Brevet FR2108167A1 — publié le 19720519

La pressente invention concerne un nouveau typo de modulateur d'amplitude pour ondes à ultra-haute fréquence, telles que les ondes décimétriques et centimétriques. Plus précisément, l'inventioll est un dispositif de modulatien pour ondes à ultra-haute fréquence, employant la combinaison avec ull gnrateur non modulé et une li ne ne transmission (ou un guide d'onde) d'éléments solides se comportant, sous l'action d'une tension électrique modulatrice qui leur est appliquée, coltine des résistances variables en fonction de la grandeur de cette tension. On connaît éjà deux types principaux de modulateur, l'un ayant le principe de fonctionncment q.i vivent d'entre rappelé les modulateurs à absorption et les modulateur à réflexion. Un modulateur à absorption comprend essentiellement une longueur de ligne de transmission à liaute fréquente alimentée, à l'une de ses extrémités, par le générateur non modulé et dont l'autre extrémité est reliée en parallèle, d'une part à un circuit d'utili sa-tion de l'onde modulée, d'autre part à au moins un élément solide à résistance variable sous l'effet de la tension modulatrice, tel qu'une diode semi-conductrice. Sous l'action de la variation de résistance de cet élément, l'ensemble du modulateur se comporte comme un affaiblisseur variable.Les inconvénients de cette disposition sont la désadaptabion de l'i@pédance présentée au générateur relativement à son impédance interne propre, la non-linéarité de la modulation vis-à-vis de la tension modulatrice appliquée et la limitation du baux maximal possible de modulation qui doit être admise si l'on vout lii:iiter ces désadaptation et non-linarité. Des modulateurs à réflexion, dont le fonctionncment est basé sur l'emploi d'une ou plusieurs diodes serni-coiiductrices agissant comme résistances variables à une extrémité d'une longueur de ligne de transmissioll, eréant ainsi à cette extrémité lui coefficient de réflexion variable, ont également été proposés. Leurs inconvénients sont analogues à ceux des modulateurs à absorption niais peuvent être réduits par l'insertion, entre le générateur, la ou les résistances variables, et le circuit d'utilisation, d'un organe à au moins trois acces et à propriétés directives, tel qu'un coupleur différentiel en anneau.Ce dernier dispositif présente l'a@antage de supprimer la désadaptation, mais a l'inconvénient de ne bien fonctiomler que dans le cas d'un montage symétrique à quatre accès utilisant deux diodes qui doivent être appariées avec une grande précision, et cela d'une manière sensiblement indépendante de la température. En effet, l'onde modulée reçue à la sortie de l'appareil résulte de l'addition de deux ondes partielles respectivement réfléchies par l'une et l'autre des diodes, celles-ci étant reliées à deux accès du coupleur par des longueurs de ligne difiérant entre elles d'un quart d'onde. Il est facile de comprendre que la recombinaîson des deux ondes partielles ne peut fournir une onde résultante modulée linéairement que si ces deux onCes partielles présentent entre elles des relatiens rigoureuses. L'objet de l'invention est d'éliminer les inconvénients susmentionnés. Selon la présente invention, il est prévu un modulateur d'amplitude pour ondes à ultra-haute fréquence comportant un circulateur ayant un premier, un second et un troisième accès, des moyens pour relier un générateur d'ondes à ultra-haute fréquence non modulées audit premier accès, des moyens comprenant un transformateur dtimpé- dance pour relier audit second accès une diode semi-conductrice, des moyens pour appliquer à ladite diode une tension de polarisation variable, et des moyens pour relier ledit troisième accès à un circuit d'utilisation; ledit modulateur est caractérisé en ce que ladite diode est du type P-I-N et en ce (ue ladite tension de polarisation est obtenue à la sortie d'un circuit de linéarisation dont l'entrée es alimentée par ladite tension modulatrice. Selon un moue préféré de réalisation de l'invention, ledit transformateur d'impédance consiste en une longueur de ligne de transmission sensiblement gale à ua quart d'onde à la fréquence do fonctionnement du générateur. En effet, on sait qu'une diode P-I-N, soumise à une tension de polarisation variable, présont une résistance équivalente variant entre deux valeurs limites finies. On ne peut donc réaliser une réflexion totale en reliant la diode directement au second accès du circulateur, mais l'emploi d'un transformateur d'impédance en auart d'onde permet d'élargir la gammo des valeur possibles du coefficient de réflexion. Par ailleurs, ni aucun des modulateurs connus, ni celui selon l'invention ne sont exempts de défauts de linéarité vis-à-vis de la valeur d'une tension de polarisation variable appliquée à la diode semi-conductrice. C'est pourquoi l'insertion d'un circuit quadripale à transmission non linéaire dit "circuit de linéarisation" entre les points d'application de la tension de polarisation et de la tension modulatrice proprement dite est nécessaire ou tout au moins recommandable. L'invention sera mieux comprise part la description détaillée doiiaée ci-après d'un exemple non lirûitatif de sa réalisation et à l'aide des dessins annexés dans lesquels - la Fig 1 montre le schéma de principe en diagrannue unifilaire d'un modulateur selon l'invention - la Fig. 2 est lui graphique comprenant plusieurs courbes montrant les caractéristiques de fonctionneraent cu modulateur de l'invention, particulièrement au point de vue de la linéarité de la modulation - la Fig. 3 montre le schéma d'un circuit de linéarisation applicable au modulateur de l'invention ; et - la Fig. 4 montre le schéma de certaines parties importantes du circuit de la Fig. 3, ainsi que des courbes caractéristiques représentant leurs propriétés0 Se référant d'abord à la Fig. 1, on voit sur celle-ci le circulateur 1 avec ses trois accès 11, 12, 13. Ce circulateur est par exemple du type connu à ferrite. On sait que les propriétés d'un tel appareil peuvent se résumer en ce qu'il peut transmettre de l'énergie à haute fréquence de son accès il vers son accès 12, ou de son accès 12 vers sont accès 13, ou encore de son accès 13 vers son accès 11, mais en aucun cas de 12 vers 11, ni de 13 vers 12, ni de 11 vers 13. Au premier accès 11 est relié le générateur 2 de coeuraiït à ultra-haute fréquence non modulé . Le courant ainsi injecté en Il est traiïsmis par l'accès 12 à l'entrée 4 du transformateur d'imApé- dance 32 qui peut être une lot tueur (/4) de lino de transmission en quart d'onde (mesurée à la fréquence de fonctionqement du générateur 2). A la sortie 5 de 3 est reliée l'une des électrodes d'un condensateur de faille capacité 6 présentant une très faible réactance pour la fréquence du générateur 2, mais une réactance élevée pour les fréquences de modulation fournies par la source de tension modulatrice 22. Le rôle ue ce condensateur est d'empêcher les courants aux dites fréquences de modulation de se propager vers 3 et, de là, vers 12. En parallèle entre l'électrode 8 de 6, qui n'est pas directement reliée à 5, et un point à potentiel constant (figuré sur le dessin comme "terre"), est placée le diode semi-cond-uetrice 7, du type P-I-N. Aux bornes de la diode 7, entre le point 8 et la terre, est appliquée une tension variable, ci-après dite "tension de polarisa tion", qui est transmise à travers le circuit découpleur 9 à partir de la sortie 23 de circuit de linéarisation 10 dont l'entrée 21 est alimentée par la source de tension modulatrice 22. Le circuit 9 peut Qtre constitué simplement, par exemple, par une longueur ( > /4) de ligne en quart d'ondes Son rtle est d'empocher la transmission de courants à ultra-haute fréquence vers 23 et 10, et en même temps d'éviter que l'appareil 10 ne constitue un shunt pour la tension à haute fréquence appliquée à 7.On s'arrange donc pour que l'impéu dance présentée au point 23 auxcourants à ultra-haute fréquence soit sensiblement nulle, afin d'obtenir au point 8 une impédance très élevée pour ces mêes courants, en ce qui concerne le circulé allant de 8 à 23. L'onde à ultra-haute fréquence d'amplitude Eo arrivant de 2 sur 7 à travers les éléments 1, 3 et 6, est partiellement réfléchie par la diode 7, dont la résistance variable, vue à travers le transformateur 3, n'est généralement pas égale à l'impédance caractéristique de la sortie 12 du circulateur 1. Une partie E1 de l'amplitude de cette onde est donc réfléchie vers 5, 3 et, de là, vers 12, d'où, grâce aux propriétés directives du circulateur17 elle parvient au point 3, qui peut Qtre relié à tout circuit d'utilisation convenable. Désignant toujours par E0 11 amplitude de l'onde délivrée par le générateur 2, le taux de modulation de l'onde reçue en 13 est év demment (E1/E0), pourvu que les conditions de polarisation de 7, en l'absence-de tension modulatrice issue de 22, soient telles que la résistance 'au repos" de 7 rende E1 sensiblement égale à E0/2. Le rôle du circuit de linéarisation 10 va maintenant être expliqué au moyen des graphiques de la Fig. 2. La Fig. 2 comporte quatre graphiques distincts, séparément tracés dans les quatre quadrants d'un système de coordonnées rectangulaires. Le graphique (R,V) représente la Zcàde variation de la résistance R de la diode 7 en fonction de la tension V qui lui est appliquée0 Sur ce graphique, le point P correspond à une valeur R de R telle o o que l'impédance ramenée à la borne 4 par l'élément 3 de la Fig. 9 soit égale à l'impédance caractéristiques commune aurtrois accès du circulateur 1. Une tension de polarisation continue fixe de valeur V1 (ou V2) convenable, appliquée à la diode 7 par tout moyen connu, règle le point de fonctionnement de cette diode 7 à ce point P1 (ou ( ) en l'absence de tension modulatrice appliquée ën 21 (Fig. 1)t Toujours sur la Fig. 2, le graphique (E 4 0 R) représente la valeur du taux de modulation E0/E1 en fonction de celle de R. Le graphique (V1, V) montre la caractéristique amplitude de sortie/ amplitude d'entrée que doit avoir le circuit de linéarisation 10, c1est-à-dire la loi de variation de la tension de sortie V de ce circuit en fonction de la tension d'entrée V1 qui lui est appliquée au point 21 par 1 source modulatrice 22 (Fig. 1), afin d'obtenir une relation linéaire entre E1/E0 et V1. Eiifin, le graphique (E1/E0 V1) montre le résultat global de la coopération des trois grahiques précédents, résultat matérialisé par l'allure quasi-rectiligne de ce dernier grapilioue. Le résultat désiré étant représenté par le graphique(E1/E0'V1) et les données dues aux propriétés mêmes de la diode semi-conductrice étant représentées par les graphiques (t17E0, R) et (V R), sur lesquelles on ne peut agir, la caractéristique (V, V1) du circuit de linéarisation 10 forme l'élément sur lequel on peut air pour obtenir ce résultat. Cette dernière caractéristique est å'abord calculée, puis l'on ajuste des éléments réglables comcris dans 10 pour obtenir, au moins approximativement, une forme de caractéris- tique (V, V1) coïncidant senblement avec celle de la caractéristique calculée.En fait, la courbe continue (V, V1) representée sur la Fig. 2 est simulée par mie suite de segments de droite suivant approximativement le tracé de cette courbe continue. Se référant maintenant à la Fig 3, celle-ci montre, en diagramme unifilaire, le schéma de brimcipe du circuit 10 de la Fig. 1. Le dispositif de la Fi. 3, où les bornes d'entrée 21 et de sortie 23 jouent le même rôle que aans la Fig. 1, se compose essentiellement de deux amplificateurs linéaires à transistors 31 et 93 montes en cascade par la connexion 34. Les amplificateurs 31 et 33 sont de type classique, chacun avec impédance d'entrée élevée et impédance de sortie très faible (cette dernière entant par exemple réalisée par des étages à transistor à sortie par l'émetteur).La tension de polarisation fixe V0 mentionuée plus haut peut être obtenue par exemple à partir de l'étage de sortie de 33o En parallèle avec au moins une partie de l'étage de sortie de 31, par exemple avec le circuit d'émet eur de cet étaye s'il s'agit d'un étage à transistor à sortie par le collecteur, se trouve un élément shunt 32 à résistance variant en fonction de la tension appliquée, ayant une borne à potentiel variable 35 et une borne de terre 36 La caractéristique 1,courant-tension" désirée pour cet élément shunt s'obtient en associant en parallèle lui nombre convenablement choisi de cellules élémentaires, des deux types représentés sur la Fig 40 A la partie supérieure gauche de la Fig. 4, on voit un transistor du type P-N-P dont l'électrode de base est polarisée à un potentiel vo par rapport à l'émetteur, au moyen d'un diviseur de tension à résistances (R1, R2) alimenté par une source de courant continu (+, -). La résistance variable désirée est obtenue entre le pôle négatif et l'une des bornes d'une résistance d'entrée R3, dont l'autre borne est reliée à l'émetteur du merle transistor. Comme on le voit sur le graphique situé à la partie gauche inférieure de la 2ig. , la caractéristique courant-tension (i1,v1) prise entre la borne de gauche de R3 et le pôle négatif (-) de la source continue a la forme d'une ligue brisée ayant d'abord une pente nulle, puis, au-dessus de la tension vo, une pente (1/R3). A la partie supérieure droite de la Fig. 4, en voit un montage analogue au précédent, à lui seul transistor N-P-N, dont l'électrode de base est polarisée comme dans le cas précédent et dont le collecteur est relié au pôle (+) de la source continue, tandis que la caractéristique courant-tension (i2, v2) désirée est obtenue entre le pôle (-) de cette même source et l'une des bornes d'une résistance de même vaieur R3 que précédemment dont l'autre borne est reliée à l'émetteur. La forme de la caractéristique (i2' v2) est montrée à la partie intérieure droite de la Fig. 4.En associant en parallèle les montages des parties supérieures gauche et droite de la Fig. 4, et en tenant compte du fait Que, vis-à-vis de la tenso o 'entrée commune v appliquée à ces parties, les courants i1 et i2 qu'elles absorbent sont de sens inverses, on obtiens une caractéristique (i1 -i2, v) représentable par un segment de droite ayant la pente désire 1/R3, cette caractéristique passant par un courant nul pour une tension v0 choisie. On conçoit qu'en associant un nombre suffisant d'éléments des types do la Fig. 4, chacun muni de résistances telles que R1, R2, R3 de valeurs convenables, il est possible de réaliser, pour l'élément 32 de la Fig. 3, une caractetéristique globale couranttension de la forme désirée, par étagement approprié des valeurs de v0 et de R3 de canacun de ces éléments. Pour conclure, quelques résultats sur un ometteur fonctionnant à 2300 z seront indiqués ci-après Puissance de crete : 2 à 4 watts Rendement global : 25 % Fréquence maximale de modulation : 200 kHz Taux maximal de modulation : 100 % Distorsion non linéaire (pour le taux maximal de modulation) : inférieure à 4 49 R E V E N D I C A T I O N S 1 - Modulateur d'amplitude pour ondes à ultra-haute fréquence comportant un circulateur ayant un premier, un second et un troisième accès, des moyens pour relier un générateur d'ondes a' ultra aute fréquence non modulées audit premier accès, des moyens eomp--enant lui transformateur d'impédance pour relier audit second accès une diode semi-conductrice, des moyens pour appliquer à ladite diode une tension de polarisation variable, et des moyens pour relier ledit troisième accès à lui circuit d'utilisation; ledit modulateur est caractérise en ce que ladite diode est du type P-I-N et en ce que ladite pension de polarisation est obtenue à la sortie d'un circuit de linearisation dont l'entrée est alimentée par ladite tension modulatrice. 2 - Modulateur selon la revendication 1, caractérise en ce que ledit transformateur d'impédanceur est constitué par une ligne en ouart d'onde. 3 - Modulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit circulateur est du type à ferrite. v - adulateur selon la revendication 1, caractérisé par l'in sertion entre ladite diode P-I-N et ledit circuit de linéarisation d'un circuit de découplage constitué par une ligne en quart d'onde. 5 - Modulateur selon la revendication 1, caractéris en ce que ledit circuit de linéarisation est constitué par le montage en cascade de deux amplificateurs lineaires à transistors, et en ce qu'une résistance non linéaire est placée en shunt sur au moins une partie de l'étage de sortie du premier de ces amplificateurs 6 - Modulateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'étage de sortie dudit premier amplificateur est un étage à transistor à sortie par l'émetbeur, et en ce que ladite résistance non linéaire est placée en shunt sur une résistance parcourue par le courait de l'émetgeur dudit transistor. 7 - Modulateur selon la revendication 1, caractérisé par des moyens d'appliquer à ladite diode, en l'absence de laite tension mpdulatrice, une tension fixe de polarisation continue. 8 - modulateur selon les revendications 5 et 7, caractérisé en ce que ladite tension fixe de polarisation est obtenue par une ré sistance alimentée par le courant de lestage de sortie dudit selon amplificateur.