Brevet FR2664448A1 — publié le 19920110

"DISPOSITIF EMETTEUR-RECEPTEUR INCLUANT UN CIRCUIT INTEGRE COMPRENANT UN CIRCULATEUR/DUPLEXEUR DE FREQUENCES" L'invention concerne un dispositif émetteur-récepteur incluant un circuit intégré comprenant un duplexeur de fréquences pour émettre un premier signal et recevoir un second signal sur un pôle unique. L'invention trouve son application dans 1 'émission et la réception dans le domaine hyperfréquences au moyen d'une seule antenne1 les signaux émis étant isolés des signaux transmis par cette antenne unique au moyen d'un duplexeur intégré. Un duplexeur intégré, ou duplexeur actif est connu de la publication intitulée : "Distributed amplifiers as duplexer/low cross talk bidirectional element in S band" par O.P. LEISTEN, R.J.COLLIER ET R.N.BATES dans "Electronics Letters March 3, 1988, Vol.24, N"5, p.264-265". Il faut d'abord rappeler que le problème technique qui se pose à l'homme du métier qui désire n'utiliser qu'une seule antenne pour l'émission et pour la réception de deux signaux à des fréquences différentes, avec des amplitudes différentes, est la réalisation d'un séparateur de signaux, encore appelé duplexeur, qui permet d'éviter la diaphonie, c'est-à-dire l'intermodulation des signaux émis et reçus. Un autre problème technique qui se pose à l'homme du métier est la réalisation d'un tel duplexeur sous la forme intégrée. La résolution de ces problèmes permet de diminuer les coûts de fabrication, ce qui est un avantage important notamment dans les domaine des produits grand-public, comme le domaine de la télévision ou de l'électronique automobile par exemple. Il est connu du document cité précédemment que le problème de la séparation des signaux émis et reçus peut être résolu par un duplexeur actif constitué par un amplificateur distribué intégrable travaillant en hyperfréquences. L'amplificateur distribué décrit dans la publication citée présente cependant quelques inconvénients - il est certes intégrable mais il occupe une surface importante ; bien que cette surface puisse être diminuée lorsque le circuit est conçu pour travailler dans le domaine des hyperfréquences (60 GHz), elle est cependant considérée par le concepteur de circuit intégré comme trop importante dans tous les cas - ce circuit est complexe à réaliser - la diaphonie due à ce circuit est encore trop importante ; notamment elle est beaucoup plus importante que celle de circulateurs hybrides non intégrables ; en effet l'intermodulation est due, dans le circuit décrit dans le document cité, à la non linéarité des éléments actifs - ce circuit est bruyant. Ces problèmes sont résolus selon l'invention par un dispositif émetteur-récepteur incluant un circuit intégré comprenant un duplexeur de fréquences pour émettre un premier signal et recevoir un second signal sur un pôle unique, caractérisé en ce que le duplexeur de fréquences intégré est un coupleur directionnel ayant deux dits premiers pôles reliés par couplage électromagnétique à deux dits seconds pôles, en ce que l'un des dits premiers pôles constitue une entrée pour le premier signal provenant d'un premier amplificateur, et l'autre dit premier pôle une sortie pour le second signal, lequel se propage vers l'entrée d'un second amplificateur, et en ce que l'un des dits seconds pôles constitue une sortie pour le premier signal et une entrée pour le second signal et l'autre des dits seconds pôles est isolé. Le dispositif émetteur-récepteur selon l'invention présente alors les avantages suivants - le duplexeur de fréquences, nécessaire à son fonctionnement, est intégrable, avec une surface occupée inférieure à celle de l'amplificateur distribué connu ; - la diaphonie est quasiment nulle - le bruit est minimisé. L'invention sera mieux comprise au moyen de la description suivante illustrée par les figures annexées dont - la figure 1 qui représente schématiquement un dispositif émetteur-récepteur à une seule antenne - la figure 2 qui représente schématiquement un dispositif émetteur-récepteur muni d'un coupleur de Lange - la figure 3a qui représente une structure de coupleur de Lange à titre exemplatif, vue du dessus - la figure 3b qui représente la même structure plus détaillée en perspective dans des proportions relatives non à l'échelle, pour mieux comprendre son fonctionnement. - la figure 4 qui représente un coupleur à branches - la figure 5 qui représente un circuit de tête hyperfréquence de module réception-émission d'un radar Tel que représenté sur la figure 1, un dispositif émetteur-récepteur classique, connu de tout homme du métier comprend une entrée 1 pour un premier signal V1, à la fréquence F1, se propageant à travers un amplificateur 81 puis à travers un duplexeur 10, vers une antenne A, puis vers le milieu extérieur. Ce signal est appliqué au pôle N1 du duplexeur 10 et sort au pôle N3 de ce duplexeur 10. Ce dispositif comprend en outre1 une sortie 2 pour un second signal V2 à la fréquence F2. Ce signal est d'abord capté par la même antenne A puis il se propage à travers le duplexeur 10, dans lequel il entre au pôle N3 et à travers un amplificateur A2 vers la sortie 2. Les problèmes qui se posent dans les émetteursrécepteurs hyperfréquences, c'est-à-dire fonctionnant jusqu'à des fréquences autour de 60 GHz résident dans les faits que a) une seule antenne doit être utilisée pour des raisons économiques b) le signal émis V1 a généralement une amplitude très supérieure à celle du signal reçu V2 c) il ne doit cependant pas se produire d'intermodulation ; d) le dispositif doit montrer une très bonne adaptation e) les pertes doivent être faibles f) la fréquence d'utilisation est éventuellement élevée, par exemple 60 GHz g) le dispositif doit être intégrable. et éventuellement h) la bande de fréquence doit être large De préférence, on utilisera la technologie microruban qui est décrite dans l'exemple I et qui est une des mieux appropriée à l'intégration. ExemPle I Dans cet exemple, ces problèmes sont résolus en utilisant comme duplexeur 10, un coupleur "de Lange" connecté aux autres éléments du circuit d'une manière spéciale à l'invention. Un coupleur de Lange est connu de l'homme du métier par la publication : "Integrated Stripline Quadrature Hybrids" IEEE, MTT, Déc.1969, pp.1150-1151. Ce coupleur connu est réalisé en technologie microruban, c'est-à-dire au moyen de conducteurs microrubans disposés sur une première face d'un substrat d'épaisseur donnée, dont la seconde face reçoit un plan de masse. Ce coupleur est constitué par au moins 3 conducteurs parallèles reliés 2 à 2 en alternance pour former une structure interdigitée. La publication citée montre un coupleur 3 dB à 5 conducteurs. Un couplage par champ électromagnétique apparaît entre les conducteurs parallèles adjacents. La figure 3a ci-après représente schématiquement ce coupleur connu vu du dessus. Tel que représenté sur la figure 3a, ce coupleur 10 comprend deux pôles dits d'entrée N1 et N2, et deux pôles dits de sortie N3 et N4. Selon la figure 3a, le coupleur de Lange est constitué de 5 conducteurs microrubans parallèles dont un conducteur dit principal 110, relié électriquement aux conducteurs 111 et 114, et deux conducteurs 112 et 113 reliés électriquement entre eux, et formant une structure interdigitée du fait que le conducteur 112 est disposé entre les conducteurs 110 et 111 et le conducteur 113 entre des conducteurs 110 et 114. Le coupleur est symétrique : c'est-à-dire que si N3 et N4 sont des entrées, alors N1 et N2 sont des sorties. Les conducteurs 110 et 111 sont reliés électriquement directement au pôle N1 par un conducteur 101. Les conducteurs 110 et 114 sont reliés électriquement directement au pôle N4 par un conducteur 104. Le conducteur 112 et le conducteur 113 sont reliés électriquement aux pôles N2 et N3 respectivement par des conducteurs 102 et 103. En effet - le point milieu 110a du conducteur principal 110 est relié d'une part à l'extrémité ouverte villa de la ramification 111 et d'autre part à l'extrémité ouverte 114a de la ramification 114 - l'extrémité ouverte 112a du conducteur 112 est reliée au point commun 113b des conducteurs 113 et 103 - l'extrémité ouverte 113a du conducteur 113 est reliée au point commun 112b des conducteurs 112 et 102. Les pôles N2 et N3 sont reliés électriquement, par ce montage, en croix par rapport aux pôles N1 et N4, comme montré sur la figure 2 et sur la figure 3a. D'autre part, les conducteurs adjacents 110 et 112, et 110 et 113, sont respectivement parallèles sur une longueur L. Alors que, dans la structure interdigitée 110, 11f, 112, le conducteur 111 est parallèle au conducteur 112 sur une longueur inférieure Q égale à L/2. Il en est de même dans la structure interdigitée 110, 114, 113, où le conducteur 114 est parallèle au conducteur 113 sur une longueur également Q. L peut être de l'ordre du quart de la longueur d'onde du signal transporté. Le fonctionnement du coupleur de Lange est fondé sur le principe suivant : il se forme un couplage par champ électromagnétique entre les conducteurs parallèles au conducteur principal 140. Ce couplage peut être de type capacitif ou inductif selon les rapports entre la longueur L du conducteur principal 110 et la longueur d'onde A des signaux qui se propagent dans le coupleur. si : A/4 si : L si : L : A/4, le couplage est à la fois inductif et capacitif. D'autre part, il existe un déphasage Aç entre les signaux portés par les conducteurs 103 et 104 par exemple. Ce déphasage Aç est équivalent à 900 pour L = A/4. Selon l'invention, on fait circuler dans ce coupleur deux signaux V1 et V2 à deux fréquences différentes F1 et F2. Comme le coupleur de Lange est large bande, supérieure à 1 octave, la différence entre les fréquences F1 et F2 n'est pas un inconvénient si elle est inférieure à cette bande passante, par exemple inférieure à 1 octave. On choisira cependant la longueur L de la branche principale en fonction de la longueur d'onde A du signal le plus faible, généralement V2. Dans des variantes de l'invention, pour augmenter le facteur de couplage, on peut prévoir une structure de coupleur de Lange ayant plusieurs structures interdigitées telle que celles formées par les conducteurs 111 et 112 d'une part et 113 et 114 d'autre part. Le coupleur doit montrer un centre de symétrie L'augmentation du nombre des doigts permet d'augmenter le facteur de couplage et de diminuer les pertes dans le coupleur. Ainsi avec 4 doigts (ou 5 conducteurs), les pertes sont de 3dB ; avec 6 doigts (ou 7 conducteurs), les pertes sont de 2dB, etc... D'autre part, l'augmentation du nombre de doigts permet aussi d'augmenter la bande passante du dispositif. Selon l'invention, pour réaliser le dispositif émetteur-récepteur, le premier signal V1 à la fréquence F1 est appliqué sur le pôle Ni du coupleur de Lange tel que représenté sur la figure 3a, et sort par le pôle N3, pour etre émis ensuite par une antenne A vers le milieu extérieur. Le second signal V2, à la fréquence F2, capté par l'antenne est appliqué au coupleur de Lange sur le même pôle N3 (de manière à résoudre le problème de l'utilisation d'une antenne unique), et sort du coupleur par le pôle N2. Le quatrième pôle N4 du coupleur de Lange est relié à la masse à travers une impédance ZC. Donc, selon l'invention, le conducteur 101 (ou pôle N1) est une entrée, le conducteur 102 (ou pôle N2) est une sortie, le conducteur 104 (ou pôle N4) est isolé, et le conducteur 103 (ou pôle N3) est à la fois une entrée et une sortie. Alors que, selon une utilisation connue de l'homme du métier, le conducteur 103 est par exemple uniquement une entrée et les conducteurs 101 et 102 sont alors uniquement des sorties déphasées, le conducteur 104 étant quant à lui isolé. Le coupleur est raccordé comme montré sur la figure 2 d'une part à l'antenne A et d'autre part aux amplificateur A1 et A2- Ainsi pour atteindre les buts de l'invention, comme il est montré sur la figure 2, le signal Vi à la fréquence F1 à émettre est traité par un amplificateur 81 à fort gain et forte isolation, et le signal V2 de fréquence F2 reçu est traité par un amplificateur A2 bas bruit.Dans ce cas, le fonctionnement du dispositif émetteur-récepteur est le suivant Le signal V1 à émettre à la fréquence F1 entre d'abord au noeud 1 du dispositif émetteur-récepteur, puis est traité par l'amplificateur A1. Il passe ensuite par couplage du pôle N1 au pôle N3 Le signal V1 à émettre à la fréquence Ft passe en outre directement par conduction dans l'impédance caractéristique Zc connectée au pôle de sortie N4 Le signal à émettre V1 à la fréquence F1 se propage ensuite du pôle N3 du coupleur vers le milieu extérieur au moyen de l'antenne A. Cette dernière reçoit le second signal V2 à une autre fréquence F2, d'amplitude généralement beaucoup plus faible que le premier signal V1 de fréquence F1. Ce second signal V2 passe par conduction, directement du pôle d'entréesortie N3 au pôle de sortie N2. Puis le second signal V2 est traité comme déjà dit par l'amplificateur A2 faible bruit et sort du dispositif au noeud 2. Le second signal V2 ou signal reçu à la fréquence F2, passe cependant aussi par couplage du pôle N3 au pôle N1, mais - d'une part, il est de faible amplitude - d'autre part, il se trouve, après le pôle N2, devant la sortie de l'amplificateur A1 à forts gain et isolation. Il ne peut donc pas être retrouvé au noeud 1 d'entrée. De ce fait le but de l'invention qui est de réussir la propagation des signaux Vi et V2 sans intermodulation est atteint. Si l'on considère un coupleur de Lange tel que connu de l'état de la technique, en fait, seul le signal V2 est traité d'une manière sensiblement traditionnelle. En effet, pour ce signal, N3 est une entrée et que N1 et N2 sont des sorties couplées et déphasées. L'application du signal V1 sur ce système est alors complètement originale. En effet, d'une part, selon l'invention le signal V1 n'est pas traité du tout de la manière traditionnelle connue. Et d'autre part, l'état de la technique n'enseigne pas non plus à appliquer simultanément deux signaux différents, tels que V1 et V2 sur le même coupleur. Une originalité de l'invention réside donc dans le fait d'appliquer à la fois au coupleur deux signaux V1 et V2, de fréquence et 'amplitude différents et d'obtenir la propagation de ces signaux sans intermodulation. Dans lâ technologie microruban préconisée pour fabriquer le coupleur de Lange, les connexions sont réalisées au moyen de fils très fins et très courts, fixés par exemple par thermocompression, ou bien par des interconnexions classiques faisant intervenir deux niveaux métalliques séparés par une couche isolante dans une technologie de circuits intégrés. Les dimensions transversales des conducteurs 111, 112, 113, 114 (conducteurs parallèles au conducteur principal 110) sont w qui est aussi la dimension du même conducteur principal 110. Ces conducteurs sont séparés les uns des autres (d'un bord au bord le plus proche) d'une distance s. Les conducteurs 101, 102, 103, 104 d'entrée et sortie ont quant à eux une dimension transversale wz appropriée à éviter les pertes. Tel que représenté en perspective sur la figure 3b, le coupleur de Lange comprend les conducteurs microrubans parallèle 110 à 114,-disposés sur une face d'un substrat 100 d'épaisseur h, et un plan de masse M disposé sur la seconde face, ou face arrière dudit substrat 100. Les avantages obtenus par l'utilisation d'un coupleur de Lange monté selon l'invention sont nombreux - on s'affranchit par ce montage, du fait que le coupleur de Lange est un élément passif, des effets des nonlinéarités du dispositif actif (amplificateur distribué) connu de l'état de la technique - le coupleur de Lange est intégrable du fait de ses dimensions, au contraire d'autres dispositifs passifs connus de l'homme du métier sous le nom de circulateurs, qui permettaient aussi une séparation des signaux, mais qui, du fait qu'ils ne sont pas intégrables, sont exclus des technologies du futur - l'isolation du pôle N1 vis-à-vis du pôle N2 est très bonne (20 à 35 dB) - les pertes sont faiblès (1 à 3 dB) - l'adaptation est très bonne (meilleure que 25 dB) - les "traces" de V2 au pôle N1 ne peuvent se retrouver au noeud d'entrée 1;; - il n'y a donc pas d'intermodulation entre les signaux V1 et V2 - les pertes peuvent être minimisées au besoin comme il a été dit, et la bande de fréquence peut être choisie plus ou moins large, en agissant sur les facteurs w, s, L du coupleur de Lange - la structure du coupleur de Lange en technologie microruban est aisée à mettre en oeuvre et d'un coût de réalisation faible - cette technologie est tout à fait compatible avec la technologie des circuits intégrés MMICs (Monolithic Microwave Integrated circuits) Dans un exemple de réalisation on choisira, pour l'application aux hyperfréquences Zc = 50 ohms w = 9 microns L - 400 pm pour 60 GHz s : 7 microns. ExemPle II Dans cet exemple, les buts de l'invention sont atteints en utilisant comme duplexeur 10, un coupleur à branches, tel que décrit par exemple dans la publication "Millimeter wave engineering and applications" par P. BHARTIA et I.J. BAHL chez John Wiley and Sons, New-York (A Wiley Interscience Publication) p.355, ou bien encore dans la publication de Microwave Journal, July 1988 p.119 et pp.122-123, intitulée "Microstrip Power Dividers at mm-wave frequencies" par Mazen Hamadallah (p.115). Comme décrit dans ces publications, et illustré ci-après par la figure 4, un coupleur à brandies comprend deux sections de ligne 201 et 202 de longueur L et d'impédance Zcf2, raccordées à chacune de leurs extrémités par deux sections de ligne 203 et 204 d'impédance Zc et de longueur L. En série avec les premières sections de ligne 201 et 202, on trouve des sections de ligne pour former les pôles N1 et N2 d'une part, et N3 et N4 d'autre part, d'impédance chacune Zc. Selon les documents cités, L = A/4 où A serait la longueur d'onde du seul signal d'entrée appliqué sur un pôle par exemple N3. Le pôle N4 serait isolé. Un signal direct serait recueilli sur le pôle N1 et un signal couplé sur le pôle Nz. Selon l'invention au contraire comme montré sur la figure 2, on applique comme précédemment deux signaux d'entrée l'un V1, sur le pôle Ni, l'autre V2 sur le pôle N3 (via l'antenne unique A). Le pôle N4 est le pôle isolé, le pôle N2 est le pôle de sortie pour le signal Vz et le pôle N3 est le pôle de sortie pour le signal V1. Comme dans l'exemple I, et tel qu'illustré par les figures 1 et 2, on adjoint au coupleur des amplificateurs A et A2 pour optimiser les résultats. La technologie mise en oeuvre est la même que dans l'exemple I, et les résultats sont identiques sauf en ce qui concerne la bande passante qui est moins large. Cependant, pour augmenter la bande passante, le coupleur à branches peut être muni de plusieurs branches parallèles aux branches 201 et 202. La surface occupée par le dispositif selon l'exemple II est en outre un peu supérieure à celle qui est occupée par le dispositif selon l'exemple I, mais ce dispositif est néanmoins parfaitement intégrable. ExemPle III Dans un exemple d'utilisation des circuits selon les exemples I ou II, pour réaliser une tête hyperfréquence d'un module d'émission-réception de radar, comme représenté sur la figure 5, on dispose d'un générateur 8 de signal V1 à la fréquence F1 dit oscillateur local OL dont le signal est appliqué sur l'amplificateur A1 éventuellement formé de deux amplificateurs de moyenne puissance 'j, i, puis le signal est appliqué sur le pôle N1 du coupleur 10.Le pôle N3 est appliqué sur l'antenne A, le pôle N4 est relié à la terre par l'intermédiaire de l'impédance Zc, par exemple 50 Q, le pôle N2 est relié à l'entrée de l'amplificateur h2 formé éventuellement de deux amplificateurs faible bruit '2, A"2 La sortie de l'amplificateur A2 est appliquée sur un mélangeur 9 qui reçoit par ailleurs également le signal à la fréquence F1 provenant de l'oscillateur local 8 et dont la sortie fournie la fréquence intermédiaire IF = F 2-Fl1. Les app ications d'un tel circuit sont nombreuses . Communication sans fil (en anglais : MOBILE COMMUNICATION), Radar doppler, . Application aux faisceaux hertziens, à l'électronique automobile (radar anti-collision, mesure des vitesses) etc... En particulier dans le domaine de l'automobile, on doit disposer d'une part de circuits intégrables pour des raisons de coûts de fabrication et d'autre part de circuits travaillant dans la bande 60 à 80 GHz pour des raisons d'encombrement spectral. Le circuit selon l'invention est à la fois intégrable et parfaitement apte à travailler à des fréquences aussi élevées. Il répond donc tout à fait à ces conditions, aussi sévères soient elles. REVENDICATIONS 1. Dispositif émetteur-récepteur incluant un circuit intégré comprenant un duplexeur de fréquences pour émettre un premier signal et recevoir un second signal sur un pôle unique1 caractérisé en ce que le duplexeur de fréquences intégré est un coupleur directionnel ayant deux dits premiers pôles reliés par couplage électromagnétique à deux dits seconds pôles, en ce que l'un des dits premiers pôles constitue une entrée pour le premier signal provenant d'un premier amplificateur, et l'autre dit premier pôle constitue une sortie pour le second signal, lequel se propage vers l'entrée d'un second amplificateur, et en ce que l'un des dits seconds pôles constitue une sortie pour le premier signal et une entrée pour le second signal et l'autre des dits seconds pôles est isolé. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le duplexeur est un coupleur dit de Lange dans lequel le pôle constituant à la fois la sortie du premier signal et-l'entrée du second signal, est le pôle qui est relié au pôle d'entrée pour le premier signal par couplage électromagnétique et qui est relié directement au pôle de sortie pour le second signal. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le duplexeur est un coupleur dit à branches, dans lequel le pôle constituant à la fois la sortie du premier signal et l'entrée du second signal est le pôle qui est relié directement au pôle d'entrée pour le premier signal et qui est couplé au pôle isolé. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le duplexeur est constitué de lignes du type microruban. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la longueur des lignes de couplage est de l'ordre du quart de la longueur d'onde de l'un des signaux, par exemple celle du signal de plus faible amplitude. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier amplificateur est du type à fort gain et grande isolation, et le second amplificateur est du type dit bas-bruit. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le pôle du duplexeur qui constitue à la fois la sortie pour le premier signal et l'entrée pour le second est relié à une antenne unique d'émission/réception pour les premier et second signaux. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le premier signal provient d'un oscillateur à une première fréquence appliquée sur le duplexeur par l'intermédiaire du premier amplificateur, en ce que ce premier signal est également appliqué sur un mélangeur avec le second signal à sa sortie du second amplificateur. 9. Utilisation d'un circuit selon l'une des revendications 1 à 8 pour réaliser un radar.