Brevet FR2483085A3 — publié le 19811127

FR 2483085 A3 19811127 FR 8011422 A 19800522 L'invention concerne les dispositifs de télémétrie, et plus particulièrement un capteur à semi- conducteurs à faible portées Les dispositifs de télémétrie sont devenus de plus en plus petits et de plus en plus legers principalement en raison de l'utilisation de circuits à semi-conducteurs. Cependant, la complexité de ces systèmes à semi-conducteurs nt'a généralement pas été reduite et, par conséquente le cout est très élevez La complexite' est également, en général, la cause d'un manque de fiabilité superieur à celui d'un système ou Dun dispositif moins complexe, ce qui conduit généralement à la conclusion que si l'on pouvait construire un système moins complexe, ce dernier non seulement serait moins cher à fabri que et à utiliser, mais serait également plus fiable en service Il est donc évident qu'un dispositif de télémétrie léger, compact et simple, utilisant un capteur actif à semiconducteurs, constituerait un progrès important dans ce domaine. Compte tenu des facteurs indiques ci-dessus et des conditions caracteristiques de l'art antérieur, lXinven- tion concerne un capteur perfectionné à semi-conducteurs des tiné à des applications de télémétrie, et plus particullè- rement un capteur à semi-conducteurs, d'une fabrication simple et peu coûteuse, destiné à la détection de cibles à faible distance. Le capteur à semi-conducteurs selon l'inven- tion, qui est relativement simple et fiable, utilise une diode à résistance négative relativement peu coûteuse, par exemple une diode à effet Gunn, une diode tunnel, une diode du type "IMPATT" ou une diode à effet Baritt. L'invention concerne également un circuit melan- geur à auto-oscillation, modulé et à semi-conducteurs, qui, à la fois, émet de l'énergie à haute fréquence et reçoit et détecte la partie de cette énergie ayant été réfléchie. Le capteur actif à semi-conducteurs selon l'invention est destiné à la détection de cibles à faible distance et il peut etre mis en oeuvre en mode de télémétrie par impulsions, en mode en radar anti-brouilleur ou en mode Doppler à ondes entretenues. Dans une forme de réalisation de l'invention, un capteur actif à semi-conducteurs, destiné à la détection de cibles à faible distance et à d'autres applications, comprend un circuit oscillateur de modulation produisant un signal de modulation à une fréquence élevée f0 et un circuit osc lla- teur à diode à résistance négative pouvant produire un signal de sortie à haute fréquence non modulé ayant une fréquence porteuse fct le circuit oscillateur à diode à résistance négative étant couplé au circuit oscillateur de modulation et réagissant au signal de modulation, lorsqu'il est présent, en produisant un signal de sortie à deux bandes latérales et à porteuse supprimée, à des fréquences f c augmentées et diminuées de la fréquence f0 et de multiples de cette fréquence fO, le circuit oscillateur à diode-à résistance négative pouvant également détecter l'énergie réfléchie du signal de sortie afin de produire un signal de fréquence intermédiaire, ayant des fréquences d'environ fO et des multiples de f0. Le. circuit oscillateur à diode à résistance négative peut utiliser une diode à effet Gunn, une diode du type "IMPATT", une diode tunnel ou une diode à effet Baritt, ou autres, et le circuit oscillateur à modulation peut être mis en oeuvre en mode à impulsions ou à ondes entretenues afin de faire fonctionner le capteur actif à semi-conducteurs en mode à télémétrie par impulsions, en mode en radar antibrouilleur ou en mode Doppler à ondes entretenues. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels - la figure 1 est un schéma simplifié du capteur actif à semi-conducteurs, destiné à la détection de cibles à faible distance et à d'autres applications, selon l'invention - la figure 2 représente schématiquement une forme de réalisation d'un guide d'image de l'oscillateur à diode à résistance négative faisant partie du capteur à semiconducteurs montré sur la figure 1 - les figures 3 et 4 sont respectivement une élévation et une vue en bout delta structure à guide d'image montrée sur la figure 2 ; - les figures 5 et 6 sont des diagrammes montrant des caractéristiques du spectre d'un signal d'émission non modulé et d'un signal modulé, respectivement, provenant du capteur de la figure 1 ;; - la figure 7 est un diagramme à raies spectrales de fréquence du signal de sortie à modulation de fréquence émis par le dispositif représenté sur la figure 1 ; - la figure 8 est un diagramme des temps montrant la commutation entre les modes de fonctionnement du capteur représenté sur la figure 1 ; et - la figure 9 est un diagramme à raies spectrales de fréquence montrant la relation entre le signal de fréquence intermédiaire et la bande passante correspondant à la fréquence intermédiaire du capteur selon l'invention. Les figures, et plus particulièrement la figure 1, représentent le capteur actif ll à semi-conducteurs selon l'invention, destiné à la détection de cibles à faible distance et à d'autres applications. Ce capteur comprend un oscillateur 13 de modulation destiné à produire un signal 15 de modulation à haute fréquence fO, couplé à un oscillateur 17 à diode à résistance négative qui peut transmettre à une antenne 19 un signal de sortie à haute fréquence non modulé ayant une fréquence porteuse fc. L'oscillateur.13 de modulation peut être de toute conception classique, généralement dans la bande des très hautes fréquences ou des ultra hautes fréquences et, par exemple, il peut utiliser un élément à réactance variable tel qu'une diode à capacité variable ou varactor. En réponse au signal de modulation 15 à haute fréquence, l'oscillateur 17 à diode à résistance négative est conçu pour produire un signal 21 de sortie à deux bandes latérales et à porteuse supprimée, ayant des fréquences f c augmentees et diminuées des fréquences f0 et des multiples de f. o L'oscillateur 17 à diode à résistance négative peut également détecter un signal de retour ou d'écho 23 arrivant a l'antenne 19, ce signal de retour comprenant la partie du signal 21 de sortie qui a été réfléchie par un objet constituant une cible (non représentée). Le signal 23 de retour est ensuite converti par l'oscillateur à diode à résistance négative en un signal 25 de fréquence intermédiaire ayant des fréquences d'environ f0 et de multiples de fo L'oscillateur 17 peut comporter toute diode 27 à résistance négative, par exemple une diode à effet Gunn, une diode tunnel, une diode. à effet Baritt ou une diode du type "IMPATT", etc. Les figures 2 à 4 représentent la structure d'un oscillateur à guide d'image qui constitue l'une de plusieurs configurations que l'on peut utiliser pour le circuit oscillateur.Dans ce cas, la diode 27 est montée sur un substrat métallique 29 à proximité d'une extrémité fermée 31 d'une structure 33 à cavité résonante ou à résonateur, cette structure 33 ayant une forme en U à peu près rectangulaire et allongé et étant réalisée en métal ou en matière diélectrique métallisée, et un fil conducteur isolé 35 de polarisation, relié électriquement à la diode 27, traverse la structure 33 en passant dans un trou 37. Ces figures montrent également une section allongée 39 de guide d'image, par exemple en quartz, en céramique, en Si, en GaAs ou en BN, et une partie extérieure 41 d'adaptation d'impédance de transition, également montée sur le substrat 29, entre les branches 43, auxquelles elle est couplée, de la structure 33. Le potentiel de polarisation de la diode à résistance négative est appliqué à une borne 45 et il peut être réglé à une valeur souhaitée au moyen d'un régulateur classique 47 de tension. Le potentiel régulé peut être transmis par l'intermédiaire d'un filtre passe-bas classique 49 avant d'atteindre le fil conducteur 35. La valeur du potentiel de polarisation appliqué au conducteur 35 dépend de la caractéristique de la diode particulière à résistance négative utilisée. Le signal 25 de fréquence intermédiaire, produit par le circuit 17, est de préférence appliqué à un amplificateur classique 51 de fréquence intermédiaire, destiné à amplifier ce signal avant qu'il soit appliqué à un circuit d'utilisation par l'intermédiaire d'une borne 53 de sortie. En cours de fonctionnement, l'oscillateur 17 à diode à résistance négative oscille de lui-meme lorsqu'il ne revoit pas de signal 15 de modulation provenant de lUoscilla- teur 13 de modulation, et il applique à l'antenne 19 un signal ayant une fréquence porteuse fc, déterminée principa- lement par les dimensions de la structure à cavité rèsonante dans laquelle la diode a résistance négative est disposée Ce signal apparaît dans la représentation de l'analyse spectrale de la figure 5 Comme prévu, en modulant l'oscîllateur 17, par exemple par application d'un signal de commutation ou de déclenchement a une borne 55 d'entrée de déclenchement afin d'actionner un circuit classique 57 de déclenchement relié à l'oscillateur 13 de modulation ou faisant partie de ce modu latere, le circuit- 17, qui se comporte comme un émetteur, produit un signal 21 de sortie à modulation de fréquence ayant des bandes latérales à des multiples de la fréquence de modulation.Les figures 6 et- 7 montrent respectivement une représentation de l'analyse spectrale et des raies spectrales de la modulation optimale de l'oscillateur 17 pour produire un signal 21 à deux bandes latérales et porteuse supprimée, tel que la plus grande partie de la puissance du signal se trouve dans les bandes latérales, où cette puissance est la plus efficace. Si un signal de déclenchement périodique est appliqué au circuit 57 de déclenchement, la diode est modulée par des impulsions et le capteur est alors adapté à une uti- lisation dans des applications du type radar. Le signal du spectre modulé se dirige alors vers une cible visée, est réfléchi et est reçu par le même capteur 11 qui assume à présent la fonction d'un mélangeur pour produire un signal de sortie 25 de fréquence intermédiaire, pouvant être appliqué à l'amplificateur 51 de fréquence intermédiaire. La figure 8 montre un exemple de la relation de temps entre l'émission et la réception du capteur ll fonctionnant en mode du type radar à impulsions, dans lequel des impulsions 59 de 50 nanosecondes sont émises comme indiqué par la trace supérieure 65. Le niveau supérieur 67 du trait pointillé 69 indique, sur cette figure, le moment où le capteur est dans son mode de réception (entre les impulsions émises) et le niveau inférieur 71 de la ligne 69 indique les instants où le dispositif est dans son mode d'émission. Une seule antenne 19 est de préférence utilisée pour les fonctions d'émission et de réception, et les signaux renvoyés 23 sont dirigés par l'antenne vers l'oscillateur 17 qui se comporte alors comme un mélangeur, et le signal résultant 25 est de préférence amplifié avant d'etre rendu disponible à la borne 53 de sortie de fréquence intermédiaire. La ligure 9 montre la relation spectrale des signaux reçus et de la-fréquence nominale du signal de sortie émis, ainsi que la bande passante de l'amplificateur de fréquence intermédiaire, indiquée par la ligne pointillée 73. On voit donc que le signal de fréquence intermédiaire a une fréquence f0 et multiples de fO, et que la bande passante de cet amplificateur est de préférence égale au double de fO. En choisissant des signaux de modulation de différents types, on peut obtenir au moins trois modes utiles de fonctionnement du capteur 11, par exemple le mode en télémétrie par impulsions, le mode en radar anti-brouilleur et le mode à effet Doppler à ondes entretenues. I1 convient de noter, dans ce cas, que le capteur 11 peut fonctionner comme un mélangeur, meme en émettant simultanément un signal à modulation de fréquence. Des résultats d'essais d'une forme de réalisation de l'invention utilisant une diode à effet Gunn montrent qu'une puissance de 1 à 100 mW est obtenue en mode d'émission et qutune sensibilité d'environ -70 dBM, avec une bande passante de 100 MHZ, est également obtenue. Un facteur de bruit efficace d'environ 25 dB a été enregistré pour ce dispositif, cette donnée montrant que le dispositif, utilisé comme mélangeur récepteur, est moins performant qu'un mélangeur classique à diode équilibrée, mais plus performant qu'un détecteur vidéo classique. I1 va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au capteur décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Capteur actif à semi-conducteurs pour la détection de cibles à faible distance et d'autres applications, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit oscillateur (13) de modulation produisant un signal (15) de modulation à haute fréquence fO, un circuit oscillateur (17) à diode à résistance négative pouvant produire un signal de sortie à haute fréquence non modulé, ayant une fréquence porteuse fc, ce circuit oscillateur à diode réagissant audit signal de modulation, lorsque ce dernier est présent, en produisant un signal de sortie (21) à deux bandes latérales et à porteuse supprimée, à des fréquences f c augmentées et diminuées de la fréquence fO et de multiples de cette fréquence fO, le circuit oscillateur (17) à diode à résistance négative pouvant également détecter l'énergie réfléchie dudit signal de sortie de manière à produire un signal (25) ayant des fréquences intermédiaires égales, environ, à f0 et à des multiples de fO. 2. Capteur actif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit oscillateur (13) de modulation comprend un élément (57) de déclenchement de signaux de modulation destiné à appliquer un signal (21) de modulation à haute fréquence au circuit oscillateur (17) à diode à résistance négative. 3. Capteur actif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit oscillateur (17) à diode à résistance négative comprend une diode (27) à résistance négative disposée dans une structure (33) à circuit résonant accordé sur la fréquence porteuse fc. 4. Capteur actif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la diode (27) à résistance négative est une diode à effet Gunn, une diode tunnel, une diode du type "IMPATT" ou une diode à effet Baritt. 5. Capteur actif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la structure (33) à circuit résonant est une structure à guide d'image. 6. Capteur actif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte également un dispositif produisant un potentiel de polarisation, couplé au circuit oscillateur (17) à diode à résistance négative afin d'appliquer à ce circuit un potentiel de polarisation de valeur souhaitée. 7. Capteur actif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte également un circuit amplificateur (51) de fréquence intermédiaire, couplé au circuit oscillateur (17) à diode à résistance négative et produisant un signal de sortie amplifié, à fréquence intermédiaire. 8. Capteur actif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le circuit amplificateur (51) à fréquence intermédiaire présente une bande passante égale au moins à peu près au double de la fréquence f0 dudit signal (21) de modulation à haute fréquence. 9. Capteur actif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif produisant un potentiel de polarisation comprend un filtre passe-bas (49). 10. Capteur actif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif produisant un potentiel de polarisation comprend un circuit (47) de régulation de tension de polarisation.