Brevet FR2729763A1 — publié le 19960726

RECEPTEUR HYPERPREQUENCE PROGRAINNABL A LaRGE BANDE La présente invention concerne un récepteur hyperfréquence programmable à large bande permettant notamment la réalisation de fréquencemètre ou de phasemètre et opérant à partir d'un échantillonnage spatial d'une enveloppe de régime d'ondes stationnaires se développant dans une ligne de transmission parcourue en sens opposés par le ou les signaux à mesurer. Les fréquencemètres et phasemètres connus opérant à partir d'un échantillonnage spatial d'une enveloppe de régime d'ondes stationnaires se développant le long d'une ligne de transmission effectuent le calcul de la transformée de Fourier de l'enveloppe du régime d'ondes stationnaires et recherchent soit les maximums significatifs du module de la transformée de Fourier pour la mesure de fréquence soit l'argument de la transformée de Fourier en ces points pour la mesure de phase. Si N est le nombre de détecteurs placés sur la ligne de transmission pour réaliser l'échantillonnage spatial, l'élaboration de la transformée de Fourier se fait soit sur N points réels pour un fréquencemètre soit sur N/2 points complexes pour un phasemètre ce qui se traduit par une grande quantité de matériel pour les applications ou le temps de traitement doit être très court, et par une architecture fixe et non modifiable. La présente invention a pour but de réduire la quantité de matériel nécessaire pour une analyse spectrale à base de transformée de Fourier discrète et également de permettre de rendre le récepteur facilement programmable et adaptatif. Elle a pour objet un récepteur hyperfréquence à large bande comportant: une ligne de transmission parcourue en sens opposés par deux signaux de même fréquence, dont la fréquence et/ou le déphasage sont à mesurer, engendrant un régime d'ondes stationnaires, - des détecteurs répartis le long de la ligne de transmission échantillonnant l'amplitude de l'enveloppe du régime d'ondes stationnaires établi au sein de la ligne de transmission, - des moyens de pondération programmables affectant de coefficients de pondération les amplitudes des signaux de sortie des détecteurs, - une unité de programmation des moyens de pondération et - un sommateur effectuant la somme des signaux de sortie pondérés des détecteurs pour engendrer un signal de sortie du récepteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description ci-après de plusieurs modes de réalisation donnés a titre d'exemple. Cette description sera faite en regard du dessin dans lequel: - une figure 1, représente un schéma d'un récepteur hyperfréquence à large bande de l'art antérieur, - une figure 2, représente un schéma d'un récepteur hyperfréquence à large bande selon l'invention adapté à une utilisation en phasemètre, - une figure 3, représente un schéma d'un récepteur hyperfréquence à large bande analogue à celui de la figure 2 mais adapté à une utilisation en fréquencemètre, - une figure 4, représente une variante des schémas de récepteur hyperfréquence & large bande repré- sentés aux figures 2 et 3, et - une figure 5 représente le schéma de principe d'un récepteur adaptatif. On distingue sur la figure 1, une ligne de transmission 1 recevant à une extrémité 2 un signal hyperfréquence de la forme Eo exp (jwt) et à l'autre extrémité 3 un signal hyperfréquence de la forme Eo exp (jwt+ P). En prenant l'extrémité 2 pour origine, la tension E(x) en un point quelconque de la ligne distant de x de l'extrémité 2 est la somme d'une composante due au signal Eo exp (jwt) s'exprimant par: Eo exp jw (t - x) v v étant la vitesse des ondes dans la ligne de transmis- sion, et d'une composante due au signal Eo exp (jwt+ p) s'exprimant par: Eo exp j (wt - wL + wx +p v v L etant la longueur de la ligne de transmission, de sorte que la tension E(x) en chaque point de la ligne de trans- mission s'exprime par: E(x) = Eo exp (jwt) [exp (_jW x) + exp(jWx - jwL + j p)] v v v ou encore E(x) = 2 Eo cos (wx wL +)expj (wt - wL +) v 2v 2 2v 2 N sondes sont regulièrement réparties le long de la ligne de transmission 1 depuis ses extrémités. Elles réalisent une détection quadratique du régime d'ondes stationnaires établi sur la ligne de transmission i et détectent une enveloppe V(x) qui a pour valeur: V(x) = 4 Eo2 cos2 (wx _ wL + -) v 2v 2 ou encore V(x) = 2 Eo2 [1 + cos (2W (x - L) + p)] v 2 Ces N sondes sont constituées chacune d'un détecteur quadratique DrO, Drl,...DrN-l couplé à la ligne de transmission 1 par exemple par un condensateur non représenté et suivi d'un filtre passe-bas FI0, FIl,...FIN-l. Elles délivrent un échantillonnage V(k) de l'enveloppe V(x) qui, en supposant qu'elles soient numérotées de O à N-1 en partant de l'extrémité 2 de la ligne de transmission 1 prise pour origine de la distance x, c'est à dire que l'on ait les relations x = k A x et L = (N-1) A x est de la forme V(k) = 2 Eo2 [1 + cos (2w Ax (k - N-1) + p)] v 2 pour le k c (0,..., N-l). En tenant compte du fait que l'écartement unitaire A x des sondes le long de la ligne de transmis- sion 1 correspond, pour satisfaire au théorème de l'échan- tillonnage, à la moitié de la longueur d'onde minimale de l'enveloppe quadratique détectée c'est à dire au quart de la longueur d'onde correspondant à la fréquence maximale des signaux d'entrée Ax = m = v 4 4fmax l'échantillonnage de l'enveloppe V(k) s'exprime sous la forme normalisée: V(k) = 2 Eo2 [l+cos ( Il est possible d'atteindre par cet échantillon- nage la fréquence f et le déphasage p des signaux appli- qués aux extrémités de la ligne de transmission. Cela se fait, de manière habituelle, en passant par l'inter- médiaire de fonctions définies à partir de sommes pondé- rées des points de la transformée discrète de Fourier calculée à partir de cet échantillonnage. Pour ce faire, on connecte aux sorties des détecteurs un transformateur de Fourier 10 suivi d'un banc de multiplicateurs Srl, Sil, 25.. Srm, Sim et d'un sommateur MAOl. Le transformateur de Fourier 10 délivre sur 2m sorties des tensions Re(fl) à Re(fm) et Im(fl) à Im(fm) représentant un échantillonnage des parties réelles et imaginaires du spectre des fré- quences de l'enveloppe quadratique V(x). Le banc de multiplicateurs Srl, Sil,..., Srm, Sim affecte les ten- sions des sorties du transformateur de Fourier 10 de coefficients de pondération crl, cil,... crm, cim de manière à réaliser en sortie du sommateur MA01 une fonc- 5 tion Z de la forme: I Z = E [crk Re(fk) + cik Im (fk)] (1) k=l Dans le cas ou les coefficients de pondération sont quantifiés à 0 ou à 1, les multiplicateurs Srl à Sim ne sont que des interrupteurs commandables et la fonction réalisée est celle d'un phasemètre programmable en bande passante de manière discrète. En remarquant que les tensions des sorties du transformateur de Fourier 10 sont des combinaisons linéai- res des tensions de sortie Vn des détecteurs: A Re(fk) = E Vn cos (2r k p (n)) (2) n N Im(fk) = - E Vn sin (2w k p (n)) (3) n N p(n) étant une fonction représentant la position norma- lisée du détecteur n et prenant les valeurs: - N-1 à + N-l, en phasemètre avec une référence au centre 2 2 de la ligne de propagation, on conçoit qu'il est possible d'obtenir directement la fonction Z à partir d'une somme pondérée des tensions de sortie Vn des détecteurs. Les coefficients de pondération appliqués C'0,...,C'N-l se déduisent des coefficients crl,...cim et des tensions des25 sorties du transformateur de Fourier. En effet la relation de définition (1) de la fonction Z s'exprime compte tenu des relations (2) et (3) par: Z =E [crk E Vn cos (2a k p(n)) k n N - cik E Vn sin (2w k p(n))] n N ce qui s'écrit encore en permutant les sommations sur n et k Z = E Vn E [crk cos (2r k p(n)) n k N - cik sin (2 X k p(n))] N par identification avec: Z = E Vn C'n n on obtient c'n = E [crk cos (2r k p(n)) k N - cik sin (2w k p(n))] N Les coefficients de pondération c'n peuvent être à la fois positifs et négatifs tandis que les tensions de sortie Vn des détecteurs sont soit toutes positives soit toutes négatives selon le sens des diodes Dro, DrN-l de sorte qu'il est possible de réaliser les pondérations des tensions de sortie Vn des détecteurs par les coefficients c'n au moyen de multiplieurs à deux quadrants. On réalise ainsi la fonction Z directement par une sommation pondérée des signaux de sortie des détecteurs. Certaines applications nécessitent la mise en oeuvre de plusieurs fonctions Z distinctes. Si le temps de fonctionnement est critique, ces différentes fonctions Z seront réalisées à l'aide de plusieurs systèmes de sommation pondérée connectés en parallèle aux sorties des détecteurs plutôt que successivement & l'aide d'un seul système de sommation dont on change séquentiellement les coefficients de pondération. Par exemple, dans une application en phasemètre il sera judicieux d'utiliser deux systèmes de sommation pondérée, l'un élaborant un signal proportionnel au cosinus de la phase à mesurer (ou système Uréel") et l'autre un signal proportionnel au sinus de la phase a mesurer (ou système "imaginaire"). Ces deux voies seront ensuite numérisées et un système numérique en extraira la phase à mesurer. En prévoyant de faire varier les fonctions Z par programmation de leurs coefficients de pondération il est possible d'envisager de nombreuses applications notamment: - récepteur programmable dont les performances (sensibilité, précision,...) sont optimisées pour quelques signaux précis (caractérisés par exemple par leur fréquence); - amélioration de la précision de mesure par rétrécissement progressif de la bande hyperfréquence autour de l'information a mesurer (adaptativité fréquencielle); - régulation du seuil de fonctionnement en fonction des caractéristiques spectrales de bruit ou des signaux parasites; - réjection d'un ou plusieurs signaux indésirables par modulation des courbes de réponse; - fonctionnement à la manière d'un récepteur hétérodyne par balayage de la totalité ou d'une partie de la bande hyperfréquence. Dans le cas précédemment évoqué d'un phasemètre on peut, par exemple, rendre le phasemètre insensible à un signal de fréquence donnée en engendrant par un choix adéquat des coefficients des deux systèmes réel et imaginaire de sommation pondérée un trou de sensibilité à la fréquence désirée dans la bande passante hyperfréquence du phasemètre, la position en fréquence de ce trou de sensibilité pouvant être déplacée par un changement programmé desdits coefficients. La figure 2 illustre un circuit de récepteur hyperfréquence à large bande selon l'invention dans lequel la fonction Z est obtenue directement & partir d'une somme pondérée des tensions de sortie Vn des détecteurs réalisée grâce & des multiplieurs programmables deux quadrants et à un montage sommateur. On distingue sur cette figure 2 la ligne de transmission 1 recevant à une extrémité 2 un signal hyperfréquence de la forme Eo exp (jwt) et à l'autre extrémité 3 un signal hyperfréquence de la forme E exp (wt+ p) et les sondes régulièrement réparties la long de cette ligne de transmission 1 constituées des détecteurs quadratiques DrO,... DrN-l suivis des filtres passe-bas FIo,...FIN_1. Les sorties des N sondes sont raccordées indivi- duellement aux entrées analogiques de N multiplieurs deux quadrants 20, 21, 22, 23, 24 qui sont réalisés classiquement à l'aide de convertisseurs numérique- analogique CNA et qui reçoivent sur leurs entrées numériques les valeurs des coefficients de pondérations C'O, C'N-1 fournie sous forme numérique par une unité de programmation MNO1. Les sorties analogiques MXO à MXN-1 des convertisseurs numérique-analogique 20 à 24 sur lesquelles sont disponibles les tensions pondérées des sorties des détecteurs sont reliées par un réseau de résistances ROO à RON-1 de mêmes valeurs à l'entrée d'un amplificateur MAO1 qui est pourvu d'une résistance R10 placée en contre réaction et qui délivre une tension correspondant à la somme des tensions pondérées de sortie des détecteurs au coefficient - R10/ROO près. La figure 3 illustre un circuit de récepteur hyperfréquence à large bande analogue à celui de la figure 2, adapté à une utilisation en fréquencemètre avec une ligne de transmission 1 court-circuitée à sa deuxième extrémité 3 ce qui permet de ne s'intéresser qu'à la fréquence et au niveau du signal d'entrée. La figure 4 illustre une variante du récepteur hyperfréquence à large bande de la figure 3 utilisant des multiplieurs un quadrant pour pondérer les tensions de sortie des détecteurs. Pour pouvoir utiliser des multiplieurs un quadrant, il faut que les tensions de sortie Vn des détecteurs soient de même signe et qu'il en soit de même pour les coefficients de pondération. On a vu que c'était le cas des tensions de sortie des détecteurs dont les diodes DrO, .,DrN-l sont toutes connectées dans le même sens. En ce qui concerne les coefficients de pondération, on remarque que la sommation de la fonction Z peut être mise sous la forme: Z = E (c'n + X) Vn - X E Vn n n avec un paramètre X choisi de façon que les coefficients c'n + X soient tous de même signe quelque soit n. Cela permet d'adopter une nouvelle série de coefficients de pondération: C"n = C'n + X tous de même signe à condition de retrancher à la somme des tensions des détecteurs ainsi pondérées le terme..DTD: X E Vn. n On distingue sur la figure 4 des convertisseurs numérique-analogique un quadrant 30, 31, 32, 33 qui réalisent les pondérations des tensions de sortie Vn des détecteurs par les coefficients de pondération C"O,...CnN-1 et qui ont des sorties en courant MX'O,....XX'N-1 sommées par un amplificateur MA'01 pourvu d'une résistance R'10 placée en contre réaction. Un réseau de résistances R'OO,... R'ON-1 relie les sorties des détecteurs à l'entrée d'un amplificateur MA02 qui est pourvu d'une résistance Rll placée en contre- réaction et qui délivre une tension représentant le terme - X nEVn. Une résistance R12 intercalée en sortie de l'amplificateur MA02 transforme la tension de sortie de ce dernier en un courant additionné à ceux des sorties des différents multiplieurs numérique-analogique à un quadrant 30, 31, 32, 33 pour donner en sortie de l'amplificateur MA'01 une tension proportionnelle à la valeur de la fonction Z recherchée. L'unité de programmation MN01 qui fournit les coefficients de pondération C'n ou C"N peut être cons- tituée d'un ensemble de registres mémoires inscrits une fois pour toutes avec des valeurs invariables de coefficients ou bien programmés par l'intermédiaire d'un microprocesseur avec des valeurs de coefficients variant selon une loi particulière en fonction de la valeur du signal de sortie de l'amplificateur MA01 ou MA'01 ce qui rend le récepteur adaptatif. La figure 5 illustre un schéma de récepteur adaptatif ou la sortie est ré-injectée dans l'unité de programmation qui modifie les coefficients de pondération suivant une loi de référence donnée. REVEUDICATIONS 1. Récepteur hyperfréquence programmable à large bande caractérisé en ce qu'il comporte: - une ligne de transmission (1) parcourue en sens opposés par deux signaux de même fréquence, dont la fréquence et/ou la phase sont & mesurer, engendrant un régime d'ondes stationnaires; - des détecteurs (Dro,...DrN-l) répartis le long de la ligne de transmission (1) échantillonnant l'amplitude de l'enveloppe du régime d'ondes stationnaires établi au sein de la ligne de transmission (1); - des moyens programmables de pondération (20, 21, 22, 23, 24) affectant de coefficients de pondération les amplitudes des signaux de sortie des détecteurs (Dro,...DrN-1); - une unité de programmation (MNOl) des moyens programmables de pondération (20, 21, 22, 23, 24) et - un premier sommateur (MA01) effectuant la somme des signaux de sortie pondérés des détecteurs (Dro, DrN-l) pour engendrer un signal de sortie du récep- teur. 2. Récepteur selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les moyens programmables de pondération sont des convertisseurs numérique-analogique (20, 21, 22, 23, 24). 3. Récepteur selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les moyens programmables de pondération sont des multiplieurs deux quadrants (20, 21, 22, 23, 24). 4. Récepteur selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les moyens programmables de pondération sont des multiplieurs un quadrant (30, 31, 32, 33) et en ce qu'il comporte en outre un deuxième sommateur (MA02) qui est relié par un réseau de résistance de même valeur (R'00,..., R'ON-1) aux sorties des détecteurs et qui délivre une somme des signaux de sortie des détecteurs pondérée par un paramètre X soustraite par le premier sommateur (MA'01) à la somme des signaux de sortie pondérés des détecteurs, le paramètre X ayant une valeur telle que les coefficients de pondération (C"n) par lesquels les multiplieurs (30, 31, 32, 33) multiplient les amplitudes des signaux de sortie des détecteurs soient tous de même signe. 5. Récepteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est adaptatif, l'unité de programmation (MN01) recevant parmi ses signaux de commande le signal de sortie du premier sommateur (MA01) qui réagit sur la programmation des coefficients.