Brevet FR2522902A1 — publié le 19830909

UTILISATION D'UN TRANSI Sf OR A EFFET DE CHAMP, DU TYPE A DOUBLE-GRILLE ET ILE OHMIQUE INTERCALEE, EN VUE DE LA REJECTION D'UNE BANDE DE FREQUENCES L'invention concerne l'utilisation nouvelle d'un composant connu, à savoir un transistor à effet de champ du type à double-grille et tle ohmique intercalée entre les deux grilles, en vue de la réjection sélective d'une bande de fréquences. L'invention concerne le domaine des composants semiconduc- teurs, et plus précisément leur application dans le domaine des télécommunications hyperfréquences. Le transistor à effet de champ, du type double-grille et 1 le ohmique intercalée est connu de l'art antérieur, notamment du bre- vet des Etats-Unis d'Amérique de numéro 4,048,646 déposé le Février'1976, sous priorité japonaise, pour le cessionnaire NIPPON ELECTRIC COMPANY. De travaux antérieurs, publiés par Van der Ziel et Takagi, dans IEEE Journal of Solid-State Circuits (corresp), Vol SC-4, Juin 1969, p 170-172, dans un article intitulé "Improvement in the tetrode FET noise figure by neutralization and tuning", il était connu de relier à l'extérieur l'électrode commune et intermédiaire d'un montage en cascade, en vue de diminuer le niveau de bruit. L'invention procède d'une nouvelle utilisation de ce moyen connu qu'est le transistor double-grille à île ohmique, en combinaison avec d'autres éléments inductifs et capacitifs, en vue de réaliser un circuit propre à rejeter une bande de fréquences donnée. Il est également connu de l'art antérieur d'utiliser un filtre passif pour la réjection de bandes au moyen d'éléments loca- lisés et l'on citera à titre d'exemple l'article "Monolithie low-noise amplifiers" par D MAKI, R ESFANDIARI et M SIRACUSA, paru dans MICROWAVES, pagesl O 3-106, d'Octobre 1981 L'inconvénient d'un tel filtre consiste essentiellement en l'introduction de pertes de l'ordre de 2 à 3 d B, à la fréquence du signal, alors que la réjection de bande est d'environ 25 à 30 d B. Selon la présente invention, un circuit résonnant série, du type inductance-condensateur (LC) est connecté par une de ses extrémités à l'île ohmique dudit transistor à effet de champ, et par l'autre extrémité à la terre. Un tel dispositif, comprenant un transistor à effet de champ du type à double-grille et île ohmique intercalée et un circuit résonnant série du type LC ainsi connecté, peut alors être utilisé en tant que mélangeuramplificateur, à réjection sélective d'une bande de fréquences, ou même plus simplement en tant qu'amplificateur à réjection sélective d'une bande de fréquences, dans les conditions telles que précisées ci-après. En effet, dans l'utilisation en tant que mélangeur à ré- jection sélective de bande, il est nécessaire que le filtre soit situé avant le mélangeur, et pour ce faire le dispositif doit être polarisé de telle sorte que la première partie du transistor double- grille (dite FET 1) agisse en tant que préamplificateur, alors que la deuxième partie du transistor double-grille, située après l'île ohmique (dite FET 2) agisse en tant que mélangeur Cette distinction dans les parties (ou fonctions y attachées) d'un transistor double- grille est maintenant bien connue et résulte de l'analyse des carac- téristiques dudit transistor, et l'on pourra se reporter utilement à l'article "DC Characteristics aid dual-gate FET analysis" par C TSIRONIS et R MEIERER, dans MICROWAVES, pages 71-73, de Juillet 1981. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre non limitatif, permettra de mieux comprendre l'inven- tion et d'en apprécier sa portée. La figure 1 représente le schéma synoptique d'une tête de réception d'émissions télévisées distribuées par satellites artifiels. La figure 2 représente les diverses bandes de fréquences présentes en divers points de ladite tête de réception. La figure 3 représente un exemple de réalisation d'un filtre à coupure de bande, selon l'art antérieur. La figure 4 représente un autre exemple de réalisation selon l'art antérieur d'un filtre de réjection d'une bande de fré- quences au moyen d'éléments localisés. La figure 5 représente le circuit amplificateur ou ampli- ficateur-mélangeur, à réjection sélective d'une bande de fréquences, selon la présente invention. La figure 6 est un graphique illustrant les performances obtenues, au moyen de ce nouveau dispositif amplificateur-mélangeur. La figure 7 est un graphique illustrant lés performances obtenues, au moyen de ce nouveau dispositif amplificateur. La figure 8 représente une réalisation intégrée du circuit selon la figure précédente. Le schéma synoptique selon la figure 1 représente le dis- positif de réception et de transposition de fréquences d'un signal, tel que par exemple émis par un satellite artificiel et reçu à terre par l'antenne, de référence 1, constitué par un réflecteur parabolique, actuellement d'un diamètre voisin de un mètre, au foyer duquel se trouve la tête de réception proprement dite, qui se compose: d'un filtre passe bande 2, d'un préamplificateur 3 (par exemple 12 G Hz), d'un filtre à réfection de fréquence 4 destiné a) à supprimer le bruit venant de l'antenne à la fréquence image, b) à supprimer les signaux à la fréquence image créés dans le dispositif mélangeur et c) à récupérer l'énergie des signaux fréquence image (image fantôme) et d'un mélangeur 5 à une autre entrée duquel est appliqué le signal pilote (f 0, par exemple 11 G Hz) provenant d'un oscillateur local 6, tel qu'un transistor à effet de champ stabilisé en température au moyen de par exemple un résonateur diélectrique, et enfin d'un amplificateur 7 de fréquence intermédiaire (FI, par exemple 1 G Hz). Les fréquences présentes en divers points du dispositif de réception et de transposition, tel que décrit très généralement ci-dessus, sont représentées à la figure 2 Une bande de fréquences comprises sensiblement entre 11,7 et 12,5 G Hz est typiquement utili- sée pour les systèmes de télédistribution par satellites artificiels. Ce choix de la bande de fréquences résulte de la nécessité d'écono- miser la puissance à bord du satellite, et donc d'émettre de préfé- rence dans les fenêtres radioélectriques, donc sensiblement entre 0,5 et 50 G Hz environ, l'attribution précise des bandes de fréquences étant décidée par un organisme international, le CCIR, dans le cadre de l UIT. Le signal émis par le satellite, dans cette bande de fréquences, est reçu à terre par une antenne individuelle ou commu- nautaire et converti en un signal de plus basse fréquence en plusieurs étapes, de façon à pouvoir être accepté par un récepteur de télévi- sion standard: un premier abaissement de fréquence (qui est seul concerné, dans le cadre du présent mémoire) à une fréquence intermé- diaire de 1 G Hz, d'autres ayant lieu ultérieurement jusqu'à la fré- quence d'environ 130 M Hz, à laquelle s'effectue une démodulation de fréquence et une modulation d'amplitude d'une fréquence porteuse qui sera appliquée au récepteur de télévision standard. La fréquence de l'oscillateur local (f O 10,9 G Hz) est représentée par un trait vertical et la fréquence intermédiaire qui résulte de l'abaissement de fréquence par mélange soustractif est re- présentée par la bande comprise sensiblement entre 0,8 et 1,6 G Hz. La bande de fréquences parasites (bande image), qui est représentée dans cette figure en noir, est comprise entre 9,3 et 10,1 G Hz, dans cet exemple chiffré, et résulte de l'abaissement de fréquences entre des harmoniques de l'oscillation pilote (en l'espèce 2 f _ 21,8 G Hz) et de la bande de fréquences reçue ( 11,7 12,5 G Hz) Cette bande de fréquences parasites est très gênante, car, étant générée dans le mélangeur, si elle se dirige vers les éléments antérieurs, elle peut en perturber le fonctionnement D'autre part, le bruit et tous les signaux parasites reçus par l'antenne et amplifiés par le préamplifi- cateur dans la bande de fréquences image sont aussi abaissés dans la bande de fréquences intermédiaire et augmentent le facteur de bruit ou sont gênants à la réception Il est alors nécessaire de disposer un filtre à coupure de bande (référencé 4 sur la figure 1) qui fonc- tionne par absorption ou réflexion de l'énergie transmise Dans le cas du fonctionnement en réflexion, l'énergie générée dans le mélan- geur à la fréquence image ( 2 f O f 1) peut aussi bien être récupérée en améliorant de cette manière le gain de conversion du mélangeur. Un exemple de réalisation de ce filtre à coupure de bande est représenté à la figure 3, sous la forme d'échancrures en "ergots" ou "éperons" réalisées dans une ligne microruban (en anglo- saxon: "spur-line filter") Un tel filtre hyperfréquence à coupure de bande est connu de l'article paru dans Microwaves, Optics and Acoustics, de Novembre 1977, Vol 1, N 06, sous le titre "Design of microstrip spur- line band stop filters" par R N BATES Selon cette figure 3, une bande conductrice est munie d'entailles dites en éperons, car constituées de deux entailles symétriques en opposi- tion, chacune constituée d'une première fente rectiligne perpendicu- laire au bord de ladite bande conductrice, et d'une seconde fente rectiligne parallèle au bord de la bande et située au milieu de celle- ci La longueur des portions de la bande conductrice isolées par lesdites entailles définit la fréquence centrale de la bande de fréquences rejetée et correspond normalement à X > 3/4 X o X est la longueur d'onde dans le milieu diélectrique du substrat. D'autres types de filtres peuvent être utilisés, ainsi ce- lui précédemment cité, réalisé au moyen d'éléments localisés (MICROWAVES, Octobre 1981), et représentés à la figure 4, mais l'in- convénient principal des réalisations antérieures résulte de ce qu'ils sont situés en série sur les lignes conductrices hyperfréquences, et qu'ils introduisent alors des pertes de l'ordre de 2 à 3 d B à la fré- quence du signal ( 12 G Hz), alors que la réfection de bande s'effectue de façon satisfaisante, à environ 25 à 30 d B. La figure 5 décrit la réalisation, selon la présente inven- tion, d'un circuit amplificateur ou amplificateur-mélangeur, à réjec- tion sélective d'une bande de fréquences Le composant utilisé est un transistor à effet de champ, du type à double-grille et à Ile ohmique intercalée entre les deux branches de ladite double-grille Pour une utilisation de ce composant en tant que mélangeur, l'électrode de source (S) est reliée à la terre, les signaux à mélanger sont appliqués sur les électrodes de grille (G 1 et G 2) et le signal mélangé est récupéré sur l'électrode de drain (D) La réjection de fréquences est obtenue alors, conformément à la présente invention, en connectant par une de ses extrémités, un circuit résonnant série, du type induc- tance-condensateur (LC), à l'Ile ohmique dudit transistor à effet de champ, et par l'autre extrémité, à la terre. Cependant, selon ce montage, lorsque le signal reçu par l'antenne est appliqué sur la première électrode de grille (Gl) et que le signal fourni par l'oscillateur local est appliqué sur l'une ou l'autre des électrodes de grille (G 1 ou G 2), alors le mélange s'effec- tue dans des conditions normales d'utilisation, dans la première partie (FET 1) dudit transistor Dans ce cas, le montage ne convient pas puisque le filtre est situé après le mélangeur et non avant. En vue d'obtenir un montage convenable, il faut que le filtre soit situé avant le mélangeur, c'est-à-dire qu'en l'espèce, le mélange s'effectue dans la deuxième partie (FET 2) dudit transistor. Un tel fonctionnement s'obtient en polarisant le dispositif, ainsi qu'il ressort de l'analyse des courbes caractéristiques bi-dimension- nelles dudit transistor, telles que décrites dans l'article précité (MICROWAVES, Juillet 1981) de façon à se situer dans la partie droite du graphique de représentation desdites courbes pour lesquelles, à partir d'un composant en arséniure de gallium, spécialement conçu par la Demanderesse, les conditions suivantes ont été obtenues: VDS 5 volts VG S 1,2 volt VG 2,2 volts alors que le courant de drain ID atteignait des valeurs comprises entre 25 et 30 m A. De cette manière, le fonctionnement du dispositif est convenable, et la réfection sélective de la bande de fréquences est supérieure à 30 d B La largeur de la bande de fréquences rejetée est réduite à une valeur de 100 M Hz, par l'utilisation de pièces d'accord (tuners) de fréquence intermédiaire ( 1 CV Iz) coaxiales d'un facteur de qualité Q élevé. La figure 6 est un graphique illustrant les performances obtenues au moyen de ce nouveau dispositif La première courbe en trait plein représente les résultats obtenus à la fréquence du signal, avec en abscisses la fréquence -comprise entre 12,2 et 12,3 G Hz et en ordonnées l'amplification -comprise entre 3 et 6 d B La deuxième courbe en traits pointillés représente les résultats obtenus à la fréquence d'image, avec en abscisses la fréquence -comprise entre 9,3 et 9,4 G Hz et en ordonnées l'atténuation -comprise entre -25 et -35 d B. Selon une variante de réalisation, ce dispositif peut être utilisé plus simplement en tant qu'amplificateur à réjection de bande de fréquences Dans ce cas, les trois portes G 1, 02 et D doivent être accordées en vue d'obtenir le gain maximum, à une fré- quence donnée, par exemple 12 G Hz Des expériences menées par la Demanderesse, sur un banc d'essai, avec un support d'alumine, et des moyens d'accord sous la forme de disques métalliques ont permis d'ob- tenir jusqu'à présent une amplification de gain 6 d B à 12 G Hz ( 00,4 G Hz) et une atténuation de 20 d B à 9,5 G Hz ( 0,4 G Hz) La figure 7 est un graphique qui illustre les résultats ainsi obtenus, avec en abscisses la fréquence et en ordonnées le gain (ou l'atténua- tion). Enfin, la figure 8 représente une réalisation intégrée de ce nouveau dispositif, dans une vue supérieure Le composant actif est élaboré sur un mésa obtenu par croissance épitaxiale en phase vapeur et décapage, selon une technologie connue d'auto-alignement. Les éléments passifs, inductances et condensateurs, sont obtenus par une structure interdigitée, qui peut être par exemple fractionnée en deux parties distinctes dont les valeurs (L 1, C 1 et L 2,C 2) légère- ment différentes permettent d'élargir la bande de fréquences rejetée. Il est évident pour l'homme de l'art que de nombreuses variantes de réalisation de la présente invention peuvent être obtenues, par transposition de techniques antérieures connues, sans pour cela qu'il soit fait oeuvre d'esprit, et donc sans sortir du cadre de la présente invention tel que défini par les revendications ci-après annexées. REVENDICATIONS 1 Dispositif semiconducteur, destiné à mélanger et amplifier un signal de réception et un signal fourni par un oscillateur local, et comprenant un transistor à effet de champ, du type à double-grille et île ohmique intercalée entre les deux branches de ladite double-grille, l'électrode de source (S) étant reliée à la terre, le signal de réception étant appliqué sur la pre- mière branche de ladite double-grille (Ci) et le signal fourni par l'oscillateur local étant appliqué sur l'une ou l'autre branche de ladite double-grille (G 1 ou G 2) alors que le signal en résultant est récupéré sur l'électrode de drain (D), caractérisé en ce qu'il comprend également un circuit résonnant série, du type inductance- condensateur, connecté par une de ses extrémités à ladite île ohmique et par l'autre extrémité à la terre, de façon à pouvoir rejeter sélectivement une bande de fréquences déterminée. 2 Dispositif semiconducteur, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est polarisé de telle sorte que la première partie du transistor double-grille agisse en tant que préamplifica- teur, alors que la deuxième partie agit en tant que mélangeur. 3 Amplificateur à réjection de fréquences, comprenant un transistor à effet de champ, du type à double-grille et île ohmi- que intercalée entre les deux branches de ladite double-grille, l'électrode de source (S) étant reliée à la terre, le signal à am- plifier étant appliqué sur la première branche de l'électrode de grille (G 1), et le signal en résultant étant récupéré sur l'élec- trode de drain (D), caractérisé en ce qu'il comprend également un circuit résonnant série, du type inductance-condensateur, connecté par une de ses extrémités à ladite île ohmique et par l'autre extré- mité à la terre, de façon à pouvoir rejeter sélectivement une bande de fréquences déterminée. 4 Amplificateur à réjection de fréquences, selon la revendication 3, caractérisé en ce que ces trois portes (G 1, G 2 et D) sont accordées à une fréquence donnée, par des moyens d'accord constitués par exemple par des disques métalliques, de façon à obtenir un gain maximum.