Brevet FR2707398A1 — publié le 19950113

1. "DISPOSITIF DE MESURE VECTORIELLE DE SIGNAUX HYPERFREQUENCES DE MEME PULSATION, DE TYPE JONCTION A SIX ACCES" DESCRIPTION Domaine technique La présente invention concerne une dispositif de mesure vectorielle de signaux hyperfréquences de même pulsation, de type jonction à six accès. Un tel dispositif peut être réalisé en technologie monolithique intégrée micro-onde (MMIC) ou hybride intégrée micro-onde (MHMIC). Etat de la technique Des dispositifs de mesure de type "six accès" sont décrits dans les trois articles suivants: - un article de B. Huyart, H. Richard, E. Bergeault, L. Jallet, Y. Delisle, R.G. Bosisio, intitulé "Dispositif de mesure intégré", (Actes de la Conférence des huitièmes journées nationales micro-ondes, JNM 1993, Brest, 12-14 mai 1993); - un article de M.N. Solomon, P.S. Weitzman, C.P. McClay et H.M. Cronson, intitulé "A Monolithic Six-Port Module" (IEEE Microwave and Guided Wave Letters, vol. 2, n 8, août 1992); - un article de V. Bilik, V. Raffay et I. Bezek, intitulé "A New Extremely Wideband Lumped Six-Port Reflectometer"', (EUMC 91, septembre 1991). Les dispositifs de l'art connu décrits dans les deux premiers articles de B. Huyart et al. et de M.S. Solomon et al. utilisent essentiellement des composants réactifs (inductances, capacité) pour réaliser une jonction à six accès. En technologie MMIC, la bande passante du dispositif se trouve alors réduite et égale approximativement à 10% de la fréquence centrale de fonctionnement. En technologie hybride MHMIC, il est possible d'obtenir de larges bandes passantes, mais dans ce cas la dimension du circuit est grande. L'autre dispositif décrit dans le troisième article cité, de V. Bilik, utilise essentiellement des composants passifs (résistances) pour réaliser une jonction à six accès. En conséquence, la bande passante est grande (plusieurs décades) et le dispositif est facilement intégrable. Ce dispositif présente cependant les inconvénients suivants: - ce dispositif présente des pertes typiques entre les deux accès de mesure des signaux hyperfréquences qui sont de l'ordre de 14 dB et entre ces mêmes accès et les quatre autres, o sont connectées les diodes de détection, qui sont de l'ordre de 16 dB; - ce dispositif est très sensible aux variations de la fréquence et des composants constitutifs du circuit. Ce dernier dispositif n'est donc pas une bonne solution pour une réalisation en technologie MMIC. En effet, le dispositif intégré est calibré à partir de la mesure d'étalons. Cet étalonnage est effectué pour un échantillon, et est considéré équivalent pour tous les autres dispositifs intégrés, quelle que soit la plaquette dans une technologie donnée. Il faut donc que les caractéristiques du dispositif soient indépendantes des variations des composants d'une plaquette à l'autre, ce qui n'est pas le cas en espèce. L'objet de l'invention est la conception d'un dispositif de mesure en technologie monolithique intégrée micro-onde (MMIC) ou hybride intégrée micro-onde (MHMIC), pour une application à la mesure du rapport vectoriel entre deux signaux hyperfréquences de même pulsation. 2 5 Exposé de l'invention L'invention propose un dispositif pour la mesure vectorielle de signaux hyperfréquences de même pulsation, du type jonction à six accès, caractérisé en ce qu'il comprend un diviseur de puissance et un circuit de déphasage et en ce que deux des six accès de ce dispositif sont des accès de mesure aptes à être connectés à deux sources de signaux à caractériser, les quatre autres accès étant connectés à quatre détecteurs; I'un de ceux-ci étant un détecteur adapté, et les trois autres étant des détecteurs nonadaptés. Les deux bornes d'entrée du diviseur de puissance reçoivent le premier signal à caractériser. Les deux bornes d'un premier accès du circuit de déphasage, entre lesquelles est disposé un premier détecteur, reçoivent le second signal à caractériser. Deux bornes d'une première sortie du diviseur de puissance sont reliées à deux bornes du second accès du circuit de déphasage, un second détecteur étant relié entre ces deux bornes. Le détecteur adapté est connecté entre les deux bornes d'une seconde sortie du diviseur de puissance. Un troisième détecteur est relié entre une première borne du premier accès du circuit de déphasage et une première borne de la première sortie du diviseur de puissance. Le dispositif de l'invention peut être réalisé en technologie intégrée micro-onde ou hybride intégrée micro-onde. Le diviseur de puissance est un diviseur résistif de puissance. Le détecteur adapté comprend un détecteur non-adapté en parallèle avec une résistance qui est l'impédance de référence des lignes de propagation hyperfréquence. Le circuit de déphasage comprend au moins une cellule de déphasage consistant en un filtre passe-tout. Cette cellule de déphasage est une cellule en "T" formée de deux inductances au point milieu desquelles est connectée une capacité dont l'autre électrode est reliée à la masse. Un détecteur non-adapté comprend, avantageusement, une diode, une capacité étant disposée entre chacune des électrodes de la diode et l'une des deux bornes d'entrée qui reçoit le signal d'entrée; cette diode étant alimentée en continu par une tension délivrée par une alimentation disposée en série avec une première résistance de polarisation connectées entre la masse et l'anode de cette diode; un filtre passe-bas étant connecté en série avec une seconde résistance de polarisation entre la masse et la cathode de cette diode. La tension détectée est obtenue aux bornes du filtre. Un tel dispositif résout les problèmes posés par les dispositifs de l'art connu. Il propose en effet un schéma électrique original de jonction à six accès pour la mesure vectorielle de signaux hyperfréquences de même pulsation. La bande passante du circuit est de l'ordre de trois octaves. Les pertes en puissances entre les accès sont réduites et la dimension du circuit est de l'ordre du mm2. L'intégration de ce dispositif de mesure permet la caractérisation du circuit MMIC "in situ" par implantation de ce dispositif dans le circuit MMIC à tester, ou dans les sondes des stations de mesure sous pointes. Une application avantageuse de ce dispositif est l'étude de l'interaction du rayonnement micro-onde avec la matière (matériaux, milieux biologiques) en microgravité car il peut être embarqué à bord de satellites, de ballons sondes, en raison de ses dimensions réduites. Une autre application avantageuse de ce dispositif est son intégration aux éléments rayonnants des antennes à balayage électronique. La détermination de la phase relative entre les signaux captés par les éléments rayonnants permet le pointage automatique de l'antenne dans la direction de la source. Brève description des dessins - La figure 1 illustre le dispositif de mesure de l'invention; - la figure 2 illustre un exemple de réalisation du dispositif de mesure de l'invention; - la figure 3 illustre un exemple de réalisation des détecteurs utilisés dans le dispositif de mesure de l'invention; -la figure 4 illustre la variation des centres Qi de cercles représentatifs dans le plan complexe (V22N/V11) dans la bande de fréquence 500 MHz-3GHz. Exposé détaillé de modes de réalisation Le dispositif de mesure de l'invention, tel que représenté sur la figure 1, comprend un diviseur de puissance 10 et un circuit de déphasage 11. Dans ce dispositif de mesure, les deux bornes d'entrée 1, 1' du diviseur de puissance 10 reçoivent le premier signal à caractériser V1 1'- Les deux bornes 2, 2' d'un premier accès du circuit de déphasage 11, entre lesquelles est disposé un premier détecteur 12, reçoivent le second signal à caractériser V22'. Deux bornes d'une première sortie du diviseur de puissance 10 sont reliées à deux bornes du second accès du circuit de déphasage 11, un second détecteur 13 étant relié entre ces deux bornes. Un détecteur adapté 14 est connecté entre les deux bornes de la seconde sortie du diviseur de puissance 10. Un troisième détecteur 15 est relié entre une première borne du premier accès du circuit de déphasage 11 et une première borne du second accès du même circuit 11. Des caractéristiques essentielles de l'invention sont notamment le schéma électrique de la jonction à six accès de la figure 1 et l'utilisation de détecteurs "non adaptés". Les accès de mesure notés 11' et 22' sont connectés aux deux sources de signaux à caractériser. Les quatre autres accès, notés ii' (i, i'=3, 4, 5, 6) sont connectés à quatre détecteurs 12, 13, 14, 15. Le faible nombre de composants utilisés pour la réalisation du dispositif explique la large bande passante de fonctionnement du dispositif et la dimension réduite de celui-ci. Le détecteur adapté 14 comprend un détecteur non adapté 16 en parallèle avec une résistance 17 telle que Z0=50 Q, qui est l'impédance de référence des lignes de propagation hyperfréquence. Le détecteur 16 et la résistance 17 constituent un détecteur "adapté" à l'impédance de référence: l'impédance interne du détecteur étant grande, I'impédance d'entrée du détecteur est donc globalement égale à Z0. Dans les dispositifs de l'art connu, comme ceux décrits dans les articles précités, tous les détecteurs sont adaptés. Dans le dispositif proposé, l'impédance interne des détecteurs 12, 13, 15 n'est pas transformée en une impédance égale à Z0. Cette caractéristique permet de diminuer les pertes en puissance du dispositif. Dans le schéma synoptique du dispositif de l'invention, illustré à la figure 1, en supposant que deux signaux hyperfréquences V11', V22' soient présents aux accès 11', 22', les tensions Vii,, (i=3, 4, 5, 6) aux bornes des détecteurs sont une combinaison linéaire des tensions V11', V22'. Vii'=aiVl 1,+PiV22,, avec ai, Pi des constantes complexes 3 0 indépendantes des tensions à caractériser V11', V22'. Les détecteurs fournissent aux accès ii' du circuit des tensions continues proportionnelles au module carré des tensions alternatives Vii. La mesure de ces tensions continues de sortie permet de déterminer le rapport vectoriel des tensions V11,, V22' après un traitement mathématique approprié des données de mesure. Le schéma électrique proposé permet de déterminer le rapport V1 1'N22' sans ambiguïté dans la bande de fréquence 500 MHz-3 GHz. Cette bande de fréquence est fixée par celle du circuit de déphasage. La figure 2 représente le schéma électrique d'une réalisation du dispositif de l'invention. Les résistances R1, R2 R01 et R02 constituent le diviseur de puissance. A la condition que le produit de R1 et R2 soit égal au carré de R02, l'impédance d'entrée d'accès 11' est égale à l'impédance de référence Z0=50 Q. Les valeurs de ces résistances sont fixées afin d'obtenir une atténuation de 3 dB entre l'accès 11' et les bornes du détecteur 13, ce qui est la valeur optimale dans la technologie MMIC choisie. Les inductances L1, L2 et la capacité C constituent un filtre passe-bas et réalisent la fonction du circuit de déphasage. On peut la remplacer par un filtre passe-tout. Les valeurs de ces éléments sont calculés afin d'obtenir le déphasage requis (60 ) dans la bande de fréquence et l'impédance d'entrée de l'accès égale à 50 Q. Si l'on utilise plusieurs cellules de déphasage L1, L2, C du type de celle représentée à la figure 2: on obtient un dispositif pouvant fonctionner sur une décade par exemple de 1 à 10 GHz. 2 0 Un schéma électrique de détecteurs non adaptés est présenté sur la figure 3. Dans ce circuit, il n'y a pas de masse commune entre l'alimentation continue et l'alimentation alternative. Un détecteur non adapté comprend une diode D, une capacité C1 ou C2 étant disposée entre chacune des électrodes de la diode D et l'une des deux bornes d'entrée qui reçoit un signal d'entrée Vsig. Cette diode est alimentée en continu par une tension délivrée par une alimentation V disposée en série avec une première résistance de polarisation RB1, connectées entre la masse et l'anode de cette diode D; un filtre passebas (RF, CF) étant connecté en série avec une seconde résistance de polarisation RB2 entre la masse et la cathode de cette diode. La tension détectée Vdet est obtenue aux bornes du filtre. Il y a dans ce circuit deux boucles de courant: - une première boucle de courant alternatif: Isig, - une seconde boucle de courant continu: I+ldet. La topologie a été choisie afin d'obtenir un chemin continu pour le courant du signal hyperfréquence (Isig) et le courant continu (I+ldet). Les diodes sont de type SCHOTTKY. Les capacités de liaisons C1, C2 permettent de découpler les signaux continu et hyperfréquences. Les résistances RB1, RB2 permettent d'isoler les signaux hyperfréquences de la masse. La résistance RF et la capacité CF constituent un filtre passe- bas à la sortie duquel est disponible la tension continue. Dans un exemple de réalisation de l'invention, on considère les valeurs suivantes: pour le dispositif de l'invention: R1 =20 Q R2 = 120 n R01 = 50 2 R02 =50 L1 =L2= 1,9 nH C= 1,5pF pour chaque détecteur: C1 =C2 = 3pF RB1 = RB2 = 1 KQ CF= 1,3pF RF= 10 KQ V = 0,74V. Les résultats théoriques prévoient, dans la bande de fréquence 500 MHz-3 GHz une perte en transmission entre les deux accès de mesure, noté L12, égale à +3 dB, et des pertes en transmission égales à +12 dB, dans le pire des cas, entre ces mêmes accès de mesure et les quatre autres o sont connectés les détecteurs. Ces pertes sont notées Lji 0=1, 2 et i=3, 4, 5, 6). Les résultats simulés à partir des modèles électriques des composants d'une fonderie donnée sont indiqués dans le tableau ci-dessous dans la même bande de fréquence. Valeurs Typique Pire cas Ll?6 dB 7, 2 dB Li 5dB 15dB La surface totale du circuit est égale à 1,2 mm2 avec les quatre diodes de détection connectées à quatre des six accès de la jonction. En supposant que les valeurs des composants du circuit varient de 10%, les caractéristiques du circuit évoluent du même ordre de grandeur. D'autre part, les caractéristiques de la jonction permettent d'obtenir une incertitude minimale sur la mesure. En effet, en notant QI =(al /?j), i=4,5,6 avec a,, A, des constantes complexes indépendantes des tensions à caractériser V11', V22', et en supposant que la constante P3 est nulle, on peut montrer que le rapport de ces mêmes tensions (V11'N22,) peut être déterminé graphiquement à partir du point d'intersection de trois cercles de centre Qi et de rayon IVl Ii3 l IV33-1 I[ égal au produit du rapport des modules des tensions Vii et V33' et du rapport des modules des constantes a3 et,, dans le plan complexe (V22,N1 1). Les résultats simulés montrent que dans le pire cas la constante ?3 est toujours inférieure à 10-3 Un autre critère de qualité des jonctions à six accès pour la mesure du rapport vectoriel des signaux V22, et V11, est d'obtenir une équi-répartition des centres Qi des cercles dans le plan complexe (V22'N1), soit un module constant et un déphasage relatif de 120 entre les centres Qi des cercles. Les résultats simulés des centres Qi sont représentés graphiquement sur la figure 4 dans le plan complexe V22,N11, et sous forme tabulées sur le tableau donné ci-dessous dans la bande de fréquence 500 MHz- 3GHz. FREQ- Q4 Q4 Q5 Q5 Q6 Q6 GHZ MAG ANG MAG ANG MAG ANG 0.50000 0.671 -1.376 0.804 -163.293 0.625 163.155 0.60000 0.670 -1.366 0.808 -159.885 0.621 159.826 0.70000 0.668 -1.368 0.814 -156.520 0.617 156.512 0.80000 0.667 -1.377 0.821 -153.202 0.612 153.221 0.90000 0.666 -1.390 0.828 -149.930 0.607 149.956 1.00000 0.664 -1.404 0.836 -146.703 0.601 146.718 1.10000 0.663 -1.414 0.844 -143.515 0.596 143.505 1.20000 0.662 -1.419 0.852 -140.361 0.590 140.312 1.30000 0.660 -1.415 0.860 -137.232 0.584 137.133 1.40000 0.659 -1.401 0.868 -134.118 0.579 133.959 1.50000 0.658 -1.373 0.875 -131.007 0.574 130.782 1.60000 0.656 -1.331 0.881 -127.884 0.569 127.590 1.70000 0.655 -1.272 0.886 -124.734 0.565 124.370 1.80000 0.653 -1.194 0.890 -121.537 0.562 121.107 1.90000 0.652 -1.096 0.892 -118.273 0.559 117.783 2.00000 0.651 -0.976 0.893 -114.918 0.557 114.378 2.10000 0.650 -0.833 0.891 -111.445 0.556 110.870 2.20000 0.649 -0.667 0.888 -107.821 0.555 107.234 2.30000 0.648 -0.476 0.883 -104.012 0.556 103.440 2.40000 0.648 -0.263 0.876 -99.977 0.558 99.453 2.50000 0.647 -0.027 0.866 -95.670 0.561 95.238 2.60000 0.648 0.228 0.855 -91.039 0.565 90.751 2.70000 0.648 0.499 0.842 -86.026 0.570 85.945 2.80000 0.649 0.782 0.828 -80.566 0.576 80.769 2.90000 0.651 1.069 0.813 -74.596 0.583 75.166 3.00000 0.654 1.353 0.798 -68.050 0.590 69.084 REVENDICATIONS 1. Dispositif pour la mesure vectorielle de signaux hyperfréquences de même pulsation, du type jonction à six accès, caractérisé en ce qu'il comprend un diviseur de puissance (10) et un circuit de déphasage (11) et en ce que deux des six accès de ce dispositif sont des accès de mesure aptes à être connectés à deux sources de signaux à caractériser, les quatre autres accès étant connectés à quatre détecteurs, l'un de ceux-ci étant un détecteur adapté (14), et les trois autres (12, 13, 15) étant des détecteurs non adaptés. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux bornes d'entrée du diviseur de puissance (10) reçoivent le premier signal à caractériser (V1 1'); en ce que les deux bornes d'un premier accès du circuit de déphasage (11), entre lesquelles est disposé un premier détecteur (12), reçoivent le second signal à caractériser (V22'); en ce que deux bornes d'une première sortie du circuit de déphasage (10) sont reliées à deux bornes d'un second accès du circuit de déphasage (11), un second détecteur (13) étant relié entre ces deux bomrnes; en ce que le détecteur adapté (14) est connecté entre les deux bornes d'une seconde sortie du diviseur de puissance (10); et en ce qu'un troisième détecteur (15) est relié entre une première borne du premier accès du circuit de déphasage (11) une première borne du second accès du même circuit. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est réalisé en technologie monolithique intégrée micro-onde ou hybride intégrée micro-onde. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diviseur de puissance (10) est un diviseur résistif de puissance (R1, R2) (R01, R02). 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur adapté comprend un détecteur non adapté (16) en parallèle avec une résistance (17) qui est l'impédance de référence des lignes de propagation hyperfréquence. ll 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de déphasage comprend au moins une cellule (11) de déphasage consistant en un filtre passe-tout. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que cette cellule de déphasage est une cellule en "T" formée de deux inductances (L1, L2) au point milieu desquelles est connectée une capacité (C) dont l'autre électrode est reliée à la masse. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un détecteur non adapté comprend une diode (D), une capacité (C1 ou C2) étant disposée entre chacune des électrodes de la diode (D) et l'une des deux bornes d'entrée qui reçoit un signal d'entrée(Vsig), cette diode étant alimentée en continu par une tension délivrée par une alimentation (V) disposée en série avec une première résistance de polarisation (RB1), connectée entre la masse et l'anode de cette diode (D), un filtre passe-bas (RF, CF) étant connecté en série avec une seconde résistance de polarisation (RB2) entre la masse et la cathode de cette diode, la tension détectée (Vdet) étant obtenue aux bornes du filtre.