Brevet FR2575346A1 — publié le 19860627

DEPHASEUR HYPERFREQUENCE A COMMANDE ELECTRONIQUE L'invention concerne un dispositif de déphasage variable à commande électronique analogique ou numérique, d'un signal de faible amplitude et de très haute fréquence. La particularité de ce dispositif est de ne comporter aucun élément de ligne ni de selfinductance et donc de pouvoir être réalisé sous forme d'un circuit monolithique de faible encombrement. Le dispositif se compose essentiellement d'une chaîne de transistors à effet de champ montés dans une configuration grille commune et fonctionnant avec une tension drain-source faible ou nulle. Les caractéristiques principales du dispositif déphaseur selon l'invention, son encombrement réduit et sa faible consommation, permettent de l'utiliser avantageusement pour la commande d'antennes à balayage qui constitue l'application la plus typique pour un déphaseur. I1 est connu de réaliser des déphaseurs de signaux utilisant des transistors à effet de champ. On peut citer comme faisant partie de l'art antérieur le brevet de la Demanderesse publié sous le n" FR A- 2.505.092 qui décrit un dispositif de déphasage variable à commande électronique et comportant un transistor à effet de champ à grille longue. Un tel dispositif peut provoquer un déphasage de plusieurs dizaines de degrés. Pour obtenir un déphasage plus important il est nécessaire de disposer de plusieurs dispositifs en cascade ce qui présente l'inconvénient d'augmenter l'encombrement. Ledispositif selon l'invention offre l'avantage de présenter une structure compacte quel que soit l'angle de déphasage désiré entre le signal d'entrée et le signal de sortie. I1 suffit pour cela que le dispositif ait un nombre de transistors correspondant au déphasage maximal à introduire. Ceuxci étant disposés en série sans circuit de liaison, la densité d'intégration peut être élevée. Les connexions internes au dispositif peuvent encore être réduites au strict minimum si les transistors à effet de champ sont montés en configuration grille commune et si le drain d'un transistor constitue la source du transistor suivant. Le signal d'entrée est alors appliqué sur la source du premier transistor et le signal de sortie est prélevé sur le drain du dernier transistor. L'invention a donc pour objet un déphaseur hyperfréquence à commande électronique du type comprenant au moins deux transistors à effet de champ et destiné à déphaser un signal d'entrée en un signal de sortie, caractérisé en ce que lesdits transistors sont disposés en configuration grille commune et montés en cascade, le déphaseur comprenant, en série avec les transistors, une résistance d'entrée recueillant le signal d'entrée et une charge de sortie délivrant le signal de sortie, le déphaseur comprenant également des moyens de polarisation des grilles desdits transistors et des moyens de commande du déphasage. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront au moyen de la description qui va suivre et des figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 est un schéma de principe du dispositif déphaseur selon l'invention; - les figures 2 et 3 sont des schémas électriques de deux réalisations du déphaseur selon l'invention - la figure 4 est un diagramme courant-tension d'un transistor à effet de champ; - les figures 5 et 6 illustrent deux étapes du procédé de fabrication d'un déphaseur selon l'invention; - la figure 7 est un diagramme représentatif-des performances d'un déphaseur selon l'invention. La figure 1 est un schéma électrique d'un dispositif déphaseur selon l'invention. Le schéma comprend une cascade de transistors à effet de champ. De ce fait le drain d'un transistor se confond avec la source du transistor qui le suit dans la cascade. A titre d'exemple, le dispositif comprend quatre transistors T1, T2, T3 et T4. Le dispositif étant prévu pour fonctionner dans le domaine des hyperfréquences, les transistors seront réalisés en arséniure de gallium. Le schéma comprénd également en série avec les transistors une résistance Re reliant la source du transistor T1 à la masse et une résistance Rs reliant le drain du transistor T4 à une tension de polarisation V.Chaque grille ê des transistors est reliée à un circuit 1 délivrant des tensions de polarisation entre les grilles et la masse. Le signal à déphaser Ve est appliqué aux bornes de la résistance d'entrée Re, ctest-dire sur la source du transistor T1. Le signal déphasé Vs est prélevé sur le drain du dernier transistor '4 Le circuit 1 délivrant des tensions continues de polarisation egales, toutes les grilles sont portées au même potentiel. Dans ces conditions, les tensions grille source Vgs des transistors T1 à T4 ne sont égales que si le courant drain Ids est nul, ce qui implique que les tensions drain-source Vds sont nulles également. Si Fds et par conséquent les tensions Vds ne sont pas nulles, les tensions - Vgs augmentent d'un transistor au suivant. Ceci entraîne une limitation du courant Ids d'autant plus sévère que le nombre de transistors est élevé dans le dispositif. Cet inconvénient peut être pallié en étageant les potentiels de grille par exemple au moyen d'un réseau de résistances le principe étant de compenser à l'aide de potentiels de grille appropriés les chutes de tension Vds aux bornes des transistors. Cette compensation peut être réalisée de différentes manières. Dans le cas de la figure 1, le circuit I peut délivrer directement les tensions grille requises à cet effet. On préférera des solutions permettant d'obtenir une structure particulièrement compacte. La figure 2 est un schéma électronique d'un dispositif déphaseur selon l'invention et possédant un circuit de polarisation à résistances. Per un choix convenable de ces résistances, il est possible d'autre part de réaliser des conditions de polarisation approximativement itératives de sorte que chaque transistor travaille à peu près dans les mêmes conditions. Le schéma de la figure 2 reprend le schéma de principe de la figure 1. On a représente les capacités de iiaison- Ce et Cs. Une suite de cinq résistances permet la polarisation d'un déphaseur à quatre transistors. Ces cinq résistances sont calculées, en fonction des tensions V et - Vg pour que les transistors soient polarisés seion un point de fonctionnement qui sera precisé par la suite. Si les transistors T1 à T4 sont identiques, ils possèdent pour un même courant Ids une tension Vds identique. De ce fait, les résistances reliant les grilles de deux transistors consécutifs sont toutes égales puisqu'elles servent à compenser des tensions Vds identiques. Elles sont référencées Rg sur la figure 2. L'inconvenient du dispositif de la figure 2 est de necessiter deux tensions de polarisation. Cet inconvénient peut être évite au moyen d'un circuit de polarisation légèrement différent et qui demande une résistance supplémentaire. C'est ce que représente la figure 3 avec ses résistances R3, R4 et R5 et ses 3 résistances Rg. La figure 4 est un diagramme représentant-la variation du courant drain-source Ids en fonction de la différence de potentiel Vds avec pour paramètre la tension grille-source Vgs, pour un transistor à effet du champ (FET) du type utilisable dans le déphaseur selon l'invention. Les valeurs du courant Ids et des tensions Vgs et Vds sont données à titre indicatif. Les allures des courbes sont typiques pour un - FET. On a représenté la tension de coude Vdss auSelà de laquelle se produit le phenomène de saturation. Le choix des conditions de polarisation constitue une particularité importante pour les déphaseurs selon l'invention. Une étude expérimentale permet de dégager les conclusions suivantes: - Pour Vds = O soit Ids = O (ie transistor fonctionne à la manière d'un varactor), la commande de phase au moyen de la tension Vgs est peu efficace. D'autre part, les pertes sont élevées et, en outre, fortement variables avec Vgs. - Pour Vds > Vdss, donc pour un point de fonctionnement correspondant à des conditions normales d'amplification, la phase est également peu sensible à la tension Vgs. La transmission est par contre satisfaisante si l'on considère l'absence de self-inductance d'adaptation. - Pour une tension Vds voisine de la tension de coude Vdss, on obtient à la fois une commande de phase efficace par la tension Vgs et des pertes modérées. Ces conditions de polarisation sont avantageusement mises en application dans le déphaseur selon l'invention. Les transistors du déphaseur selon l'invention étant montés en cascade sans élément de liaison, le drain d'un transistor se confond avec la source du transistor suivant. Ceci rend possible une intégration particulièrement poussée pour ce type de dispositif. On va décrire un exemple de réalisation d'un tel dispositif à trois transistors. Ce dispositif peut être réalisé par des technologies classiques. La figure 5 illustre la première étape du procédé de fabrication d'un dispositif déphaseur à trois transistors. Cette étape comprend le dépôt sur un substrat semi-isolant 10, par exemple en arséniure de gallium Ga As, des couches épitaxiales 11 et 12 en arséniure de gallium. La couche 11 est une couche tampon d'épaisseur 2 à 3 llm et dopée n à raison d'environ lol3 atomes d'impuretés par cm3. La couche 12 constitue la couche active ; elle a une épaisseur d'environ 0,3 um et est dopée n à raison d'environ 1017 atomes d'impuretés par cm3. On peut éventuellement déposer sur la couche 3 12 une couche de contact n+ dopée à environ 2*1018 atomes par cm et d'épaisseur 0,2 iim. La deuxième étape consiste à déposer les électrodes de grilles sur la couche active 12 ou éventuellement sur la couche de contact n+. La figure 6 est une vue de dessus du dispositif représenté à la figure 5. Les électrodes de grilles 20, 21 et 22 ont une largeur de l'ordre de 0,7 um et sont obtenus par dépôts successifs de titane, de platine et d'or ou par un dépôt d'aluminium seul. On a représenté par les pointillés 23 la partie qui constituera la zone active du déphaseur et qui peut être isolée par formation d'une mésa ou par implantation d'ions ou par les deux méthodes à la fois. Il peut être avantageux de délimiter un creusement de canal (appelé recess dans la terminologie anglo-saxonne) dans la couche active 12 pour y déposer ensuite les électrodes de grilles, ceci afin de diminuer les résistances d'accès. A titre d'exemple, l'épaisseur de la couche active sous la grille peut être de 0,15 um. Les contacts ohmiques de drains et de sources sont ensuite déposés de part et d'autre des électrodes de grilles comme indiqué sur la figure 6. Ces contacts ohmiques référencés 24, 25, 26 et 27 sont réalisés par exemple par dépôts successifs d'une couche de nickel puis d'une couche d'or et de germanium. Les contacts 25 et 26 servent à la fois de contacts de drain et de source. Les contacts ohmiques peuvent avoir une forme carrée de 150 llm de côté. Ils sont séparés les uns des autres d'une distance de l'ordre de 3 um et sont disposés symétriquement par rapport aux électrodes de grilles. Les capacités d'entrée Ce et de sortie Cs peuvent être déposées sur le dispositif sous forme d'une couche de nitrure de silicium Si3N4, d'oxyde de silicium SiO2 ou d'un autre diélectrique, de manière à obtenir des capacités de l'ordre de 20 à 30 pF.Les différentes résistances du circuit peuvent être réalisées par dépôt métallique, par exemple de nickelchrome. A titre d'exemple l'ordre de grandeur des résistances Rg peut être de 1000 fl . On a représenté sur la figure 6 la forme donnée aux dépôts métalliques 28 et 29 destinés à constituer les résistances R g. Les autres dépôts métalliques sont réalisés de la même manière. La figure 7 est un diagramme représentant le déphasage (p provoqué par un dispositif déphaseur à trois transistors selon l'invention ainsi que le module T (courbes en pointillés) de la fonction de transfert linéaire en fonction des tensions drain-source Vds et grille-source Vgs des transistors. Les transistors étant tous identiques et les tensions grille-source étant identiques pour tous les transistors, les tensions Vds et Vgs s'entendent quelque soit le transistor considéré. L'axe des ordonnées de gauche représente le déphasage (p en degrés existant entre les signaux de sortie et d'entrée. L'axe des ordonées de droite représente le module T de la fonction de transfert en dB. L'axe des abscisses représente la tension grille-source Vgs en volts.Les courbes cp (Vgs) et T (Vgs) ont été tracées avec la tension Vds comme paramètre et pour une fréquence de 10 GHz. Les courbes de déphasage 35, 36, 37, 38 et 39 correspondent à des tensions Vds respectivement de O, 0,6, 0,8, 1,3 et 4V. Les courbes de transfert 30, 31, 32, 33 et 34 correspondent à des tensions Vds respectivement de O, 0,6, 0,8, 11,3 et 4V. Ces courbes montrent que le déphasage (p et le module T varient en fonction des tensions Vgs et Vds. Dans les conditions de fonctionnement habituel en ampli- ficateur (courbes 34 et 39), le déphasage est pratiquement indépendant de Vgs. Pour Vds = O (courbes 30 et 35), le déphasage maximal introduit est de l'ordre de 30 , c'estatire d'un ordre de grandeur moyen, mais le module T diminue fortement à mesure que le déphasage augmente en valeur absolue. Les meilleurs résultats sont ceux obtenus pour des tensions Vds voisines de la tension de coude Vdss. La valeur Vds = 0,8 V donne des résultats particu llèrement intéressants dans ce cas. En effet pour Vgs variant de O à -1,45V, le déphasage varie d'environ 50 alors que T évolue entre -2 et - 7 dB. Il est également possible avec ce type de dispositif d'obtenir un saut de phase à transmission constante. Par exemple, pour Vds maintenue constante à 036 V, on obtient une variation de phase de 45 en faisant varier Vgs de - 0,5 à - 1,42 V. La transmission est la me me pour ces deux points de fonctionnement et égale à - 7,5 dB. Le dispositif selon l'invention a l'avantage de présenter un faible encombrement puisqu'il ne comporte aucun élément de ligne ni de sell-lnductance. Il est néanmoins possible, dans le cas O'd un gain important est demandé, d'utilIser le dispositif selon l'invention en association avec une inductance. La commande du déphasage peut s'effectuer soit par variation de la tension Vgs, soit par variation de la tension Vds. Si le déphaseur est destiné à introduire un déphasage fixé une fois pour toutes, les différentes résistances seront calculées en fonction de ce déphasage. Si le déphaseur est destiné à introduire un déphasage variable, celuici peut être produit par la variation d'une tension de polarisation ( par variation de Vg pour le déphaseur de la figure 2), ou par variation de la valeur d'une résistance du déphaseur (potentiomètre). REVENDICATIONS 1. Déphaseur hyperfréquence à commande électronique du type comprenant au moins deux transistors à effet de champ et destiné à déphaser un signal d'entrée (Ve) en un signal de sortie (Vs), caractérisé en ce que lesdits transistors (T1, T2, T3 et T4) sont disposés en configuration grille commune et montés en cascade, le déphaseur comprenant, en série avec les transistors, une résistance d'entrée (Re) recueillant le signal d'entrée et une charge de sortie délivrant le signal de sortie, le déphaseur comprenant également des moyens de polarisation (1) des grilles desdits transistors et des moyens de commande du déphasage. 2. Déphaseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le drain d'un transistor est confondu avec la source du transistor suivant sous une même électrode. 3. Déphaseur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de polarisation permettent l'étagement des potentiels de grille de façon à ce que chaque transistor possède la même tension de polarisation grille-source (Vgs). 4. Déphaseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de polarisation comprennent une résistance (Rg) reliant la grille d'un transistor à la grille du transistor suivant. 5. Déphaseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les transistors sont élaborés à partir d'un même substrat semi-isolant (10) en arséniure de gallium. 6. Déphaseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdites résistances (Re, Rs, Rg) sont constituées par des dépôts métalliques. 7. Déphaseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend des capacités d'entrée (Ce) du signal d'entrée (Ve) et de sortie (Cs) du signal de sortie (Vs) constituées par dépôt d'un diélectrique sur ledit substrat (10). 8. Déphaseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la charge de sortie (Rs) est résistive. 9. Déphaseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la tension drain-source des transistors est proche de à la tension de coude (Vdss) de la caractéristique courant drain en fonction de la tension drain-source pour lesdits transistors. 10. Déphaseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les moyens de commande du déphasage font varier la tension grille-source (Vgs) des transistors.