Brevet FR2561835A1 — publié le 19850927

-- 1 -- MELANGEUR DOUBLEMENT EQUILIBRE A DIODES COMPORTANT UN MODU- LATEUR EN ANNEAU DONT CHAQUE BRANCHE COMPORTE UNE DIODE RAPIDE CLASSIQUE EN SERIE AVEC AU MOINS UNE DIODE DU GENRE "VARACTOR". Les mélangeurs doublement équilibrés sont largement utili- sés dans les équipements de télécommunication (récepteurs, émetteurs), le radar, la télévision, l'instrumentation électronique, etc..., chaque fois qu'il est nécessaire de convertir un signal incident de fréquence donnée en un signal de sortie de fréquence différente, par mélange addi- tif ou soustractif avec un signal auxiliaire de niveau élevé et de fréquence convenable. L'invention se rapporte plus particulièrement aux mélan- geurs doublement équilibrés du type comportant un modulateur en anneau à quatre branches redresseuses identiques compor- tant chacune au moins une diode. Un premier transformateur comporte un enroulement primaire recevant le signal incident (communément appelé "port RF"), et un enroulement secondaire à prise médiane; un second transformateur, analogue au premier, comporte un enroule- ment primaire recevant le signal auxiliaire (communément appelé "port LO") et un enroulement secondaire à prise médiane. Le modulateur en anneau a ses diagonales respecti- ves connectées aux bornes des enroulements secondaires des - 2 - deux transformateurs et un 'port de sortie', communément appelé "port IF", est relié aux prises médianes desdits enroulements secondaires. La théorie connue de tels modulateurs montre que le signal de sortie IF possède deux composantes principales de fré- quences données par la formule FIF = FLO FRF, la composante désirée étant par exemple sélectionnée par filtrage. En première approximation, les différentes modulations qui affectent le signal RF (amplitude, phase, fréquence, et leurs combinaisons) affectent également le signal IF. Le niveau du signal auxiliaire LO étant supposé suffisamment élevé pour provoquer la conduction alternée des deux paires de redresseurs, supposés parfaits, qui constituent l'anneau modulateur, et les transformateurs étant supposés parfaits et de rapport 1/2 (chaque moitié du secondaire comportant autant de spires que le primaire), la théorie montre que l'amplitude de chaque composante du signal IF est égale à celle du signal RF multipliée par 2/1r, soit un affaiblisse- mnient de 4 dB. En pratique, les mélangeurs équilibrés de l'art antérieur sont entachés de divers défauts dus aux pertes dans les transformateurs (affaiblissement supplémentaire) et surtout à l'imperfection des diodes rapides classiques qui consti- tuent les branches du modulateur en anneau, ce qui entraîne un affaiblissement croissant en même temps que le niveau du signal RF (saturation), et l'apparition de signaux parasites indésirables correspondant à une distorsion et à des pro- duits d'intermodulation. L'invention a pour objet un mélangeur doublement équilibré exempt des défauts susvisés, essentiellement caractérisé en ce que chaque branche du modulateur en anneau est constituée par la mise en série dans le même sens d'une diode de commu- tation rapide d'une ou plusieurs diodes supplémentaires à - 3 - résistance intrinsèque sensiblement équivalente à celle d'une jonction parfaite et à charge accumulée d'au moins plusieurs nanocoulombs. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la descrip- tion ci-après. Au dessin annexé: La figure 1 représente un mélangeur doublement équili- bré conforme à un mode d'exécution préféré, et La figure 2 représente des courbes caractéristiques du courant en fonction de la tension aux bornes, respec- tivement d'une branche de modulateur en anneau conforme à l'invention (courbe en trait plein), et de branche de modulateurs en anneaux de l'art antérieur (courbes en trait mixte). A la figure 1, on a représenté un premier transformateur 1 ayant un enroulement primaire 10 qui reçoit la fréquence RF et un enroulement secondaire 11 muni d'une prise médiane. Un second transformateur 2 a un primaire 20 qui reçoit la fréquence LO et un secondaire 21. Un modulateur en anneau 3 a ses diagonales respectives situées aux bornes des secon- daires 11 et 21. Chacune de ses quatre branches comprend une diode de commutation rapide - 30 à 33 respectivement - et une diode supplémentaire 34 à 37 respectivement. Deux diodes varactor en série avec la diode rapide pourraient être utilisées dans chaque bras. Les prises médianes des secon- daires 11-21 sont reliées au port IF désigné par le numéro de référence 4. Les diodes rapides 30 à 33 sont avantageusement du type à jonction métalsemiconducteur (silicium par exemple), ou encore du type à jonction PN. La ou les diodes supplémentai- res sont avantageusement du type "varactor" de forte capacité et de faible résistance intrinsèque, ou encore tout - 4 - autre type de diode à charge accumulée importante et à faible résistance dynamique, telles que diodes P-I-N de commutation à grande durée de vie des porteurs. A la figure 2, la courbe (I) correspond à une première structure connue de branche de modulateur en anneau du type communément appelé "classe I", composé d'une seule diode rapide, la courbe (II) correspond à une seconde structure connue, désignée "classe II" et comportant deux diodes rapides identiques en série; la courbe (II bis) correspond à une troisième structure connue, désignée "classe II bis" et comportant une diode rapide en série avec une résistance, aucune courbe n'a été donnée pour une troisième structure connue, désignée classe III" et comportant, en série avec une diode rapide, une résistance en parallèle sur laquelle est branchée un condensateur. On a représenté en pointillés la courbe théorique correspon- dant à une structure de branche de modulateur en anneau qui correspondrait à une diode idéale: le courant passant serait rigoureusement nul pour--une polarisation inverse et en polarisation directe, pour toutes la valeurs de V infé- rieures à un seuil Vs. Pour cette valeur de V, le courant s'établirait brusquement avec une impédance dynamique nulle de la diode en phase conductrice. La tension de crête admis- sible du signal RF serait égale à VS. Une telle diode parfaite n'existant pas, le modulateur sera d'autant meilleur que le coude des caractéristiques des diodes sera plus brusque, donc l'impédance dynamique dans le sens passant plus faible et que le seuil de conduction sera plus élevé. Or, on constate (courbe en trait plein IV et V correspondant respectivement à l'emploi de une ou deux diodes "varactor" en série avec une diode rapide) que, pour une branche de modulateur, conforme à l'invention, le seuil de conduction est beaucoup plus élevé qu'avec les montages connus et que - 5- la résistance dynamique est pratiquement équivalente à celle de la classe I. Ce résultat remarquable est obtenu même pour des fréquences IF relativement basses, alors que, pour de telles fréquences, le montage classe III n'est plus réalisa- ble en pratique, la valeur de la capacité qu'il devrait comporter étant alors prohibitive. Le montage de l'invention n'est d'ailleurs nullement compa- rable à celui de la classe III, la diode "varactor", utili- sée ici en polarisation directe, étant alors équivalente à une source de force électro-motrice de résistance interne extrêmement faible (par exemple 3Q pour une tension de crête de 800 mV, le courant étant alors de 14 mA), en parallèle sur un condensateur fixe de forte capacité (correspondant à une charge accumulée de 15 à 50 nanocoulombs par exemple) . A titre de comparaison, une diode classique a une résistance intrinsèque de 140 par exemple et une charge accumulée qui s'exprime en picocoulomb. Le montage de l'invention est donc complètement différent de la classe II. Compte tenu de la très faible résistance intrinsèque des diodes "varactor" de leur capacité importante dans le sens passant, l'impédance dynamique au point de fonctionnement, défini par l'intersection de la courbe caractéristique avec la droite de charge (représentée à la figure 2) déterminée par l'impédance nominale du signal LO, est pratiquement égale à celle de la seule diode rapide. Le montage décrit est facile à réaliser, quelle que soit la valeur de la fréquence IF. -6- Revendications de brevet 1. Mélangeur doublement équilibré comportant un modulateur en anneau à quatre branches redresseuses identi- ques comportant chacune une diode rapide (30 à 33), caractérisé en ce que chaque branche dudit modulateur en anneau qu'il comporte est constituée par la mise en série dans le même sens de ladite diode de commutation rapide et d'une ou plusieurs diodes supplémentaires (34 à 37) à résis- tance intrinsèque sensiblement équivalente à celle d'une jonction parfaite et à charge accumulée d'au moins plusieurs nanocoulombs. 2. Mélangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la diode rapide est du type à jonction métal-semiconducteur. 3. Mélangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la diode rapide est du type à jonction P-N. 4. Mélangeur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la ou les diodes supplémentaires sont du type "varactor". 5. Mélangeur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la ou les diodes supplémentaires sont du type P-I-N de commutation à grande durée de vie des por- teurs.