Chapitre 3 : Circuits micro-onde passif - Coupleurs

Chapitre 3 Circuits micro-onde passif
3.1 Coupleurs
Les coupleurs sont des composants micro-ondes extrêmement utiles dont la première
fonction est de coupler ou de diviser le signal incident ou la puissance de manière
disproportionnée ou de façon égale. Ils sont utilisés dans de nombreuses applications incluant
les systèmes de télécommunications sans fil, les systèmes de radar, les systèmes de mesure et
d’instrumentation tels que les systèmes de test, les analyseurs vectoriels, les wattmètres, les
contrôleurs de gain automatique par boucles, les réflectomètres et dans les systèmes
biomédicaux.
3.1.1 Coupleurs directionnels
Un coupleur directif est un composant passif à quatre ports, la puissance injectée dans
un port d'entrée (voie incidente) est divisée entre les deux ports de sortie (voie directe et voie
couplée), le port restant est isolé, ce qui signifie qu'aucune puissance ne lui est transféré. Un
coupleur directif idéal est réciproque, adapté et sans pertes. Une partie de la puissance
incidente, qui se propage sur la ligne principale de 1 vers 2, est couplée sur la ligne secondaire
et sort en 3, pour un coupleur Co-directif, et en 4, pour un coupleur contra-directif. Le
couplage contra-directif est un couplage qui résulte de la recombinaison des ondes réfléchies
dans les plans des discontinuités tandis que le couplage Co-directif est dû à la différence de
vitesse de phase des modes fondamentaux. Les coupleurs directifs sont des éléments très
importants pour mesurer les puissances hyperfréquences émises et réfléchies par une charge.
Les coupleurs directifs sont en général des dispositifs radiofréquences ou hyperfréquences à
faibles pertes. Un coupleur directif comporte en général deux circuits : un circuit principal et
un circuit secondaire, et un mécanisme de couplage entre eux.
Figure 3-1 a) Coupleur contra-directif b) Coupleur Co-directif.
Prenons l’exemple idéal d’un coupleur directif à quatre ports comme celui illustré sur
la Figure (b). Une onde incidente au port 1 est couplée aux ports 3 et transmis au port 2, le
port 4 est isolé.
Un coupleur directionnel est habituellement dimensionné pour que tous les ports
soient adaptés, que les entrées (respectivement les sorties) soient découplées entre elles, et

que l’ensemble de l’énergie entrant dans un port d’entrée soit distribuée sans pertes vers les
deux sorties.
De façon plus générale, un coupleur directif est un quadripôle réciproque ,
adapté  et idéalement sans pertes  [29]. La matrice S de ce
coupleur est :
Un système est sans pertes si la condition suivante est satisfaite :
Puisque le réseau est sans pertes, la matrice S est unitaire :  et  (le
produit des amplitudes de chaque rangée est 1). Ce qui implique que :
Pour simplifier la matrice encore plus, on choisit des références de phase sur 3 des 4 ports,
de sorte que :  
Avec les conditions que α est réel, β est réel, et θ et φ sont des constantes de phase à
déterminer. Puisque , on obtient . Pour ce coupleur
directionnel sans pertes, la matrice S devient :
Le produit scalaire des rangées 2 et 3 doit être zéro :
Où  
Le produit scalaire sera satisfait si  ou . Les
symboles typiques pour des coupleurs directionnels sont montrés à la figure 3-2, où la
convention de flux de puissance est montrée : l’entrée est toujours au port 1, le port de sortie
est au port 2, le port de sortie du signal couplée est au port 3, et le port isolé est le port 4.

Dans un coupleur idéal, il n’y a aucune puissance délivrée au port 4. La matrice de
répartition du coupleur est complètement déterminée par les éléments de la première
colonne, autrement dit, le calcul de la matrice de répartition se réduit au calcul des quatre
paramètres , ,  et .
Figure 3-2 : Deux symboles communs pour des coupleurs directionnels, et convention
de flux de puissance
 Coupleur symétrique 
Dans ce cas, on choisit, ce qui veut dire que les termes d’amplitude β
ont la même phase [29]. La matrice S du coupleur symétrique est :
 Coupleur antisymétrique 
Dans ce cas, on choisit , ce qui veut dire que les termes d’amplitude
β ont 180° de déphasage [29]. La matrice S du coupleur symétrique est :
3.1.2 Caractéristiques des coupleurs directionnels
On utilise typiquement trois paramètres pour définir un coupleur directionnel :

Le facteur de couplage indique le pourcentage de la puissance d’entrée qui est couplé
au port de sortie. La directivité est une mesure de la capacité du coupleur à isoler les ondes
transmises et réfléchies, tout comme l’isolation. Ces quantités sont reliées par :
3.1.3 Autres types de coupleurs
Selon l’utilisation et la structure, les coupleurs ont plusieurs types :
a) Coupleur à ligne couplée
Lorsque deux lignes de transmission non blindées sont proches l’une de l’autre, la puissance
peut être couplée d’une ligne à l’autre à cause de l’interaction des champs électromagnétiq ues.
Ces lignes sont nommées des lignes couplées, et sont généralement constituées de trois
conducteurs en proximité. On suppose que les lignes couplées fonctionnent en mode TEM. La
topologie de coupleur à lignes couplées est montrée à la figure 3-3.
Figure 3-3 Géométrie d’un coupleur à ligne couplées
Un schéma à base de lignes de transmission est montré à la figure II.8. Ce réseau à 4
ports est terminé à tous les ports par Z0, et alimenté par une source de tension 20 à l’entrée
(port 1). On a deux impédances pour les lignes couplées : une pour une excitation paire, et
l’autre pour une excitation impaire.

Figure 3-3 Schéma d’un coupleur à ligne couplées
 Mode pair
Pour une excitation en mode pair, deux tensions de même potentiel sont appliquées aux
deux rubans. Pour le mode pair, le champ électrique présente une symétrie égale autour de la
ligne centrale et aucun courant ne circule entre les deux bandes conductrices.
 Mode impair
Pour une excitation en mode impair, ce sont deux tensions de signe opposé qui sont
appliquées. Pour le mode impair, les lignes de champs électrique ont une symétrie impaire
autour de la ligne centrale, et une tension nulle existe entre les deux bandes conductrices.
En utilisant une analyse paire/impaire on a :
Et
b) Coupleur de Lange
Il est généralement très difficile d’obtenir du couplage de 3 dB ou 6 dB à l’aide de lignes
couplées. Pour améliorer le couplage, on utilise plusieurs lignes parallèles, de sorte que les
champs de frange contribuent au couplage. Le coupleur le plus utilisé est le coupleur de Lange,
montré à la figure 3-4. Quatre lignes couplées sont utilisées, avec des interconnexions, pour
obtenir un couplage plus élevé. On peut facilement obtenir un couplage de 3dB, avec une octave
ou plus de largeur de bande. La fabrication des coupleurs de Lange à haute fréquence nécessite
une très grande précision, puisque les lignes sont très minces et rapprochées.