Brevet FR2608862A1 — publié le 19880624

Commutateur électronique à très haute fréquence. L'invention concerne un commutateur électronique pour la commutation de signaux de télévision à ultra-haute fréquence, par exemple de l'ordre de 1 à 2 GHz, comportant au moins deux voies dont chacune peut à la demande soit amplifier soit isoler un signal appliqué à son entrée, chaque voie com- portant un étage d'entrée adaptateur d'impédance et un étage d'amplification proprement dit. Un tel commutateur est utilisé notamment dans des dispositifs de réception de télévision par satellite. Selon le standard défini pour de telles réceptions, deux canaux sont transmis simultanément selon deux polarisations différentes et la tète de réception transmet à un syntoniseur les deux signaux correspondant chacun à une des polarisations. Le commutateur selon l'invention peut être utilisé pour sélectionner la réception de l'un de ces deux signaux. Un commutateur électronique est connu du document US-P-4397041. Le dispositif décrit dans ce document est prévu pour fonctionner à des fréquences relativement basses de l'or- dre de quelques MHz. Il comporte deux voies chargées chacune par un demienroulement de transformateur. Si l'on voulait utiliser un commutateur selon ce document aux fréquences ultra-hautes des signaux de réception par satellite, qui se situent dans la bande des 1 à 2 GHz, de graves problèmes de désadaptation d'impédance apparaîtraient, parce que l'enroule- ment de charge de celle des voies qui doit être coupée présen- te en parallèle sur l'autre une impédance mal maîtrisée. L'in- vention se propose de fournir un commutateur pour des fréquen- ces de 1 ' z qui présente une grande simplicité et dans lequel le problème précédemment mentionné est résolu très sim- plement. A cet effet, le commutateur selon l'invention est notamment remarquable en ce que les sorties de tous les étages 2608862Z -2- d'amplification sont directement connectées ensemble à un point commun qui est relié à un étage de charge et d'adapta- tion d'impédance commun à toutes les voies. Par les mots "di- rectement connectéS" on entend qu'ils sont reliés galvanique- ment à un point commun et qu'aucun dispositif d'adaptation d'impédance n'est connecté entre ce point commun et l'amplifi- cateur. Cette solution présente l'avantage d'une grande sim- plicité, et en outre elle n'est pas limitée à la fabrication d'un commutateur à deux voies mais on peut imaginer de placer de la même façon autant de voies à commuter qu'on le désire. Selon un mode particulier de réalisation, un com- mutateur selon l'invention dont chaque étage d'amplification de voies comporte en sortie un transistor monté en émetteur commun, est notamment remarquable en ce que, dans une première variante, les collecteurs de ces transistors sont connectés audit point commun, ledit étage de charge et d'adaptation étant relié à une source d'alimentation pour fournir du cou- rant aux dits collecteurs. Dans une autre variante, le commutateur est remar- quable en ce que les collecteurs de ces transistors sont re- liés chacun à une source d'alimentation via une résistance de fixation de potentiel, et sont reliés chacun via une diode au- dit point commun, ledit étage de charge et d'adaptation étant relié à une source d'alimentation pour fournir du courant aux- dits collecteurs, via les diodes qui sont branchées dans le sens passant pour ledit courant. Dans tous les cas, les transistors d'amplification du signal ont avantageusement leurs émetteurs directement con- necté à la masse. On a constaté que cette disposition amélio- rait d'une manière étonnante les performances d'isolation. La description qui va suivre, décrivant deux exem- ples de réalisation de l'invention avec référence aux dessins annexés permettra de mieux comprendre l'invention. La figure 1 représente très schématiquement un am- plificateur à très hautes fréquences à gain commandable connu. La figure 2 représente un assemblage connu de deux -3- amplificateurs selon la figure 1, constituant un commutateur. La figure 3 représente très schématiquement l'as- semblage de deux amplificateurs pour constituer un commutateur selon l'invention. La figure 4 représente le schéma électrique dé- taillé d'un premier mode de réalisation de l'invention. La figure 5 représente le schéma électrique de- taillé d'un second mode de réalisation de l'invention. La figure 6 représente le schéma électrique dé- taillé d'un circuit de commande de gain pour les circuits des figures 4 et 5. La figure 7 représente à l'échelle un schéma de réalisation pratique d'un circuit qui comprend les éléments réunis des figures 5 et 6. Dans le circuit de la figure 1, un signal d'entrée est appliqué à une borne 1, qui est reliée à un circuit 2 d'a- daptation d'impédance, suivie d'un étage d'amplification pro- prement dit 3 dont le gain peut être réglé au moyen d'une ten- sion de commande appliquée à la borne 9, entre une valeur minimale qui correspond à un état ou le signal est isolé, et une valeur maximale qui correspond à un état ou le signal est amplifié, et qui est suivi enfin d'un circuit 4 d'adaptation d'impédance délivrant le signal amplifié à une borne de sortie 5. On définit l'isolation par la différence entre le gain maximal et le gain minimal. Sur la figure 2, de façon un commutateur est constitué par l'association d'un premier circuit 1 à 4 et d'un deuxième circuit lB à 4B correspondant chacun au schéma de la figure 1. La tension de commande appliquée à la borne 9 est appliquée directement au premier circuit et après inversion, au deuxième circuit, de façon que l'un soit dans l'état o le signal E: isolé, alors que l'autre est dans l'état amplifica- teur. Les deux circuits sont réunis en sortie. A des fréquences très élevées un tel montage connu présente un gra- ve inconvénient. Supposons par exemple que la voie B soit dans l'état isolant; le circuit 4B d'adaptation d'impédance pré- - 4 - sente en parallèle sur la sortie de l'autre circuit 4 une im- pédance variable avec la fréquence, qui peut comporter des zé- ros et constitue un circuit trappe, à cause duquel le signal utile est perturbé. Bien entendu s'il y avait plus de deux voies il y aurait plus d'un circuit perturbateur, et le problème serait encore plus difficile à résoudre. La figure 3 représente un commutateur selon l'in- vention, dans lequel sont présentes deux voies respectivement 2, 3 et 2B, 3B dont chacune peut à la demande soit amplifier soit isoler un signal appliqué à son entrée respectivement 1 et lB, chaque voie comportant un étage d'entrée adaptateur d'impédance 2, 2B, et un étage d'amplification proprement dit 3, 3B. Les sorties des étages d'amplification 3, 3B sont di- rectement connectées ensemble à un point commun 10 qui est re- lié à un étage de charge et d'adaptation d'impédance 4 commun à toutes les voies. Un tel commutateur est plus simple que le commutateur connu. L'impédance présentée par la sortie de l'amplificateur isolant est une simple capacité de faible va- leur qui vient en parallèle sur celle de la sortie de la voie passante et ne produit aucun effet gênant: il suffit d'en te- nir compte dans la détermination du circuit d'adaptation com- mun. En outre on peut sans difficulté prévoir plus de deux voies. Sur la figure 4 chaque étage d'amplification de voie proprement dit comporte en sortie un transistor T2 ou T2B monté en émetteur commun et les collecteurs de ce transistor sont connectés au point commun 10. L'étage de charge et d'a- daptation est constitué d'une inductance L5 reliée d'un côté à la connexion 10 et de l'autre à la masse par une capacité C6, et à une source de tension d'alimentation +12V via deux résis- tances en série R7 et R6 dont le point commun 8 est découplé par une capacité C5 reliée à la masse. Le chemin passant par R6, R7, L5 permet de fournir du courant au collecteur des transistors T2, T2B. La liaison entre les sorties des amplifi- cateurs représentées ici par les collecteurs des transistors T2, T2B est tout à fait directe, la connexion 10 n'étant munie -5- d'aucun dispositif adaptateur d'impédance afférent à une seule voie. L'impédance ici adaptée par l'étage de charge et d'adap- tation est déterminée en fonction des étages suivants et cette adaptation peut donc être ajustée différemment suivant les cas. Le signal d'une voie est présenté à l'entrée 1 et transmis à la base d'un premier transistor T1, dont l'émetteur est directement connecté à la masse, via un dispositif d'adap- tation d'impédance constitué par la capacité C1 connectée en- tre l'entrée 1 et la masse, une capacité série C8 et une in- ductance série L1 ainsi que par les éléments L2, L3, C2 qui seront expliqués plus loin. Les différents composants sont placés dans un boîtier métallique fermé et le symbole circu- laire qui entoure la borne 1 indique que l'on pénètre en ce point dans le boitier. Le signal est transmis à la base de T1 par la capacité C8. Le collecteur de T1 est chargé par une inductance L4 en série avec une résistance R3 qui est reliée de l'autre côté à la source d'alimentation disponible sur la connexion 8, et à une capacité de découplage C3 reliée à la masse. Le collecteur de T1 est relié à la base d'un deuxième transistor T2 monté en cascade avec lui, via une ca- pacité de liaison C4. Le deuxième transistor T2 a lui aussi son émetteur directement connecté à la masse, et son collec- teur constitue la sortie de l'amplificateur déjà mentionnée. Les bases des deux transistors T1 et T2 sont pola- risées ensemble par un même circuit qui sera décrit plus loin en référence à la figure 6. Ce circuit commande l'amplifica- tion par action sur la polarisation des bases des transistors T1, T2. A cet effet chacune de ces bases est reliée à la masse par une résistance respectivement R1 ou R4 et est reliée par une résistance respectivement R2 ou R5 à une borne 7 d'entrée de commande de gain, elle-même reliée au circuit de la figure 6. La borne 6 est une entrée d'alimentation qui per- met, à l'aide des éléments L3, C2, L2 qui ne font pas partie de l'invention d'envoyer dans une ligne branchée à la borne 1 - 6 -- un courant d'alimentation, tout en présentant l'impédance vou- lue pour le signal. Cette alimentation est destinée à une tê- te de réception habituellement située sur le toit des immeu- bles avec l'antenne de réception. Sur la moitié inférieure de la figure sont repré- sentés les éléments de la deuxième voie, avec une borne d'en- trée de signal lB, des transistors d'amplification réglable T1B, T2B. Les éléments de cette voie sont en tout point iden- tiques à ceux de la première voie décrits ci-dessus et n'ont donc pas besoin d'être décrits à nouveau. Le collecteur du transistor de sortie T2B est di- rectement relié à celui du transistor T2 de la première voie par une connexion 10 la plus courte possible, et l'étage de charge et de polarisation L5, C6, R7, C5 qui est relié à cette connexion 10 est commun au deux voies. La figure 5 représente une autre forme de réalisa- tion préférée de l'invention. Chaque amplificateur ne comporte qu'un étage à transistor, et l'isolation est maintenue au même niveau que dans le montage précédent grâce à une diode D ou DB (diode dite PIN) qui est bloquée lorsque la voie est dans l'é- tat isolant. Les éléments compris entre la borne d'entrée 1 et la sortie du transistor T1 sont les mêmes que ceux de la figu- re 4, et portent les mêmes références. Ici c'est le collecteur de T1 qui constitue la sortie de l'amplificateur proprement dit. Un condensateur de découplage C13 est présent au niveau de la borne 7 d'entrée de commande de gain. La diode D relie le collecteur du transistor T1 à la borne 10 de l'étage de charge et d'adaptation, dont les ré- férences L5, R7, C5, et le fonctionnement sont les mêmes que dans le cas de la figure 4. L'anode de la diode D est du côté de la borne 10 et sa cathode du côté du transistor T1, elle est donc dans le sens passant pour le courant du transistor T1. Le collecteur de T1 est relié en outre à la borne d'ali- mentation 8 par une résistance R30 qui n'est pas un élément de charge et d'adaptation d'impédance. Son rôle est de fixer le potentiel du collecteur au potentiel du point 8 lorsque le -7- transistor T1 est bloqué et isole le signal. Alors la diode D est également bloquée, et la capacité de sa jonction est in- tercalée en série dans le chemin du signal ce qui accroît l'i- solation. Ici encore les éléments de la deuxième voie sont identiques à ceux de la première et leurs références sont les mêmes avec un indice B. Toutefois les références 12, C15 indi- quent des éléments matériels de connexion particuliers à la deuxième voie et qui seront explicités à propos du schéma de câblage de la figure 7. Grâce à l'indice B, il est possible de repérer sur le plan de câblage de la figure 7 quels éléments appartiennent à une voie ou à l'autre. L'anode de la diode DB de la deuxième voie est directement reliée à celle de la diode D de la première voie et à la connexion 10 de l'étage de char- ge et d'adaptation d'impédance. Le signal de sortie est trans- mis à d'autres circuits non représentés via une capacité C16 et une résistance R15 en série, qui contribuent eux aussi à l'adaptation d'impédance. On retrouve sur la figure 6 les deux connexions 7 et 7B des figures 4 et 5. Chacune est reliée au collecteur d'un transistor respectivement T7, T7B dont l'émetteur est re- lié à la borne d'alimentation 8, l'espace émetteur-collecteur est découplé par un condensateur respectivement C7, C7B, pour éviter tout risque d'oscillation et chaque base est reliée d'une part à l'alimentation +12V par une résistance respecti- vement R12, R12B et au collecteur d'un autre transistor res- pectivement TS, T5B par une résistance respectivement R9, R9B. Les deux transistors T5, T5B sont montés de façon connue dite "trigger de Schmitt", avec leurs émetteurs interconnectés et reliés ensemble à la masse par une résistance Rll, la base de T5 étant reliée au collecteur de T5B par une résistance R10 et à la masse par une résistance R13. La base de T5B est con- nectée au t. -. commun de deu:, résistances R8, R14 en série entre l'alimentation +12V et une borne 9 de commande du commu- tateur. Si la tension sur cette borne est basse, les tran- sistors T5 et T7 sont conducteurs, et par conséquent T1 est - 8 - passant ainsi que D, alors que les transistors T5B, T7B et les éléments actifs de la deuxième voie indicés B sont bloqués et la deuxième voie est isolante. Si la tension à la borne 9 est élevée, l'inverse se produit. La référence 11 près de la base de T7B indique une connexion réalisée par un fil dans le câblage du circuit. Ce fil relativement long est découplé du côté de la base de T7B par un condensateur C10. La figure 7 représente la réalisation matérielle des circuits des figures 5 et 6 à une échelle qui est indiquée sur le dessin au moyen d'une référence 'lcm". Ce dispositif est réalisé sur une plaque de circuit imprimé double face à trous métallisés et placé dans un bottier dont la paroi exté- rieure perpendiculaire au circuit est indiquée par 13, et une cloison intérieure séparant le commutateur vis à vis d'autres circuits non décrits est indiquée par 14. Les constituants de cette réalisation portent les mêmes références que dans les figures 5 et 6. Il est donc inutile de décrire à nouveau les interconnexions. Pratiquement tous les constituants sont des composants dits "Nà montage en surface" ou CMS" et sont montés à plat sur les connexions de cuivre du circuit imprimé telles que représentées. Les inductances L1, L1B sont imprimées sur le circuit. Seules les inductances L2, L2B, L3, L3B, L5 sont des éléments discrets munis de connexions traversant le cir- cuit imprimé. Ces éléments sont donc situés sur la face oppo- sée à celle représentée. Cette autre face est pratiquement en- tièrement métallisée de façon à constituer un plan de massé, sauf en quelques endroits o de la place est réservée pour des connexions traversantes non reliées à la massse, notamment celle des inductances en éléments discrets. Les différents points indiqués sur le dessin comme étant reliés à la masse sont reliés par un trou métallisé à la deuxième face c'est-à- dire au plan de masse. Les éléments de plan de masse situés du côté des composants CMS sont munis sur leur pourtour d'une li- gne de trous métallisés (non représentés) pour assurer une mi- se à la masse efficace. Les bornes d'entrée 1, lB sont des lamelles métal- -9 liques dont la largeur est déterminée par des considérations d'adaptation d'impédance (Zc = 75Q). Les entrées 6, 6B, 9 et la masse de l'alimentation sont groupées (en haut du dessin) et les connexions 6, 6B sont, près de l'entrée dans le boi- tier, reliées à la masse par des diodes de sécurité D2, D2B, en série avec des résistances R20, R20B de 22Q. Les éléments référencés 12 sur la figure 5, et 11 sur la figure 6 sont des fils de câblage situés sur la face opposée à celle qui porte la plupart des constituants. Le fil 11 est représenté en pointillé sur la figure 7. Quant au fil 12, pour ne pas encombrer la figure seuls ses points de départ et d'arrivée sont indiqués par des flèches. Ce fil 12 relie la métallisation de l'entrée 6B en haut de la figure, et le point commun à L3B et C15 en bas de la figure. Du fait de l'inductance parasite de ces fils relativement longs, qui doivent être des connexions "froides", leur extrémité est découplée vers la masse au moyen des capacités C15 et C10, respectivement pour les fils 12 et 11. La capacité C15 est divisée en deux composants chacun à une extrémité du fil. Les composants utilisés dans les circuits des fi- gures 5, 6, 7 ont par exemple les valeurs suivantes: C1 = 0,5 pF R1 = 1 kQ C2 = 10 pF R2 = 2,2 kQ C5 = 2 x 100 pF R30 = 10 kQ C7, C7B = 47 nf R6 = 1009 C8 = 5 pF R7 = 47Q C9 = 100 pF R8 = 100 kQ C10 = 100 pF R9, R9B = 6,8 kQ C15 = 2 x 100 pF R10 = 82 kQ Rll = 1,2 kQ T1 = BFR 92A R12, R12B = 2,2 kQ T1B = BFR:'' R13 = 47 kQ D, DB = BA 679 R14 = 5,6 kQ T5 = BC848BR T5B = BC848B L2 1,5 spire cuivre 50/100 diamètre intérieur 2mm. - 10 - T7 = BC858BR L3 5,5 spires cuivre 50/100 T7B = BC858B. diamètre intérieur 2,5mm. L5 1,5 spire cuivre 50/100 diamètre intérieur 3mm. Les performances du montage des figures 5 et 7 sont les suivantes: - bande de fréquences utiles: 900 à 1800 MHz. - impédance d'une entrée: 75Q. - isolation de la voie isolante) 35 dB. - gain d'une voie active > 8 dB. - taux d'ondes stationnaires typique: 1,5. - compatibilité TTL pour la commande (borne 9) Jusqu'à présent, de telles performances ne pou- vaient être atteintes qu'au moyen de relais coaxiaux, ou bien de montages utilisant des diodes PIN professionnelles de coût élevé. Bien entendu, des variantes à ce montage sont pos- sibles sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple les transistors T1, T2 pourraient être remplacés moyennant une adaptation des polarisations, à la portée de l'homme du mé- tier, par des transistors MOS. Il conviendrait alors de lire respectivement grille, source, drain au lieu de base, émet- teur, collecteur. - 11 - REVENDICATIONS: 1. Commutateur électronique pour la commutation de signaux de télévision à ultra-haute fréquence, comportant au moins deux voies dont chacune peut à la demande soit amplifier soit isoler un signal appliqué à son entrée, chaque voie com- portant un étage d'entrée adaptateur d'impédance et un étage d'amplification proprement dit, caractérisé en ce que les sor- ties de tous les étages d'amplification sont directement con- nectées ensemble à un point commun qui est relié à un étage de charge et d'adaptation d'impédance commun à toutes les voies. 2. Commutateur électronique selon la revendication 1, dont chaque étage d'amplification de voie comporte en sortie un transistor monté en émetteur commun, caractérisé en ce que les collecteurs de ces transistors sont connectés audit point commun, ledit étage de charge et d'adaptation étant relié à une source.d'alimentation pour fournir du courant auxdits col- lecteurs. 3. Commutateur électronique selon la revendication 1, dont chaque étage d'amplification de voie comporte en sortie un transistor monté en émetteur commun, caractérisé en ce que les collecteurs de ces transistors sont reliés chacun à une source d'alimentation via une résistance de fixation de poten- tiel, et sont reliés chacun via une diode audit point commun, ledit étage de charge et d'adaptation étant relié à une source d'alimentation pour fournir du courant auxdits collecteurs, via les diodes qui sont branchées dans le sens passant pour ledit courant. 4. Commutateur électronique selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que lesdits tran- sistors ont leurs émetteurs directement connectés à la masse. 5. Commutateur électronique selon la revendication 2, dont chaque étage amplificateur comporte deux transistors en cascade, cara-térisé en ce que les deux transistors ont tous deux leurs émetteurs directement connectés à la masse, et sont reliés l'un à l'autre par une liaison capacitive, et en ce que leurs bases sont polarisées toutes deux ensemble par un même - 12 - circuit, ce dernier commandant l'amplification de l'amplifica- teur par action sur la polarisation desdites bases.