Brevet FR2500694A1 — publié le 19820827

PIVISEUR DE FREQUENCE ANALOGIQUE UTILISANT UN TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP BIGRILLE EN TRES HAUTE FREQUENCE L'invention concerne un diviseur de fréquence du type analogique (par opposition aux diviseurs de fréquence dits numériques) o l'on se sert d'un transistor à effet de champ à deux grilles pour diviser, notamment par un facteur 2, une fréquence très élevée par exemple de l'ordre de 3 à 20 GHz, si le transistor à effet de champ à deux grilles est conçu pour fonctionner jusqu'à cette fréquence maximum. Les diviseurs numériques utilisent des circuits du type "bascule" comportant plusieurs composants et présentant des temps de propagation non négligeables en très haute fréquence, ce qui limite la fréquence d'utilisation de ces diviseurs. Les diviseurs de fréquence analogiques connus comportent un mélan- geur, un amplificateur, un filtre et une boucle de réaction. Le mélangeur est du type de ceux qui sont utilisés dans les récepteurs pour transposer la fréquence porteuse du signal à recevoir sur une fréquence dite intermédiaire. A cet effet, le mélangeur constitué par exemple par une paire de diodes comporte une entrée "signal", une entrée "fréquence locale", et une sortie "moyenne fréquence". Dans le cas de la division par deux la boucle de réaction est montée entre la sortie du filtre et l'entrée "fréquence locale" du mélangeur. Un tel montage n'est limité en fréquence que par l'amplificateur, le filtre étant, quant à lui, calculé en conséquence. L'invention introduit une simplification notable de ce dernier type de diviseur, en intégrant dans un seul composant, les fonctions de mélange et d'amplification. L'invention propose un diviseur analogique dans lequel on module le gain d'un amplificateur par un signal d'entrée comportant la fréquence originelle à diviser, le signal amplifié étant filtré de manière à favoriser une fréquence sous-harmonique prédéterminée F/N de la fréquence originelle, une partie du signal amplifié étant prélevée pour être introduite à l'entrée du diviseur par une boucle de réaction comportant un élément sélectif favorisant ladite fréquence sousharmonique ou un multiple M entier de cette fréquence sous-harmonique dans la relation M = N - 1. Le diviseur suivant l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend un transistor à effet de champ comportant une première grille reliée à l'entrée du signal à la fréquence originelle et une deuxième grille reliée à la boucle de réaction. L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques apparaî- tront, au moyen de la description qui suit, et des dessins qui l'accompagnent, parmi lesquels: - la figure 1 représente l'art connu; - les figures 2 et 3 sont des schémas généraux de réaction; - la figure 4 représente une première réalisation de l'invention; - la figure 5 représente une deuxième réalisation de l'invention; - les figures 6 et 7 représentent des variantes de la première réalisation; - la figure 8 représente une troisième réalisation de l'invention. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un diviseur par deux, comportant un mélangeur 10, un amplificateur 11, un filtre 12 et une boucle de réaction 6. Dans ce schéma, de type unifilaire, les entrées ou sorties numérotées de 1 à 5 représentent respectivement: 1: la paire de bornes d'entrée d'un signal à la fréquence F; 2: l'entrée d'un signal à la fréquence F/2; 3 la sortie du mélangeur 10 raccordée à l'entrée de l'amplifica- teur 11 4: la sortie de l'amplificateur 11 raccordée à l'entrée du filtre 12; la sortie du filtre 12 raccordée à l'entrée 2 du mélangeur 10. On rappelle que le fonctionnement est basé sur le fait qu'une oscil- lation, apparaissant sur une fréquence sous-harmonique du signal à la fréquence F, et démarrant soit sur un transitoire ou sur du bruit, est amplifiée, filtrée et régénérée par le mélangeur, favorisant ainsi la fré- quence F/2 à l'exclusion du toute autre, uniquement lorsque la fréquence F est appliquée à la borne 1. La largeur de bande du diviseur, c'est-à-dire le domaine de fréquence de division, est limitée par la boucle, notamment par le filtre. La figure 2 représente un schéma du type "réaction classique" aux bornes (chaque borne représentant une paire de pôles) d'un hexapôle 20, à deux entrées (21, 22) et une sortie. Un quadripôle 24, placé sur la boucle de réaction entre les bornes 22 et 23, représente un élément de filtrage sélectionnant par exemple la fréquence F/2. Ce schéma s'applique à la réalisation de l'invention représentée à la figure 4 o l'on voit un transistor à effet de champ à deux grilles G1 et G2 constituant avec l'électrode D de drain, l'électrode S de source étant reliée à la masse, les bornes d'un hexapôle. Dans cette réalisation, le signal à la fréquence F est introduit entre une borne 41 reliée à la grille G2 et la masse, la boucle de réaction comportant l'élément 24 branché entre la borne 42 reliée à la grille G1 et la borne 43 reliée au drain D, et à l'entrée du filtre 12 de sortie 44. On notera que la masse constitue ici le deuxième pôle de l'ensemble des bornes 41 à 44. Le fonctionnement en diviseur par deux de cette réalisation est le suivant: le transistor à effet de champ cumule les fonctions de mélangeur et d'amplificateur. En effet, si les tensions de crête des signaux appliqués aux grilles G1 et G2' restent inférieures à des valeurs connues pour le transistor utilisé, le phénomène de mélange aura lieu, une intermodulation des signaux de fréquence F et de fréquence F/2, filtrée par la boucle de réaction 24, produisant entre autres la fréquence F/2. Ces produits d'inter- modulation apparaissent entre drain et source en bénéficiant de l'amplifi- cation caractéristique du transistor, l'oscillation à la fréquence F/2 dans la boucle de réaction 24 n'apparaissant que lorsque la fréquence F est appliquée sur la grille G2 L'élément 24 constitue avec la masse un quadripôle qui joue un double rôle de filtrage et d'adaptation d'impédance entre les côtés "grille" et "drain" de l'élément 24 sur la fréquence F/2 comme dans la réalisation citée, ce qui peut plus généralement se faire sur une fréquence multiple d'un sous-harmonique MF/N. La figure 3 représente un schéma de la figure 2 s'appliquant à un octopôle 30, avec une réalisation quelque peu différente de la réaction ou contre-réaction par rapport à la figure 2. La réalisation diffère sur le point suivant: on a intercalé des éléments d'impédance 100 et 200 entre les bornes 32 et 34 et la masse, créant ainsi une réaction ou contre -réaction de type "série". L'un de ces éléments par exemple est résistif, l'un au moins étant sélectif. Ce schéma s'applique à la réalisation de la figure 5, o l'on trouve, comme dans la réalisation de la figure 4, un transistor 40 et un filtre 12. Mais ici la boucle de réaction entre drain et grille est remplacée par une réaction entre source et grille. Comme à la figure 3 on intercale des éléments 100 et 200 respectivement entre grille G1 et masse, et entre source S et masse. L'un des éléments, ou les deux, sont déterminés théoriquement ou expérimentalement pour obtenir le taux de réaction le plus favorable sur la fréquence sous harmonique tout en favorisant l'obten- tion en sortie sur le drain du sous-harmonique choisi. Dans la réalisation de la figure 6, qui est une variante de celle de la figure 4, dans laquelle les mêmes références désignent les mêmes éléments, l'ensemble de la boucle de réaction 24, et du filtre 12, est constitué par des éléments de ligne microbande (réalisés par exemple en dépôts métalliques sur plaque d'alumine comportant un plan de masse inférieur), ces éléments étant disposés comme suit: - ligne demi-onde 64 (à la fréquence F) parallèle à l'élément 65 raccordé à angle droit en 66, ce qui donne un premier filtre naturel à la fréquence F, la fréquence F/2 n'étant pas affaiblie en raison du fait qu'une ligne demi-onde pour la fréquence F est une ligne quart d'onde pour la fréquence F/2; - élément 67 en ligne demi-onde à la fréquence F, parallèle à l'élément 66 de longueur bien supérieure, l'élément 67 se raccordant à angle droit avec un élément 68, disposition o l'on trouve un deuxième filtre naturel à F; - l'élément 69 parallèle sur une demi-longueur d'onde à l'élément 68 constituant ainsi un troisième filtre naturel à la fréquence F. Enfin, on a ajouté un découplage capacitif par deux éléments parallèle en quart d'onde (61 et 62) à l'entrée de la grille G2, et une charge R (dépôt de nickel-chrome) à l'extrémité libre de l'élément 67. Des inductances de 1 nH sont montées, sous la forme de simples boucles de fil d'or, en 410 sur la grille G2 et en 420 sur la grille Gl, ainsi qu'en 63 sur le drain D. On utilise par exemple du fil d'or de 50 microns de diamètre sur une longueur de quelques dixièmes de millimètre. Dans la réalisation de la figure 7, on trouve une variante de celle de la figure 4 qui permet de couvrir une certaine bande de fréquences. A cet effet les lignes quart d'onde et demi-onde sont remplacées par des cellules 71, 72 et 73 comportant une inductance série flanquée de deux capacités en dérivation sur la ligne microbande. L'inductance est une simple boucle de fil métallique alors que les capacités sont de simples élargissements du dépôt supérieur de la ligne microbande. Les éléments 64 et 65, la charge R et l'inductance 63 sont analogues à ceux de la réalisation de la figure 7. On a ajouté dans cette variante une autopolarisation de la source S par une résistance 77 shuntée en haute fréquence par une capacité 78, l'en- semble réalisé de la manière habituelle en technologie des lignes micro- bandes. La figure 8 est une variante de réalisation dans laquelle le transistor est monté en drain commun et la réaction est interne au transistor par l'intermédiaire du couplage entre source S et grille G1. Un dipole sélectif 85 est monté sur la grille G1. Le drain D est relié à la masse à travers un dépôt 300 pouvant être un simple court-circuit. La fréquence à diviser est appliquée en 21 sur la grille G2* Dans une variante de la première réalisation, représentée figure 9, on intercale un étage d'amplification entre le drain D et l'entrée 43 du filtre 12, les mêmes références désignant les mêmes éléments qu'à la figure 4. Cet étage d'amplification comporte un transistor à effet de champ 60 dont la grille d'entrée, ici unique, est reliée au drain du premier transistor 40 à travers un quadripôle d'adaptation 50. Parmi les avantages de l'invention non encore signalés, on mention- nera: 1. la conservation des avantages des diviseurs analogiques connus, à savoir: - a) la supériorité du diviseur analogique sur les diviseurs à amplifica- teur paramétrique, le principal étant sa souplesse d'utilisation; - b) la largeur de bande du diviseur dans les limites imposées par les éléments sélectifs et/ou de filtrage; - c) la cohérence de phase de l'onde du signal à F/2 par rapport à l'onde du signal à F. 2. Des avantages particuliers: - a) la réduction du nombre d'éléments actifs, importante du point de vue de la fiabilité; - b) le gain ou fréquence maximum possible en utilisant un transistor d'un modèle apte à fonctionner en hyperfréquence. La miniaturisation apportée par l'invention favorise l'utilisation en très haute fréquence, notamment de 10 à 20 GHz; - c) la possibilité d'intégration, sur un même substrat semiconducteur isolant, du mélangeur et du simple ou double étage d'amplification comme dans la variante déjà décrite. REVENDICATIONS 1. Diviseur analogique de fréquence dans lequel on module le gain d'un amplificateur par un signal d'entrée introduit sur une première entrée du diviseur et contenant la fréquence originelle à diviser, le signal amplifié étant filtré de manière à favoriser une fréquence sous-harmonique prédéter- minée de la fréquence originelle et des multiples entiers de cette fréquence sous-harmonique, une partie du signal amplifié et filtré étant prélevée pour être introduite sur une deuxième entrée du diviseur par une boucle de réaction (23, 24, 22) comportant un élément sélectif (24) favorisant ladite fréquence sous-harmonique ou un multiple entier de cette fréquence sous-- harmonique, le diviseur étant caractérisé en ce qu'il comprend un transistor (40) à effet de champ comportant une première grille (G 1) reliée à la boucle de réaction et une deuxième grille G2 reliée à la première entrée. 2. Diviseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le drain (D) du transistor (40) est relié à l'élément sélectif (24) de la boucle de réaction. 3. Diviseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source (S) du transistor (40) est reliée par couplage interne à la première grille G0i elle-même chargée par un élément sélectif favorisant ladite fréquence sous-harmonique ou un multiple entier de celle-ci. 4. Diviseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une première impédance (100) est placée entre la première grille (G et la masse, et une deuxième impédance (200) est placée entre la source (S) et la masse, l'une au moins d'entre elles étant sélective et favorisant ladite sous-harmonique. 5. Diviseur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un étage d'amplification complémentaire entre le drain (D) du transistor (40) et la sortie (44) du diviseur. 6. Diviseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un double étage d'amplification intégré sur le même substrat semi- conducteur.