Brevet FR2358664A1 — publié le 19780210

La présente invention concerne des systèmes récepteurs à canaux multiples et en particulier des systèmes radiofréquence ou haute fréquence (R.2.) comportant une pluralité de récepteurs superhétérodynes ou à changement de fréquence. Les systèmes récepteurs radiofréquence ont trouvé une application dans une grande variété d'applications au guidage et à la poursuite de cibles. Ces systèmes peuvent être soit de type actif, comme un radar dans lequel un émetteur est associé au ré cepteur,soltde type passif, comme un capteur radiométrique dans lequel le récepteur ne fait que recevoir des radiat ons émises par d'autres sources. On a créé des récepteurs qui opèrent sur une largeur de bande radiofréquence très large. Les systèmes récepteurs à canaux multiples présentent une sensibilité supérieure à celle des systèmes à balayage à canal unique, du fait que le principe des canaux multiples permet un temps d'intégration supérieur. Toutefois, une organisation à canaux multiples soulève aussi plusieurs problèmes. D'abora, chaque récepteur doit être petit pour satisfaire à des contraintes générales d'encombrement; et de poids. Ensuite, chaque récepteur doit être relativement peu cofteux pour que le système soit compétitif avec les systèmes à balayage à canal unique. la présente invention fournit en conséquence un système récepteur à canaux multiples comportant: un oscillateur sousharmonique local commun; une pluralité de récepteurs superhétérodynes comportant chacun un multiplicateur de fréquence qui multiplie la fréquence du signal de ltoscillateur local jusqu'à la fréquence désirée; un mélangeur qui mélange un signal d'entrée respectif avec la sortie du multiplicateur de fréquence, et un amplificateur à fréquence intermédiaire ou moyenne fréquence (IF) et un processeur de signal alimenté par le mélangeur. On va maintenant décrire plus complètement la présente invention, en se servant d'un exemple, et en se référant aux dessins ci-annexés, sur lesquels la figure I est un schéma général par blocs d'un système récepteur à canaux multiples; la figure 2 est un schéma par blocs d'un récepteur radiométrique à circuits intégrés à deux canaux; la figure 3représente un circuit multiplicateur et un circuit mélangeur à circuits intégrés sur microbandes utilisés dans le récepteur de la figure 2; et les figures 4 et 4B sont1 respectivement, des vues en coupes latérale et terminale d'une transition guide-dbndes-micro- bande utilisée dans le récepteur de la figure 2. La figure 1 est un schéma par blocs d'un système récepteur à canaux multiples. Ce système contient un oscillateur local sous harmonique commun 10 et des récepteurs 12a1 12b et 12c. Chaque récepteur reçoit le signal de l'oscillateur local et un signal d'entrée provenant d!un détecteur (ou d'une antenne), et il fournit un signal de sortie. Le récepteur 12a reçoit un signal d'entrée ayant une fréquence nominale f1 # N1f0 (c'est-à-dire f1 = N1f0 # #fIF), où f0 est la fréquence de l'os~ cillateur local.De même, le récepteur 12b reçoit un signal d'en- trée ayant une fréquence f2 = R2fo # fIF et le récepteur 12c un signal d'entrée ayant une fréquence f3 = N3f0# #fIF. Dans de nombreuses applications, f1, f2 et f3 ont la même valeur, de sor te que N1 2 N2 = N3, mais les mêmes principes sont aussi applica- bles aux systèmes dans lesquels f1, f2 et f3 sont tous différents Le premier récepteur 12a contient un multiplicateur de fréquence 14a, un mélangeur 16a, et des circuits de traitement de signal I.F./video isba. Le second et le troisième récepteurs 12b et 12c contiennent des éléments semblables qui sont désignés par des nombres semblables. Les multiplicateurs de fréquence 14a, 14b et 14c reçoivent chacun le signal de l'oscillateur local et multiplient respectivement ce signal par N1, N2 et N3. Les signaux de fréquence de l'oscillateur local multipliée ont respectivement les fréquences f1, f2 et f3. Les mélangeurs 16a, 16b et 16c'mélangent les si- gnaux d'entrée avec leurs signaux d'oscillateur local respectifs. Les signaux résultant du mélange sont ensuite amplifiés et detec- tés par les circuits I.F./video 18a, 18b et 18c. Les premier, second et troisième signaux de sortie-sont produits respectivement par les circuits video 18a, 18b et 18c. L'utilisation de récepteurs à superhétérodynes multiples fonctionnant à l'aide d'un oscillateur sous-harmonique local commun permet de fonctionner en récepteur à fréquence bloquée. De plus, le système représenté sur la figure 1 peut être écQnonii- que, peu encombrant,. et de faible poids. Ces avantages rendent le système de récepteur à canaux multiples compétitif avec les systèmes à balayage à canal unique. L'utilisation d'un oscillateur sous-harmonique local commun permet de distribuer la puissance par cables coaxiaux au lieu de guides d'ondes métalliques creux qui sont plus chers et plus encombrants. Cela permet aussi de fonctionner en multicanal à fréquence cohérente en utilisant un oscillateur local à faible fréquence et peu motteux. Les multiplicateurs 14a, 14b et 14c ainsi que les mélangeurs 16a, 16b et 16c peuvent etre'réalisés avantageusement en circuits intégrés sur microbande. Ces circuits intégrés sur microbande permettent de grouper dans un format subminiature un mélangeur symétrique à faible bruit et un multiplicateur d'oscillateur local combinés. Les circuits sur microbande permettent aussi de réduire notablement la dimension du récepteur sans rien compromettre en performance électrique. Le système récepteur à canaux multiples peut être utili sé comme capteur à canaux multiples de guidage à mi-parcours d'un missile, en fonctlonnant en mode radlométrique (passif). Chacun des récepteurs individuels de la rangée doit satisfaire aux conditions de performance suivantes 10) fréquence nominale de fonctionnement = 35 GRz 2 ) largeur de bande radiofréquence > 1 Gliz 30) sensibilité de détection minimale de 0,250g ou moins, avec un temps d'intégration de 1 seconde, 40) gain de transfert de radiofréquence en vidéo de 90 dB, niveau constant à + 3 dB dans la bande radiofréquence; 50) gamme dynamique de 50 à 60 dB; ; 60) dimension inférieure à 80 cm3 et poids inférieur à 225 g, avec possibilité de réduction éventuelle de la dimension et du poids. La figure 2 est un schéma par blocs d'un récepteur radiométrique à canaux multiples satisfaisant à ces conditions. L'oscillateur local 10 est un oscillateur unique à effet Gunn en bande X fonctionnant à 11,67 Gliz avec une puissance de sortie maximale de 200 mW. Le signal de l'oscillateur local en bande X est distribué par câbles coaxiaux miniatures. Les multiplicateurs de fréquence sur microbande X3 14a et 14b font partie des unités réceptrices et assurent une conversion en bande Ka pour injection dans les circuits mélangeurs symétriques à fréquence radio 16a et 16b. De même que les multiplicateurs de fréquence 14a et 14b, les mélangeurs symétriques 16a et 16b sont des circuits intégrés sur microbande. Le multiplicateur de fréquence et le mélangeur symétrique peuvent être formés sur un substrat de microbande commun. L'utilisation de circuits intégrés sur microbande permet d'obtenir des valeurs de largeur de bande et de rapport signal/ bruit convenables, tout en tirant avantage de leurs possibilités de très petites dimensions et de faible prix. Le processeur de signal I.F./vidéo de chaque récepteur est à très large bande, de 4 à 600 MHz (à 3 dB) et possède trois étages amplificateurs à fréquence intermédiaire. Le premier étage est un préamplificateur à faible bruit 20a et 20b, ayant un gain de 16 dBs gui peut être logé dans un boiatier0 normalise. Les deux autres étages de l'amplificateur, 22a et 24a (et 22b et 24b) sont groupés ensemble et avec un atténuateur de tension commandé 26a, (et 26b), dans un seul boîtier en ligne duale.Les atténuateurs de tension commandés 26a et 26b peuvent varier entre 0 et -16 dB, avec une tension de commande variant de o à -10 r. Le dispositif 1.1?. entier fonctionne sur une tension d'alimentation de + 15 V CC, sous environ 85 m & environ. Les détecteurs vidéo 28a et 28b sont des diodes de Schottky an silicium qui sont polarisées en direct par un courant d'environ 100 A fournit à travers des résistances de 150 kil (non représentées) connectées à llalimentation + 15 V. Le détecteur vidéo est entièrement logé dans un petit boîtier plat de 12x6x3 mm avec des circuits d'adaptation d'impédance à 50h en fréquence intermédiaire, de 1 à 600 MHZ, et à 300# en fréquence video, de O à 1,2 MHZ. Bien que la disposition qui vient d'hêtre décrite soit de dimension et de poids relativement petits, une miniaturisation plus poussée est possible. Les circuits de fréquences intermédiaire et video peuvent eux aussi être intégrés sur microbande, ce qui permet de réaliser un dispositif complètement intégré. Sur la figure 2 une alimentation en puissancecommune 30 fournit de la puissance à l'oscillateur local 30 et aux premier et second récepteurs 12a et 12b. L'alimentation en puissance 30 est préférable à des convertisseurs CC/CC convertissant la tension d'entrée (+ 28 V CC) en tensions nécessaires pour l'oscillateur local 10 et les récepteurs 12a et 12b. La figure 3 est une vue par dessus d'un circuit intégré sur microbande contenant un multiplicateur de fréquence d'oscillateur local X3 et un mélangeur équilibré radiofréquence utilisé dans le système représenté sur la figure 2. Le circuit tout entier tient sur un substrat en quartz de 18 x 12 mm utilisant des conducteurs d'or chromé fabriqués par procédés photolithographiques. Le multiplicateur au troisième harmonique contient une partie de filtre passe-bas 40 pour filtrer ltentrée de signal d'oscillateur local en bande X, une partie de montage de diodes 42, une paire de diodes 44a et 44b une seconde partie de résonateur harmonique 46 et une partie de filtre à bande passante 48 pour la sortie de signal en bande K Le signal d'oscillateur local en bande X, à 11,67 GEzs est fourni au récepteur au moyen d'un câble coaxial miniature et d'u ne transition simple en 50 sur microbande. Le filtre passe-bas d'entrée 40 fournit une adaptation d'impédance adéquate aux diodes 44a et 44b à la fréquence fondamentale; et isole efficacement le circuit d'entrée des harmoniques générés par les diodes.L'im pédance fondamentale de 10est nécessitée par les diodes 44a et 44b connectées en parallèle. Le filtre passe-bas à un circuit éliminateur à 3 d3 pour 13 GHz et une perte d'insertion inférieure à 1,0 dB. Les diodes 44a et 44b sont des diodes de Schottky fonctionnant en résistances non - linéaies pour effectuer les multiplications. Du fait que ces diodes sont résistives et consomment ellesmemes de la puissance, les multiplicateurs de Schottky tendent à entre moins efficaces que d'autres éléments à impédance non linéaire, tels que des diodes du type varactor, qui sont théoriquement réactifs et ne consomment pas de puissance. le rendement théorique des multiplicateurs de Schottky atteint approximativement où où N est le facteur de multiplication (dans le cas présent N = 3).Le rendement de diodes varactor idéales atteint approximativement N-1, de sorte que, pour N = 3, on peut obtenir un rendement théorique de 33 %. On a toutefois constaté que les diodes varactor tendent à avoir de très faibles valeurs d'impédance terminale à 35 GRz du fait de leur capacitance relativement grande à cette fréquence. La faiblesse de cette impédance rend difficile la réalisation d'adaptations d'impédance de bon comportement et reproductibles. Les diodes de Schottky ont une impédance plus grande à 35 GEZ, et sont par conséquent préférées lorsqu'un rendement de conversion élevé n'est pas crucial. L'utilisation d'autres types d'éléments non linéaires est cependant désirable quand des rendements de conversion élevés sont nécessaires. Dans le circuit multiplicateur représenté sur la figure 3, l'impédance de diode à la fréquence du second harmonique est convenablement adaptée par l'utilisation d'un circuit résonateur à 23,33 Gliz. Ce résonateur 46 consiste essentiellement en une ligne quart d'onde à 59Aqui sert aussi de ligne d'entrée au filtre passe-bande de troisième harmonique 48. Cette courte section de ligne est terminée à une extrémité par une combinaison à diodes et à l'autre extrémité par un circuit ouvert approprié, apparent à 23,33 MHZ. Comme la ligne est nominalement une ligne quart d'onde pour la fréquence du second harmonique, elle constitue presque un court-circuit des diodes, comme on le voulait. La partie de filtre passe-bande du troisième harmonique 48 consiste en un résonateur demi-onde couplé par son bord aux lignes d'entrée et de sortie adjacentes. Les points de chute à 3 dB de la partie de filtre passe-bande 48 sont approximativement à 33,8 Gliz et 36,2 GHz. La perte d'insertion du filtre à 35 GRz n' est pas supérieure à 1,2 dB. Le circuit de mélangeur symétrique représenté sur la figure 3 contient un coupleur de branchement à 90 , une paire adaptée de diodes de mélangeur à barrière de Schottky avec leur montage à impédance convenable, et un circuit de couplage de sortie à fréquence intermédiaire IF. Le circuit mélangeur symétrique, qui utilise des diodes de mélangeur de Schottky pour bande Es commer- cialement disponibles et à bas prix, a des pertes de conversion inférieures à 7,5 dB dans la gamme de fréquences de 32 à 36 GRz. Pour minimaliser la perte de conversion du mélangeur, le niveau de puissance d'injection de l'oscillateur local doit être typiquement de 4 à 6 mi. Le coupleur de branchement à 900 contient un anneau en microbande circulaire 50 pour l'accès auquel les lignes d'entrée à radiofréquence doivent avoir une impédance de 5off. Pour obtenir une partition de puissance à 3 dB, on utilise deux jambages de branchement en quart d'onde 50a et 50b ayant chacune une impé dance de 50 Les es jambages principaux 5oc et 50d de l'anneau sont aussi en quart d'onde avec une impédance de 35#. Le coupleur de branchement assure une partition de puissance à 3 dB, à + 0,85 dB, sur une gamme de fréquences de 32 à 38 GHz. La partition de puissance aux points d'entrée 52 et 54 est symétrique à 0,2 dB près dans la même gamme de fréquences.Ltisolement entre points d'entrée est supérieur à 15 dB dans la gnmmetie fréquences de 32 à 38 GRz et a une valeur maximale de 30 dB à 35 GEz.he VS'vER d'entrée dans le coupleur de branchement à 900 est inférieur à 1,7:1 entre 32 et 38 Gliz avec une valeur minimale de 1,1:1 environ à 35 GEz. Les points d'entrée 52 et 54 re çoivent respectivement le signal d'entrée et le signal d'oscillateur local multiplié. Les points de sortie à sofl, 56 et 58, du coupleur de branchement 50 sont adaptés à l'impédance d'entrée des diodes mélangeuses, qui est approximativement de 10 + j12 n à 35 GHz, au moyen de parties d'adaptation d'impédance à éléments concentrés 60 et 62. Les diodes mélangeuses 64 et 66 sont des diodes pour bande Ku à faible prix, qui sont adaptées individuellement sur la base de leur -impédance aux radiofréquences et de leur rendement de conversion. Les diodes 64 et 66 sont du type à conducteur en faisceau de conception "beam-lead", utilisant un procédé de thermoc ompression. Dans la disposition de circuits représentée sur la figure 3, les diodes mélangeuses 64 et 66 sont auto-polarisées par un courant continu d'environ 2,0 mA. L'impédance de sortie à fréquence intermédiaire de chaque diode mélangeuse est nominalement de 200# et la combinaison en parallèle des deux diodes fournit une impédance de sortie à fréquence intermédiaire de mélangeur d'environ 100n . Des circuits de couplage passe-bas 68 et 70 sont connectés respectivement entre les diodes 64 et 66 et un point de sortie à fréquence intermédiaire 72.Chacun des circuits de couplage est réalisé en éléments concentrés permettant à chaque diode mélangeuse de voir le circuit à fréauence intermédiaire, à 35 Gliz, comme un élément d'impédance de charge supérieure à 200n dans une gamme de fréquences de 30 à 40 GRz. Le circuit à fréquence intermédiaire apparaît donc à la diode mélangeuse comme étant presque en circuit ouvert aux radiofréquences. le signal d'entrée dans le récepteur provient typiquement d'une antenne qui reçoit de l'énergie en ondes millimétriques. Le signal de l'antenne est transféré au récepteur par un guide d'ondes métallique creux classique. Puisque le circuit de mélangeur symétrique est un circuit intégré sur microbande, une transition guide-d'ondes-microbande est nécessaire. Les figures 4A et 4B sont des vues en coupe latérale et terminale, d'une tran- sition guide-d' ondes-microbande qui fournit un couplage en énergie efficace entre le mode de guide d'ondes E10 et le mode de microbande quasi-TEM. La transition consiste en une structure en ligne-detcretes échelonnées à quatre étages 80 fournissant une réponse de Chebychev quadripolaire à VSWR minimal dans une bande passante de 32 à 38 GRz. Le point d'entrée en radiofréquence est un guide d'ondes ayant une impédance de mode d'entrée de 472 #. L'impédance de sortie de la microbande est nominalement de 50 n. La transition 80 consiste en quatre éléments quart d'onde, comme on l'a représenté sur la figure 4. Les impédances des crêtes sont de 410, 234, 101 et 58fl. Le VS mesuré de la transition est infé- rieur à 1,17:1 dans une largeur de bande de 33 à 36 GHz. Les pertes d'insertion sont inférieures à 0,7 dB dans la même gamme de fréquences. En conclusion, le présent système récepteur à canaux multiples peut etre fabriqué sous forme subminiature sans rien sacrifier de la performance électrique. L'utilisation d'un oscillateur local sous-harmonique commun permet de réaliser un système récepteur à fréquence bloquée compact et de faible prix. REVEWDIOATIOIE 1. Système récepteur à canaux multiples, caractérisé en ce qu'il comporte: un oscillateur local sous-harmonique communs un multiplicateur de fréquence pour multiplier la fréquence du signal de l'oscillateur local jusqu'à une fréquence désirée, un mélangeur pour mélanger un signal d'entrée respectif avec la sortie du multiplicateur de fréquence, un amplificateur à fréquence intermédiaire et un processeur de signal alimenté par le mélangeur. 2. Système récepteur à canaux multiples selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque multiplicateur de fréquence comporte un circuit intégré sur microbande. 3. Système récepteur à canaux multiples selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque multiplicateur de fréquence comporte : un filtre passe-bas pour recevoir le signal de l'oscillateur local; une impédance non linéaire connectée au filtre passe-bas; un résonateur connecté à l'impédance non linéaire; et un filtre passe-bande connecté au résonateur. 4. Système récepteur à canaux multiples selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque mélangeur comporte un circuit intégré sur microbande. 5. Système récepteur à canaux multiples selon la revendication 4 caractérisé en ce que chaque mélangeur comporte un mélangeur symétrique radiofréquence comportant: un coupleur de branchement ayant un premier et un second points d''entrée pour recevoir le signal d'entrée respectif et la sortie du multiple mateur de fréquence respectif; un anneau en microbande, un premier et un second points d'accès; une première et une seconde diodes mélangeuses pour recevoir des signaux des premier et second points d'accès; et un circuit de couplage de sortie à fréquence intermédiaire connecté aux première et seconde diodes mélangeuses. 6. Système récepteur à canaux multiples selon la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit de couplage à fréquence intermédiaire comporte un point de sortie à fréquence intermédiaire commun et un premier et un second circuits de couplage passe-bas connectés, respectivement, entre la première et la seconde diodes mélangeuses et le point de sortie à fréquence intermédiaire commun. 7. Système récepteur à canaux multiples selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte de plus des premier et second moyens d'adaptation d'entrée à radiofréquence connectées respectivement entre le premier et le second points de sortie et la première et la seconde diodes mélangeuses. 8. Système récepteur à canaux multiples selon soit l'une des revendications 2 ou 3, ou lune ou 11 autre des revendications 4 à 7 caractérisé en ce que le multiplicateur de fréquence et le mélangeur de chaque récepteur hétérodyne comportent des circuits intégrés sur microbande sur un substrat commun. 9. Système récepteur à canaux multiples selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte de plus une premiere ligne de transmission interconnectant l'oscillateur local et chacun des récepteur3 hétérodynes. 10. Système récepteur à canaux multiples selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce qu'il comporte deux récepteurs hétérodynes, fonctionnant sur la même fréquence désirée, fournie par leurs multiplicateurs de fréquence respectifs. 1'1. Système récepteur à canaux multiples selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que chaque processeur de signal comporte un détecteur vidéo connecté à l'afro plificateur à fréquence intermédiaire.