Brevet FR2587154A1 — publié le 19870313

MELANGEUR LARGE BANDE AVEC ECHANTILLONNAGE SUR HARMONIQUES La présente invention concerne un dispositif applicable aux hyperfréquences pour produire un signal de sortie lié à au moins une harmonique d'un signal d'entrée, comprenant : un transistor à effet de champ à semi-conducteurs III-V. doté d'au moins trois bornes dénommées source, drain et grille: des organes d'entrée pour appliquer le signal d'entrée sur la grille avec une tension suffisante pour induire un fonctionnement non linéaire du transistor; et des organes de sortie pour recueillir le signal de sortie sur une borne du transistor. Un dispositif de ce type est connu, et par exemple décrit dans la revue "IEEE transactions on microwave theory and techniques. volume MTT-27, n05, mai 1979, ou volume MTT-30, n06, Juin 1982. Ces deux articles révèlent l'aptitude des transistors à effet de champ. en particulier des transistors à arseniure de gallium (AsGa), à constituer des multiplicateurs de fréquence de rang relativement bas, par exemple de rang 2 ou 3. De façon générale, ces deux articles s'inscrivent dans la tendance actuelle à utiliser spécifiquement les semi-conducteurs III-V, encore relativement peu répandus, pour le traitement des signaux dont la fréquence est trop élevée pour être adéquatement traités par la mise en oeuvre de techniques ou de technologies plus classiques. En particulier les deux articles mentionnés ci-dessus, appartenant au domaine de la recherche fondamentale, relatent des expériences de doublage ou de triplage de fréquence de signaux d'entrée de fréquence relativement élevée, au moins égale à 4 GHz. Dans ce contexte de connaissances, la présente invention s'analyse comme une application industrielle basée sur une découverte. Plus précisément, l'invention repose sur la découverte de l'aptitude des transistors à effet de champ à semi-conducteurs III-V à constituer des générateurs harmoniques à large bande et de rang très élevé. par exemple jusqu'à l'ordre 200. Non seulement cette propriété des transistors à effet de champ n'a pas été observée au cours des expériences citées plus haut, mais elle n'était en outre ni observable ni même sollicitée. En effet. cette propriété n'était pas observable dans la mesure où, les signaux d'entrée utilisés étant de fréquence relativement élevée, les signaux de sortie qui auraient correspondu à une multiplication de fréquence de haut rang se seraient situés au delà du domaine de fréquences actuellement susceptible de faire l'objet d'observations sûres. D'autre part, les organes de sortie de ces dispositifs antérieurs utilisés pour conduire ces expériences, étant spécifiquement adaptés à la transmission de signaux de sortie dans une bande étroite centrée sur la fréquence qui devait être observée dans le cas de doublage ou de triplage de fréquence, ne pouvaient être adaptés à la transmission de signaux de sortie à large bande ou correspondant à des multiplications de fréquence nettement supérieures à 2 ou 3. Par ailleurs, cette propriété des transistors à effet de champ de pouvoir constituer des générateurs harmoniques de haut rang ne peut être considérée comme ayant véritablement été sollicitée dans les expériences antérieures relatées dans les articles cités ci-dessus. Il apparaît en effet, comme le montre le premier de ces articles, que les pertes de puissance, entre le signal d'entrée et le signal de sortie à fréquence multiple, augmentent de façon sensible lorsque le rang de multiplication augmente, même lorsqu'il ne passe que de 2 à 3. Comme par ailleurs ces pertes augmentent de façon importante avec la fréquence du signal d'entrée, et comme la tension du signal d'entrée qui était appliqué dans les expériences antérieures restait assez modeste, correspondant par exemple à une puissance maximale de 15 dBm, ces expériences ne pouvaient conduire à la production d'un signal de sortie correspondant à un rang élevé de multiplication de fréquence et présentant une puissance suffisante pour être physiquement utilisable ou distingué du bruit. Au contraire, dans le dispositif de l'invention le signal d'entrée est appliqué avec une fréquence qui, pour le domaine concerné des hyperfréquences, est relativement basse, et les organes de sortie sont adaptés à recueillir un signal correspondant à une multiplication de fréquence de rang relativement élevé. Plus précisément, ce dispositif est essentiellement caractérisé en ce que ledit transistor comporte deux grilles, en ce que les organes d'entrée appliquent le signal d'entrée sur l'une des grilles et un signal å traiter sur l'autre grille, et en ce que le signal d'entrée a une fréquence comprise entre 50 MHz et 2.5 GHz, ce dispositif constituant un mélangeur large bande avec échantillonnage sur harmoniques, produisant en tant que signal de sortie un signal résultant du mélange du signal à traiter avec les harmoniques du signal d'entrée. Les organes de sortie peuvent comprendre un filtre passe-bas ou passe-bande fournissant en tant que signal de sortie un signal résultant du mélange du signal à traiter avec au moins une harmonique de rang au moins égal à 10 du signal d'entrée. Par ailleurs, ce signal d'entrée est très avantageusement appliqué avec une tension comprise entre 3 et 5 fois la tension de pincement du canal conducteur du transistor. De préférence, le signal à traiter est appliqué sur la grille proche de la source, et le signal d'entrée sur la grille proche du drain. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés parmi lesquels - la figure 1 est un schéma d'un dispositif présentant la propriété, découverte et appliquée dans 11 invention à un mélangeur, de produire des harmoniques d'un signal d'entrée jusqu'à un rang élevé et sur une large bande; - la figure 2 est un schéma d'un dispositif conforme à l'invention, constituant un mélangeur large bande ou une tête d'échantillonnage; - la figure 3 représente le spectre de fréquence en peigne d'un signal à large bande produit par le générateur de la figure 1; - la figure 4 représente un autre spectre de fréquence en peigne d'un signal également produit par le générateur de la figure 1:: - la figure 5 représente une partie du spectre de fréquence d'un signal de sortie obtenu par mélange à large bande, conformément à l'invention. L'invention concerne l'application aux hyperfréquences des transistors à effet de champ à semi-conducteurs III V, de préférence des transistors sur arséniure de gallium (AsGa), et à grille(s) à contact Schottky (MESFET). Les transistors de ce type sont actuellement connus et par exemple commercialisés sous la marque "AVANTEK" avec la référence AVANTEK AT 11 200, ou sous la marque "NEC" avec la référence NE 46 300, ou NEC 720. Ces transistors comportent au moins trois bornes, à savoir une source, un drain et au moins un grille, la source et le drain étant disposés aux extrémités d'un canal allongé et la ou les grille(s) étant en contact avec le canal en des emplacements intermédiaires entre la source et le drain. Traditionnellement, la grille la plus proche de la source est dite "première grille", et l'autre "seconde grille". Pour son fonctionnement, le transistor à effet de champ est polarisé d'une part entre la source et le drain et d'autre part entre la source et chacune des grilles. En outre, un signal d'entrée, superposé à la tension de polarisation, est appliqué sur l'une des grilles. L'homme de l'art sait que pour un certain mode de polarisation, dit de classe A, et pour une tension relativement faible du signal d'entrée, le transistor adopte un fonctionnement linéaire, c'est-à-dire que les variations du signal de sortie susceptible dextre récupéré sur le drain sont proportionnelles aux variations du signal d'entrée. L'homme de l'art sait aussi que pour d'autres modes de polarisation de la grille du transistor, dits de classe B ou de classe C, et pour une tension plus élevée du signal d'entrée, le transistor adopte un fonctionnement non linéaire; dans ce cas, le signal de sortie est distordu par rapport au signal d'entrée; en particulier le transistor peut ne conduire que pendant des intervalles de temps inférieurs à la moitié de la période du signal d'entrée. Dans le dispositif de l'invention, le transistor à effet de champ est utilisé en régime fortement non linéaire, avec des modes de polarisation de cla#sse B ou C. Par exemple, pour un transistor ayant une tension de pincement, c'est-à-dire une tension au-dessus de laquelle le canal du transistor cesse d'être conducteur, de l'ordre de -1,2V, la grille (ou la première grille) du transistor est polarisée entre -1V et -4V. Ce signal d'entrée est, selon l'invention, appliquée avec une tension de l'ordre de trois à cinq fois la tension de pincement du canal conducteur, par exemple 5 Volts en valeur maximale pour une tension de pincement de -1,2V. En terme de puissance, cela signifie que ce signal d'entrée est appliqué. par exemple pour des transistors du type de ceux précédemment mentionnés, avec une puissance de l'ordre de 25 dBm (O dBm correspond à 1 milliwatt et les impédances caractéristiques sont fixées à 50 Ohms); par ailleurs, la tension drain-source est de l'ordre de 6 à 7 V et le courant de drain est de l'ordre de 80 mA. La figure 1 représente un montage réalisant un générateur hyperfréquence, présentant la propriété qui est utilisée dans le mélangeur de l'invention représenté sur la figure 2. Sur la figure 1, le transistor à effet de champ 1 peut être du type monogrille, mais peut, de façon plus avantageuse, être du type bigrille comme représenté, le transistor comporte alors une première grille G1 proche de la source S et une seconde grille G2 proche du drain D. Le signal d'entrée E, appliqué sur la grille G1, a une fréquence relativement basse. comprise entre 50 MHz et 2.5 GHz. Ce signal E est par exemple le signal de sortie d'un oscillateur, formé d'un résonateur 2, par exemple un quartz ou une ligne à retard acoustique. bouclé sur un élément actif 3, par exemple un transistor à effet de champ monogrille de type NE 244 fabriqué par la Société NEC. Dans ce cas, la fréquence du signal d'entrée E est par exemple inférieure à 200 MHz, et typiquement voisine de 100 MHz Si ce signal est produit à partir d'un quartz. La fréquence du signal E peut être modifiée, -par changement du résonateur 2 ou de sa fréquence propre. Le signal E ainsi fourni au transistor 1 présente une grande pureté spectrale et une fréquence susceptible d'être contrôlée de façon très rigoureuse par des techniques classiques. Le signal de sortie, recueilli par exemple sur le drain D, présente alors un spectre de fréquences très riche et à bande large, tel que représenté sur la figure 4, sur laquelle les frequences en gigahertz sont portées en abscisse et les amplitudes relatives en décibels sont portées en ordonnée. L'une des raies de ce spectre, correspondant å une multiplication de fréquence de haut rang, par exemple au moins égal à 10, ou même supérieur à 50 et typiquement de l'ordre de 100, peut être sélectionnée au moyen d'organes de sortie appropriés adoptant sur la figure 1 la forme d'un filtre 4, d'un adaptateur d'impédance 5, et d'un amplificateur sélectif 6. opérant ensemble un filtrage passe-bande très sélectif. A partir d'un signal d'entrée E de 100 MHz à 25 dBm, conduisant à l'apparition sur le drain D du transistor 1 du signal de sortie à large bande représenté sur la figure 4, il est ainsi possible d'obtenir, par exemple, à la sortie 6g de l'amplificateur sélectif 6, un signal de sortie filtré à 10 GHz. Pour la réalisation de ce générateur hyperfréquence, le transistor 1 peut être un transistor à effet de champ monogrille, par exemple un transistor NE 463 fabriqué par la Société NEC, ou un transistor bigrille, par exemple un transistor AVANTEK 11200 fabriqué par la Société AVANTEK. Dans ce dernier cas, la seconde grille G2 est, vis-à-vis des signaux hyperfréquences, reliée à la masse. Cette seconde grille est en outre soumise à une polarisation positive continue de l'ordre de 1 à 2 Volts avec un courant limité à quelques milliampères. Ceci peut être obtenu, comme cela est bien connu de l'Homme de l'Art, en reliant la grille G2 à la masse à travers un condensateur dont la borne directement reliée à la grille est raccordée à un potentiel positif. Le filtre 4, relié au drain D par un couplage 14, comporte une self-inductance 4a de 1.8 nH et un condensateur 4b de 0,4 pF reliés en série à la masse pour un signal hyperfréquence ainsi qu'un condensateur de sortie 4c de 0,56 pF. L'adaptateur d'impédance 5 relié au filtre 4 par un couplage 45, comporte deux inductances Sa, Sb de 0,16 nH et 0,43 nH respectivement, dont la seconde est reliée à la masse pour un signal hyperfréquence, et dont le point commun est relié à la grille d'un transistor monogrille à effet de champ 61 ce transistor. qui constitue l'organe d'entrée de l'amplificateur sélectif 6, consiste par exemple en un transistor de référence NE 388 fabriqué par la Société NEC. L'amplificateur sélectif 6, accordé sur 10 GHz dans l'exemple présente, comporte en outre des organes de filtrage, comprenant en série une self inductance 6a de 1,2 nH, un condensateur 6b de 1,65 pF, et une autre self inductance 6c de 0,65 nH. La sortie de la self inductance 6c est, pour un signal hyperfréquence, reliée d'une part à la masse à travers une self inductance 6d de 0,54 nH et un condensateur 6e de 8,4 pF, et d'autre part à la grille d'un transistor à effet de champ monogrille 6f constituant le second élément actif de l'amplificateur, par exemple identique au transistor 61. Le drain du transistor 6f est relié à la sortie 6g du montage par une self inductance 6h de 0,63 nH. La sortie 6g est en outre, pour un signal hyperfréquence, reliée å la masse à travers une self inductance 6i de 0,l8nH et un condensateur 6j de 0,7 pF. Une inductance 6k de 0,6 nH relie la borne commune aux composants 6a et 6b à la borne commune aux composants 6i et 6). Le signal disponible à la sortie 6g peut par exemple être appliqué à un amplificateur à grain variable (non représenté), utilisant un transistor bigrille AVANTEK AT 11200. Le dispositif de la figure 1 peut également, et de façon très avantageuse, faire l'objet d'une réalisation monolithique, permettant encore d'élargir la bande de fréquence des signaux produits. Le signal d'entrée E, appliqué au transistor 1 peut aussi avoir une fréquence plus élevée. telle qu'une fréquence comprise entre 800 MHz et 2 GHz et par exemple voisine de 1 GHz. Le signal de sortie du transistor 1, qui est recueilli par exemple sur le drain D, et qui présente toujours l'allure d'un peigne de raies à large bande, est alors composé de raies plus espacées, telles que celles représentées sur la figure 3, comparable à la figure 4. Comme précédemment, le transistor 1 est de préférence un transistor bigrille et. si le signal de sortie du transistor 1 est recueilli sur le drain D de ce dernier. la seconde grille G2 est de préférence polarisée positivement et. pour un signal hyperfréquence, reliée à la masse. Il est cependant possible, dans ce générateur hyperfréquence de la figure 1. de recueillir le signal de sortie du transistor 1 sur la grille G2 de ce dernier. La figure 2 illustre le dispositif de l'invention résultant de l'application des principes de génération harmonique précédemment décrits au mélange de signaux et plus précisément au mélange d'un signal à traiter avec les harmoniques d'un signal d'entrée. Le signal RF à traiter, par exemple obtenu par amplification dans un transistor 7 à effet de champ d'un signal initial RF , est appliqué à la première grille o G1 du transistor 1. Le signal d'entrée E, par exemple constitué par le signal de sortie à 1 GHz d'un oscillateur local OL, est appliqué sur la seconde grille G2 du transistor 1 avec une puissance suffisante, par exemple 25 dBm, pour que ce transistor adopte un régime de fonctionnement fortement non linéaire. Le signal susceptible d'être recueilli sur le drain D du transistor 1 est un signal à large bande, s'étalant par exemple sur une bande de 20 GHz, résultant du mélange du signal RF à traiter avec les harmpniques successives du signal d'entrée E. Le signal de sortie du transistor 1 peut être filtré au moyen d'un filtre relativement étroit, par exemple un filtre passe-bas ou passe-bande 8, qui fournit à sa sortie un signal résultant du mélange du signal à traiter RF avec au moins une harmonique de haut rang du signal d'entrée E, par exemple une harmonique de rang au moins égal à 10. La figure 5, sur laquelle les fréquences en gigacéz sont portées en abscisse, et les amplitudes relatives en décibels sont portées en ordonnée, représente une partie du spectre, au voisinage de 10 GHz, du signal de sortie recueilli sur le drain D du transistor 1 recevant sur la première grille un signal RF voisin de 10,5 GHz et sur la seconde grille un signal d'entrée E de l'ordre de 1,02 GHz. La figure 5 montre très clairement la présence simultanée du signal RF et de la dixième harmonique E(10) du signal d'entrée E, séparée du signal RF d'un écart de fréquence dF de l'ordre de 300 MHz. Tout comme le dispositif de la figure 1, le mélangeur de la figure 2 est de préférence réalisé solos la forme d'un circuit monolithique. REVENDICATIONS 1. Dispositif applicable aux hyperfréquences pour produire un signal de sortie lié à au moins une harmonique d'un signal d'entrée, comprenant : un transistor à effet de champ à semi-conducteurs 111-V, doté d'au moins trois bornes dénommées source, drain et grille: des organes d'entrée pour appliquer le signal d'entrée sur la grille avec une tension suffisante pour induire un fonctionnement non linéaire du transistor: et des organes de sortie pour recueillir le signal de sortie sur une borne du transistor, caractérisé en ce que ledit transistor comporte deux grilles, en ce que les organes d'entrée appliquent le signal d'entrée sur l'une des grilles et un signal à traiter sur l'autre grille, et en ce que ledit signal d'entrée a une fréquence comprise entre 50MHz et 2.5.GHz, ce dispositif constituant un mélangeur large bande avec échantillonnage sur harmoniques, produisant en tant que signal de sortie un signal résultant du mélange du signal à traiter avec les harmoniques du signal d'entrée. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits organes de sortie comprennent un filtre passe-bas ou passe-bande fournissant en tant que signal de sortie un signal résultant du mélange du signal à traiter avec au moins une harmonique de rang au moins égal à 10 du signal d'entrée. 3. Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé cn ce que le signal à traiter est appliqué sur la grille proche de la source et le signal d'entrée sur la grille proche du drain. 4. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le signal d'entrée est appliqué avec une tension comprise entre trois et cinq fois la tension de pincement du canal conducteur du transistor. 5. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est réalisé sous la forme d'un circuit monolithique.