Brevet FR2422289A1 — publié le 19791102

La présente invention a pour objet un circuit linéariseur de phase pour anplificateur à tube à ondes progressives. Elle trouve rne application dans la réalisation de canaux de tralsmission destinés notamment aux télécommunications par satellites. On sait que l'amplificateur à tube à ondes progressives (en abrégé ATOP) est 1' un des éléments essentiels des sys- tèmes de transmission par satellites. Il est aussi l'un de ceux qui oensomme le plus d'énergie. On s est donc constam- ment efforcé d'am@liorer son rendement tant par une étude poussée du tube à ondes progressives lui-meme que par une adaptation soignée du tube à l'ensemble du canal de transmission.Il est apparu que les conditions de meilleur rendement possible correspondent au cas ci l'ATOP fonctionne à saturation, c'est-à-dire émet sa puissance maximale. Mais, dans de telles conditions, l'amplificateur ne peut plus être assimilé à un élément linéaire car les dégradations qu'il apporte au signal, dans cette zone de saturation, deviennent considérables. Pour diminuer les effets de ces distorsions, on est amené à surdimensionner l'amplificateur et à le faire fonc- tionner en-dessous de sa puissance de sortie maximale. Mais l'amélioration de la qualité du signal qui en résulte s'effectue aux depens du rendement et l'on se heurte à nouveau au problème de la consommation d'énergie Or, dans un satellite de telévision directe où la retransmission s'effectue directement vers les antennes des postes de réception individuels, les puissances mises en jeu sont telles qu'on ne peut pas retenir cette solution. t 'amplificateur ponctionne alors à saturation, avec un rendement maximal, et l'on accepte une certaine distorsion di signal d'image. La présente invention a justement pour but e ré soudre ce conflit entre rendement et qualité en proposant Ir, circuit qui permet de réduire les distorsions du signal tout en permettant à l'ATOP de fonctionner à sa puissance maximale. A cette fin, l'invention prévoit l'utilisation d'un circuit qui est composite, en ce sens qu'il est formé par la combinaison de deux circuits de types différents, -l'un de contrôle automatique de gain et l'autre de prédistorsion de phase, ces deux circuits étant adaptés l'un a' l'autre de telle sorte que par leur combinaison, on puisse annuler ou tout au moins réduire les distorsions de phase introduites par l'amplificateur a' tube à ondes progressives dans une très large plage de fréquences de modulation d'amplitude s'détendant du continu à une dizaine de mégahertz. De façon précise, la présente invention a pour objet un circuit linéariseur de phase pour amplificateur à tube à ondes progressives, cet amplificateur étant affecté d'une non linéarité amplitude-phase ; ce circuit est caractérisé en ce qu'il est constitué par une combinaison d'un circuit de contrôle automatique de gain et d'un circuit de prédistorsion de phase, le circuit de contrle automatique de gain recevant le signal à amplifier et délivrant un signal d'amplitude sensiblement constante qui est appliqué au circuit de prédistorsion de phase, lequel délivre un signal modulé en amplitude et en phase qui est appliqué à l'amplificateur à tube à ondes progressives la prédistorsion imposée au signal étant de sens opposé à la distorsion introduite par la non linéarité de l'amplificateur à tube à ondes progressives. De préférence, le circuit de contrôle automatique de gain comprend, d'une part, un modulateur-attenuateur dont l'entrée reçoit le signal à amplifier, et dont la sortie est reliée au circuit de prédistorsion de phase, et d'autre part, une boucle entre la sortie et le modulateur-atténuateur, cette boucle comprenant un détecteur et un amplificateur. De préférence encore, le circuit de prédistorsion de phase comprend, d'une part, un modulateur de phase dont 1 'entrée reçoit le signal de livré par le circuit de controle automatique de gain et dont la sortie est reliée au tube à ondes progressives et, d'autre part, entre l'en- trée et le modulateur, une boucle comprenant un détecteur et un amplificateur. De toute façon, les caractéristiques. et ayantages de l'invention apparattront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés a' titre illustratif et nullement limitatif. Cette description se réfère a' des dessins annexés sur lesquels - la figure l représente schématiquement les varia- tions du coefficient de conversion amplitude-phase d'un ATOP en fonction de la fréquence la figure 2 représente le schéma synoptique du circuit linéariseur de phase selon l'invention ; - la figure 3 représente schématiquement les positions respectives des bandes passantes des circuits de contrôle automatique de gain et de prédistorsion de phase ;; - la figure 4 représente un exemple de réalisation du circuit de contrôle automatique de gain - la figure 5 représente un exemple de réalisation du circuit de pré distorsion de phase - la figure 6 représente deux courbes de variations du coefficient de conversion, l'une pour un amplificateur à tube à ondes progressives de l'art antérieur et l'autre pour le même amplificateur, mais précédé du circuit linéariseur de l'invention. Avant de decrire la structure du circuit de l'invention, quelques considérations vont etre développées à propos du phénomène de distorsion de phase introduite par un amplificateur à tube à ondes progressives. L'onde haute fréquence que délivre la sortie d'un amplificateur à tube à ondes progressives n'est en général pas en phase avec l'onde appliquée à l'entrée. Un dephasage existe entre ces s deux ondes, qui est de la forme # = #0 + # (Pe) où #0 est un terme constant et # (Pe) un déphasage qui est une fonction de la puissance Pe de l'onde appliquée à l'en trée. Si cette puissance Pe est variable en fonction du temps, le déphasage # l'est aussi et l'excursion de la modulation de phase est ## = \\ Un amplificateur à tube à ondes progressives possède une puissance de saturation pour laquelle la puissance de sortie passe par un maximum. Si la puissance du signal d'entrée correspond à cette puissance de saturation, (et l'on a vu plus haut que c'est généralement le oes le plus favorable dans la pratique) une modulation d'amplitude du signal à l'entrée, ne se traduit par aucune modulation d'amplitude du signal à la sortie de l'amplificateur, mais seulement par rne nodulation de phase. La modulation d'amplitude à l'entrée d'un amplificateur travaillant à saturation se transforme donc en modula- tion de phase à la sortie. On de finit alors un facteur de conversion noté ksi qui traduit le rapport entre la modulation d'amplitude à l'entrée et la modulation de phase à la sortie. Ce facteur est communément appelé "coefficient de conversion AM/PM". Il represente la drivée logarithmique de la fonction #(Pe) et il s'exprime en général en général en degré par décibel. Le but de la présente invention est de réduire le facteur Kp, sinon à O, dl moins à une valeur très faible et cela dans une large bande de fréquence. Le circuit de l'invention, qui permet de réduire cette distorsion de phase, est donc un "linéariseur" de phase. La figure l représente schématiquement les variations du coefficient K porté en ordonnées et exprimé en degré par décibel, en fonction de la fréquence de modula- tion fm portée en abscisses. Sur cette figure, apparaissent deux régions très différentes. La première s'étend de O à une fréquence Fc de l'ordre de 1 kHz. Le coefficient K y subit une variation rapide et présente un maximum mar P qué. La seconde s'étend de Fc à 10 MHz environ. Le coeffi- cient Kpy est relativement constant. Compte tenu de ces deux types de variations, l'invention propose, pour réduire le coefficient de conversion AM/PM, un circuit formé de deux éléments différents ayant pour rôle de réduire Kp l'un dans la première région où il varie brusquement et, l'autre dans la seconde où Kp est sensiblement constant. Le schéma synoptique du circuit de l'invention est alors celui de la figure 2. Le linéariseur comprend un circuit de contrôle automatique de gain 2 et un circuit de pré- distorsion de phase 4. L'ensemble est placé avant l'amplifi- cateur à tube à ondes progressives 6. Le circuit de centrale automatique de gain 2 comprend un modulateur-atténuateur 8, un détecteur 10, un ampli- ficateur 12. Le circuit de prédistorsion de phase 4 comprend, outre le détecteur 10 commun aux deux circuits, un modulateur de phase 13 et un amplificateur 14. Un diviseur de puissance 15 est disposé entre les deux circuits à la sortie dl modulateur 8 et avant le modulateur 12 et le détecteur 10. Dans ses grandes lignes, le fonctionnement de ce circuit est le suivant. Le rôle du circuit de contrôle automatique de gain 2 est de supprimer une éventuelle modulation d'amplitude présente sur le signal d'entrée, et cela dans la plage de fréquence O-Fc correspondant à la première région dl schéma de la figure 1 où le coefficient Kp varie rapidement. Pour des fréquences de modulation qui tombent dans cette plage, le signal délivré par le circuit 2 est dépourvu de modulation d'amplitude. Mais, au-delå de la fréquence Fc' le circuit de contrôle automatique de gain devient inefficace et l'on retrouve à sa sortie un signal modulé en amplitude avec m indice de modulation qui est sensiblement le meme que celui qu'on trouve à l'entrée. Le second circuit 6 prend alors le relais en imposant au signal modulé une predistor s ion de phase de sens tel qu'elle compense la distorsion introduite ensuite par l'ATOP. Pour obtenir une bonne efficacité de la linéarisa- tion dans une large plage de fréquence, les deux circuits 2 et 4 présentent des s bandes passantes qui se chevauchent comme indiqué sur la figure 3, où B2 représente la bande passante du circuit 2 de contrôle automatique de gain et B4, celle du circuit 4 de prédistorsion de phase. Lorsque la fréquence F c est comprise entre 1kHz et 10kHz, la bande B2 du circuit de contrôle automatique de gain s'étend par exemple du continu jusqu'à 10 kHz et la bande B4 du circuit de prédistorsion de phase entre 1kHz et 10MHz. Le fonctionnement détaillé de chacun de ces deux circuits est le suivant. Le circuit 2 de contrôle automatique de gain reçoit un signal de la forme : Ve = A [1 + mf(t)] cos (w0 t + où A est une amplitude, m un indice de modulation, f(t) un signal modulant, w0, une fréquence angulaire et #0 une phase. En supposant que le signal modulant est sinusoidal et que les divers éléments qui constituent le circuit de contrôle automatique de gain fonctionnent dans des zones de linéarité, on peut montrer que la tension de sortie du circuit 2 est de la forme où A' est une amplitude, #'0 une phase et G le gain en boucle ouverte du circuit. L'idéal serait un circuit possédant un gain en boucle ouverte infini, Q qui donnerait une modulation nulle en sortie du circuit 2. Mais, en réalité, le choix de ce gain doit ré- sulter d'un compromis entre l'efficacité, la bande passante et la stabilité de la boucle. La stabilité est liée au problème de rotation de phase dans la boucle en fonction de la fréquence, le gain de la boucle devant être nul lorsque le déphasage entre les signaux d'entrée et de sortie de la boucle atteint 1800. La figure 4 donne un exemple de réalisation d'un circuit à contrôle automatique de gain, qui oorrespond à un compromis satisfaisant entre toutes Qs exigences. Les caractéristiques d' un tel circuit sont les suivantes - gain en boucle ouverte G = 32 db t - bande passante supérieure à lOkHz ; - marge de phase dans la boucle supérieure à 600 ,. - taux de modulation d'amplitude résiduel en sortie : m = 0,3%. Le circuit illustré sur la figure 4 comprend un détecteur 10 ai type SCHOTTKY à faible seuil et un amplifi- cateur 16 de gain unité. L'atténuateur-modulateur 8 est cons- titué par deux diodes PIN. Cbmme Qt atténuateur-modulateur introduit un déphasage important entre les ondes modulante et démodulée, il est nécessaire de prévoir un filtre avec réseau correcteur de phase pour assurer une marge de phase suffisante dans la boucle.- C'est le rôle du circuit 18, qui comprend m amplificateur opérationnel 20 associé à deux ré sistances 22 et 24 en oontre-réaction et à un oendensateur 26. En ce qui concerne maintenant le circuit de prédistorsion de phase, son fonctionnement est -le suivant. Il reçoit un signal modulé en amplitude de la forme : s(t) = A [1 + m cos wmt] cos (w0t + # La sortie du détecteur 10 délivre le signal modulant qui est utilisé pour moduler en phase dans le modulateur 12, le signal de sortie. La sortie de Q modulateur délivre ébnc un signal qui a pour expression : s'(t) = A [1 + mcos wmt] cos [w0t + m'cos(wmt + #'m) + #'0] où m', 'm et '0 dépendent des caractéristiques des circuits détecteur 10, amplificateur 14 et modulateur 12. Le signal délivré par le circuit 4 de prédistorsion de phase comprend donc à la Ibis une modulation d'amplitude et une modulation de phase. Le phénomène de conversion AM/PM qui affecte l'ATOP transforme la modulation d'amplitude en modulation de phase et l'expression dl signal en sortie de l'ATOP s'écrit s"(t) = A" [cos (w0t) + m0 cos (wmt + # m) + m0' cos (wmt + + #"0] Le second terme du crochet est dû à la conversion AM/PM et le troisième à la modulation de phase. Le réseau de prédistorsion est conçu pour satisfaire aux deux conditions suivantes : m0 = -m0' #m = #'m Le signal de sortie de 1'ATOP a alors pour expression : s"(t) = A' cos (w0t + #"0) où la modulation de phase a disparu. Pour réaliser un circuit apte à imposer la prédistorsion de phase souhaitée, il faut remplir de préférence plusieurs conditions - l'amplitude du signal démodulé en sortie du détecteur lO doit être constante, - l'amplificateur 14 doit etre à large bande et à très faible distorsion de phase, - la sensibilité du modulateur de phase 12 doit être constante. La figure 5 représente à titre explicatif un mode particulier de réalisation d'un circuit de prédistorsion de phase qui répond à oes conditions. Le circuit représenté sur cette figure comprend 'n modulateur de phase 13 qui est constitué par un varactor 30 et par m circulateur hyperfréquence 32. Le circulateur reçoit l'onde délivrée par le circuit 2 de contrôle automatique de gain et la dirige sers le varactor 30. L'onde est réfléchie par le varactor avec une phase qui est fonction de la polarisation appliquée au varactor. Le signal modulé en phase est ensuite dirigé vers l'ATOP 6. L'amplificateur 14 comprend trois étages dont les deux premiers assurent la fonction d'amplification et le dernier celle d'adaptation au circuit d'entrée du modulateur de phase. Chacun de oes étages comprend un transistor, respectivement TI, T2, T3, chargé aux accès par des circuits RC. La bande passante peut être oomprise entre environ 1kHz et lOMHz. Quant au diviseur de puissance 15 qui est situé à la jonction des deux circuits 2 et 4, il peut être du type Wilkinson. il délivre deux signaux en phase d'égales puissances sur ses deux sorties. Les résultats obtenus avec les circuits décrits sont illustrés par la figure 6. Le diagramme représenté sur cette figure montre les variations du coefficient Kp de conversion amplitude/fréquence, porté en ordonnées, en fonc- tion de la fréquence de modulation im portée en abscisses avec une échelle logarithmique. La courbe 34 représente les variations de Kp pour un tube à ondes progressives seul (il s'agit du T.O.P. de référence TH 3525) et la courbe 36 les variations de Kp pour le mime TOP mais précédé du circuit linéariseur de phase de l'invention. Dans ce dernier cas, le coefficient de conversion amplitude/phase reste inférieur à 0,4a/dB dans toute la gamme de fréquence de modulation allant de O à 10 MHz. REVENDICATIONS 1. Circuit linéariseur de phase, pour système ampli- ficateur à tube à ondes progressives, ledit amplificateur étant affecté d'une non linéarité amplitudetphase, caractérisé sé en ce qu'il est constitué par une oombinaison d'un circuit de contrôle automatique de gain et d'un circuit de prédistor s ion de phase, le circuit de controle automatique de gain recevant le signal à amplifier et délivrant un signal d'amplitude sensiblement oonstante qui est appliqué au circuit de prédistorsion de phase lequel délivre un signal modulé en amplitude et en phase qui est appliqué à l'amplificateur à tube à ondes progressives, la predistorsion imposée au signal Par ce second circuit étant de sens opposé à la distorsion introduite par la non linéarité de l'amplificateur à tube à ondes progressives, 2. Circuit linéariseur de phase selon la revendication l, caractérisé en ce que le circuit de contrôle automatique de gain comprend, d'une part, un modulateur-atténuateur dont l'entrée reçoit le signal à amplifier, et dont la sortie est reliée au circuit de prédlstorsion de phase, et, d'autre part, une boucle entre la sortie et le modulateur-attenuateur, cette boucle comprenant un détecteur et un amplificateur. 3. Circuit linéariseur de phase selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit de contrôle automatique de gain a une bande passante qui s'étend de O à une fréquence supérieure à environ 10kHz. 4. Circuit linéariseur de phase selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le modulateur-atténuateur est constitué par un attenuateur à diodes PIN. 5. Circuit linéariseur de phase selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de prédistorsion de phase comprend, d'une part, un modulateur de phase dont l'entrée reçoit le signal délivré par le circuit de controle automatique de gain et dont la sortie est reliée à l'amplificateur à tube à ondes progressives et, d'autre part, une boucle entre 1' entrée et le modulateur, cette boucle comprend. nant un détecteur et un amplificateur. 6. Circuit linéariseur de phase selon la revendlcation 5, caractérisé en ce que la bande passante du circuit de prédistorsion de phase est comprise entre environ 1 Miz et 10 MHz 7. Circuit linéariseur de phase selon 1 une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que le ztdulateur de phase est constitué par un circulateur associe a un varactor. 8. Circuit linéariseur de phase selon les revendications 2 et 6, caractérisé en Q que le détecteur du circuit de contrôle automatique de gain et -le détecteur du circuit de prédistorsion de phase sont confondus en un seul detecteur. 9. Circuit linéariseur de phase selon la revendication 8, caractérisé en Q que ledit détecteur est une diode de type Schottky.