Brevet FR2367378A1 — publié le 19780505

La présente invention est relative à un amplificateur hyperfréquence distribué à quadrip-8les actifs et au dispositif d'amplification comportant un tel amplificateur. les amplificateurs distribués comportent de façon générale deux lignes de transmission, une ligne d'entrée et une ligne de sortie, reliées par des éléments amplificateurs tels que par exemple des tubes électroniques ou des circuits amplificateurs à semi conducteurs à haute impédance d'entrée, les transistors à effet de champ. De tels dispositifs ont été décrits notamment dans le brevet britannique nO 464 977, dans la revue américaine "Proceedings of the I.R.E" numéro 8 Août 1956, et dans la revue américaine "Proceedings of the I.E.E.E" numéro de Juin 1969 pages 1195 et 1196. Ces dispositifs permettent, par une intégration des capacités d'entrée et de sortie des éléments amplificateurs à l'impédance caractéristique des lignes de transmission et séparation desdites capacités, d'obtenir une largeur de bande passante du dispositif indépendante des capacités parasites d'un élément amplificateur, le gain en tension du dispositif étant alors proportionnel à la somme des transconductances de chaque élément amplificateur donc au nombre d'éléments amplificateurs. D'autres dispositifs comportant une ligne de transmisslon d'entrée double permettent à partir d'un principe analogue, de doubler pratiquement le gain d'amplification du dispositif, voir en particulier l'article de Uwe Christ publié dans la revue allemande "Archiv fUr Elektrische UbertraguNg" 1973, tome 27, fascicule 10 pages 448-449.Ces dispositifs permettent d'obtenir un gain d'amplification en tension proportionnel au nombre d'éléments amplificateurs et une optimalisation de la largeur de la bande passante du dispositif compte tenu de.la valeur de son gain. la présente invention a pour objet un amplificateur hyperfréquence distribué comportant une première et une deuxième ligne de transmission reliées par une pluralité de quadrip8les actifs, lesdits quadripôles actifs identiques couplant les deux lignes de transmission à intervalles donnés déterminant d'une part, au niveau de la dite première ligne, des tronçons de ligne de longueur et d'impédance caractéristique de valeurs telles que la puissance d'entrée au niveau de chaque quadripôle actif soit la même, et d'autre part, au niveau de ladite deuxième ligne, des tronçons de ligne de longueur et d.'impédance caractéristique de valeurs telles que l'admittance YS,ramenée au niveau de la sortie de chacun des quadripôles actifs, soit la même. L'amplificateur hyperfréquence distribué objet de l'invention permet une addition des puissances fournies par chaque quadripôle actif sans dommage pour la valeur de la bande passante de l'amplificateur comparée à celle d'un quadripôle actif seul. L'amplificateur hyperfréquence distribué selon l'invention est utilisable pour une amplification de puissance de signaux électriques hyperfréquence en bande x et pour des signaux de fréquence supérieure à 12,5 GHs, en particulier dans les dispositifs transpondeurs par exemple, ou dans tout dispositif d'émission-réception de signaux hyperfréquence de bande passante donnée. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description et des dessins ci-après dans lesquels les mêmes références représentent les mêmes éléments, et dans lesquels les cotes et les proportions des différents éléments constitutifs n'ont pas été respectés Afin d'assurer une meilleure compréhension de l'ensemble. la figure 1 représente l'amplificateur hyperfréquence distribué objet de l'invention, la figure 2 représente un mode de réalisation particulier de l'amplificateur hyperfréquence distribué objet de la présente invention, la figure 3 représente une coupe selon un plan longitudinal CC de la figure 2, la figure 4 représente un autre mode de réalisation de l'objet de l'invention, la figure 5 représente un troisième mode de réalisation particulier de l'objet de l'invention. Selon la figure 1 l'amplificateur hyperfréquence distribué objet de l'invention comporte une première ligne de transmission d'entrée 1 et une deuxième ligne de transmission de sortie 2. Ces lignes de transmission 1 et 2 sont reliées par une pluralité de quadrip81es actifs QI à Qn. les quadripôles actifs identiques couplent les deux lignes de transmission à intervalles donnés déterminant au niveau de la première ligne des tronçons de ligne 11, 12..., i(n-1)de longueur respective L 11, L 12, ... L 1(n-1)et d'impédance caractéristique Zll ... Z1f-1)déterminées. Les valeurs des longueurs des tronçons de ligne 1 11 ... 1(n-t)et de leur impédance caractéristique Zl1 ... Z(1n-1)sont telles que la puissance d'entrée P1 au niveau de chacun des quadripoles actifs Qt... à Qn est identique.De la même façon les quadripôles actifs Q1 à Qn déterminent au niveau de la deuxième ligne de transmission 2 des tronçons de ligne 21, 22, ... , 2g-1)de longueur respective T21, B22... Tan-1)et d'impédance caractéristique Z21,... Z-i) déterminées. les valeurs des longueurs les tronçons de ligne B21 B2h-1)et de leur impédance caractéristique respectives S21... Z2n-1) sont telles que l'admittance YS ramenée au niveau de la sortie de chacun des quadripôles actifs, compte tenu de la présence des autres quadripôles, est identique. Bes-quadripôles actifs Q1 à Qn fournissent en leur sortie la même puissance de sortie P2 à partir de la puissance d'entrée P1. le calcul des valeurs des longueurs et des impédances caractéristiques des tronçons de ligne respectifs peut être effectué à partir d'un programme d'ordinateur permettant une optimalisation de la puissance de sortie P2 de chaque quadripôle. les n quadripôles actifs reliant les deux lignes de transmission 1 et 2 forment un amplificateur distribué, les impédances 10 et 20 connectées respectivement aux points A et B des lignes I et 2 et égales respectivement à l'impédance caractéristique de la ligne 1 et de la ligne 2 permettant de façon connue dans la technique des amplificateurs distribués une annulation des signaux se propageant dans la ligne 2 vers l'impédance 20 et une addition des signaux se propageant vers la sortie C de la ligne 2, ou sortie de l'amplificateur.Les quadripôles actifs Q1 à Qn étant identiques et fonctionnant dans des conditions identiques quant à leur puissance d'entrée P1 et leur admittance de sortie YS leur gain d'amplification en tension Av est identique et le gain en tension de l'amplificateur distribué objet de l'invention est égal au gain en tension de l'un des quadripôles actifs Q1 à Qn. L'amplificateur hyperfréquence distribué selon l'invention permet une sommation de la puissance délivrée par chacun des quadripôles actifs sans dégradation de la valeur de la bande passante relative à un qua dipôle actif seul. Selon un mode de réalisation particulier de l'objet dé l'invention représenté figure 2,1'amplificateur comporte un substrat semi-isolant 3 jouant le rôle de support diélectrique des lignes de transmission 1 et 2. Le substrat semi-isolant 3 est, par exemple, constitué par de l'arséniure de gallium compensé dans lequel des impuretés ont été introduites afin de conférer au substrat des propriétés diélectriques. le substrat 3 comporte sur une de ses faces dite première face une semelle métallique 5 et sur la face opposée à cette première face deux bandes métalliques parallèles tb et 2b formant chacune avec le substrat 3 et la semelle métallique 5 une ligne à bandes parallèles dissymétriques connues sous le vocable anglosaxon de"mierostrip"et constituant respectivement les lignes de transmission d'entrée 1 et de sortie=2. le substrat 3 comporte entre les bandes métalliques lb et 2b une couche de matériau semi-conducteur 4, par exemple de l'arséniure de gallium G & s de type N, obtenue par croissance épitaxiale. Cette couche a une épaisseur de quelques micromètres et comporte dans une direction perpendiculaire aux bandes métalliques lb et 2b des sillons 6 délimitant des plateformes 41 à 4n de structure mesa dont la dimension dans une direction parallèle aux bandes métalliques a et lb est égale à B. les bandes métalliques parallèles.lb et 2b comportent respectivement une série de doigts imbriqués 81 à 8n et 71 à 7n. les doigts 81 à 8n et 71 à 7n sont orthogonaux aux bandes métalliques lb et 2b. Un doigt de chaque bande métallique lb et 2b est en contact ohmique avec une plateforme de structure mésa 41 à 4n, et deux doigts imbriqués en contact ohmique avec la même plateforme sont distants d'un écartement d. les axes longitudinaux de deux doigts connectés à la même bande métallique lb ou 2b sont distants des longueurs données lii, 112... Lln pour la bande lb et des longueurs B21... B22... 12n pour la bande 2b déterminant respectivement sur les lignes de transmission 1 et 2 des tronçons de ligne de longueur Lii, 12... lin et B21... B2n. la valeur de X, pour chaque plateforme, est adaptée au tronçon de ligne correspondant. les impédances caractéristiques des différents tronçons de ligne sont ajustées à la valeur calculée par exemple par modification de la largeur des bandes métalliques lb et 2b au niveau de chacun des tronçons de ligne. En fonctionnement, le potentiel de la semelle métallique 5 étant pris comme potentiel de référence, les électrodes constituées par les bandes métalliques lb et 2b et leurs doigts imbriqués sont respectivement portées à un potentiel négatif et positif de polarisation par les sources 90 et 91. Compte tenu de la distance d entre deux doigts imbriqués d'une même platef orme un champ électrique de polarisation est établi dans le matériau semiconducteur 4.Ce champ de polarisation est tel qu'il provoque dans le matériau semi-conducteur le phénomène connu sous le nom d'effet Gunn sans toutefois provoquer l'apparition de domaines, la concentration N du matériau semi-conducteur 4 en porteurs étant telle que N x d Suivant une variante de réalisation du dispositif représenté figure 4, les lignes de transmission d'entrée et de sortie 1 et 2 sont constituées par des lignes à méandres formées par des bandes métalliques 41b et 42b à méandres déposées sur le substrat 3. La longueur des tronçons de ligne délimités par- les doigts 71, 72,... 7n et, 81, 82... , 8n peut être ajustée aux valeurs déterminées Il 1... Loin, B21... l2n, par modification de la forme des méandres. On peut ainsi réduire l'encombrement de l'amplificateur objet de l'invention. Selon le mode de réalisation particulier de l'objet de l'invention représenté figure 5, les quadripôles actifs Q1 à Qn sont constitués par des transistors à effet de champ. Dans ce cas les grilles des transistors à effet de champ sont connectées à la bande métallique lb de la ligne daestrée I alors que les drains sont connectés à la bande métallique 2b de la ligne de sortie 2. L'électrode source est portée au potentiel de référence de l'amplificateur par la connexion 470. l'amplificateur peut autre réalisé par éléments discrets, chaque transistor étant monté sur son propre boitier et ses électrodes étant reliées par thermocompression aux lignes d'entrée et de sortie déposées sur un substrat diélectrique comme de l'alumine ou de la silice. Conformément à la figure e 5 une réalisation monolithique de l'amplificateur est également obtenue par la mise en oeuvre des transistors à effet de champ sur un film mince de matériau semi-conducteur 400 déposé sur un substrat diélectrique 30.Pour l'amplification de signaux de fréquence supérieure à 10 GHz le matériau semi-conducteur 400 est constitué, par exemple, par de l'arséniure de gallium de type N obtenu par épitaxie à partir d'un substrat 30 constitué par de l'arséniure de gallium compensé. Pour l'amplification de signaux de fréquence plus faible, quelques GHz, le matériau semi-conducteur 400 peut etre constitué par du b cium de type P déposé sur un substrat diélectrique, les transistors à effet de champ étant alors du type MOS. La couche de matériau semiconducteur 400 comporte des zones de matériau semi-conducteur diffusées de type opposé à celui du matériau semi-conducteur 400 selon la technique connue des transistors à effet de champ. Une métallisation 410, 450 formant respectivement les électrodes de source et de drain forment contact ohmique respectivement avec les zones diffusées 420 et 460. Une métallisation 430 déposée sur une couche de matériau isolant 440, de l'oxyde de silicium SiO2 lorsque le matériau semi-conducteur 400 est du silicium, forme l'électrode de grille du transistor à effet de champ. les électrodes de grille et de drain 430 et 450 sont respectivement connectées aux bandes métalliques lb et 2b des lignes de transmission 1 et 2. L'électrode de source 410 est connectée par 470 à la semelle métallique 5, l'électrode 470 comportant sur sa face en regard avec le substrat 30 une couche d'isolant 411. Dans chaque cas les conditions relatives aux longueurs et aux impédances caractéristiques de chacun des tronçons de lignes pour que la puissance à l'entrée de chaque quadripôle actif et pour que l'admittance ramenée en sortie de chaque quadripôle actif soient identiques sont respectées, La réalisation monolithique de l'amplificateur hyperfréquence distribué objet de l'invention peut être effectuée par les procédés habituels dé masquage, photolithographie, et attaque chimique. REVENDICATIONS 1. Amplificateur hyperfréquence distribué comportant une première et une deuxième lignes de transmission reliées par une pluralité de quadripôles actifs, caractérisé en ce que lesdits quadripôles actifs identiques (Q1 à Qn) couplent les deux lignes de transmission (1) et (2) à intervalles donnés déterminant d'une part, au-niveau de ladite première ligne (1), des tronçons de ligne delongueur et d'impédance caractéristique de valeurs telles que la puissance d'entrée au niveau de chacun des quadripôlesactifs soit la même , et d'autre part, au niveau de ladite deuxième ligne (2), des tronçons de ligne de longueur et d'impédance caracréristique de valeurs telles que l'admittance ramenée Ys au niveau de la sortie de chacun des quadripôles actifs soit la même. 2. Amplificateur hyperfréquence selon la revendication t, caractérisé en ce que lesdits quadripôles actifs (Q1) à (Qn) sont constitués par des quadripoles amplificateurs à mobilité différentielle négative. 3. Amplificateur hyperfréquence selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits quadripôles amplificateurs à mobilité différentielle négative sont constitués par un substrat semi-isolant (3) comportant sur une première face une semelle métallique (5), et sur une deuxième face opposée à ladite première face une couche de matériau semi-conducteur (4) déposée entre des bandes métalliques (ib) et(2b) formant les lignes de transmission (1? et (2) , ladite couche de matériau semi-conducteur (4) comportant des sillons (6) délimitant des plateformes (41) à(4n) de structure mesa, lesdites. plateformes étant chacune en contact ohmique avec un doigt métallique (71) à 7n) et (81) à (8n) des bandes métalliques (2b) et (lob), et deux doigts métalliques imbriqués en contact ohmique avec une même plateforme (41) à (4n) étant distants d'un écartement d , l'axe longitudinal de deux doigts successifs connectés à la même bande métallique-détermina-nt des tronçons de ligne d'entrée ou de sortie de longueur et d'impédance caractéristique donnée. 4. Amplificateur hyperfréquence selon la revendication 3, caractérisé en ce que les bandes métalliques (lb) et (2b) constituent avec le substrat (3) et la semelle métallique (5) une ligne à méandre. 5. Amplificateur hyperfréquence selon les revendications 3 et 4, caractérisé en ce que le substrat (3) est constitué par de l'arséniure de gallium Gais compensé, et le matériau semi-conducteur (4) par de l'arséniure de gallium de type N obtenu par croissance épitaxiale. 6. Amplificateur hyperfréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits quadripôles actifs sont constitués par des transistors à effet de champ dont les électrodes de grille (430) et de drain (450) sont respectivement reliées aux bandes métalliques (lob) et (2b) formant les lignes de transmission (1) et (2), et dont l'électrode de source (410) est reliée par une connexion (470) au potentiel de référence de l'amplificateur. 7 Amplificateur hyperfréquence selon la revendication 6, caractérisé en ce que les transistors à effet de champ sont des transistors du type MOS. 8. Dispositif d'amplification hyperfréquence comportant un amplificateur distribué selon l'une des revendication 1 à 7.