Brevet FR2644308A1 — publié le 19900914

DISPOSITIF DE MODULATION D'UNE ONDE ELECTROMACNETIQUE L'invention concerne un dispositif de modulation d'une onde électromagnétique incidente de fréquence déterminée en vue d'engendrer une onde réfléchie modulée en amplitude et en phase. Le dispositif peut etre adapté pour moduler des ondes dans une large gamme de fréquence, depuis les basses fréquences jusqu'aux ondes millimétriques. Les modulateurs d'ondes électromagnétiques sont de type très divers et permettent d'insérer une information dans une onde incidente dans le but de la transmettre, cette information pouvant être de toute nature, fonction de l'application détection de présence, identification, transmission d'informations codées... L'invention vise un dispositif de modulation permettent de moduler l'onde incidente en vue d'y insérer une information modifiable qui peut entre commandée localement å partir du dispositif. Elle se propose de fournir un dispositif de modulation conduisant è de très faibles consommations énergétiques, de façon è lui conférer å la fois une bonne autonomie et un très faible encombrement. Cénéralement, les dispositifs de type cidessus évoqué dans lesquels la modulation est commandable, sont réalisés su moyen de circuits électroniques à transistors ou diodes exigeant des courants ou tensions trop importantes pour autoriser leur application sur des systèmes autonomes de faible encombrement. En particulier, ces dispositifs ne sont pas compatibles avec une alimentation au moyen de piles miniaturisées ou d'un faible nombre de cellules solaires. Un objectif de l'invention est de fournir un nouveau dispositif de modulation applicable sur des systèmes autonomes de faible encombrement, en particulier badges portables, étiquettes sur objet, balises miniaturisées.... capable d'assurer la modulation, à la demande, d'une onde incidente et de la transmettre sans contact matériel. Cette modulation peut être une signature propre au modulateur, ou etre représentative d'une information à transmettre (mesure dans le cas d'un capteur, information de reconnaissance permettant une détection de présence et le cas échéant une localisation). A cet effet, le dispositif conforme à l'invention permettant d e moduler une onde incidente de fréquence F déterminée en vue d'engendrer une onde réfléchie modulée en amplitude et en phase, comprend en combinaison - une antenne d'impédance réelle Za, apte à capter et à réémettre sur la fréquence F précitée, - un circuit oscillant couplé en réflecteur sur l'antenne et présentant une bande passante de largeur prédéterminée, - une réactance variable commandable en tension, faisant partie dudit circuit oscillant de façon à lui conférer une fréquence d'accord F var fonction de son impédance, ledit circuit oscillant ayant des caractéristiques adaptées pour permettre une variation de la fréquence d'accord Fvar sur une plage encadrant la fréquence F de Inonde incidente de façon que, pour Fvar = F, ledit circuit oscillant présente un coefficient de réflexion minimum, - un générateur de tension de commande, couplé à la réactance variable en vue. de sa commande et adapté pour engendrer une tension de commande variable dans le temps, ayant une étendue spectrale inférieure ou égale à la largeur de la bande passante du circuit oscillant. Ainsi, dans le dispositif de l'invention, la modulation s'effectue par variation du coefficient de réflexion d'un circuit oscillant qui est obtenu par variation de sa fréquence d'accord : cette variation est engendrée par la réactance variable qui est commandée à cet effet par la tension de commande issue du générateur. Parmi les réactances variables actuellement disponibles, il en existe qui consomment des puissances extrêmement faibles (de l'ordre du nanowatt ou moins) et qui demandent des tensions de commande faibles (de l'ordre de quelques volts) sous des courants extrêmement faibles (de l'ordre du nanoampère ou moins). Ainsi, le dispositif de modulation conforme à l'invention est compatible avec des alimentations miniaturisées de très faible puissance, puisque le circuit oscillant et sa réactance ne consomment qu'une puissance très faible, et que le générateur de tension de commande peut être lui-même prévu de très faible puissance (tension de sortie faible, courant de sortie extrêmement faible), de sorte qu'il est possible d'utiliser, pour ce générateur, des circuits intégrés classiques (type MOS basse tension) dont la consommation interne est très faible (de l'ordre du microwatt). En particulier, la réactance variable est de préférence réalisée su moyen d'une diode polarisée en inverse, associée à une résistance, ladite diode présentant une capacité éq#uivalente Cvar variable en fonction de la tension de commande, apte à prendre une valeur C permettant l'égalité var = F. Ce choix de réactance conduit a un dispositif de modulation optimisé sur le plan de la consommation énergétique. La diode est de préférence choisie de façon que sa capacité équivalente C pour Fv ar = F satisfasse à la relation : Ce choix de caractéristique de la diode limite les pertes parasites consommées dans le circuit oscillant, car les impédances de diode et d'antenne sont du même ordre, ce qui permet une transformation d'impédance à perte minimum.Les valeurs préférentielles correspondant à la relation Selon un premier mode de réalisation, la réactance variable est réalisée au moyen d'une diode d'impédance interne variable # ver et d'une résistance en série de valeur R satisfaisant à la relation où a var est la variation de l'impédance # ver correspondant à la plage de variation de la fréquence d'accord F ver Un tel agencement optimise la valeur maximum du coefficient de réflexion de sorte que la variation d'amplitude de l'onde réfléchie modulée est maximale entre ltétst de réflexion minimum et l'état de réflexion maximum.De plus, la condition combinée avec la condition précédente permet d'assurer la transformation d'impédance à perte minimum Les valeurs préférentielles correspondent à la relation Selon un autre mode de réalisation, la réactance variable est réalisée au moyen d'une diode d'admittance interne variable Yvar et d'une résistance en parallèle de conductance G satisfaisant à la relation Les mêmes commentaires que précédemment peuvent être faits. De plus, dans le but de rendre la modulation d'amplitude maximum pour une tension de commande donnée, le circuit oscillant (comprenant la réactance variable) est prévu pour présenter des caractéristiques telles que la fréquence d'accord F var varie dans une plage [ F, F f a 7 où ss F est l'amplitude algébrique maximum de variation de FVars le circuit oscillant présentant alors un coefficient de réflexion minimum pour l'une des limites de la plage (rvar = F). L'amplitude de l'onde réfléchie varie ainsi entre une valeur très faible et une valeur maximum, ce qui optimise la modulation. Le dispositif conforme à l'invention peut être appliqué pour moduler une onde incidente dans une gamme de fréquence F inférieure à 3 GHz. Dans ce cas, le circuit oscillant comprend une association de selfs, condensateurs et résistances localisées, couplées à la réactance variable réalisée au moyen d'une diode Schottky, ou d'une diode à jonction PN, polarisée en inverse. En pratique, la diode Schottky sera choisie pour des tensions plus faibles du générateur de tension (par exemple d'amplitude crête à crête inférieure à 3 volts), la diode à jonction PN étant choisie pour des tensions plus élevées (par exemple d'amplitude de crête à crête supérieure à 2 volts). La diode Schottky polarisée en inverse présente en effet des variations de capacité qui sont plus sensibles aux variations de la tension de commande que la diode à jonction PN. Par contre, cette dernière est plus accessible sur le marché et moins onéreuse de sorte que, dans certaines applications, il peut être intéressant de choisir cette jonction au prix d'une élévation de la tension de commande. Dans le cas où le dispositif conforme à l'invention est appliqué dans une gamme de fréquence F comprise entre 1 et 30 GHz, le circuit oscillant peut comprendre une association de tronçons de lignes imprimées, condensateurs et résistances, couplées à la réactance variable réalisée su moyen soit d'une diode Schottky (associée de préférence à une tension de commande inférieure à 3 volts), soit d'une diode à jonction PN (associée de préférence à une tension de commande supérieure à 2 volts). Le dispositif conforme à l'invention peut enfin être appliqué pour moduler une onde incidente de fréquence F supérieure à 10 GHz. Dans ce cas, le circuit oscillant peut comprendre une association de guides d'onde et d'obstacles couplés à la réactance variable (cette dernière étant comme précédemment réalisée par une diode Schottky ou une diode à jonction PN polarisée en inverse, selon la tension de commande du générateur > . Pour ce qui concerne les valeurs de recouvrement des gammes de fréquence précitées, les technologies concernées peuvent être choisies indifféremment. La description qui suit en référence aux dessins annexés présente à titre d'exemples non limitatifs, trois versions du dispositif conforme à l'invention et illustre leur fonctionnement ; sur ces dessins - la figure 1 est un schéma électronique d'une première version (dispositif à constantes localisées), - les figures 2a, 2b, 2c, 2d présentent l'allure d'ondes et de signaux électriques engendrés dans ce dispositif, - la figure 3 est un schéma d'une deuxième version (dispositif à constantes réparties dessiné à échelle égale à 5 environ), - les figures 4 et 5 sont des schémas en coupe par des plans perpendiculaires AA et BB, d'une troisième version en technologie guide d'onde tå échelle égale à 5 environ). Le dispositif de modulation représenté à la figure 1 est destiné à moduler une onde incidente de fréquence F comprise dans la gamme VHF aux environs de 100 MHz. Ce dispositif réalisé en technologie à constantes localisées est constitué par un circuit imprimé intégré à une étiquette, en vue par exemple de la reconnaissance d'un objet. A cet effet, une onde incidente 0zinc de fréquence F est envoyée vers le dispositif (figure 2a) et la reconnaissance s'effectue en analysant l'onde réfléchie ref modulée en amplitude (figure 2d) que réémet le dispositif de l'invention. Ce dispositif comprend un générateur 1 de tension de commande Sc adapté pour engendrer une tension Sc variable dans le temps, dont l'allure est schématisée à la figure 2c. Ce générateur comprend en l'exemple une source d'alimentation ALIM qui peut être constituée par plusieurs cellules solaires associées à une capacité de réserve ; ces cellules peuvent notamment être constituées par huit cellules au silicium 5/5 mm aptes à engendrer une tension de sortie de l'ordre de 3 volts (dans un local à éclairement moyen). Ces cellules alimentent un codeur COD de type 8 bits "CMOS standart", apte à délivrer un code de huit bits sous la forme d'impulsions rectangulaires de tension d'une amplitude de 3 volts (figure 2b). Le rythme de ces impulsions est de l'ordre de 10 kilobits par seconde.Ce code module en amplitude un oscillateur OSC dont la fréquence est de 100 kilohertz (par exemple oscillateur à quartz "CMOS standard") L'ensemble codeur/oscillsteur est réalisé dans un même circuit intégré. Le signal de commande Sc en sortie de l'oscillateur est constitué par des trains d'impulsions (à la fréquence de 100 kilohertz), porteuses du code propre au codeur COD. Pour chaque objet à distinguer, ce code sera différent. L'étendue spectrale de la tension de commande Sc est de l'ordre de 100 kilohertz. Par ailleurs, à son entrée opposée, le dispositif comprend une antenne 2, notamment une antenne imprimée, constituée par une spirale conductrice de dimensions adaptées pour capter et réémettre sur la fréquence F précitée (100 MHz en l'exemple). Cette antenne présente une impédance réelle Zs égale en l'exemple à 50 ohms à la fréquence F. A cette antenne 2, est couplé en réflecteur un circuit oscillant 3 dont l'accord est commandé en tension par le signal de commande Sc à travers un filtre 4. Le circuit oscillant 3 comprend un condensateur de couplage 5, une self 6, un condensateur de liaison 7, une diode à jonction PN 8 polarisée en inverse, d'impédance interne variable #var' et une résistance 9 en série avec ladite diode. La diode 8, la résistance 9 et la self 6 constituent la psrtie r-ésonnante du circuit oscillant, cependant que le condensateur 5 assure l'adaptation entre antenne et partie résonnante et que le condensateur 7 évite le court-circuit de la commande par la self 6 (tout en présentant une impédance négligeable vis-à-vis des courants hautes fréquences). La diode 8 peut en particulier être du type "BA 105 RTC" fabriqué par "PHILIPS" ; cette diode possède une capacité équivalente variable Cvar qui, lorsque la diode est polarisée à tension nulle, est notée C et est égale à 32 pF. Les caractéristiques du circuit sont déterminées pour vérifier la relation La variation de capacité de la diode qui est utilisée dans le circuit oscillant est de 16 pF correspondant à une variation d'impédance ohms. La diode présente une résistance interne qui s'ajoute à la résistance 9 donnant une valeur totale de résistance en série R = 5 ohms. Ces valeurs ont été choisies pour satisfaire la relation : Les conditions ci-dessus indiquées fournissent une fréquence d'accord F var variant entre la fréquence F = 100 MHz et une fréquence extrême de l'ordre de r +# r F = 140 MHz, le coefficient de réflexion du circuit oscillant étant minimum à la limite inférieure de la plage de variation (100 MHz) et maximum à sa limite supérieure (140 MHz) ; la bande passante du circuit oscillant présente une largeur de 40 MHz, très supérieure à l'étendue spectrale de la tension de commande Sc (100 kiloHz) ; ces conditions permettent d'optimiser ltefficacité de modulation aussi bien en ce qui concerne la perte d'insertion que la sensibilité à la commande. La tension de commande Sc qui engendre la variation de capacité de la diode 8 est délivrée vers celle-ci à travers un filtre 4 ayant pour but d'éviter un transfert d'énergie haute fréquence vers le générateur 1 et d'éliminer la composante continue de la tension de commande. A cet effet, ce filtre comprend une self de choc 10 (par exemple type "VK 200 RTC"), une résistance 11 de suppression de charge statique et un condensateur de liaison 12 éliminant la composante continue. Ainsi, comme le schématise la figure 2d, l'onde réfléchie par le circuit oscillant 3 et réémise par l'antenne 2 0rez' est modulée en amplitude en fonction de l'information codée portée par le signal de commande Sc, entre une valeur négligeable (correspondant au coefficient de réflexion minimum) et une valeur #max (correspondant au coefficient de réflexion maximum) égale à l'amplitude de l'onde incidente réduite des pertes d'insertion. Le dispositif de modulation décrit est très peu encombrant et peut tenir sur une étiquette de faible épaisseur, de dimensions 5/10 cm ; il est autonome puisque alimenté par cellules, cette alimentation étant autorisée par sa très faible consommation (30 microwstts environ). Il est à noter qu'un circuit équivalent consiste à prévoir une résistance en parallèle de le diode, la variation d'admittance interne de la diode et le conductance G de la résistance en parallèle étant liées par la relation équivalente à le précédente De plus, le générateur de commande peut être doté d'un nombre de cellules moins élevé, par exemple moitié dans ce cas ce générateur est réalisé en technologie "C M OS basse tension" et la diode est avantageusement remplacée par une diode Schottky. Le figure 3 schématise un autre mode de réalisation du dispositif de l'invention, en technologie circuit imprimé, à constantes réparties. Ce dispositif est en l'exemple destiné å la modulation d'une onde incidente de fréquence F = 10 GHz. Son fonctionnement est le même que le dispositif précédent, seule changeant la technologie de réalisation. Le générateur 1 de signal de commande Sc n's pas été représenté, ni la résistance 11 et la capacité 12 du filtre 4 qui, faisant partie du circuit basse fréquence, demeurent en technologie à constantes localisées comme précédemment. Le dispositif est constitué par une plaque 13 de verre téflon dont la face arrière (non visible) est entièrement métallisée et comporte une fenêtre symbolisée en 14 constituent une antenne à fente (type "Slot"). Celle-ci est couplée au circuit oscillant constitué par des tronçons de lignes imprimées 15, et par une diode 16 en l'exemple diode Schottky polarisée en inverse (par exemple "THOMSON DP 320"). Un report de messe 17 à trous métallisés établit la liaison électrique avec la face arrière métallisée. Des tronçons de lignes 18 forment l'équivalent de la self de choc du filtre 4. Un pavé de connection 19 permet la liaison avec les autres éléments du filtre et le générateur de commande. La réalisation et le dimensionnement des tronçons de ligne sont bien connus de l'homme du métier dans le domaine des hyperfréquences ; la diode est choisie comme précédemment pour présenter une capacité équivalente et une résistance série, satisfaisant les relations déjà fournies. Les figures 4 et 5 schématisent respectivement en coupe AA et BB le circuit oscillant du dispositif réalisé en technologie guide d'onde, en vue de moduler une onde incidente de fréquence F = 35 GHz. L'antenne (non représentée) peut notamment être dans ce cas une antenne Cornet. La partie résonnante du circuit oscillant est constituée par le tronçon de guide 20 (de longueur d) terminé par des obstacles en poteaux 21 et 22. Le poteau 22 assure le couplage avec le guide d'antenne, cependant que le poteau 21 assure le couplage avec la diode 25 de type schottky ou à jonction P selon les tensions de commande issues du générateur. Le choix des caractéristiques de la diode est effectué comme précédemment pour satisfaire les relations déjà définies. Un tronçon de ligne coaxiale 23 associé à un joint de colle chargé de fer 24 constitue l'équivalent de la self de choc du filtre 4. REVENDICATIONS 1/ - Dispositif de modulation d'une onde incidente de fréquence F déterminée, destiné à engendrer une onde réfléchie modulée en amplitude et en phase, caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison - une antenne (2) d'impédance réelle Za, apte à capter et 8 réémettre sur le fréquence F précitée, - un circuit oscillant (3) couplé en réflecteur sur l'antenne et présentant une bande passante de largeur prédéterminée, - une réactance variable commandable en tension (8, 9), faisant partie dudit circuit oscillant (3) de façon à lui conférer une fréquence d'accord F var fonction de son impédance, ledit circuit oscillant ayant des caractéristiques adaptées pour permettre une variation de la fréquence d'accord #var sur une plage encadrant la fréquence F de l'onde incidente de façon que, pour Fvar = F, ledit circuit oscillant présente un coefficient de réflexion minimum, - un générateur de tension de commande (1), couplé à la réactance variable (8, 9) en vue de sa commande et adapté pour enqendrer une tension de commande (Sc) variable dans le temps, ayant une étendue spectrale inférieure ou égale 8 la largeur de la bande passante du circuit oscillant (3). 2/ - Dispositif de modulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la réactance variable est réalisée su moyen d'une diode (8) polarisée en inverse, associée à une résistance (9), ladite diode présentant une capacité équivalente C var variable en fonction de la tension de commande (Sc), apte à prendre une valeur C permettant l'égalité FV8r = F. 3/ - Dispositif de modulation selon la revendication 2, caractérisé en ce que la réactance variable est réalisée au moyen d'une diode (8) dont le capacité équivalente C pour # var = F satisfait à le relation 4/ - Dispositif de modulation selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la réactance variable est réalisée au moyen d'une diode d'impédance interne variable #var et d'une résistance en série de valeur R satisfaisant à la relation où # var est le variation de l'impédance #ver correspondant à la plage de variation de la fréquence d'accord Fvar 5/ - Dispositif de modulation selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la réactance variable est réalisée eu moyen d'une diode d'admittance interne variable #ver et d'une résistance en parallèle de conductance G satisfaisant à la relation 6/ - Dispositif de modulation selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4 ou 5, caractérisé en ce que le circuit oscillant (3) comprenant la réactance variable présente des caractéristiques telles que la fréquence d'accord F ver varie dans une plage [ F, F + a rj où A F est l'amplitude algébrique maximum de variation de FVar, ledit circuit oscillant présentant ainsi un coefficient de réflexion minimum pour l'une des limites de la plage (Fvar = F). 7/ - Dispositif de modulation selon l'une des revendications I à 6, caractérisé en ce que le générateur de tension de commande (1) est couplé à la réactance variable (8, 9) par l'entremise d'un filtre (4) en vue d'éviter un transfert d'énergie haute fréquence vers le générateur et d'éliminer la composante continue de la tension de commande. 8/ - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, pour la modulation d'une onde incidente de fréquence F inférieure à 3 GHz, dans lequel le circuit oscillant comprend une association de selfs, condensateurs et résistances localisées, couplées à une réactance variable réalisée au moyen d'une diode Schottky ou à jonction PN polarisée en inverse. 9/ - Dispositif selon l'une des revendications I à 7 pour la modulation d'une onde incidente de fréquence F comprise entre 1 et 30 GHz, dans lequel le circuit oscillant comprend une association de tronçons de lignes imprimées, condensateurs et résistances, couplées à une réactance variable réalisée au moyen d'une diode Schottky ou à jonction PN polarisée en inverse. 10/ - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, pour la modulation d'une onde incidente de fréquence F supérieure b 10 GHz, dans lequel le circuit oscillant comprend une association de guides d'onde et d'obstacles couplés à une réactance variable réalisée au moyen d'une diode Schottky ou à jonction PN polarisée en inverse.