Brevet FR2095260A1 — publié le 19720211

La présente invention concerne un modulateur comprenant une source d'énergie ondulatoire de fréquence F, une source de signal porteur d'information ayant une fréquence maximale de l'ordre de F/100, et un dispositif pour moduler l'amplitude de l'énergie ondulatoire en réponse au signal. L'amplificateur haute fréquence dans un système de communication à modulation d'amplitude doit jouer deux rôles simultanément. Il doit être une source d'énergie haute fréquence et en même temps être capable de produire une variation suffisamment linéaire de cette énergie en réponse à un signal dientrée. En général, toutefois, la combinaison de ces deux fonctions dans un seul dispositif n'est pas nécessairement optimale aux fréquences porteuses situées dans la gamme des#gigahertz, modulées à des cadences de l'ordre du mégahertz L'invention apporte une solution à ce problème. Elle procure un modulateur se caractérisant en ce que le dispositif de modulation est constitué par une diode PIN. Les deux fonctions requises d'un amplificateur de puissance sont réparties entre deux dispositifs séparés. Un des dispositifs sse met simplement en ~devoir de constituer un grand réservoir d'énergie haute fréquence. Le second dispositif est un modulateur linéaire se présentant sous la forme d'une diode PIN qui module le signal haute fréquence en réponse à un signal porteur d'information. Etant donné que la diode PIN travaille à une vitesse beaucoup plus élevée que les diodes utilisées habituellement, un égaliseur se trouve avantageusement inclus dans le circuit de modulation afin de compenser la sensibilité en fréquence de ce type de modulateur. Un avantage de l'invention est qu'en séparant ainsi les deux fonctions de l'amplificateur de puissance, il est possible d'utiliser des dispositifs marginaux moins coûteux pour obtenir des résultats globaux similaires, voire meilleurs. L'invention apparaitra plus clairement à-la lecture de la description qui va suivre, faite en regard des dessins joints sur lesquels: - la figure 1 est un schéma fonctionnel d'un transmetteur de signal modulé en amplitude, selon la technique antérieure; - la figure 2 est un schéma fonctionnel d'un transmetteur de signal modulé en amplitude, selon l'invention; - la figure 3 illustre un modulateur linéaire idéal; - la figure 4 représente une diode PIN; - la figure 5 montre le circuit équivalent d'une diode PIN; - - la figure 6 montre la courbe de réponse en fonction de la fréquence d'une diode PIN typique; - la figure 7 est un schéma d'un exemple de circuit égaliseur; - la figure 8 illustre un exemple de forme de réalisation d'un modulateur à diode PIN;; - la figure 9 est un diagramme montrant la variation du courant de la diode en fonction de la tension de signal mo dulant; - la figure 10 est un diagramme montrant la variation du facteur de réflexion de la tension de la diode en fonction du courant de la diode; - la figure Il est un schéma fonctionnel d'un relais à fréquence radioélectrique selon la technique antérieure; - la figure 12 est un schéma fonctionnel d'un relais à à fréquence radioélectrique selon l'invention, - la figure 13 est un schéma synoptique d'un relais à fréquence radioélectrique à large bande selon l'invention. La figure 1 montre un schéma fonctionnel d'un trains metteur de signal modulé en amplitude typique comprenant, en cascade, un oscillateur haute fréquence 10, un modulateur Il et un amplificateur de puissance 12. Le modulateur Il module l'amplitude du signal haute fréquence dérivé de l'oscillateur 10 en réponse à un signal porteur d'information engendré par une source 13. Le signal modulé est ensuite amplifié dans l'amplificateur 12. Comme mentionné plus haut, l'amplificateur 12 doit être capable de fournir une grande quantité d'énergie haute fréquence et, en outre, être capable de produire des variations linéaires de cette énergie en réponse à des variations de l'amplitude du signal d'entrée. A des fréquences plus élevées, particulièrement celles des ondes décimétriques et millimétriques, des amplificateurs de puissance linéaires ne sont guère facilément disponibles, C'est pourquoi, selon l'invention, deux deuxdeux fonctions sont réalisées dans des -dispositifs séparés, ce qui conduit au montage représenté à la figure 2. Dans ce montage les positions relatives de l'amplificateur et du modulateur se trouvent inversées. L'oscillateur 20 est donc connecté directement à l'amplificateur 21, lequel est à son tour connecté au modulateur 22. Dans ce montage seul l'amplificateur est appelé à fournir une puissance élevée. Il ne doit pas répondre aux variations d'un signal d'entrée. Cette dernière fonction intéresse exclusivement le modulateur. Un modulateur idéal est celui dans lequel la source de signal modulant et le signal à moduler sont totalement isolés l'un de l'autre. Habituellement, toutefois, il n'en est guère ainsi car il existe généralement un couplage appréciable entre les deux circuits et c'est ce couplage qui provoque la non-linéarité du modulateur. La figure 3 montre un modulateur idéal comprenant un potentiomètre 30 et un moteur 31. Le signal d'entrée haute fréquence est appliqué aux bornes du potentiomètre Le moteur 31,en réponse à un signal modulant engendré par la source 35, modifie la position relative du curseur 34 du potentiomètre au moyen d'un engrenage 33. Il est bien évident que les deux circuits de sigraux sont totalement isolés l'un de l'autre Bien que le montage électromécanique de la figure 3 constitue un modulateur réalisable pour des fréquences situées dans la partie inférieure du spectre, ce montage n'est guère utilisable pour les fréquences plus élevées envisagées ici. C'est pour atteindre ce but qu'une diode PIN se trouve utilisée selon 1' invention. Comme on peut le voir sur la figure 4, une diode PIN comprend une région de matériau semi-conducteur de type P, une région à peu près intrinsèque X, et une région de type N. Lorsqu'elle est polarisée dans le sens direct, la diode peut être représentée par le circuit équivalent de la figure 5. La résistance non linéaire de la jonction K-N est court-circuitée à fréquence élevée par la capacité élevée Ci de la jonction. La résistance Rs de la région intrinsèque X est cependant shuntée par une capacité Cs beaucoup plus faible. Les courants haute fréquence sont donc effectivement dérivés autour de la résistance non linéaire de la jonction, mais ils traversent la résistance de la région intrinsèque. On remarquera que la diode PIN diffère d'une diode PN classique par le fait que dans celle-ci la résistance de jonction est le paramètre important tandis que dans la diode PIN, le paramètre important est constitué par la résistance de la région intrinsèque. Les diodes FIN peuvent être réalisées en sorte que la résistance de la région intrinsèque soit plus petite d'un ordre de grandeur ou deux que la résistance de jonction pour un courant de commande donné. Le mécanisme qui commande la grandeur de la résistance Rs de la région intrinsèque est la modulation de conductivité. Pour qu'il en soit ainsi, il faut que la région intrinsèque soit relativement épaisse en sorte qu'elle présente un temps de transit long par rapport au signal haute fréquence et les porteurs de charge minoritaires dans cette région doivent avoir une durée de vie relativement longue. En courant continu la valeur de la résistance Rs est inversement proportionnelle au courant traversant la diode. A mesure que croit la fréquence à partir de zéro, la résistance RS essaie de réagir à la variation du courant instantané dans la diode. Toutefois, par suite de la longue durée de vie des porteurs de charge minoritaires et du temps de transit élevé de la région intrinsèque X, la résistance RS ne peut suivre la variation instantanée pour les courants haute fréquence.Il en résulte qu'à haute fréquence (fréquences bi#en supérieures à la vitesse de modulation) la diode apparaît comme une résistance linéaire dont la valeur est commandée par le courant de modulation qui la traverse. Comme la résistance R8 n'est pas sensible aux courants haute fréquence, des courants à fréquence radioélectrique beaucoup plus élevés que le courant de commande peuvent être tolérés sans qu'il en découle une non-linéarité indue. Les diodes PIN sont habituellement utilisées comme atténuateurs variables. Dans ce cas, la polarisation de la diode varie à une vitesse très faible en réponse à un certain signal de commande, comme dans un circuit de réglage automatique du gain. Par contre, selon l'invention, le signal de commande est un signal modulant à fréquence relativement élevée. Plus particulièrement, la fréquence du signal modulant, telle qu'elle est considérée dans le cadre de l'invention, est de l'ordre de F/100, où F est la fréquence porteuse haute fréquence située dans la gamme des gigahertz. Le signal modulant est donc situé bien bas sur la courbe de réponse de la diode, courbe de réponse qui traduit la variation d'impédance de la diode en fonction de la fréquence du signal appliqué. La figure 6 montre à titre d'exemple la courbe de réponse typique d'une diode PIN. Alors qu'une diode PIN travaille habituellement dans la gamme de fréquences dans laquelle la courbe de réponse est plate, selon l'invention la diode est utilisée à une fréquence F située bien au-delà de cette gamme.L'égaliseur 23 est avantageusement connecté en série avec la source de signal modulant 24, comme montré sur la figure 2, afin de compenser la sensibilité de la diode à la fréquence. La figure 7 montre le schéma d'un circuit égaliseur comprenant une résistance 60 en série avec le montage parallèle d'un condensateur 61 et d'une résistance 62. Une bobine d'induction 63 peut également être connectée en série afin de résonner avec la capacité de la diode. L'impédance série de ltégaliseur décroît à mesure que croit la fréquence du signal modulant, compensant ainsi la diminution d'impédance de la diode comme illustré sur la figure 6. Il est évident que d'autres montages d'égaliseur peuvent être utilisés selon la caractéristique de réponse relative de la diode. La figure 8 illustre plus en détails une forme de réalisation d'un modulateur à diode PIN selon l'invention. Le signal haute fréquence est appliqué à la branche 1 d'un circulateur 70. La branche 2 est connectée à la branché 1 d'un second circulateur 78 à travers un filtre passe-haut 79. Le signal modulé est recueilli à la sortie 3 du circulateur 70. Une diode PIN 71 est connectée à la branche 2 du circulateur 78 tandis que la branche 3 de celui-ci est connectée au collecteur d'un transistor 77 par l'intermédiaire d'un filtre passe-bas 80. Le signal modulant est appliqué à l'émetteur du transistor 77 par l'intermédiaire d'un transformateur 75.La polarisation de la diode 71 et du transistor 77 est fournie par les sources de courant continu 76 et 74. Le signal modulant, appliqué à l'émetteur du transistor 77 à travers le transformateur 75 produit dans la diode PIN 71 un courant qui varie logarithmiquement, ce qui a pour effet de moduler l'impédance de la diode et de produire une variation linéaire du facteur de réflexion de tension à la branche 2 du circulateur 78. Le signal haute-fréquence,qui est appliqué à la branche ~2 du circulateur 78 et.se.trouve ainsi appliqué à-la diode-7l,est de même modulé d'après#le#signal-modulant. -#La -figure -9 montre la svariation du #courant instantané i de la diode en fonction de la tension V du signal modulant, l'échelle de courant instantané en ordonnées étant logarithmique. La caractéristique, basée sur des données réelles obtenues d'un circuit essentiellement identique à celui de la figure 8, est pratiquement linéaire. La figure 10 montre la variation du facteur de-Péflexion r de la tension de la diode en fonction du courant instantané i porté en abscisses sur une échelle logarithmique. La caractéristique obtenue avec les mêmes données que pour la caractéristique de la figure 9, est également linéaire sur la gamme de courants qui entre en considération. La caractéristique présente simplement un léger aplatissement pour les courants les plus élevés. La polarisation de la diode est ajustée en un point a situé au centre de la partie linéaire de la caractéristique du facteur de réflexion. Ce point détermine l'amplitude maximale du signal modulant pour produire une modulation à cent pour cent. Cette gamme peut être étendue, si la chose s'avère nécessaire, par un montage de compensation qui étend la partie linéaire de lU caractéristique de la figure 10. (voir par exemple le brevet américain n0 3.241.079). Les filtres 79 et 80 sont des filtres passe-haut et passe-bas classiques calculés pour laisser passer la porteuse haute fréquence et le signal modulant respectivement et, inversement, pour réfléchir le signal modulant et la porteuse haute fréquence, respectivement. On assure ainsi un isolement efficace entre les deux circuits sauf dans la diode elle-même où ceux-ci réagissent pour produire la modulation de la porteuse haute fréquence. Les figures Il et 12 illustrent une seconde application d'un transmetteur de signal modulé en amplitude, la figure Il se rapportant à un montage typique connu tandis que la figure 12 se rapporte à un montage selon l'invention. L'application illustrée est celle d'un relais à fréquence radioélectrique. Le montage de la figure Il comprend une antenne de réception 90, un convertisseur abaisseur de fréquence 91 et son oscillateur local associé 92, un amplificateur à fréquence intermédiaire 93, un convertisseur élévateur de fréquence 94 et son oscillateur local associé 95, un amplificateur à fréquence radioélectriqne-96-et une antenne d'émission 97, -Le fonctionnement #'un#tel:.relais est immédiat: letsignal radiofréquence est reçu, converti en-un signal de fréquence plus faible qui se trouve amplifié, puis reconverti en un signal radiofréquence pour être retransmis. Toute l'amplification est avantageusement effectuée à la fréquence inférieure dite fréquence intermédiaire. Toutefois, par suite de la gamme de fonctionnement linéaire limitée du convertisseur de fréquence typique, le niveau du signal à fréquence intermédiaire qui peut être appliqué au convertisseur élévateur de fréquence est également limité. En conséquence, le convertisseur élévateur doit habituellement être suivi dgun étage d'amplification à fréquence radioélectrique. Selon l'invention on peut omettre l'amplificateur radiofréquence et effectuer toute l'amplification à fréquence intermédiaire en utilisant une diode PIN comme dispositif convertisseur élévateur de fréquence. Le schéma d'un récepteur ainsi modifié est représenté à la figure 12. Ce répéteur comprend une antenne de réception 90, un convertisseur abaisseur de fréquence 91 avec un oscillateur local associé 92, un amplificateur à fréquence intermédiaire 93, un égaliseur 100, un convertisseur élévateur de fréquence à diode PIN 98 et son oscillateur local associé 95, et une antenne d'émission 97. Un signal de fréquence F1+f0 et de largeur de bande 2Af est capté par l'antenne 90 et mélangé dans le convertisseur 91 avec le signal de fréquence F1 engendré par 1Doscilla- teur local 92, produisant ainsi un signal à fréquence intermédiaire f i Af. Celui-ci est amplifié par l'amplificateur 93, et le signal amplifié est appliqué au convertisseur de fréquence 98 par l'intermédiaire de l'égaliseur 100.Comme il est de pratique courante de retransmettre à une fréquence différente, ltos- cillateur local 95 est usuellement accordé à une fréquence F2 différente de F1, de manière à produire un signal de sortie de fréquence (F2+fo)-Afo Etant donné que le convertisseur 98 peut traiter un signal de niveau élevé, tout le gain requis peut être obtenu relativement aisément à la fréquence intermédiaire inférieure, éliminant ainsi l'amplificateur radiofréquence habituellement prévu idans le répéteur après le convertisseur élévateur de fréquence. Le montage représenté à la figure 13 est une extension du montage de la figure 12 où la largeur de bande du signal, pour une raison quelconque, est trop large pour être commodément traitée comme une entité. Dans le montage de la figure 13, la bande de fréquencesdu signal d'entrée F1 + (f10..0Qf6) est convertie en une bande de fréquencesinférieure (f10 (f1...f6) par le convertis- seur 101 et son oscillateur local associé 102.Comme on pose que la bande (f1...f6) est trop large pour être traitée commodément, cette bande se trouve divisée en plusieurs sous-bandes f1... f2, f2#..f3, f3...f4, f4...f5, et f5...f6 au moyen d'un démultiplexeur 103 Si le signal originel comprend plusieurs voies indépendantes, l'un quelconque des démultiplexeurs classiques peut être utilisé à cette fin. D'autre part, si le signal originel comprend un signal à large bande, il faut utiliser un démultiplexeur à phase cohérente, du type décrit dans le brevet américain n0 3.426.292. Quoique les signaux dérivés du démultiplexeur 103 aient une largeur de bande convenable, ils sont tous avantageusement convertis en une même bande de fréquencesau moyen de plusieurs mélangeurs basse fréquence 104, 105,106 et 107. Les signaux locaux de fréquences f1 , 2f , 3f et 4f sont engendrés par un oscillateur local 128 suivi d'un générateur d'harmoniques 129 qui multiplie le signal de l'oscillateur local en sorte de produire les harmoniques appropriés de la fréquence fondamentale f comme suit: fî...f2 = f2...f3 - f= f30#.f4 -2f = f40#.f5 - 3f = f5...f6 - 4f. Les différentes sous-bandes sont amplifiées par les amplificateurs 108, 109, 110, 111 et 112, et les signaux amplifiés sont appliqués aux convertisseurs à diode PIN 113 à 117, respectivement,à travers les égaliseurs 118 à 122. Les signaux locaux pour les mélangeurs à diode sont dérivés de l'oscillateur local 123 et d'un groupe de mélangeurs 124 à 127 qui additionnent les fréquences harmoniques f , 2f, 3f et 4f à la fréquence locale F2. Ce faisant, les sous-bandes se trouvent restituées dans leurs positions relatives correctes et elles peuvent alors être multiplexées au moyen du multiplexeur 128 afin de produire le signal de sortie de fréquence E2+(f1...f6). Ici aussi, un multiplexeur classique peut être utilisé selon la nature du signal. REVENDICATIONS * 1.- Modulateur comprenant une source d'énergie ondulatoire de fréquence F, une source de signal porteur deinformaS tion ayant une fréquence maximale de l'ordre de F/100, et un dispositif pour moduler l'amplitude de l'énergie ondulatoire en réponse au signal, caractérisé en ce que le dispositif de modulation est constitué par une diode PIN. 2.- Modulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence F est située dans la gamme des gigahertz et en ce que le signal porteur d'information a une fréquence située dans la gamme des mégahertz. 3.- Modulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal contient des composantes dont les fréquences sont situées dans-la bande f + Afj et en ce que le modulateur à diode PIN est un convertisseur elévateur de fréquence dont le signal de sortie utile est situé dans la bande de fréquences F + ò + A. 4.- Modulateur selon la revendication 1, destiné à être utilisé dans un relais radiofréquence, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif pour recevoir un signal modulé en amplitude, de fréquence Fi + fo + At; un convertisseur abaisseur de fréquence pour convertir ce signal en un signal à fréquence intermédiaire f i Af; un dispositif pour amplifier le signal à fréquence intermédiaire, un dispositif modulateur comprenant une diode PIN afin de convertir le signal à fréquence intermédiaire en un signal de fréquence F2 + f, T Af; et un dispositif pour transmettre ce dernier signal. 5.- Modulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un démultiplexeur pour diviser le signal à fréquence intermédiaire en plusieurs sous-bandes, un dispositif pour convertir les sous-bandes en une même bande de fréquences, un dispositif d'amplification constitué de plusieurs amplificateurs pour amplifier chacune des sous-bandes converties, un dispositif modulateur pour convertir les sous-bandes amplifiées, et un dispositif pour multiplexer les sous-bandes-amplifiées* 6.- Modulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un amplificateur de puissance entre la source de signal et le dispositif modulateur,