Brevet FR2721155A1 — publié le 19951215

Commutateur haute fréquence unipolaire à plusieurs directions fonctionnant avec gain La présente invention concerne un commutateur haute fré- quence unipolaire à plusieurs directions fonctionnant avec gain, et notamment le circuit d'un commutateur haute fréquence unipolaire à plusieurs directions composé de transistors. Le commutateur de la présente invention convient particu- lièrement bien pour commuter des signaux de satellite à polari- sation verticale et horizontale. Les éléments de commutation utilisés couramment actuellement pour commuter ou sélectionner des signaux à haute fréquence sont des relais ou des diodes PIN. Cependant, dans le cas o l'on utilise un relais comme commutateur de sélection, du fait que le relais est un élément mécanique, il a un taux de pannes plus élevé et une durée de vie plus courte, par rapport aux élémentns électroniques, lorsque la température est trop élevée ou trop basse. En outre, du fait qu'un relais est un élément passif, il ne peut fournir aucun gain aux signaux. L'utilisation d'une diode PIN comme commutateur de sélection peut résoudre les problèmes de taux de pannes élevé et courte durée de vie posés par l'utilisation d'un relais. Malheureusement, elle nécessite plus d'éléments pour parvenir au même degré de séparation des signaux (4 à 8 diodes PIN sont généralement nécessaires pour obtenir une sépa- ration par une atténuation de 20 dB en UHF pour un commuta- teur). De plus, ce type de circuit introduit généralement des pertes dans la transmission des signaux et, par conséquent, ne peut pas fournir de gain. La présente invention a pour but de fournir un circuit de commutation de sélection fiable et & longue durée de vie ayant moins d'éléments, une structure de circuit simple et un fonc- tionnement avec gain, qui utilise des transistors comme élé- ments de commutation. La sélection des signaux est commandée par commutation des tensions de polarisation en fonctionnement des transistors pour faire fonctionner les transistors dans le domaine linaire (transistor conducteur, ou "débloqué") dans le domaine de coupure (transistor non conducteur, ou "bloqué"). L'invention utilise en outre un agencement particulier pour le réseau d'adaptation d'impédance qui est nécessaire pour l'entrée et la sortie des transistors à connecter de telle ma- nière que la structure du circuit de commutation devienne plus simple et que la conception de ce type de circuit soit plus fa- cile. Par ailleurs, puisque les transistors utilisés sont des éléments peu coûteux fonctionnant avec un gain, il n'est pas nécessaire de prévoir des amplificateurs supplémentaires pour compenser les pertes du signal dans le circuit de la présente invention. Par conséquent, le coût du circuit peut être encore plus réduit. Ces buts, particularités et avantages de l'invention se- ront mieux compris et appréciés à la lecture de la description de modes de réalisation préférés donnée ci-après en relation avec les dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est un schéma de principe d'un circuit qui uti- lise des transistors bipolaires comme éléments d'amplification; - la figure 2 est un schéma partiellement synoptique d'un pre- mier mode de réalisation du circuit de commutation unipolaire à plusieurs directions selon l'invention; - la figure 3 est un schéma équivalent du circuit représenté sur la figure 2; - la figure 4 est un schéma de principe d'un deuxième mode de réalisation d'un circuit de commutation unipolaire à plusieurs directions selon l'invention; - la figure 5 est un schéma de principe d'un troisième mode de réalisation d'un circuit de commutation unipolaire à plusieurs directions selon l'invention; - la figure 6 est un schéma de principe du circuit à tensions d'entrée représenté sur la figure 5; et - la figure 7 est un tableau représentant la relation entre les tensions d'entrée et les tesnions de sortie aux bornes respec- tives A à D sur les figures 5 et 6. On se réfère maintenant à la figure 1, qui représente un schéma de principe utilisant des transistors bipolaires comme éléments amplificateurs. Comme cela est représenté sur la fi- gure, pour adapter l'impédance d'une source de signaux 10 à l'entrée du transistor et adapter l'impédance d'une charge 14 à la sortie du transistor, il est nécessaire de connecter l'en- trée et la sortie du transistor bipolaire respectivement par l'intermédiaire d'un réseau d'adaptation d'impédance d'entrée 11 et d'un réseau d'adaptation d'impédance de sortie 12 pour obtenir les performances désirées. Des condensateurs CB et Cc sont respectivement utilisés comme condensateurs d'arrêt de la composante continue à l'entrée et à la sortie du transistor bi- polaire BJT (de "bipolar junction transistor"). Le but de ces condensateurs est d'empêcher la tension de la base VB et la tension du collecteur Vc du transistor bipolaire BJT de subir l'influence des réseaux d'adaptation d'entrée et de sortie 11 et 12. Des bobines d'arrêt de la composante à haute fréquence (bobines d'arrêt HF) RFCB (de "radio frequency choke") et RFCC sont utilisées pour empêcher les signaux à courant alternatif de subir l'influence du circuit à courant continu de la figure 1. Les paramètres Zin et Zout représentent respectivement l'impédance d'entrée et l'impédance de sortie du transistor bi- polaire BJT. L'homme de métier peut utiliser d'autres circuits de pola- risation ou changer les valeurs de CB, CC, RFCB et RFCC pour en 4 2721155 faire une partie ou la totalité des réseaux d'adaptation d'impédance pour réduire le nombre d'éléments de ces réseaux d'adaptation. En outre, le type de transistor bipolaire BJT employé a une caractéristique telle que lorsque sa tension de polarisa- tion est dans la partie linéaire de la courbe caractéristique tension-courant (caractéristique V- I), un tel transistor a une fonction d'amplification pour les hautes fréquences et a des impédances d'entrée et de sortie spécifiques Zin et Zout. Lorsqu'il est polarisé dans la partie de coupure de la courbe V-I, le transistor n'a plus la fonction d'amplification et les impédances Zin et Zout sont proches de l'infini (cela est dû au fait que lorsque la jonction PN du transistor bipolaire est po- larisée dans le sens inverse, le courant de saturation inverse qui circule en traversant la jonction est très faible et l'impédance est Z = V/I). En conséquence, la présente invention utilise les caracté- ristiques indiquées ci-dessus des transistors bipolaires, c'est-à-dire le fait que le transistor amplifie les signaux lorsque son point de fonctionnement est situé dans la partie linéaire, tandis que lorsqu'il est situé dans le domaine de coupure, les impédances Zin et Zout sont extrêmement élevées, pour réaliser un circuit de commutation. La plupart des fabri- cants de transistors haute fréquence sont actuellement capables de maîtriser effectivement la qualité des transistors qu'ils fabriquent, de sorte que les valeurs des paramètres des tran- sistors ne varient pas beaucoup d'un exemplaire à l'autre dans la fabrication en grande série de ces composants. Lors de la conception des circuits de commutation haute fréquence, il faut, d'une part, réaliser une bonne adaptation d'impédance entre l'entrée et la source de signal et entre la sortie et la charge lorsque le signal est transmis, pour ré- duire les pertes du signal. Or, l'utilisation de transistors comme éléments de commutation, dans les conditions de bonne adaptation lors de la transmission du signal, peut non seule- ment éliminer les pertes du signal, mais également fournir un gain au signal. D'autre part, les transistors sont capables de rejeter les signaux indésirables de manière à avoir une bonne séparation du signal lorsqu'ils sont bloqués. En utilisant la caractéristique des transistors d'avoir une grande impédance dans le domaine de coupure, on peut obtenir un état de désadap- tation entre la source de signal et le circuit de commutation pour que le signal soit réfléchi et, par conséquent, empêché de pénétrer dans le circuit de commutation. On peut aussi ajouter un commutateur entre le circuit de commutation et la source de signaux de la présente invention pour que, lorsque le transistor de l'invention est bloqué, la source de signaux soit commutée vers une charge factice pour éliminer la désadaptation de la source de signaux. Un tel pro- cédé entre également dans le cadre de l'invention. Une autre particularité de la présente invention réside dans le fait que, comme cela est représenté sur les figures 2 et 5, l'invention utilise une pluralité de transistors bipo- laires (BJT1 et BJT2 sur la figure 2, et BJT1 à BJT4 sur la fi- gure 5) comme éléments de commutation, dont chacun est relié à un réseau respectif d'adaptation d'impédance d'entrée (31 et 32 sur la figure 2 et IMN1 (de "input matching network") à IMN4 sur la figure 5), et il n'y a qu'un seul réseau d'adaptation d'impédance de sortie (élément 36 sur la figure 2 et OHMN (de "output matching network") sur la figure 5) relié aux sorties de tous les transistors. Cela est dû au fait que si chaque transistor avait son propre réseau d'adaptation d'impédance in- dépendant, il y aurait interférence entre les réseaux d'adaptation d'impédance de sortie individuels et il serait difficile de calculer les valeurs des éléments de chaque réseau d'adaptation d'impédance. L'invention met à profit les caracté- ristiques des transistors, qui ont une grande impédance de sor- tie à l'état bloqué et assure qu'un seul transistor à la fois est dans le domaine de fonctionnement, et relie la sortie de chaque transistor à un point de jonction commun (point de jonc- tion J sur les figures 2, 4 et 5). Par conséquent, l'impédance de sortie au point de jonction J du circuit de commutation de l'invention est tres proche de celle d'un transistor unique, de sorte que seuls les paramètres d'un des transistors sont à considérer lors de la conception du réseau d'adaptation d'impédance de sortie 36. Un autre avantage de l'invention est que le nombre d'éléments nécessaires dans le circuit d'adapta- tion d'impédance est réduit pour réduire l'encombrement et le coût du circuit de commutation. Dans le mode de réalisatioin de la figure 2, lorsque le transistor BJT1 fonctionne dans le domaine linéaire et que le transistor BJT2 est bloqué, au moyen de tensions de polarisa- tion différentes commandées par un circuit de commande de ten- sions de polarisation 35, le circuit de la figure 2 est équiva- lent à celui de la figure 3. DAns cette situation, l'entrée et la sortie du transistor BJT2 sont considérées comme ouvertes. Par conséquent, le signal issu de la source de signaux 33 peut pénétrer dans le réseau d'adaptation d'impédance d'entrée 31 et est amplifié par le transistor BJT1 et est ensuite appliqué à la charge 37 par l'intermédiaire du réseau d'adaptation d'impédance de sortie 36 sans subir l'influence de l'autre transistor BJT2. Par contre, le signal issu de la source de si- gnaux 34 est réfléchi par le transistor BJT2 et ne peut pas être amplifié par ce transistor BJT2. De cette manière, le cir- cuit de commutation de l'invention peut amplifier les signaux désirés et rejeter les signaux non désirés, et fonctionne donc comme un commutateur haute fréquence unipolaire à deux direc- tions avec une bonne séparation des signaux. Le figure 4 représente un deuxième mode de réalisation de l'invention, dans lequel des transistors à effet de champ à jonction JFET (de "junction field-effect transistor") à canal N, JFET1 et JFET2, sont utilisés comme éléments amplificateurs, et un commutateur 41 est utilisé à la place du circuit de com- mande de tensions de polarisation 35 de la figure 2 pour com- mander les tensions de polarisation. Il est à noter que la ten- sion de polarisation Vss est une tension négative qui est infé- rieure aux tensions de pincement Vp1 et Vp2 des transistors JFET1 et JFET2, respectivement. Lorsque le commutateur 41 ap- plique la tension Vss au point d'application de la tension continue de grille (point K sur la figure 4) du transistor JFET1, le transistor JFET1 se bloque et cesse donc d'amplifier le signal issu de la source de signaux I/P1. A ce moment, le signal issu de la source I/P2 pénètre dans le transistor JFET2 par l'intermédiaire d'un circuit d'adaptation d'entrée IMN2 et est amplifié par le transistor JFET2 et fourni par la sortie de celui-ci à un réseau d'adaptation d'impédance de sortie OMN sans interférer avec le signal issu de la source de signaux I/P1. Les transistors à effet de champ à jonction JFET utilisés dans le mode de réalisation décrit ci-dessus sont à polarisa- tion automatique et il doit être facile à l'homme de métier de déterminer les valeurs des paramètres RD, RG, RS et CS néces- saires pour polariser les transistors JFET de manière à les faire fonctionner dans le domaine voulu. La figure 5 représente le schéma de principe et le procédé de commande d'un circuit de commutation haute fréquence unipo- laire à quatre directions utilisant des transistors bipolaires BJT comme éléments de commutation. Sur cette figure, les points A, B, C, et D représentent les points d'application respectifs de la tension continue de la base des éléments de commutation BJT1 à BJT4. Du fait de la présence de la bobine d'arrêt HF RFC, les tensions continues appliquées à ces points sont bien isolées et n'influent pas sur le signal à courant alternatif à haute fréquence. Si la tension appliquée à l'un quelconque de ces points tombe au-dessous de la tension base- émetteur de mise en conduction, ou "déblocage", VBE (à valeur typique de 0,7 V), le transistor BJT correspondant à ce point est bloqué. Le circuit de commutation de la figure 5 utilise cinq com- parateurs de tension Q1 à Q5 pour commander les tensions de po- larisation appliquées aux transistors BJT1 à BJT4, comme cela est représenté sur la figure 6. Le circuit de l'invention est conçu selon la caractéristique d'excursion basse active des comparateurs de tension, qui sont ouverts lorsqu'ils sont inva- lidés, et sont mis à la masse lorsqu'ils sont validés, pour qu'un seul transistor bipolaire BJT soit débloqué et que le reste des transistors soient bloqués lorsqu'une tension com- prise dans l'intervalle de 0 à Vcc est appliquée. La relation entre les tensions de commande et l'état des transistors est indiquée dans le tableau de la figure 7. Le comparateur de ten- sion normalement utilisé dans l'invention est le comparateur n' LM 339, qui est disponible dans le commerce. En plus d'être les résistances de polarisation des tran- sistors bipolaires BJT, les résistances R1 et R2 de la figure 5 sont également les résistances d'excursion haute des compara- teurs Q1 à Q6. Lorsqu'un ou plusieurs éléments actif d'excursion basse sont reliés à une résistance d'excursion haute et lorsque l'un d'entre eux est validé, la tension au point de jonction passe au niveau bas. Ce type de configuration de circuit est appelé "ET câblé". Les comparateurs Q2, Q3, Q4 et Q5 sur la figure 6 sont montés en configuration ET câblé. Le circuit de l'invention peut être monté en ET câblé, comme cela est représenté sur la figure 6, pour obtenir un cir- cuit de commande plus souple d'emploi pour que chaque tran- sistor bipolaire BJT puisse être commandé par des éléments ac- tifs multiples d'excursion basse, et chaque élément actif d'excursion basse peut être relié à différents commutateurs, transducteurs et circuits logiques. En comparaison des circuits bien connus à relais ou à diodes PIN, la présente invention est plus facile à relier à des dispositifs extérieurs. 9 2721155 Le commutateur unipolaire à quatre directions de la figure de l'invention a une grande valeur commerciale pour la ré- ception de signaux de télévision par satellite. Puisque la bande passante des récepteurs "grand public" pour satellites est limitée et que le nombre de satellites et de programmes augmente quasiment de jour en jour, des câbles coaxiaux sup- plémentaires peuvent être nécessaires pour chaque satellite pour recevoir les signaux du satellite après que le signal a été abaissé en fréquence par un changeur de fréquence à faible bruit. En outre, la plupart des spectateurs de programmes par satellite n'utilisent qu'un seul câble coaxial pour relier les antennes extérieures (plus de deux antennes) au récepteur. Par conséquent, la solution logique consiste à commuter les diffé- rents signaux de satellite au moyen d'un commutateur haute fré- quence à entrées multiples. Or, le commutateur haute fréquence unipolaire à plusieurs directions selon l'invention est exacte- ment le meilleur choix à faire pour cela. En effet, l'invention a les avantages suivants: (a) le circuit proposé procure un gain pour compenser les pertes du signal et a une bonne séparation des signaux; (b) le circuit a une fiabilité plus grande et une durée de vie plus longue que celles du circuit classique à relais; (c) le circuit nécessite moins d'éléments que le circuit à diodes PIN, et la structure du circuit est beaucoup plus simple puisqu'il ne nécessite pas d'amplificateurs de compensation et qu'un seul réseau d'adaptation d'impédance de sortie est néces- saire; (d) le coût du circuit est faible; et (e) le circuit est facile à relier à différentes sources de signaux de commande puisque chaque trnaisistor bipolaire peut être commandé par une fonction ET câblé. On peut réaliser un circuit de commutation multipolaire à plusieurs directions en combinant un certain nombre de circuits de commutation unipolaires à plusieurs directions de l'invention. Il va sans dire que le circuit de commutation mul- tipolaire à plusieurs directions ne sort pas du cadre de l'invention. Etant donné que différents modes de réalisation de l'in- vention peuvent être réalisés sans sortir du cadre de celle-ci, on comprendra que toutes les explications données ici et les figures représentées sur les dessins annexés ne sont donnés qu'à titre d'illustration et ne sauraient être interprétés comme limitant l'invention. Par conséquent, on comprendra que les dessins ne sont qu'un exemple d'un mode de réalisation pré- féré de l'invention. il 2721155 Revendications 1. Commutateur haute fréquence unipolaire à plusieurs direc- tions, caractérisé en ce qu'il comprend: - une pluralité d'entrées; - une pluralité de moyens de commutation en même nombre que les entrées, comprenant chacun: un réseau d'adaptation d'impédance d'entrée relié à une des entrées; et un transistor dont une électrode d'entrée est reliée à la sortie du réseau d'adaptation d'impédance d'entrée; - un point de jonction reliant ensemble toutes les sorties des moyens de commutation; - un unique réseau d'adaptation d'impédance de sortie relié au- dit point de jonction; et - un réseau de polarisation à tension continue pour fournir des tensions de polarisation aux transistors respectifs de telle manière que lors de la commutation d'un certain signal d'entrée, seul un des transistors fonctionne dans le domaine linéaire, et les autres sont bloqués. 2. Commutateur haute fréquence unipolaire à plusieurs direc- tions selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits transistors sont des transistors bipolaires et sont montés en émetteur commun. 3. Commutateur haute fréquence unipolaire à plusieurs direc- tions selon la revendication 2, comprenant en outre une plura- lité d'éléments d'excursion basse reliés chacun à un point d'application d'une tension continue appliquée à la base de chacun des transistors, caractérisé en ce que l'un ou plusieurs des éléments d'excursion basse sert à amener les tensions de la base des transistors au-dessous des tensions de polarisation de ceux-ci pour forcer les transistors à fonctionner dans le do- 12 2721155 maine de coupure. 4. Commutateur haute fréquence unipolaire à plusieurs direc- tions selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour commuter un certain nombre de si- gnaux de satellites vers un récepteur de signaux de satellites.