats
Résultats
Erreur
Paramètres
numériques
analytiques
relative
EM
(MEF)
(nos expressions)
en (%)
Impédance
caractéristiqu
35.35
35.32
0.085
e (Ω)
Permittivité
5.90
5.91
0.169
effective
Inductance
linéique
286.64
286.54
0.034
(nH/m)
Capacité
linéique
229.3
229.65
0.152
(pF/m)
A partir des différentes simulations que nous avons pu mener, nous
constatons que l’écart est faible entre nos résultats numériques et ceux
ou bien analytiques déjà connus ou bien ceux numériques obtenus sous
d’autres environnements tel que CST.
Nous disposons donc d’un outil informatique précieux pour la
caractérisation EM de la ligne coaxiale homogène et inhomogène.
Aussi, nous avons pu développer des expressions analytiques
rigoureuses pour l’ensemble des paramètres EM de la ligne coaxiale
inhomogène.
Dans ce qui suit, nous allons exploiter notre outil numérique ainsi que
nos résultats présentés dans la partie précédente pour la conception
d’une part de coupleur Branchline TEM et d’autre part de nouveau
coupleur Branchline quasi-TEM, tous réalisés à partir de tronçons de
lignes coaxiales classiques.
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5. COUPLEUR BRANCHLINE TEM ET QUASI-TEM
Les coupleurs dits Branchline sont des coupleurs directionnels,
généralement utilisés pour une répartition à 3dB de l’énergie, avec une
différence de phase de 90° entre la voie «directe» et la voie «couplée».
Ce genre de coupleur est fréquemment réalisé en technologie Microruban (Fig. 7) ou Tri plaque [7-9], et fait partie des coupleurs dites à
«quadrature de phase», comme il peut être réalisé en d’autre
technologies, telle que par exemple la technologie MEMS (Micro Electro
Mechanical Systems) [10, 11] et la technologie coaxiale comme c’est le
cas dans ce travail.
Figure 7 : Schéma d’un coupleur Branchline à lignes microrubans.
D’après le schéma de la figure 7, l’énergie entre par du port 1 et va se
trouver divisée entre le port 2 (voie directe) et le port 3 (voie couplée),
avec une différence de phase de 90° entre les sorties. Aucune énergie
n’est transmise au port 4 (c’est le port isolée).
Sa matrice de répartition en puissance [S] a la forme suivante :
0

1  j
S  
2 1

0
j 1 0
0 0 1 
0 0 j

1 j 0
(21)
En pratique, à cause des longueurs d'onde λ/4 nécessaires, la bande
passante d'un coupleur Branchline 3dB est limitée à 10-20%. Mais grâce
à des tronçons de lignes multi sections par exemple, il est possible
d'améliorer la bande passante.
De plus il est possible de répartir de manière non égale l'énergie sur
les ports de sortie en jouant sur les impédances caractéristiques des
tronçons de ligne.
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Un autre point pratique critique auquel il faut prêter attention est
l'effet de discontinuité présent à chaque coin du coupleur entre les lignes
d'impédance non égales. Ceci peut nécessiter quelques modifications
physiques ou géométriques.
5.1 Méthode de conception
La conception des coupleurs Branchline se fait systématiquement
pour une longueur d’onde l=λ /4, à l’aide de tronçons de ligne quartd’onde comme suit [12] :
- Choix de technologie pour réaliser le coupleur (coaxiale,
microruban, MEMS,…) ;
- Choix du substrat diélectrique (εr, εr1, εr2) ;
- Détermination des dimensions géométriques des tronçons de lignes
utilisées au moyen d’expression analytiques ou de graphes selon que
l’impédance caractéristique est Zc=50 Ω ou Zc=35.35 Ω ;
- Calcul des dimensions longitudinales de chaque tronçon de ligne du
coupleur Branchline (longueur l), pour une fréquence de
fonctionnement donnée, en utilisant la relation suivante.
l
c
4 f  eff
(avec c  3 .108 m / s)
(22)
5.2 Conception de coupleur Branchline TEM fonctionnant à
450MHz
Pour concevoir un coupleur Branchline TEM fonctionnant à 450 MHz
et utilisant des tronçons de câbles coaxiaux homogènes (L1, L2, L3, L4) de
type RG58 (ra=0.45 mm, εr=2.95), nous avons analysé la structure
représentée sur la figure 7.
Pour les lignes coaxiales de longueur 97 mm, la largeur de conducteur
interne (ra) a été maintenue constante. Le rayon (rb) du conducteur
extérieur a été varié pour modifier l'impédance caractéristique de la
ligne. Toutes les dimensions et les paramètres électromagnétiques,
obtenus à partir d’une caractérisation numérique par la MEF ou à partir
d’expressions analytiques, pour les tronçons de lignes du coupleur sont
donnés dans le tableau I.
Pour ces paramètres géométriques et physiques et en utilisant un
modèle numérique adapté [13] les réponses fréquentielles dans la bande
[100÷800] MHz du coupleur Branchline TEM que nous avons conçu au
moyen des lignes coaxiales homogènes, sont montrées par les graphes de
la figure 8.
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Les réponses simulées respectivement couplée S31 et directe S21 sont
meilleures que -3.75 dB dans une bande de fréquence s’étalant de 400 à
500 MHz, ce qui limite la bande passante à environ 14.3%. Les pertes de
réflexion S11 et d’isolation S41 sont meilleurs que -14 dB dans cette même
bande passante.
Modules des coefficients de réflexion (dB)
du coupleur Brancline coaxial homogène
0
-5
-10
-15
-20
-25
S11
S21
S31
S41
-30
-35
-40
-45
-50
-55
-60
-65
1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0
Fréquence (x100 MHz)
Figure 8 : Réponses fréquentielles du coupleur Branchline TEM sous
l’environnement MATPAR.
La même simulation du fonctionnement du coupleur Branchline TEM
que nous avons conçu a été faite sous l’environnement CST (Fig. 9). Ses
réponses fréquentielles représentées sur la figure 10 sont en bon accord
avec ceux obtenues sous l’environnement MATPAR.
Rappelons qu’un point pratique critique auquel il faut résoudre est
l'effet de discontinuité présent à chaque coin du coupleur entre les
tronçons de lignes d'impédance non égales.
Pour résoudre ce problème de discontinuité géométrique et en se
servant de nos expressions analytiques que nous avons développées,
nous avons pensé à concevoir un coupleur Branchline quasi-TEM ne
présentant pas de discontinuités géométriques mais utilisant deux
tronçons de lignes coaxiales inhomogènes (L1, L3) d’impédances 35.35 Ω
et de rapport (rb/ra=4.184) égal à celui des deux autres tronçons de
lignes coaxiales homogènes (L2, L4) d’impédances 50 Ω. Nos résultats de
conception et de simulation se présentent comme suit.
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Figure 9 : Schéma en 3D du coupleur Branchline TEM fonctionnant à
450 MHz.
Figure 10 : Réponses fréquentielles du coupleur Branchline TEM sous
l’environnement CST.
5.3 Conception de coupleur Branchline quasi-TEM fonctionnant à
450MHz
Pour tous les tronçons de lignes coaxiales de notre coupleur quasiTEM, le rapport rb/ra a été maintenu constant.
Les deux tronçons inhomogènes de longueur 68.6 mm sont à substrats
diélectriques de permittivités relatives de 2.95 et 7.24 utilisés
respectivement dans la réalisation du RG58 et du RG213.
Dans le but de concevoir des tronçons de lignes coaxiales
inhomogènes d’impédances 35.35 Ω et ayant un rapport rb/ra égal à
4.184, il nous a fallu prendre un rapport rh/ra égal à 1.25 en utilisant la
relation (18).
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Une représentation en 3D de notre nouveau type de coupleur
Branchline quasi-TEM ne présentant aucune discontinuité géométrique
et utilisant des tronçons de lignes coaxiales est montrée sur la figure 11.
Toutes les dimensions et tous les paramètres électromagnétiques,
obtenus à partir de nos expressions analytiques développées et à partir
de nos caractérisations EM par la MEF, pour les tronçons de lignes du
coupleur quasi-TEM sont donnés dans le tableau II.
a)
b)
Figure 11 : Schéma en 3D du nouveau type de coupleur Branchline
quasi-TEM fonctionnant à 450 MHz, en a) dessin global et en b) dessin
détaillé.
Pour ces paramètres géométriques et physiques les réponses
fréquentielles obtenues sous l’environnement MATPAR dans la bande
[100÷800] MHz du nouveau type de coupleur Branchline quasi-TEM que
nous avons conçu, sont montrées par les graphes de la figure 12.
42
Modules des coefficients de réflexion (dB)
du coupleur Brancline coaxial inhomogène
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COST
0
-5
-10
-15
-20
-25
S11
S21
S31
S41
-30
-35
-40
-45
-50
-55
-60
1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0
Fréquence (x100 MHz)
Figure 12 : Réponses fréquentielles de notre coupleur Branchline
quasi-TEM, obtenues sous l’environnement MATPAR.
Pour notre nouveau type de coupleur Branchline quasi-TEM, les
réponses couplée S31 et directe S21 sont meilleures que -3.73 dB dans une
bande de fréquence s’étalant de 400 à 500 MHz, ce qui limite la bande
passante à environ 14.3%. Les pertes de réflexion S11 et d’isolation S41
sont meilleurs que -14.14 dB dans cette même bande passante.
La différence de phase, en fonction de la fréquence, entre les deux
voies de sortie (directe et couplée) de notre nouveau type de coupleur
quasi-TEM est également représentée sur la figure 13. Sur cette figure
nous remarquons clairement que dans la bande de fréquence [400÷500]
MHz la différence de phase entre les deux voies de sortie est de 90° et qui
est la valeur recherchée durant notre conception [14].
43
Différence de phase entre les deux voies
de sortie: directe et couplée
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COST
0
-10
-20
-30
-40
-50
-60
-70
-80
-90
-100
-110
-120
-130
-140
-150
-160
-170
-180
1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0
Fréquence (x100 MHz)
Figure 13 : Différence de phase en fonction de la fréquence entre les
deux voies de sortie (directe et couplée) de notre coupleur
Branchline quasi-TEM, obtenue sous l’environnement MATPAR.
6. CONCLUSION
Dans cet article, nous avons conçu un nouveau type de coupleur
Branchline ne présentant pas de discontinuités géométriques.
Notre coupleur, réalisé à base de tronçons de lignes coaxiales
classiques TEM et quasi-TEM, trouve son application dans le domaine
des télécommunications hautes puissances et de mesure radiofréquence.
Pour atteindre cet objectif, il fallait déterminer les paramètres EM de
la ligne coaxiale homogène et inhomogène par voie numérique (MEF) à
partir de l’énergie électrique moyenne en résolvant l’équation de Laplace.
Ce qui nous a permit de développer des expressions analytiques
rigoureuses pour l’ensemble des paramètres EM de la ligne coaxiale
inhomogène.
Nos résultats de conceptions ont été validés par nos simulation des
réponses fréquentielles des deux types de coupleur TEM et quasi-TEM
obtenues sous les environnements MATPAR et CST.
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COST
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hybrid coupler fabricated using micromachined integrated coax,” Radio and
Wireless Conference, pp. 227-230, IEEE 2004.
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COST
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fréquences millimétriques, Thèse de Doctorat de l’Université Paul Sabatier de
Toulouse, France 2007.
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