Brevet FR2512292A1 — publié le 19830304

AMPLIFICATEUR HYPERFREQUENCE A TRANSISTORS A EFFET DE CHAMP, NOTAMMENT POUR RADAR DOPPLER La présente invention se rapporte aux amplificateurs hyper- fréquences à transistors à effet de champ qui permettent d'amplifier une onde hyperfréquence sans utiliser de tube à vide Ces amplificateurs hyperfréquence sont notamment utilisés dans les radars du type Doppler, et plus particulièrement dans ceux qui sont destinés à la surveillance terrestre, et pour lesquels on cherche à éliminer les tubes à vide en vue de réduire le poids, l'encombrement, et la consommation. Il est connu d'utiliser des transistors, et notamment des transistors à effet de champ, pour amplifier des hyperfréquences, en particulier dans la bande dite 1, qui se situe aux alentours de 10 G Hz Ces transistors sont généralement réalisés en utilisant comme semiconducteur de l'arséniure de galium Ils ne peuvent fonctionner qu'en classe A, ce qui entraîne une consommation constante et assez importante L'économie de consom- mation que l'on pouvait espérer en utilisant les transistors à la place des tubes à vide se trouve ainsi fortement diminuée, puisque ces derniers sont susceptibles de fonctionner en classe C avec une consommation moyenne donc bien plus faible compte tenu d'une part du rendement intrinsèque de la classe C par rapport à la classe A, et d'un taux de remplissage généra- lement faible lorsqu'ils sont utilisés en impulsions (cas des radars). Pour diminuer cette consommation, l'invention propose un ampli- ficateur hyperfréquence à transistors à effet de champ, du type com- prenant au moins un transistor d'amplification hyperfréquence, des moyens d'adaptation et des moyens de polarisation de ce transistor, principalement caractérisé en ce que ce transistor et ces moyens d'adap- tation et de polarisation forment un composant unitaire préadapté et autopolarisé permettant d'alimenter l'amplificateur sous une tension variable, ce qui en fait fait varier le gain tout en conservant un taux d'onde stationnaire sensiblement constant. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante présentée à titre d'exemple non limitatif et faite en regard de la figure annexée qui représente le schéma d'un amplificateur selon l'invention. L'amplificateur hyperfréquence dont le schéma est représenté sur la figure 1, utilise comme composants actifs hyperfréquence trois transistors à effet de champ 101 à 103 Ces transistors sont connus dans le commerce sous la référence THC 9311-9312 et comportent en fait dans un boîtier un transistor à l'arséniure de galium tel que 104 qui est muni d'éléments permettant une préadaptation et une autopolarisation Ces éléments comportent une inductance choc 105 qui relie la grille du transistor à la masse au point de vue continu, une résistance de polarisation 106 qui relie la source à la masse et qui est shuntée par un condensateur de découplage 107 Ces éléments, ainsi que les conducteurs reliant le transistor aux bornes de sortie du boîtier dans lequel il est livré, permettent un montage très simple, puisqu'il ne nécessite aucun élément externe de polarisation, et un minimum d'éléments externes d'adaptation aux circuits dans lesquels ils sont montés. Ces trois transistors sont montés dans une structure hyperfréquence 108, formée selon une technique connue par un bloc métallique dans lequel sont creusées des cavités recevant les différents organes en isolant les étages entre-eux, pour ne permettre la liaison que par des connexions traversant les parois situées entre ces cavités par des orifices adéquats. Le premier étage d'amplification 101 est attaqué par un signal d'entrée PE qui est appliqué sur la grille du premier transistor 101 par un circuit d'adaptation 109, qui n'est pas représenté en détail sur la figure car il comporte essentiellement, de manière connue dans l'art, un trans- formateur d'impédance permettant d'adapter l'impédance relativement faible de la grille du transistor à celle plus importante des circuits extérieurs qui attaquent le transistor, et dont la valeur est, selon une pratique courante en hyperfréquence, par exemple de 50 ohms. La résistance de source du transistor 101 est reliée à la masse de la structure 108, et son drain est alimenté en courant continu par linter- médiaire d'une inductance de charge 110 découplée à la masse par un condensateur de découplage 111 et par un condensateur de by-pass 112. L'inductance 110 est représentée pour les besoins du dessin sous la forme d'une bobine, mais compte tenu des fréquences utilisées elle est bien 12292 entendu sous la forme d'une ligne à constante répartie, ainsi que les autres inductances du circuit. La sortie de ce premier étage est prise sur le drain du transistor 101 et est reliée à la grille du transistor 102 par l'intermédiaire d'un condensateur de liaison 113. Ce deuxième étage est connecté de la même manière que le premier par une inductance de charge 114, un condensateur de découplage 115, et un condensateur de by-pass 116 Il est relié au troisième étage par un condensateur de liaison 107. Ce troisième étage est lui-même alimenté par une inductance de charge 118, un condensateur de découplage 119 et un condensateur de by- pass 120. La sortie de l'amplificateur hyperfréquence est prise sur le drain du transistor 103 par l'intermédiaire d'un circuit d'adaptation 121 non précisé sur le dessin pour la simplicité, mais d'une technique courante en hyper- fréquence comme le circuit 109 Ce circuit d'adaptation délivre un signal de sortie PS. Pour alimenter les trois étages d'amplification hyperfréquence, l'invention propose d'utiliser un régulateur de tension 122 lui-même commandé par un circuit de commande 123. Le régulateur comporte un transistor ballast 124 dont l'émetteur reçoit une tension d'alimentation positive d'environ 10 volts du circuit de commande 123, et dont le collecteur délivre la tension d'alimentation régulée aux trois impédances de charge 110, 114 et 118. Le transistor 124 est connecté selon le montage Darlington à l'aide d'un transistor 125 dont l'émetteur est réuni à la base par une résistance 126. L'émetteur du transistor 124 est réuni à sa propre base par une diode de polarisation 127. La base du transistor 125 est reliée également au collecteur d'un transistor 128, dont l'émetteur est relié à la masse par l'intermédiaire du circuit drain-source d'un transistor à effet de champ 129. La base du transistor 128 reçoit une tension de référence, et la grille du transistor 129 une tension de commande. 12292 L'émetteur du transistor 128 est également réuni au collecteur du transistor 124 par une résistance 130. Le montage ainsi réalisé constitue un régulateur relativement classique, mais dont la tension de sortie est réglable en agissant par la tension de commande appliquée sur la grille du transistor 129, qui agit en résistance variable D'autre part on peut, en supprimant ou en établissant la tension de référence, couper ou établir la tension de sortie -du régulateur dans un délai extrêmement rapide qui ne dépasse pas quelques dizaines de nanosecondes, si la vitesse de coupure ou d'établissement de cette tension de référence est suffisante bien entendu. Le circuit de commande comporte un condensateur de filtrage 131 qui est alimenté par la tension d'alimentation Ce condensateur de filtrage est relié à l'entrée d'alimentation du régulateur 122 par l'intermédiaire d'un transistor 132 du type Darlington intégré La base du transistor 132 est reliée à la masse par des résistances 133 et 134 en série. Le point commun de ces deux résistances est réuni à une connexion d'entrée du circuit de commande qui peut recevoir un signal de coupure C lequel permet de bloquer le transistor 132, et par là même de couper l'alimentation, de l'amplificateur hyperfréquence lors de la détection d'un défaut, par exemple à l'aide d'un circuit extérieur. La connexion d'alimentation entre les circuits 122 et 123 est d'autre part shuntée à la masse par un condensateur 135, qui permet de filtrer la tension de sortie du circuit 123. Le circuit de commande 123 comprend également un transistor 136 alimenté à partir de la sortie du transistor 132 par une résistance 137 reliée à son collecteur Son émetteur et sa base sont reliés à la masse, directement pour l'émetteur, et par l'intermédiaire de deux résistances 138 et 139 en série pour la base. Le point commun de ces deux résistances 138 et 139 est relié à une connexion d'entrée du circuit de commande 123 qui peut recevoir un signal de commande analogique V Ce signal est donc amplifié par le transistor 136 et se retrouve avec la phase inverse et un niveau adéquat sur le collecteur de ce dernier IL est alors appliqué depuis ce collecteur à la grille du transistor à effet de champ 129 du régulateur 122 La résistance présentée par le circuit drain-source de ce transistor 129 varie donc en fonction des variations du signal de commande V Ceci permet de faire varier la tension d'alimentation des étages d'amplification hyperfréquence de l'amplificateur selon les variations de ce signal V. Les inventeurs ont en effet constaté que dans un tel montage, utilisant notamment les transistors hyperfréquences cités plus haut, le taux d'onde stationnaire de l'ensemble variait très peu avec la tension d'alimentation alors que le gain variait d'une façon très significative. Ceci permet de moduler le signal PS en sortie de l'amplificateur de façon tout à fait simple et pratiquement sans désadapter cet ampli- ficateur. On a pu ainsi faire varier le gain de 10 décibels, ce qui correspond à une modulation d'amplitude de 30 %, en gardant un taux d'onde station- naire compris entre 1,5 et 2 La bande de fréquence dans lequel se résultat a pu être obtenu s'étendait de 9,3 à 9,9 G Hz et le gain total maximum était de 23 décibels à 9,6 G Hz permettant d'obtenir, avec une consommation de 100 milliampères, et un signal PE suffisant à l'entrée, un niveau de sortie de + 14 décibels-milliwatts. Le signal de coupure C permet de supprimer l'alimentation totale du dispositif, en cas par exemple de détection d'un mauvais fonctionnement. La rapidité de cette coupure n'est pas très grande, en raison notamment du condensateur de filtrage 135 Pour pouvoir alors moduler l'ampli- ficateur par tout ou rien, et le faire fonctionner en impulsions alors que la modulation due au signal V conservait le fonctionnement en ondes entre- tenues, le circuit de commande comprend en outre des moyens permettant d'appliquer sur la base du transistor 128 une tension de référence pouvant être coupée à partir d'un signal de commande numérique E. Ces moyens comprennent un transistor 151 dont l'émetteur est alimenté à partir du collecteur du transistor 132 et dont le collecteur est relié à la masse par deux résistances 140 et 141 en série La résistance 141 est shuntée par une diode Zener 142 qui fournit une tension stabilisée de référence à la base du transistor 128. La base du transistor 139 est reliée à son émetteur par une résistance 143 et au collecteur d'un transistor 145 par une résistance 144. 12292 L'émetteur et le collecteur du transistor 145 sont reliés à la masse, le premier directement, et le second par deux résistances 146 et 147 en série La connexion commune à ces deux résistances est reliée à la base d'un transistor 148 dont l'émetteur est à la masse et le collecteur à la cathode de la diode 142. La base du transistor 145 est reliée à la masse par deux résistances 149 et 150 en série. Le signal numérique de commande E est appliqué à une borne d'entrée du circuit 123 qui est reliée au point commun aux résistances 149 et 150. Ainsi un signal numérique de commande, compatible par exemple avec des circuits TTL, appliqué sur cette entrée E, fait varier la tension de référence appliquée au régulateur 122 entre une valeur nulle et la valeur de référence proprement dite en reproduisant les variations de ce signal numérique L'amplificateur hyperfréquence fonctionne ainsi en impulsions, mais le signal à l'intérieur de ces impulsions demeure en classe A Dans l'exemple numérique cité plus haut, on obtient un temps de montée et de descente des impulsions hyperfréquences inférieur à nanosecondes. L'amplificateur hyperfréquence ainsi décrit peut être utilisé par exemple dans un radar Doppler de surveillance terrestre comme préam- plificateur avant l'émetteur de puissance Dans ce cas on peut utiliser trois moyens de modulation combinables entre-eux selon les résultats voulus. Le premier moyen de modulation consiste à appliquer comme signal hyperfréquence PE à amplifier un signal formé d'impulsions avec un taux de remplissage quelconque Quand ce taux de remplissage est de 100 %, il est clair que l'on a à ce moment là un signal entretenu pur. Le deuxième moyen de modulation consiste à appliquer un signal numérique sur l'entrée E du circuit de commande Ceci permet par exemple de réduire la consommation de Pamplificateur, lorsque le signal PE est formé d'impulsions, en encadrant ces impulsions à l'aide du signal E, ce qui coupe l'alimentation, et donc le débit des transistors 101 à 103, en dehors des impulsions hyperfréquences désirées. 12292 Le troisième moyen de modulation consiste à appliquer sur l'entrée V un signal analogique, qui peut être par exemple une modulation de parole Cette modulation se superpose par exemple à la modulation du radar et peut permettre alors une transmission vocale vers d'autres radars situés dans la même zone de surveillance, ou vers des récepteurs portés par des véhicules spécialement équipés. Le signal V peut également correspondre à un signal de commande automatique de gain obtenu à partir d'une mesure du niveau du signal émis par le radar Une autre application d'un tel signal de CAG consiste à utiliser l'amplificateur comme émetteur multicanaux de faible puissance. En utilisant le signal de CAG on régularise la bande passante, et il est par exemple possible avec 10 décibels de commande de gain d'avoir un émetteur pouvant fonctionner dans une bande de 600 M Hz centrée à 9,6 G Hz. REVENDICATIONS 1 Amplificateur hyperfréquence à transistors à effet de champ, du type comprenant au moins un transistor d'amplification hyperfréquence ( 104)j des moyens d'adaptation ( 105) et des moyens de polarisation ( 106, 107) de ce transistor, caractérisé en ce que ce transistor et ces moyens d'adaptation et de polarisation forment un composant unitaire ( 101) préadapté et autopolarisé permettant d'alimenter l'amplificateur sous une tension variable, ce qui en fait varier le gain tout en conservant un taux d'onde stationnaire sensiblement constant. 2 Amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un régulateur de tension ( 122) permettant d'alimenter l'amplificateur sous une tension régulée variable. 3 Amplicateur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un circuit de commande ( 123) comportant des moyens d'amplification ( 136-139) permettant d'amplifier un signal analogique de commande et de l'appliquer au régulateur pour faire varier la tension d'alimentation fournie par celui-ci, et des moyens de modulation ( 140151) permettant de fournir au régulateur un signal de référence et de moduler par tout ou rien celui-ci à partir d'un signal numérique de commande. 4 Amplificateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit de commande comprend en outre des moyens ( 132-134) pour fournir au régulateur ( 122) la tension d'alimentation à réguler; ces moyens permettant en outre de couper cette tension sous la commande d'un signal de coupure. Amplificateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend trois étages d'amplification hyper- fréquence ( 101-103) munis chacun d'un transistor du type THC 9311-9312, et que le régulateur de tension ( 122) et le circuit de commande ( 123) permettent de faire varier la tension d'alimentation entre 7 volts et 3,5 volts, ce qui fait varier le gain de l'amplificateur entre 23 décibels et 13 décibels dans la bande de fréquence des 10 G Hz.