Brevet FR2561769A1 — publié le 19850927

- 1 - L'invention est relative à un procédé d'étalonnage et de con- trôle d'adaptation d'impédance pour chaiînes de réception faible bruit pour dispositif de mesure de bruit micro-onde. L'invention trouvera particulièrement son application en thermographie micro-onde réalisé en circuit intégré monolithique pour la mesure de température interne de corps. Le principe du thermographe micro-onde pour la mesure en profondeur, de l'ordre de quelques centimètres, de température, est bien connu. Il s'agit d'un appareil comprenant notamment une antenne destinée à capter le rayonnement thermique émis par un certain volume du corps à examiner. Il est connu qu'il existe une relation directe entre le signal micro-onde émis et la température interne du corps. Plusieurs dispositifs de ce type ont été mis au point tel que le rad'omètre de Dicke pour permettre d'analyser le rayonnement thermique. En général, le principe utilisé peut être résumé de la façon suivante. Le signal hyperfréquence capté par l'antenne résultant du rayonnement thermique de l'objet à analyser, qui est proportionnel à la température du dit objet, est comparé alternativement à un signal provenant d'une résistance de bruit étalon de température constamment contrôlée et mesurée. A cet effet, un commutateur commandé par un signal BF alter- natif permet de "brancher" alternativement à l'entrée d'une amplificateur hyperfréquence le signal provenant de la résistance de bruit ou celui provenant de l'antenne hyperfréquence Le signal alternatif reçu et détecté à la sortie de l'ampli- ficateur est ainsi proportionnel à la différence de température entre celle de l'objet à mesure et celle de la source de bruit. Ce signal peut donc constituer un signal d'erreur permettant d'ajuster le réglage de la température de la résistance de bruit étalon de façon à obtenir l'égali- té des deux températures. Il suffit alors de lire la température de la résistance étalon de bruit pour obtenir celle de l'objet à mesurer. Il faut toutefois noter que pour obtenir une mesure précise de la température de l'objet, il est nécessaire de connaître avec exactitu- de l'impédance présentée par l'antenne captant le rayonnement thermique et d'ajuster de façon rigoureuse celle de la résistance de bruit dont la température devra être réglée et contrôlée de façon rigoureuse. - 2 - En effet, la température de bruit de l'amplificateur dépend de l'impédance du dispositif d'entrée et il est donc essentiel que la résistance de l'antenne soit égale à celle de la résistance de bruit. A l'heure actuelle, cette mesure est extrêmement délicate et nécessite une manipulation préalable particulièrement fastidieuse. Le but de la présente invention est de présenter un procé- dé de contrôle d'adaptation d'impédance pour chaîne de réception faible bruit telle que les radiomètres utilisés en thermographie micro-onde qui permet de s'assurer à tout instant de la correspondance exacte entre l'impédance présentée par l'antenne et l'impédance présentée par la source de bruit étalon. Selon l'invention, la comparaison des impédances est réali- sée en permanence tout au long de l'expérience, il en résulte une grande fiabilité des résultats de la mesure. Par ailleurs, selon un mode préférentiel de mise en oeuvre du procédé de l'invention, en cas de variation d'une impédance par rapport à l'autre, le circuit électrique de mise en oeuvre du procédé ajuste immédiatement l'impédance présentée par la source étalon de bruit afin d'ajuster cette dernière par rapport à l'impédance de l'antenne. Il en résulte une grande simplification d'utilisation pour le manipulateur qui n'a plus à se préoccuper au cours de l'expérience de l'adaptation des différentes impédances, celles-ci étant corrigées automatiquement. Il faut par ailleurs souligner que si, par erreur, l'anten- ne de réception du rayonnement thermique était mal disposée et que celleci présentait une impédance mal adaptée, le manipulateur pourrait en être immédaitement averti et effectuer les réglages qui s'imposent. Un autre but de la présente invention est de présenter un thermomètre micro-onde miniature pour la mise en oeuvre du procéde de la présente invention. Ce thermomètre miniature se présente sous la for- me d'un circuit intégr& monlithique et par conséquent il bénéficie d'un encombrement extrêmement réduit. Par ailleurs, l'ensemble des composants y compris l'antenne auront pu être concentrés sur un même circuit grâce à une mise en oeuvre technologique particulière. - En outre, l'amplificateur hyperfréquence utilisé jouit d'une architecture de fabrication spéciale qui lui permet de bénéficier d'une très large bande passante avec une fréquence de coupure largement augmen- -3- tée vis-à-vis des réalisations traditionnelles. D'autres buts et avantages de la présente invention apparai- tront au cours de la description qui va suivre qui n'est cependant donnée qu'à titre indicatif et qui n'a pas pour but de la limiter. Le procédé de contrôle d'adaptation d'impédance pour les chaînes de réception faible bruit telles que les thermographes micro- ondes destinés notamment à la mesure de température interne d'objets dans lequel on capte le rayonnement thermique du dit objet à examiner à l'aide d'une antenne, on compare le signal reçu avec le signal émis par une source de bruit étalon ajustable en température, est caractérisé en ce qu'alternativement, on place en parallèle tantôt avec l'antenne, tantôt avec la source étalon une impédance additionnelle et l'on com- pare l'influence exercée par l'impédance additionnelle sur l'antenne et sur la source de bruit de sorte à ajuster l'antenne ou la source de bruit pour égaliser les influences. Le thermomètre micro-onde miniature de mise ne oeuvre du procédé de l'invention, qui comprend une antenne et une source de bruit étalon reliée par un commutateur piloté à une fréquence Fo, un ampli- ficateur suivi d'un détecteur synchrone de fréquence Fo qui permet d'ajuster par l'analyse du signal de sortie la température de la source étalon est caractérisé par le fait qu'il présente un circuit auxiliaire qui place périodiquement selon une fréquence F1, une impédance addi- tionnelle aux bornes de l'amplificateur et qui analyse le signal résul- tant en sortie de commutateur. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante accompagnée de dessins en annexe parmi lesquels: - la figure 1 schématise le principe de fonctionnement d'un cir- cuit de contrôle d'adaptation d'impédance pourchaîne de réception faible bruit selon une mise en oeuvre du procédé de la présente invention, - la figure 2 schématise le circuit du thermomètre micro-onde de la présente invention, - la figure 3 représente l'architecture interne du circuit intégré utilisé pour la réalisation du thermomètre micro-onde miniature selon la présente invention. La présente invention vise un procédé de contrôle d'adapta- tion d'impédance pour chaîne de réception faible bruit et un thermomètre micro-onde miniature. La description du procédé est appliquée à la ther- mographie micro-onde néanmoins, l'invention pourra être appliquée à tout 2 61769 - 4 - dispositif de mesure utilisant comme principe d'analyse la comparaison des signaux émis par une source de référence et la source à étudier. La figure 1 schématise le diagramme de fonctionnement d'un radiomètre de thermographie micro-onde. La mesure de la température interne d'un corps non illustré est réalisée au moyen d'une antenne 1 plaquée sur le dit corps et qui capte le rayonnement thermique émis par le dit corps. Ce rayonnement thermique est proportionnel à la tempéra- ture du corps et par ailleurs l'antenne capte les signaux émis selon un certain volume qui correspond à une partie interne du corps, ce qui permet d'effectuer une mesure en profondeur de l'ordre de quel- ques centimètres de la température. Les signaux 2 captés par l'antenne sont dirigés vers un am- plificateur 3. Par ailleurs, une source de bruit étalon 4 généralement constituée par une résistance délivre également un signal 5 proportion- nel à la température de la dite source 4. Ce signal 5 est dirigé également vers l'amplificateur 3 via *un commutateur à deux voies 6 qui, alternativement, branche l'entrée 7 de l'amplificateur 3 vers l'antenne 1 ou vers la source de bruit 4 de sorte tantôt à alimenter l'amplificateur avec le signal 2, tantôt avec le signal 5. Le commutateur à deux voies 6 est-piloté par un générateur BF 8 qui délivre une fréquence Fo au commutateur 6. - De la sorte, en sortie 9 d'amplificateur, on obtient un si- gnal dont l'amplitude est proportionnelle à la différence de niveau présentée par les signaux 2 délivrés par l'antenne et les signaux 5 dé- livrés par la résistance étalon de bruit 4. Le signal 9 en sortie d'amplificateur 3 est dirigé vers un détecteur 10 qui indique au manipulateur s'il y a égalité entre les tem- pératures mesurées par l'antenne 1 et la température de la source étalon 4. Il apparaît ainsi que le signal 9 en sortie d'amplificateur correspond à un signal "d'erreur" que l'opérateur doit tenter d'annuler en ajus- tant le chauffage de la résistance de bruit étalon 4 pour égaliser celle- ci avec la température du corps dont on capte le rayonnement thermique à l'aide de l'antenne 1. - Il est possible d'améliorer le procédé décrit précédemment en disposant en sortie de détecteur 10, un détecteur synchrone 11 de fré- quence Fo pilotée par le générateur BF 8. Le détecteur synchrone 11 -5 délivre un signal 12 directement proportionnel à l'écart de température présenté entre le corps examiné et la résistance de bruit étalon qui permet à l'aide d'un circuit de commande de chauffage 13 d'ajuster la température de la résistance de bruit étalon 4 pour obtenir un signal d'erreur 9 nul. Il faut toutefois noter qu'une mesure précise de la tempé- rature du corps examiné nécessite une connaissance exacte de l'adapta- tion ou de l'impédance présentée par l'antenne i captant le.ayonnement thermique émis par le dit corps. En effet, la température de bruit de l'amplificateur dépend de l'impédance du dispositif d'entrée et il est donc essentiel que la résistance de l'antenne soit égale à celle de la résistance de bruit. A la mie en oeuvre du procédé de la présente invention, il est possible de contrôler en permanence cette égalité. Selon le procédé de la présente invention, on place alterna- tivement en parallèle tantôt avec l'antenne 1, tantôt avec la source étalon 4, une impédance additionnelle et l'on compare l'influence exercée par l'impédance additionnelle sur l'antenne et sur la source de bruit de sorte à ajuster l'antenne ou la source de bruit pour égaliser ces influences et par voie de conséquence les impédances presentées par l'antenne et la résistance de bruit étalon 4. Selon l'invention, on place à l'entrée de l'amplificateur 3 un circuit de contrôle d'adaptation d'impédance 14 qui tantôt place une impédance 15 à l'entrée de l'amplificateur 3 tantôt se place en circuit ouvert 16. Donc périodiquement,on vient placer une impedance additionnelle à l'entrée de l'amplificateur 3. Le circuit de contrôle de l'impé- dance est piloté par un générateur BF 17 qui délivre un signal de fré- quence F1 qui assure la commutation de l'impédance 15 et du circuit ou- vert 16. La mise en place d'une impédance additionnelle périodique aux bornes d'entrée de l'amplificateur 3 a pour conséquence immédiate de modifier le signal d'entrée 7 de l'amplificateur. Ce signal d'entrée 7 est analysé par un détecteur synchrone 18, piloté par le générateur BF 17, qui délivre un signal 19. Pour le bon fonctionnement du procédé, il faut noter qu'il est souhaitable que la fréquence F1 soit nettement supérieure à la fré- quence F0 délivré par le générateur 8. Le signal 19 est directement proportionnel à l'écart des -6 - impédances présentées par l'antenne 1 et la résistance de bruit étalon 4. Par conséquent, ce signal 19, pour optimiser le procédé, pourra être dirigé vers un circuit de réglage 20 de l'adaptation d'impédance présen- tée par la résistance étalon de bruit 4 de sorte à ajuster cette der- nière avec celle présentée par l'antenne 1. Le circuit de contrôle d'adaptation 14 se présente comme un commutateur commandé par une tension alternative de fréquence F1 qui permet de mettre alternativement en parallèle sur l'entrée de l'ampli- f$cateur hyperfréquence 3 une capacité ou une résistance additionnelle. On modifie ainsi alternativenment l'impédance d'entrée vue par l'ampli- ficateur dont la température de bruit TR mais il faut noter que cette modification d'impédance ou de la température de bruit TR ne sera pas forcément la même suivant que l'antenne ou la résistance de bruit est branchée à l'entrée de l'ampli et ce n'est que dans le cas o la résis- tance de bruit 4 et l'antenne 1 présentent la même impédance que la modification d'impédance sera identique. Il suffit donc de détecter à la sortie de l'amplificateur le signal alternatif de fréquence F1 pour obtenir un signal d'erreur proportionnel à la différence d'impé- dance entre la résistance de bruit 4 et celle de l'antenne 1. Le signal d'erreur peut ensuite être utilisé pour modifier la valeur de la résis- tance de bruit afin qu'elle demeure égale à celle de l'antenne ou plus simplement lorsqu'il est au-delà d'un certain seuil pour envoyer un message à l'expérimentateur indiquant que l'antenne est mal adaptée. Ce procédé de contrôle d'adaptation d'impédance qui peut être appliqué à toute chaine de réception faible bruit a été repris pour la fabrication d'un thermomètre micro-onde miniature selon l'invention. Le thermomètre micro-onde miniature est réalisé selon des sché- mas illustrés aux figures 2 et 3. Il s'agit d'un thermomètre réalisé à circuit intégré en technologie monolithique qui utilise les couches épitaxiées n + n sur semi isolant réalisé en semi-conducteur du type III-V tel que par exemple en AsGa. L' antenne 1 est plaquée à la partie inférieure du circuit. L'ensemble est ainsi conçu de façon intégrée. L'élément actif de base est constitué de transistors à effet de champ utilisant une grille à contact Schottky. La réalisation de la résistance formant la source de bruit étalon se fera de préférence sous forme planar constituée d'une couche épitaxiée entre deux contacts ohmiques. -7- Lacoamande de chauffage 13qui permet de modifier la tempéra- ture de la source de bruit étalon 4 est réalisée de préférence au moyen de résistances chauffantes encadrant ou disposées à proximité immédiate de la résistance de bruit. La distance sera de l'ordre de quelques microns. Le dispositif de mesure de la température de la source de bruit étalon 4 utilise les variations, en fonction de la température, de la caractéristique courant tension d'un contact métal semi-conduc- teur. Le dispositif de contrôle de la valeur de la résistance de bruit étalon 4 utilise la modification de l'épaisseur de la couche résis- tante à partir d'une grille à contact Schottky dont on fait varier la tension appliquée. L'amplificateur hyperfréquence 3 illustré à la figure 3 doit présenter une bande passante maximale et d'autre part être de conception aussi simple que possible. La solution envisagée pour atteindre cet objectif est d'uti- liser un montage source commune et de relier le drain à la grille de l'étage suivant par une simple capacité de liaison. Un des facteurs les plus importants qui limite la bande passante dans cette configura- tion est le fait que l'admittance d'entrée (capacitive) d'un étage don- né dans la chaine d'amplification devient lorsque la fréquence augmente plus grande que l'admittance de sortie (conductive) de l'étage précé- dent. La fréquence de coupure est donc de la forme: f. = gdi fc- 2nCdi+l o gdi est l'admittance de sortie de l'étage i et Cdi+1 la capacité d'entrée de l'étage i + 1. Pour augmenter fc ' il faut donc diminuer Cdi+t par rapport à gdi. La solution proposée par la présente invention est d'utiliser des transistors à effet de champ de dimension (la largeur) décroissante. De la sorte, la capacité d'entrée et la conductance de sortie étant pro- portionnelle & cette largeur, la fréquence de coupure pourra donc être augmentée. D'autres mises en oeuvre de la présente invention, à la portée de l'Homme de l'Art, auraient pu être envisagées sans pour autant sortir du cadre de celle-ci. REVENDICATIONS 1. Procédé d'étalonnage et de-contrôle d'adaptation d'impé- dance pour chaînes de réception faible bruit tel que thermographie microonde destinée notamment à la mesure de température interne d'un corps, dans lequel on capte le rayonnement thermique du corps à examiner à l'aide d'une antenne (1), on compare le signal reçu (2) avec le signal (5) émis par une source de bruit étalon (4) ajustable en température, caractérisé en ce qu'alternativement, on place en parallèle tantôt avec l'antenne (1) tantôt avec la source étalon (4) une impédance addition- nelle (15), et on compare l'influence exercée par l'impédance addition- nelle (15) sur l'antenne (1) et la source de bruit (4) de sorte à ajuster l'antenne (1) ou la source de bruit (15) pour égaliser les influences exercées. 2. Procédé de contrôle selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on dirige les signaux (2, 5) issus respectivement de l'an- tenne (1) et de la source de bruit étalon (4) vers un amplificateur (3) à travers un commutateur (6) commandé par une fréquence Fo différente de celle utilisée pour placer l'impédance additionnelle (15) en parallèle tantôt sur l'antenne (1) tantôt sur la source étalon (4). 3. Dispositif de mesure de bruits micro-ondes de mise en oeuvre du procédé de la revendication 1, qui comprend une antenne (1) et une source de bruit étalon (4) reliées par un commutateur (6) piloté à une fréquence Fo, un amplificateur (3) suivi d'un détecteur synchrone (11)- de fréquence Fo qui permet d'ajuster par l'analyse du signal de sortie (9) la température de la source étalon (4), caractérisé par le fait qu'il présente un circuit auxiliaire (14) qui place périodiquement selon une fréquence F1, une impédance additionnelle (15) aux bornes d'entrée de l'amplificateur (3) et qui analyse le signal résultant (7) en sortie de commutateur (6). 4. Dispositif de mesure de bruits micro-ondes selon la reven- dication 3, caractérisé par le fait que le signal (7) résultant en sortie de commutateur (6) est analysé au travers d'un détecteur synchrone (i8) de fréquence F1 qui ajuste l'impédance de la source étalon (4). 5. Dispositif de mesure de bruits micro-ondes selon la reven- dication 3, comprenant un circuit intégré monolithique, caractérisé par le fait qu'il est constitué de couches épitaxiées n + n sur semi-isolant réalisé en semi-conducteur du type III - V tel que AsGa. 6. Dispositif de mesure de bruits micro-ondes selon la reven- _9- dication 5, caractérisé par le fait que l'élément actif de base est constitué de transistors à effet de champ utilisant une grille à con- tact Schottky. 7. Dispositif de mesure de bruits micro-ondes selon la reven- dication 5, caractérisé par le fait que la source étalQn (4) est forméepar une résistance de bruit sous forme planar constituée d'une couche épitaxiée entre deux contacts ohmiques. 8. Dispositif de mesure de bruits micro-ondes selon la reven- dication 6, caractérisé par le fait que l'ajustement du signal (5) de la source étalon (4) est réalisé à l'aide de résistances chauffantes encadrant ou disposées a proximité immédiate de la résistance de bruit (4) . 9. Dispositif de mesure de bruits micro-ondes selon la reven- dication 5, caractérisé par le Fait que le contrôle de la valeur de la résistance de bruit (4) utilise les variations en fonction de la tempé- rature de la caractéristique courant tension d'un contact métal semi- conducteur. 10. Dispositif de mesure de bruits micro-ondes selon la reven- dication 5, caractérisé par le fait que le dispositif de contrôle (20) de la valeur de la résistance (4) de bruit utilise la modification de l'épaisseur de la couche résistante à partir d'une grille à contact Schottky dont on fait varier la tension appliquee. 11. Dispositif de mesure de bruits micro-ondes selon la reven- dication 5, dont l'amplificateur (3)-est formé d'un montage en cascade de transistor à effet de champ à source commune dont les drains sont reliés à la grille de l'étage suivant par une capacité de liaison, caractérisé par le fait que les transistors à effet de champ sont de dimension décroissante.