Brevet FR2515448A1 — publié le 19830429

i DISPOSITIF HYPERFREQUENCE A LARGE BANDE GENERATEUR DES HARMONIQUES D'ORDRE PAIR D'UN SIGNAL INCIDENT ET SYSTEME COMPORTANT UN TEL DISPOSITIF. La présente invention concerne un dispositif hyperfréquence à large bande, générateur des harmoniques d'ordre pair d'un signal incident et un système comportant un tel dispositif. Un circuit doubleur de fréquence constitue un cas particulier du circuit faisant l'objet de cette demande On en connait plusieurs modes de réalisation, parmi lesquels: les doubleurs utilisant un duplexeur de fréquence: Le signal dont on veut doubler la fréquence est injecté dans la sortie voie basse, correspondant au filtre passe-bas, aiguillé sur la voie commune comprenant un élément non linéaire, tel que diode Schottky La sortie voie haute du duplexeur délivre alors les harmoniques générés par l'élément non linéaire La réjection des harmoniques d'ordre impair est réalisée par filtrage en sortie du filtre passe-haut du duplexeur Ce filtrage constitue l'un des prin- cipaux inconvénients de ce type de doubleur puisqu'il en limite la bande de fonctionnement Les pertes d'insertion du circuit duplexeur altèrent de plus grandement le rendement de conversion; les doubleurs utilisant un mélangeur: Le signal fondamental alimente l'entrée d'un diviseur de puis- sance, dont les deux sorties, de fréquence identique, sont appliquées aux entrées dites "Oscillateur local" et "signal" d'un mélangeur La sortie dite "fréquence intermédiaire" du mélangeur délivre alors entre autre un signal de fréquence égale à la somme des fréquences des signaux d'entrée donc de fréquence double du signal fondamental incident - Le circuit composé de l'association d'un diviseur de puissance et d'un mélangeur constitue donc bien un doubleur de fréquence. Mais il présente certains inconvénients Il est en effet indispensable d'utiliser un mélangeur possédant une très bonne réjection des harmoniques d'ordre 2 entre l'entrée dite "O)cillateur local" et la sortie du mélangeur afin de pouvoir isoler le signal dont la fréquence correspond à la somme f OL + fs des fréquences d'entrée De plus il est difficile de réaliser des mélangeurs dont les entrées présentent des largeurs de bande suffisamment grandes pour assurer en sortie une couverture de fréquence convenable les doubleurs du type dissymétrique/symétrique: Ce type de doubleur a été décrit dans un article de MM J KOHLER et B SCHIECK paru dans "The Radio and Electronic Engineer", Vol 48, N O 1/2, Janvier/Février 1978, pages 29-32 et intitulé "Broadband microwave frequency doublers". Un tel doubleur est expliqué plus en détails dans la description se rapportant à la figure 2 ci-annexée En résumé, il comprend une paire d'éléments non-linéaires disposés au point de rencontre d'une ligne de propagation dissymétrique constituant Pentrée du circuit et d'une ligne de propagation symétrique en sortie L'entrée du circuit décrit dans cet article est une ligne coplanaire, la sortie en est une ligne à fente, les éléments non-linéaires utilisés étant des diodes Schottky Ce circuit, simple à réaliser présente par contre lincon- vénient de ne pouvoir être utilisé dans la partie la plus basse du spectre hyperfréquence étant donné les limites de fonctionnement de la ligne à fente utilisée en sortie. Le circuit hyperfréquence, faisant l'objet de la présente in- vention et pour lequel le doubleur de fréquence ne constitue qu'un cas particulier, permet de remédier aux inconvénients précités. La présente invention a pour objet un dispositif hyperf ré- quence à large bande permettant de générer un signal constitué par les harmoniques d'ordre pair du signal incident, présentant un fort taux de réjection des harmoniques d'ordre impair et du fondamental et dont l'entrée et la sortie se font en mode dissymétrique. Un autre objet de la présente invention est de réaliser un dispositif hyperfréquence permettant de générer l'harmonique d'ordre 2 N du signal incident avec un fort taux de rejection des harmoniques impairs, des harmoniques pairs d'ordre différent de 2 n et du fondamental. Un autre objet de la présente invention et facile à utiliser dans 15448 un système intégré micro-onde, est la réalisation plane, particu- lièrement simple d'un dispositif hyperfréquence générant les harmo- niques d'ordre pair du signal incident. L'objet de la présente invention présente également lavantage d'un rendement de conversion optimum, constant sur la bande de fréquence d'utilisation. L'objet de la présente invention présente également lavantage d'une bonne linéarité de phase pour un signal incident modulé en fréquence. Le dispositif hyperfréquence à large bande, objet de la pré- sente invention, permettant de générer un signal composé des harmoniques pairs du signal incident, est caractérisé en ce qu'il comprend un circuit diviseur équiphase dont la ligne d'entrée et les deux lignes de sortie présentent un mode de propagation dissymé- trique, des premier et deuxième moyens non-linéaires qui, alimentés par les signaux de sortie dudit diviseur équiphase, délivrent respec- tivement sur une ligne à mode de propagation symétrique un signal composé des harmoniques pairs du signal d'entrée, les deux signaux de sortie étant regroupés dans un circuit dont la sortie est cons- tituée par une ligne de propagation du type dissymétrique. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée faite ci-après avec référence aux dessins ci- annexés qui représentent: Fig la et lb, la structure d'une ligne de propagation à fente et d'une ligne de propagation coplanaire respectivement; Fig 2, un dispositif hyperfréquence doubleur de fréquence selon l'art antérieur; Fig 3, le principe général d'un dispositif hyperfréquence selon l'invention; et Fig 4, un mode de réalisation du dispositif hyperfréquence selon l'invention. La figure la représente la structure d'une ligne de propagation à fente formée par deux conducteurs dessinant une fente 4 laissant apparaître le substrat 1 portant les deux conducteurs La propaga- tion est du type symétrique Le vecteur-V-treprésente la différence de potentiel développée aux bornes de la fente 4. La figure lb représente la structure d'une ligne de propagation coplanaire portée par un substrat de matériau diélectrique 1 et comportant un conducteur 3 encadré par deux plans de masse 2 La propagation est du type dissymétrique Les composantes du champ électrique sont symétriques par rapport au conducteur central 3 et la ligne coplanaire peut être considérée comme étant constituée de deux lignes à fente couplées, telles que celle illustrée par la figure la Les vecteurs VI et V 2 représentent la différence de potentiel sur chacune des lignes à fente. La figure 2 représente schématiquement un dispositif hyper- fréquence doubleur de fréquence de l'art antérieur Ce dispositif est du type dissymétrique/symétrique La partie dissymétrique cons- tituant Pentrée du dispositif est une ligne coplanaire A formée de 2 conducteurs 51, 52 encadrant un troisième conducteur 6 La partie symétrique est une ligne à fente B constituée par les prolongements des deux conducteurs extérieurs 51, 52 Les deux lignes coplanaire A et à fente B sont chargées à leur jonction par deux diodes Schottky 81, 82 de polarité opposée Un court-circuit 7 placé, entre les deux conducteurs extérieurs 51, 52 à la distance A 14 des deux diodes Schottky 81, 82, A étant la longueur d'onde correspondant à la fréquence double du signal incident, évite la propagation vers la ligne coplanaire A, du mode antisymétrique. L'objet de la présente invention ne présente pas cet incon- vénient puisque l'entrée et la sortie du dispositif hyperfréquence se font sur une ligne coplanaire qui se prête mieux à la réalisation de circuits intégrés micro-ondes et dont l'excitation à partir des lignes coaxiales existantes s'effectue très facilement sur une grande largeur de bande L'objet de la présente invention permet de générer les harmoniques pairs du signal incident Complété par un circuit de filtrage il peut constituer un doubleur de fréquence ou d'une façon plus générale générer l'harmonique d'ordre 2 N du signal incident appliqué à l'entrée, avec un fort taux de réjection des autres harmoniques pairs, des harmoniques impairs et du fondamental. La figure 3 représente le principe général du dispositif hyper- fréquence selon linvention Le signal incident est appliqué à l'entrée d'un diviseur hyperfréquence équiphase 10 dont chacune des deux sorties alimente un circuit hyperfréquence 111, respectivement 112, du type dissymétrique/symétrique générant les harmoniques d'ordre pair du signal incident Les sorties symétriques des circuits hyperfréquences 111 et 112 sont combinées dans un circuit 12 dont la sortie est du type dissymétrique et délivre un signal composé des harmoniques pairs du signal incident. Ce circuit de combinaison 12 peut être suivi d'un circuit de filtrage 13 de l'harmonique 2 n. La figure 4 représente le schéma détaillé d'un mode de réalisation non limitatif du dispositif hyperfréquence selon l'inven- tion. Ce dispositif, réalisé sur un substrat de matériau diélectrique 1, se compose de quatre parties A, C, D, E La partie A formant l'entrée du dispositif présente un mode de propagation du type dissymétrique, par exemple une ligne coplanaire comme dans le mode de réalisation représenté par la figure 4 Cette ligne copla- naire d'entrée se compose d'un conducteur central 9 encadré par deux conducteur 21 et 22, formant plans de masse. Le conducteur central 9 se partage en deux conducteurs 91 et 92 encadrant un plan de masse 19, rendu équipotentiel avec les conducteurs 21 et 22 formant plan de masse grâce aux courts circuits 130 Le conducteur 91, respectivement 92, forme avec les plans de masse 21, respectivement 22, et 19 une ligne coplanaire. Le circuit diviseur équiphase désigné par les références 10 dans la figure 3 et C dans la figure 4 est donc constitué, dans le mode de réalisation de la figure 4, par un Té de Wilkinson constitué par les deux lignes coplanaires décrites ci-dessus et comprenant le conducteur 91, respectivement 92, encadré par les plans de masse 21, respectivement 22, et 19 Les extrémités des conducteurs centraux 91 et 92 sont raccordées nar l'intermédiaire de la résis- 15448 tance d'adaptation 14, à la distance d= i m/4, du conducteur central 9, à\m étant la longueur d'onde moyenne de la bande de fonctionnement d'entrée du dispositif hyperfréquence Le Té de Wilkinson est ici à un tronçon, de longueur d 1 = lm/4. Pour augmenter la largeur de bande du dispositif, on peut utiliser de façon avantageuse, un Té de Wilkinson du type coplanaire constitué de plusieurs tronçons de ligne ?m/4. Les circuits hyperfréquence, désignés respectivement par les références 111 et 112 dans la figure 3 et permettant de générer à partir d'un signal incident un signal ne comportant que ses harmo- niques pairs, sont respectivement constitués dans le mode de réali- sation de la figure 4, d'une partie coplanaire D et d'une partie formant ligne à fente E L'entrée de chaque circuit hyperfréquence 111, 112 de la figure 3 est constituée par une ligne coplanaire formée d'un conducteur central 911, respectivement 921, prolon- geant le conducteur central 91, respectivement 92, de la branche correspondante du Té de Wilkinson C et encadré par deux conduc- teurs, le plan de masse 21, respectivement 22, et le conducteur 20 disposé entre les deux conducteurs 911 et 921 La sortie est, pour chaque circuit hyperfréquence 111 et 112 de la figure 3, constituée par une ligne à fente formée par les conducteurs 210, respec- tivement 220, et 20 Selon l'exemple non-limitatif de la figure 3, les conducteurs 21 formant plan de masse et 210, respectivement 22 formant plan de masse et 220, sont représentés dans le prolon- gement l'un de Fautre A la jonction des lignes coplanaire D et à fente E, deux paires d'éléments non linéaires, par exemple des diodes Schottky 15, 16 et 17, 18 comme illustré dans la figure 4 génèrent les harmoniques pairs du signal incident, en l'occurence respectivement le signal en sortie de chaque branche du Té diviseur équiphase de Wilkinson Les diodes de chaque paire 15, 16 respec- tivement 17, 18 sont disposées tête-bêche l'une par rapport à l'autre entre le conducteur central 911, respectivement 921, de la ligne coplanaire D et le plan ou conducteur de masse 21 et 20, respectivement 20 et 22, les deux paires de diodes ayant le même sens l'une par rapport à l'autre. Les conducteurs 210 et 20, respectivement 20 et 220, forment une ligne à fente, si l'on considère chaque circuit séparément Le circuit de combinaison désigné sous la référence 12 dans la figure 3 est constitué par ces mêmes conducteurs 210, 20, 220 qui, ensemble, constituent une ligne coplanaire dont la propagation est du type dissymétrique et qui forme la sortie du dispositif selon l'invention, les conducteurs 210 et 220 étant alors les plans de masse de la ligne coplanaire de sortie. Le signal de sortie est disponible en dissymétrique sur cette ligne Des courts-circuits 131 entre les conducteurs 21, 20 et 22, disposés sur la partie D à une distance d 2 = X en amont des diodes Schottky 15, 16, 17, 18, A étant la longueur d'onde du signal incident de fréquence f appliqué à l'entrée du dispositif selon linvention et N étant un nombre entier, empêchent la propagation de Pharmonique d'ordre 2 N du signal incident vers le côté coplanaire D de chaque circuit 111 ou 112 de la figure 3 et par conséquent de générer, en sortie E du dispositif selon l'invention, un signal dans lequel le niveau de la composante correspondant à l'harmonique 2 N du signal incident est augmenté par rapport à celui des autres harmoniques pairs qui le composent. Le principe de fonctionnement du dispositif selon l'invention est le suivant: -On admet que la tension développée aux bornes de chaque diode 15, 16, 17 ou 18 est de la forme: v = Vo cos 2 lrf ot o f O est la fréquence fondamentale du signal incident La diffé- rence de potentiel est représentée aux bornes de chaque diode par le vecteur v-sur la figure 4. La caractéristique de la diode Schottky, élément non-linéaire utilisé dans le mode de réalisation de la figure 4, peut être approchée par Péquation: i = Is lexp (O(v T) Il donnant la valeur du courant ii circulant dans la diode Schottky, VT étant égal à v pour les diodes 15 et 18 et à (-y) pour les diodes 16 et 17, et j prenant respectivement les valeurs 1, 2, 3, 4 pour les diodes 15, 16, 17, 18 respectivement. Le courant I circulant dans le conducteur central 20 de la ligne coplanaire E en sortie du dispositif selon l'invention est égal à: I=il + 2 +i 3 + 14 Par conséquent: I = 21 S lexp (o W v) + exp (-O(v) 2 l ou encore: I= 41 S lch(cv)-1 l ( 1) avec v = Vo cos 2-ifo t Si on décompose l'expression ( 1) ci-dessus en série de Fourier, on obtient des termes de la forme 'k cos ( 2 k x 2 fot) I= k Ikcos( 2 kx 2 rfot) Ceci correspond donc bien à un dispositif générant en mode dissymétrique des harmoniques d'ordre pair à partir d'un signal hyperfréquence incident de fréquence f 0. Le court-circuit disposé à la distance d 2 = des éléments non-linéaires, du côté coplanaire, permet de ramener une impédance infinie aux bornes de chaque paire d'éléments à la fréquence f = 2 N fo, donc pour l'harmonique 2 N du signal incident, ce qui augmente le niveau de l'harmonique 2 N en empêchant sa propa- gation de l'harmonique 2 N vers Pentrée du dispositif. La détermination optimale des largeurs et des longueurs des différentes zones conductrices est à la portée de l'homme de Part et permettra d'obtenir cette caractéristique dans une gamme de fré- quence très large. Le mode de réalisation décrit dans la figure 4 n'est pas limitatif -Les entrée et sortie peuvent par exemple ne pas être coplanaires mais coaxiales ou autre On peut également utiliser par exemple un circuit diviseur équiphase différent du Té de Wilkinson à un ou plusieurs tronçons de longueur i m/4 décrit dans la présente demande, et en particulier, on peut utiliser un anneau hybride ou bien une simple division de lignes de propagation (jonction en Té). De même on pourrait utiliser des éléments non linéaires différents des diodes Schottky du mode de réalisation de la figure 4. La largeur de bande du dispositif hyperfréquence objet de la présente invention est en pratique limitée par: la largeur de bande du circuit diviseur utilisé; le taux d'ondes stationnaires à l'entrée et à la sortie lié d'une part à la technologie utilisée pour les surfaces conductrices qui doivent être bien isolées et d'autre part à la qualité des éléments semi-conducteurs utilisés, les éléments parasites limitant la largeur de bande du circuit; dans le cas du mode de réalisation de la figure 4, la définition du circuit de combinaison qui ramène en parallèle sur chacune des paires de diodes une impédance purement réactive: &) d 2 (J d 2 Zs = j Z 14 tg =Z tg V 14 V 14 j Z 24 tg V 24 o Z 14 et Z 24 sont les impédances caractéristiques des lignes à fente constituées par les conducteurs 210, 20 et 220, 20 respec- tivement, V 14 et V 24 étant la vitesse de propagation de ces deux lignes, tàO la pulsation du signal incident et d 2 la distance V/an. La qualité de rendement de conversion du dispositif hyper- fréquence selon l'invention dépend de la puissance du signal incident appliqué à l'entrée. La présente invention est applicable aux systèmes hyperfré- quence nécessitant une transposition de la gamme de fréquence. Il REVENDICATIONS 1 Dispositif hyperfréquence à large bande permettant de générer un signal composé des harmoniques pairs du signal incident, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit diviseur équiphase ( 10) dont la ligne d'entrée et les deux lignes de sortie présentent un mode de propagation dissymétrique, des premier et deuxième moyens non- linéaires ( 111, 112) qui, alimentés par les signaux de sortie dudit diviseur équiphase ( 10), délivrent respectivement, sur une ligne à mode de propagation symétrique, un signal composé des harmoniques pairs du signal d'entrée, les deux signaux de sortie étant regroupés dans un circuit ( 12) dont la sortie est constituée par une ligne de propagation du type dissymétrique. 2 Dispositif hyperfréquence selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le circuit de combinaison ( 12) est suivi d'un circuit ( 13) de filtrage de l'harmonique 2 N du signal incident. 3 Dispositif hyperfréquence selon l'une quelconque des reven- dications 1 et 2, caractérisé en ce que le circuit diviseur équiphase ( 10) est un Té de Wilkinson. 4 Dispositif hyperfréquence selon l'une quelconque des reven- dications 1 et 2, caractérisé en ce que le circuit diviseur équiphase ( 10) est une simple jonction en Té. Dispositif hyperfréquence selon l'une quelconque des reven- dications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits premier et deuxième moyens non- linéaires ( 111, 112) sont constitués par un couple de diodes Schottky disposées' tête-bêche à Pintersection de la ligne d'entrée dissymétrique et de la ligne de sortie symétrique. 6 Dispositif hyperfréquence selon les revendications 1, 3, 5, caractérisé en ce que le dispositif étant réalisé sur un substrat diélectrique avec une ligne d'entrée coplanaire constituée, entre un premier et un deuxième plans de masse ( 21, 22) équipotentiels, d'un conducteur central ( 9), ledit conducteur central ( 9) se divise en deux conducteurs ( 91, 92) qui encadrent un troisième plan de masse ( 19) rendu équipotentiel avec les premier et deuxième plans de masse Il ( 21, 22) par des courts-circuits ( 130), forment avec ledit troisième plan de masse ( 19) et chacun desdits premier et deuxième plans de masse ( 21, 22) une ligne coplanaire respectivement constituant chacune des deux branches d'un Té de Wilkinson, sont interconnectés en leur extrémité par l'intermédiaire d'une résistance ( 14), et se prolongent au delà de ladite résistance ( 14), par des conducteurs ( 911 et 921 respectivement) encadrant un quatrième plan de masse ( 20) l'extrémité dudit conducteur de prolongement ( 911, 921 respec- tivement) étant raccordée au premier, respectivement au deuxième, et au quatrième plans de masse par un couple de diodes Schottky ( 15 et 16, respectivement 18 et 17) montées tête-bêche, et lesdits premier, deuxième et quatrième plans de masse se prolongeant au delà des deux couples de diodes Schottky disposés dans le même sens pour former la ligne coplanaire de sortie dont le conducteur central est constitué par ledit quatrième plan de masse ( 20). 7 Dispositif hyperfréquence selon la revendication 6, carac- térisé en ce que le filtrage de l'harmonique 2 N est assuré par des courts-circuits 131 entre les premier, deuxième et-quatrième plan de masse à une distance N 8 N en amont des diodes Schottky, A étant la longueur d'onde du signal incident. 8 Système hyperfréquence caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif hyperfréquence selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.