Brevet FR2676150A1 — publié le 19921106

CIRCUIT ATTENUATEUR LIMITEUR COMMANDABLE A DIODE A ZONE INTERMEDIAIRE AsGa ET UTILISATION D'UN TEL CIRCUIT La présente invention se situe dans le domaine des circuits hyperfréquences et trouve à s'appliquer chaque fois qu'il est nécessaire d'associer à une fonction d'atténuation commandable, une fonction de Limitation. Par atténuation on entend pour cette invention, aussi bien l'atténuation nulle qui laisse passer un signal dans son intégralité, que l'atténuation partielle qui ne laisse passer qu'une fraction d'un signal incident ou l'atténuation totale qui stoppe le passage d'un signal. L'atténuation est commandable si le niveau de l'atténuation dépend de la valeur d'un signal de commande.On remarquera que le passage de l'atténuation totale à la non atténuation réalise la fonction d'interruption ou la fonction de commutation. Par fonction de limitation on entend une fonction qui écrète un signal hyperfréquence dès que celui-ci dépasse un seuil fixé à l'avance. La limitation a essentiellement pour but la protection des circuits aval. De façon plus précise la présente invention trouve à s'appliquer chaque fois que l'atténuation et la limitation d'un signal sont réalisables au moyen de diodes comportant une zone intermédiaire que ces diodes soient des diodes PIN ou des diodes NIP. Dans l'état actuel de la technique ces deux fonctions sont réalisées de façon séparée, ctest-à-dire que l'on a un circuit d'atténuation commandable, comportant une ou plusieurs diodes en général PIN, et un circuit de limitation comportant une ou plusieurs autres diodes PIN. Un exemple d'un tel ensemble de circuits est représenté figure 1. La partie gauche, figure la, représente un limiteur passif, la partie droite, figure lb, un atténuateur commandable. Les deux circuits sont découplés l'un de l'autre dans cet exemple par une capacité. Une ligne pointillé verticale marque les limites de chacun des deux circuits. Le fonctionnement de l'atténuateur représenté sur la partie droite, figure lb, est le suivant : lorsqu'une tension de polarisation inverse VR est appliquée par l'intermédiaire de la commande, la diode PIN hyperfréquence D2 se comporte comme une capacité C. qui est une fonction de la tension de polarisation inverse C. = f (VR), réalisant ainsi un état "passant" (sans atténuation). L'état atténué est obtenu en polarisant en direct par un courant Id la diode hyperfréquence D2. La diode se comporte alors comme une résistance R5 qui est une fonction de Id, R5 = F (Id). Le limiteur passif représenté sur la partie gauche de la figure 1 fonctionne de la même manière, mais dans le cas du limiteur passif, la valeur du signal hyperfréquence est telle que les porteurs de la zone intrinsèque de la diode PIN créent un courant détecté qui autopolarise la diode PIN Dl en direct, celle-ci se comporte alors comme une résistance RS qui est une fonction du courant détecté R5 = Pour obtenir une courbe de limitation (représentant la puissance de sortie en fonction de la puissance d'entrée) assez plate au-dessus d'un certain seuil et si lton veut que ce seuil soit assez bas il est nécessaire d'assurer un bouclage du courant détecté par une impédance nulle.Si cette condition n'est pas remplie il y a accumulation de porteurs dans la zone intrinsèque de la diode ce qui a pour effet d'élever le seuil de limitation. Les courbes représentant la valeur de la puissance de sortie en fonction de la puissance d'entrée sont représentées figure 2, dans le cas d'un bouclage du courant détecté par une résistance nulle r = O et dans le cas de mise à la masse de ce même courant par une résistance non nulle, r ç O. Dans ces conditions il est impossible de réaliser un limiteur commandable, la commande étant à la masse et donc inopérante. L'utilisation de limiteurs et d'atténuateurs, en particulier à diode PIN est courante dans les circuits hyperfréquence radar. On sait que de tels circuits comportent une antenne souvent utilisée à la fois pour l'émission et la réception de signaux, un duplexeur destiné à établir un couplage entre un émetteur et une l'antenne et un découplage entre un récepteur et l'antenne pendant des phases d'émission. Le duplexeur établit au contraire un couplage entre l'antenne et le récepteur pendant des phases de réception. On sait que la détection des signaux hyperfréquence est effectuée par des diodes cristal qui peuvent être détruites par des signaux d'amplitude trop élevée. Pour protéger les détecteurs on introduit des circuits limiteurs situés entre le duplexeur et le cristal de détection ou entre l'antenne et le cristal lorsque la réception se fait sur une antenne n'ayant que cette fonction. Ces limiteurs ont pour fonction de renforcer l'isolation introduite par le duplexeur pour protéger le cristal durant les phases d'émission et d'une façon générale de limiter la puissance reçue par le détecteur que cette puissance soit due à un signal fort ou à la présence de brouillage. 1l est également nécessaire d'atténuer le niveau du signal reçu de façon contrôlée par exemple pour travailler dans une zone intéressante du détecteur. Une telle atténuation est d'autant plus nécessaire que le cristal de détection est sensible et travaille donc à de très faibles niveaux. Cette nécessité amène à utiliser des atténuateurs dont le rapport d'atténuation est commandé pour varier de façon continue ou éventuellement par seuil en fonction de la distance ou de la plage de distance de l'écho. De même pour les cristaux de grande sensibilité il est nécessaire de limiter à un niveau assez bas la puissance reçue par le détecteur. Les diodes PIN sont également utilisées de façon courante pour réaliser des interrupteurs grande vitesse (temps de commutation inférieurs à 50 nanosecondes) pour des puissances crête pouvant atteindre 50 watts, et dans cette fonction, obtenue par le contrôle de la tension de polarisation comme expliqué plus haut elles peuvent être associées à d'autres fonctions dont des limiteurs, en particuliers lorsqu'elles sont employées en fonction de commutation dans des duplexeurs. Dans un circuit de réception haute fréquence sensible, il est important de limiter au maximum les pertes d'insertion des différents circuits placés en amont du détecteur et de réduire leur bruit propre, c'est l'un des buts de la présente invention, un autre but est de réduire le volume et le coût de réalisation des circuits d'atténuation et de limitation et d'améliorer leur fiabilité. A cette fin l'invention a pour objet un circuit hyperfréquence destiné à limiter et atténuer de façon contrôlée le niveau d'un signal hyperfréquence circulant sur une ligne hyperfréquence caractérisé en ce qu'il comporte entre la ligne et la masse au moins une diode AsGa à zone intermédiaire comportant deux électrodes, une cathode et une anode, et en parallèle à cette première diode une branche de circuit comportant en série un filtre passe bas et une diode comportant deux électrodes, une anode et une cathode, le circuit comportant enfin une commande de polarisation des diodes raccordée à la ligne. En cas d'emploi de diodes AsGa de type PIN ce sont les anodes de ces diodes qui sont raccordées à la ligne et les cathodes qui sont raccordées à la masse, et dans ce cas ce sont les anodes des autres diodes qui sont raccordées à la masse, les cathodes étant raccordées au filtre passe bas. En cas d'emploi de diodes AsGa de type NIP c'est l'inverse, c'est à dire que ce sont les cathodes de ces diodes qui sont raccordées à la ligne et les anodes à la masse, les anodes des autres diodes étant dans ce cas raccordées au filtre passe-bas tandis que les cathodes sont raccordées à la masse. De préférence la diode branchée entre le filtre passe-bas et la masse est une diode faible seuil par exemple une diode Schottky. Selon la puissance à dissiper il pourra être nécessaire de placer en parallèle plusieurs diodes As Ga et éventuellement plusieurs diodes faible seuil. I1 pourra également être nécessaire d'espacer des diodes As Ga sur la ligne d'une distance électrique égale à X/4. Un exemple de réalisation de l'invention sera maintenant décrit en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente un limiteur et un atténuateur selon l'art antérieur - la figure 2 représente la puissance de sortie d'un limiteur en fonction de la puissance d'entrée - la figure 3 représente un exemple de réalisation de l'invention sous sa forme la plus générale - la figure 4 représente l'exemple de la figure 3 réalisée avec une diode PIN ;; - la figure 5 représente l'exemple de la figure 3 réalisé avec une diode NIP - la figure 6 représente les courbes qui donnent la valeur de la capacité équivalente à une diode Si ou AsGa en fonction de la valeur de la tension de polarisation inverse - les figures 7 et 8 représentent un autre exemple d'atténuateur limiteur conçu pour dissiper une puissance plus grande - les figures 9 et 10 représentent des exemples d'utilisation du circuit selon l'invention. Les figures 1 et 2 ont été décrites plus haut. Sur la figure 3 on voit une ligne hyperfréquence 1 sur laquelle circule un signal que l'on souhaite traiter après limitation et atténuation. Pour ce faire une diode AsGa 2 comportant une zone intermédiaire référencée I sur la figure est branchée entre la ligne et la masse. L'une des électrodes 3 de cette diode est raccordée à la ligne 1, l'autre électrode 4 est raccordée à la masse. En parallèle à cette diode sont branchés en série entre la ligne et la masse, un filtre passe-bas 5 et une diode faible seuil 6. L'une des électrodes 7 de cette diode est raccordée à la masse l'autre électrode 8 de cette diode est raccordé au filtre passe bas. Une commande 9 dont seule l'arrivée sur la ligne 1 est représentée permet d'appliquer une tension de polarisation sur l'électrode 3 de la diode à zone intermédiaire 2 et sur l'électrode 8 de la diode 6 raccordée au filtre passe-bas 5. Les figures 4 et 5 représentent le même exemple de dispositif dans le cas d'une diode PIN AsGa, figure 4, et dans le cas d'une diode NIP AsGa, figure 5. Dans le cas de la diode PIN représentée figure 4, c'est l'anode 3 de la diode AsGa 2 qui est raccordée à la ligne et la cathode 4 qui est raccordée à la masse, pour la diode 6 branchée entre le filtre passe-bas et la masse l'électrode 8 raccordée au filtre passe-bas est la cathode, l'anode 7 est elle, branchée à la masse. Dans le cas du dispositif selon l'invention représentée figure 3 avec emploi de diode NIP, l'électrode 3 de la diode NIP qui est raccordée à la ligne est la cathode, l'électrode 4 raccordée à la masse est l'anode. Pour la diode 6 branchée entre le filtre passe-bas 5 et la masse, l'électrode 8 raccordée au filtre passe-bas est l'anode, l'électrode 7 raccordée à la masse est la cathode. Le fonctionnement est le même que l'on emploie une diode PIN ou une diode NIP à ceci près que là où l'on emploi une tension de commande positive avec une diode PIN il faudra en technologie NIP employer une tension de commande négative. Dans la suite de l'expose pour ltexplication de fonctionnement et pour les exemples de réalisation on se limitera à la technologie PIN étant entendu que les mêmes résultats peuvent être atteints en technologie NIP à condition d'inverser les branchements des électrodes des diodes employées et le sens de la tension de commande comme expliqué ci-dessus. Le fonctionnement dans le cas d'une diode PIN comme représenté figure 4 est le suivant. Lorsqu'une tension nulle est appliquée par l'intermédiaire de la commande 9 le circuit se comporte en limiteur conformément à ce qui a été décrit à propos de la figure 1. Lorsqu'une tension positive est appliquée par l'intermédiaire de la commande 9, la diode PIN 2 est équivalente à une résistance RS et dévie une partie de la puissance incidente. Le fonctionnement des deux circuits est possible de façon simultanée en raison de la différence de comportement des diodes à zone intermédiaire Si et des diodes à zone intermédiaire AsGa liées à la différence des tensions de contact des paires de matériaux formant la jonction. ll en résulte une différence quant à la variation de la capacité C. en fonction de la tension appliquée. Les courbes représentant la variation de la capacité C. en fonction de la tension de polarisation inverse Vr appliquée sont représentées figure 6. Sur cette figure on voit que pour la diode PIN AsGa la valeur de la capacité C; reste quasiment constante en fonction de Vr et continue même à exister lorsque Vr est négatif c'est à dire lorsque la diode est polarisée en direct positivement. Il en résulte que pour une tension de polarisation nulle la diode AsGa a à peu près la même valeur de capacité C. qu'une diode S. pour une tension Vr importante. II en résulte que dans le cas de la diode AsGa on n'a pas besoin d'une tension de commande, au niveau du circuit 9, négative, pour réaliser l'état passant. Une tension nulle suffit. Dès lors que pour l'atténuateur et le limiteur, un seul signe de tension de commande est utilisé, il devient possible d'une part d'assurer l'isolation de la commande par rapport à la masse en plaçant une diode, la diode 6, branchée en inverse par rapport au signe de cette tension, et d'autre part d'assurer le bouclage du courant de polarisation directe de la diode 2 lorsque cette diode s'autopolarise sous l'effet d'un signal dont la puissance se situe au-dessus d'un seuil admis. La résistance r de la diode 6 devant en général être aussi faible que possible, il est souhaitable que cette diode soit une diode faible seuil par exemple une diode Shottky. Si les puissances des signaux ou des parasites attendus sont importantes il sera possible de brancher plusieurs diodes PIN en parallèle. Un tel exemple est représenté figure 7, une diode PIN 2' a été ajoutée. I1 pourra aussi si l'on souhaite prolonger le palier de la courbe représentant la puissance de sortie en fonction de la puissance d'entrée, être nécessaire de raccorder plusieurs diodes PIN à la ligne en les séparant d'une distance électrique égale au quart de la longueur d'onde moyenne du signal ou des parasites attendus. Un tel exemple est représenté figure 8. Le fait que à puissance égale un seul circuit au lieu de deux assure les fonctions d'atténuateur et de limiteurs permet de diviser par deux les pertes d'insertions de ces circuits et de réduire le bruit propre puisque les éléments actifs sont moins nombreux. Ces meilleures performances sont de plus obtenues à un coût moindre puisque le circuit comporte moins d'éléments. Enfin du fait du nombre réduit d'éléments la fiabilité est augmentée. La figure 9 représente un duplexeur. Ce duplexeur est raccordé à une ligne émission 10 et une ligne réception 11. Les lignes 10 et il se rejoignent au niveau d'une jonction 12 elle-même liée à une antenne 13. La ligne émission comporte une diode PIN AsGa 2e branchée anode à la ligne et cathode à la masse. Cette diode 2e est polarisée par une commande 9e. La ligne réception 11 comporte un circuit conforme à l'invention. Ce circuit comporte une diode AsGa 2r branchée anode à la ligne, un filtre passe-bas 5r branchée en série avec une diode faible seuil 6r, l'anode de cette diode étant à la masse. Les diodes PIN hyper 2e et 2r sont à une distance électrique de la jonction 12 égale à X Dans ces conditions si on polarise la diode 2e en direct cette diode se comporte en court-circuit et cette vole est donc non passante, si simultanément l'autre diode PIN 2r a une tension de commande nulle, la diode est non passante et le signal en provenance de l'antenne peut passer. Un signal très fort provoquera comme expliqué plus haut une autopolarisation de la diode assurant grâce à la diode faible seuil 6r une limitation de la valeur du signal transmis. L'invertion des commandes inversera l'état des lignes. On réalise ainsi la fonction duplexeur avec limitation du signal transmis éventuellement atténuation, au moyen d'un seul circuit sur la ligne réception. La figure 10 représente le diagramme simplifié d'un émetteur récepteur radar dans lequel le circuit de réception comporte un atténuateur limiteur commandable selon l'invention. Seul le circuit selon l'invention a été détaillé. Ce circuit est branché sur la ligne 1r de réception du radar en sortie d' un circulateur 14 relié à une antenne 13 et en amont d'un amplificateur à faible bruit 15 alimentant la partie récepteur d'un émetteur récepteur 16 qui par une sortie 17 alimente en émission un amplificateur d'émission 18 raccordé au circulateur 14. Le circuit représenté figure 10 est séparé en deux par une ligne pointillée verticale. Le partie située à droite de cette ligne peut être remplacée par le circuit représenté figure 9. La ligne 10 de la figure 9 étant raccordée à la sortie de l'émetteur 18 et la ligne 11 étant raccordée sur la ligne îr à l'entrée de l'amplificateur faible bruit 15. REVENDICATIONS 1. circuit hyperfréquence destiné à limiter et atténuer de façon contrôlée le niveau d'un signal hyperfréquence circulant sur une ligne hyperfréquence (1), caractérisé en ce qu'il comporte entre la ligne et la masse au moins une diode AaGa à zone intermédiaire (2) comportant deux électrodes (3, 4) une cathode et une anode, et en parallèle à cette première diode une branche de circuit comportant en série un filtre passe-bas (5) et une autre diode (6) comportant deux électrodes (7, 8) une anode et une cathode, le circuit comportant enfin une commande de polarisation (9) raccordée à la ligne (1). 2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que les diodes à zone intermédiaire sont de type PIN et en ce que l'électrode (3) raccordée à la ligne est l'anode, l'électrode (7) de l'autre diode raccordée à la masse étant l'anode. 3. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que les diodes à zone intermédiaire (2) sont de type NIP et en ce que l'électrode 3 raccordée à la ligne (1) est l'anode, ltélectrode (7) de l'autre diode (6) raccordée à la masse étant la cathode. 4. Circuit selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la diode branchée en série avec le filtre passe-bas (5) est une diode faible seuil. 5. Circuit selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une deuxième diode à zone intermédiaire AsGa (2') raccordée au même point de la ligne 1. 6. Utilisation du circuit selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une deuxième diode à zone intermédiaire AsGa (2') raccordée à la ligne à une distance électrique de la première égale au quart de la longueur d'onde moyenne du signal. 7. Utilisation du circuit selon la revendication 1, pour réaliser un duplexeur d'antenne (13) le duplexeur comportant une ligne (10) et une ligne (11) raccordée par une jonction (12) elle-même raccordée à l'antenne. L'une des lignes (10) ayant une diode à zone intermédiaire (2e) raccordée à la ligne à une distance électrique de la jonction (12) égale au quart de la longueur d'onde moyenne du signal, cette diode (2e) étant polarisée par une commande (9e), l'autre ligne (11) comportant un circuit selon la revendication 1, constitué d'une diode à zone intermédiaire (2r) raccordée à la ligne à une distance électrique égale au quart de la longueur d'onde moyenne du signal, d'un filtre passe-bas (5r) branché en série avec une diode faible seuil (6r) la polarisation des diodes (5r) et (6r) étant assurée par une commande (9r) raccordée à cette autre ligne (11). 8. Utilisation du circuit selon la revendication 1, pour réaliser un atténuateur limiteur d'entrée d'un circuit de réception radar le circuit selon la revendication 1, étant branché sur une ligne îr de réception entre un circulateur 14 et un ampli faible bruit (15). 9. Utilisation du circuit selon la revendication 7, pour réaliser un duplexeur d'antenne (13) de radar, l'une des branche (10) du duplexeur étant raccordée à la sortie 18 d'un amplificateur d'émission, cette branche (10) comportant à une distance électrique de la jonction 12 du duplexeur une diode à zone intermédiaire (2e), cette diode étant polarisée par une commande (9e) raccordee à cette ligne, l'autre branche (11) du duplexeur étant raccordée à l'entrée (15) d'un amplificateur faible bruit et comportant un circuit selon la revendication 1, la diode à zone intermédiaire de ce circuit étant raccordée à l'autre branche ( l l ) du duplexeur à une distance électrique de la jonction égale au quart de la longueur d'onde moyenne du signal.