Brevet FR2660438A1 — publié le 19911004

ANTENNE ACTIVE DE TRANSMlSSION BIDIRECTIONNELLE. La présente invention concerne un circuit de communication bidirectionnelle, par ondes hyperfréquences, entre une station centrale ou balise fixe, équipée d'un système d'émission et de réception de signaux, et une station terminale ou dispositif mobile, autonome en énergie Plus précisément, l'invention concerne un circuit dénommé "antenne active" qui, dans le dispositif mobile de type badge portable, assure une veille des signaux d'interrogation et, les ayant détectés, active le dispositif mobile afin qu'il émette à son tour, avec plus de puissance, des signaux codés en réponse à l'interrogation. Ce type d'échange de données trouve une application, par exemple, dans le télépéage, la télébilletique ou l'identification ou localisation de mobiles Le dispositif mobile se présente comme une carte à puce, portée par une personne, ou un objet en défilement Alimenté par de petites piles "boutons", il doit être extrêmement économe en énergie. Le schéma d'ensemble de ce type d'échange de données est en soi connu, et est rappelé en figure 1 Une balise 1 échange des signaux hyperfréquences avec un badge portable 2 qui comprend une antenne active 3 et des circuits de commande 4, les deux étant alimentés en énergie par une alimentation 5, essentiellement une ou plusieurs piles. L'antenne active 3 comprend elle-même une ou deux antennes 6-7 d'émissionréception, un circuit hyperfréquence, modem 8, pour moduler et démoduler l'information transmise, sous forme d'impulsions logiques, un circuit d'interface 9 hyperfréquence-basses fréquences, pour permettre la liaison avec les circuits de commande 4 qui comportent par exemple un microprocesseur et des mémoires. La modulation utilisée dans cette application est de type OOK, c'est à dire une modulation d'amplitude en tout ou rien de la porteuse hyperfréquence En mode interrogation, la balise émet une onde modulée, impulsions ou créneaux En mode réception, la balise émet une onde pure et le badge portable émet une onde modulée. Par conséquent, le badge doit pouvoir fonctionner dans deux états: en réception, sous une très faible consommation d'énergie (quelques microampéres), car c'est son état quasi-permanent, il doit pouvoir recevoir et démoduler un signal d'interrogation émis par la balise fixe, en émission, après avoir identifié un interrogateur, il doit pouvoir émettre avec une puissance suffisante (quelques milliampères) un signal à modulation personnalisée. Il faut donc commuter le badge portable, pour le faire passer d'un état à un autre état, de la façon la plus simple possible pour que la consommation à l'état de veille soit très faible. Selon l'invention, les fonctions de détection et d'émission, ainsi que l'organe de commutation, sont assurées par un seul dispositif semiconducteur qui est soit un transistor à effet de champ, soit un amplificateur à transistors à effet de champ Par déplacement du point de polarisation de ce transistor, celuici fonctionne soit en un excellent détecteur d'une onde hyperfréquence, soit en amplificateur Le déplacement du point de polarisation est luimême obtenu par la commutation entre deux jeux de résistances commandées par des signaux provenant des circuits de commande 4. De façon plus précise, l'invention concerne une antenne active de transmission bidirectionnelle d'informations, par modulation/démodulation d'une porteuse hyperfréquence, entre une station centrale, qui émet de premiers signaux modulés d'interrogation, et une station terminale, qui lui répond par de seconds signaux modulés, la station terminale comportant ladite antenne active qui est caractérisée en ce que son moyen de démodulation/modulation ou modem est constitué par un transistor, dont le courant de polarisation est commuté entre une valeur faible à la réception, le transistor étant dans l'état détecteur/démodulateur, et une valeur élevée à l'émission, le transistor étant dans l'état amplificateur/modulateur. L'invention sera mieux comprise par la description détaillée qui suit d'un exemple d'application, en liaison avec les figures jointes en annexe, qui représentent: figure 1: schéma d'ensemble d'un système d'échange de données par ondes hyperfréquences, exposé précédemment, figure 2 schéma de montage d'un transistor en détecteuramplificateur, selon l'invention, figure 3: courbe de caractéristique Ids = f (V gs) telle qu'utilisée dans le montage selon l'invention, figure 4 réseau de polarisation d'un transistor, selon l'invention figure 5 diagramme dans le temps des signaux de commutation, figure 6 schéma électrique de l'antenne active selon l'invention. De façon à rendre les explications plus claires, l'invention sera exposée en choisissant comme composant actif un transistor à effet de champ, ce qui ne limite pas la portée de l'invention: un amplificateur de type MMIC a également un transistor à effet de champ comme étage d'entrée. Ce transistor est, dans l'état actuel de la technique, et compte tenu des fréquences utilisées ( 1 à 100 G Hz), préférentiellement en Ga As ou en matériaux de type III-V, tels que Ga Al As, In P etc Cependant, l'invention couvre également l'utilisation de transistors en silicium, lorsqu'ils sont poussés à leurs fréquences extrêmes, de l'ordre de quelques gigahertz. La partie hyperfréquences 8, ou modulateurdémodulateur de la figure 1, utilise un transistor à effet de champ couplé à deux antennes, comme montré en figure 2. Le signal d'entrée, issu de la balise fixe 1, est reçu par l'antenne 6 de détection: il est appliqué sur la grille du transistor 10 à travers un premier réseau d'adaptation 11. Celui-ci, composé d'éléments de microbandes de longueur X g "émission", vis à vis de l'antenne 6, qui est imprimée. La source du transistor 10 est à la masse. Sur le drain est monté un second réseau d'adaptation d'impédance 12, entre le transistor 10 et l'antenne d'émission 7 Ce second réseau d'adaptation 12 est constitué, comme le premier réseau 11, d'éléments de ligne adaptés Il permet, dans l'état "réception", l'extraction du signal démodulé, qui est adressé en basse fréquence, par une sortie démodulée non représentée sur cette figure, au circuit de commande 4 Il permet également, dans l'état "émission" l'adaptation d'impédance du drain vis à vis de l'antenne 7, également imprimée. Les deux antennes 6 et 7 sont constituées par des fentes dans le plan de masse du substrat diélectrique qui supporte le transistor 10 et les éléments de ligne Sur la face côté transistor, deux éléments de ligne coupent à angle droit les deux fentes démétallisées de l'autre face. Les tensions de polarisations Vgs et Vds sont appliquées sur la grille et le drain du transistor 10 à travers un réseau de lignes de longueurs -\ g/4 Soit A et B les points en lesquels sont appliquées, respectivement, les tensions Vgs et Vds. Selon l'invention, on force le transistor 10 à fonctionner sous deux polarisations: suivant son point de polarisation, un transistor à effet de champ constitue un excellent détecteur de puissance, ou un amplificateur La figure 3 donne la caractéristique Ids = f (V gs) du courant de drain en fonction de la tension de grille. En réception, le transistor 10 fonctionne à très faible courant de drain (I ds = quelques ii A), et il se comporte en détecteur car il fonctionne sur le coude de la caractéristique Ids (Vgs), dans la région o elle n'est pas linéaire autour de la tension de pincement La sensibilité de détection ainsi obtenue est généralement supérieure à celle que l'on aurait pu obtenir avec des diodes Schottky Dans ces conditions de fonctionnement, le transistor 10 constitue le démodulateur de l'antenne active, et il transmet les signaux d'interrogation émis par la balise fixe. En émission, le point de polarisation du transistor 10 est déplacé de façon à obtenir un courant Ids 2 de quelques milliampères Les moyens de commutation seront exposés ultérieurement Le transistor se comporte alors en amplificateur, dont il suffit de moduler la tension de polarisation de grille Vgs ou de drain Vds pour engendrer une modulation d'amplitude le transistor 10 constitue un modulateur En outre, il y a gain de réémission et par conséquent augmentation de la portée du badge. La commutation d'un état à l'autre se fait par commutation de résistances, sous l'effet de commandes Ml et M 2, impulsions émises par le circuit de commande 4 Mais avant d'aborder l'exposé des moyens mis en oeuvre pour faire commuter le badge, il est nécessaire d'exposer le circuit à contre réaction qui a été mis au point pour éviter le tri des composants, au cours de la fabrication du badge. En effet, ce badge hyperfréquence est un produit de type "grand public", fabriqué en grandes quantités, et sur lequel il est indispensable d'éliminer tous les réglages liés à la dispersion des caractéristiques des composants Actuellement, ce sont les caractéristiques statiques du transistor hyperfréquence qui sont les plus dispersives Pour éviter un trop sévère de ce composant, ce qui en augmenterait le prix, circuit de contre-réaction, représenté en figure 4, a été mis point Son but est de corriger la tension Vgs en fonction courant Ids' et donc de la tension Vds' de polarisation transistor. Ce circuit très simple comprend une résistance de drain Rd, branchée entre le drain et source de polarisation positive + V, une résistance de grille Rg, branchée entre la grille et source de polarisation négative V, une résistance grille-drain Rgdy montée en pont entre grille et le drain, les trois résistances Rg Rgd et Rd étant série. tri un au du du t la la la en On a R Igs V g ( 2 V Rd Ids) Rg + Rgd avec R et Rgd " Rd Lorsque Ids augmente, l Vgs | diminue et entraîne une diminution de I d Et inversement si Ids diminue On a ainsi établi une relation entre le courant de polarisation I et la tension de grille Vgs qui permet l'utilisation de transistors ayant une dispersion de caractéristiques statiques beaucoup plus élevée que sans contre- réaction Ce circuit de contre-réaction permet d'accroître d'un facteur supérieur à 10 la dispersion acceptable sur la tension A Vgs, pour un même courant Ids' par rapport à un montage sans contre-réaction. Pour les mêmes raisons, ce circuit donne une meilleure maîtrise du point de polarisation en fonction de la fluctuation de la tension des piles qui fournissent + V et V. Ce circuit d'asservissement fonctionne dans les deux états de polarisation du transistor. En réception, lorsque le transistor fonctionne en démodulateur avec une polarisation à courant Ids très faible, les résistances Rg et Rgd ont des valeurs très élevées (tu 10 M CL) de façon à ne pas perdre d'énergie dans le pont diviseur Rg Rgdi et la résistance de drain Rd a une valeur de l'ordre de 100 k Q Il est également nécessaire d'ajouter une capacité C 1, entre la tension d'alimentation + V et la grille du transistor, de façon à annuler l'effet de la contre-réaction à la fréquence de démodulation En effet, celle-ci atténuerait fortement le courant de détection puisque son but est de réguler le courant Ids' En émission, lorsque le transistor fonctionne en modulateur-amplificateur, avec un courant Ids de quelques milliampères, la résistance de drain Rd doit être commutée sur une valeur de l'ordre de 0,1 k Q, pour permettre le gain, et les résistances Rg et Rgd de valeurs plus faibles (r\J 10 k A) de façon à supprimer tous les effets liés aux constantes de temps. La commutation des résistances se fait au moyen de deux transistors, selon le schéma de la figure 6, et sous l'action de deux signaux de commande Ml et M 2, qui agissent selon le diagramme de la figure 5. Ml et M 2 sont émis par les circuits de commande 4 Le signal Ml qui commande le changement du point de polarisation du transistor, est égal à + V tant que le badge est à l'état de détection -c'est à dire la majeure partie du temps et il est égal à V pendant le temps d'émission de signaux par le badge. Tant que Ml est à + V, le signal M 2 est à -V, et pendant le temps d'émission M 2 est un signal en créneaux entre + V et -V, à une fréquence de l'ordre de 100 K Hz à l M Hz. En figure 6, on voit que le signal Ml est appliqué sur la base d'un transistor bipolaire PNP 14, à travers une résistance 19 L'émetteur de ce transistor 14 est réuni au point commun entre Rd et Rgdi et le collecteur est réuni à travers une résistance 16, au point commun entre Rgd et R A partir de ce point commun, une diode 17 et une résistance 18 rebouclent sur le terminal d'entrée du signal Ml. Par ailleurs, le signal M 2 est appliqué, à travers une résistance 15 (r,, 100 k-Q), sur la grille d'un transistor à effet de champ 13, monté en dérivation sur la résistance Rd Au point commun entre Rd et Rgdi une sortie envoie vers les circuits de commande 4 les signaux démodulés, au cours de l'interrogation du badge par la balise fixe. Lorsque le signal Ml est à -V, la diode 17 et le transistor 14 sont conducteurs: le point de polarisation du transistor 10 est fixé par les résistances 16 et 18, ainsi que par les valeurs fixes des tensions de saturation de la diode 17 et du transistor 14 En effet, les résistances 16 et 18 sont de faibles valeurs (cv 10 k Q) comparées à celles de Rgd et Rg (r' 10 MIL) et ces deux ponts diviseurs sont montés en parallèle Dans cet état, le transistor 10 fonctionne en amplificateur: la modulation des signaux émis lui est imposée par le signal M 2, sur son drain. Pendant la détection (Ml = +V) le signal M 2 est à V, le transistor 13 est bloqué, et la résistance R et R (gd 10 M-Q) imposent un courant Ids faible. Pendant l'émission (Ml = V) le signal M 2 est modulé entre + V et V Lorsque M 2 = + V, le transistor 13 est débloqué, et la résistance Rd (''100 k-Q) est shuntée par la résistance équivalente drain-source du transistor 13 ( {v O,1 k Q), qui régule le courant Ids du transistor 10 par contre-réaction. Lorsque M 2 = -V, les résistances Rd est élevée puisque le transistor 13 est bloqué: la tension Vds du transistor 10 est inférieure à OV et il présente des pertes élevées aux hyperfréquences On a donc réalisé, à l'aide du signal M 2, une modulation d'amplitude du signal de drain, émis par l'antenne 7 à travers le réseau d'adaptation 12. On a introduit une résistance Rc, de l'ordre de 100 kf L, en série avec C 1 pour les raisons suivantes: en réception elle est sans effet puisque sa valeur est très inférieure à Rgd ET Rg et la capacité C 1 joue bien son rôle en émission elle annule l'effet de la capacité C 1 puisque RC est très supérieure à R 16 et R 18 En effet compte tenu des fréquences de rémodualtion du signal hyperfréquence pouvant aller jusqu'à 1 M Hz, il est nécessaire de s'affranchir de la constante de temps ou émission indutie par C 1. Si l'on considère que les transistors 13 et 14 ne sont que des moyens de commutation, il apparaît que l'antenne active 3 du badge portable ne comporte qu'un seul transistor 10 qui, selon le point de polarisation qui lui est imposé par le circuit de contre-réaction, fonctionne en détecteur/démodulateur ou en émetteur/modulateur. L'invention a été exposée en S 'appuyant sur l'exemple d'un transistor à effet de champ 10: il est évident que celui-ci peut être soit en matériaux rapides de genre Ga As, Ga Al As ou en silicium, compte tenu des progrès récents en fréquences des semiconducteurs en silicium L'unique transistor 10 peut également n'être que l'étage d'entrée d'un amplificateur en circuit intégré, comportant plusieurs étages. De la même façon, il a été écrit, pour fixer les idées, que la balise est fixe et le badge hyperfréquence mobile. L'invention demeure valable si une balise, qui constitue un système d'interrogation, défile devant des badges fixes, puisque, de façon générale, l'invention concerne un système d'échange de données par hyperfréquences entre un dispositif interrogateur et un dispositif répondeur. REVENDICATIONS 1 Antenne active de transmission bidirectionnelle d'informations, par modulation/démodulation d'une porteuse hyperfréquence, entre une station centrale ( 1), qui émet de premiers signaux modulés d'interrogation, et une station terminale ( 2), qui lui répond par de seconds signaux modulés, la station terminale ( 2) comportant ladite antenne active ( 3) qui est caractérisée en ce que son moyen de démodulation/modulation ou modem ( 8) est constitué par un transistor ( 10), dont le courant de polarisation (Ids) est commuté entre une valeur faible à la réception, le transistor ( 10) étant dans l'état détecteur/démodulateur, et une valeur élevée à l'émission, le transistor ( 10) étant dans l'état amplificateur/modulateur. 2 Antenne active selon la revendication 1, caractérisée en ce que le circuit de commutation du courant de polarisation du transistor ( 10) est constitué par trois résistances (Rd, Rgd> R) de valeurs élevées montées en série entre les deux pôles (+V, -V) d'une alimentation en tension ( 5), la seconde résistance (Rgd) de cette série étant connectée entre la grille et le drain du transistor ( 10) dont la source est à la masse, ces trois résistances (Rd, Rgd 3 Rg) étant commutées d'une valeur élevée dans l'état démodulation à une valeur faible dans l'état modulation au moyen de transistors ( 13,14) montés en parallèle et commandés par deux signaux de commutation (Ml, M 2) qui prennent alternativement les valeurs positives (+V) et négatives (-V) de l'alimentation ( 5). 3 Antenne active selon la revendication 2 caractérisée en ce que la première résistance (Rd) ou résistance de drain est montée en parallèle avec un deuxième transistor à effet de champ ( 13), dont la grille est commandée par le second signal (M 2) issu d'un circuit de commande ( 4) de la station terminale, il le pont diviseur, formé par la seconde résistance (Rgd) ou résistance grille-drain et par la troisième résistance (R) ou résistance de grille, est monté en parallèle avec un second pont diviseur formé par une quatrième résistance ( 16) de faible valeur, le point commun aux seconde et troisième résistances (Rgd, R) étant réuni au point commun à la quatrième résistance ( 16) et à la diode ( 17), la commutation entre le premier et le second ponts diviseurs étant assurée par un troisième transistor ( 14) bipolaire, dont la base est commandée par le premier signal (Ml) issu d'un circuit de commande ( 4), ce premier signal (Ml) étant en outre appliqué sur la cinquième résistance ( 18) du second pont diviseur. 4 Antenne active selon la revendication 3, caractérisée en ce que, dans l'état de démodulation, le premier signal (Ml) est égal à la tension négative (-V) et le second signal (M 2) est modulé entre la tension positive (+V) et la tension négative (-V) de l'alimentation ( 5). Antenne active selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'une capacité (CI) est montée entre la grille du transistor ( 10) et la tension positive (+ V) de l'alimentation ( 5), de valeur telle que sa constante de temps soit supérieure à la période de modulation du signal d'interrogation. 6 Antenne active selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'une sortie démodulée est prélevée sur le drain du transistor ( 10) et adressée au circuit de commande ( 4) de la station terminale ( 2). 7 Antenne active selon la revendication 1, caractérisée en ce que le transistor ( 10) est l'étage d'entrée d'un amplificateur en circuit intégré. 8 Antenne active selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle travaille dans la gamme hyperfréquence de 1 à 100 G Hz.