Brevet FR2735298A1 — publié le 19961213

Arrière-plan de l'invention. 1. Domaine de l'invention La présente invention concerne les configurations de commutateur pour micro-onde qui peuvent être utilisées dans diverses applications embarquées de satellite, telles que des réseaux de commutation à redondance et des déroutements de trafic de communication. Plus particulièrement, l'invention concerne les modules de commutation à semi-conducteurs incluant des éléments de commutation opérant en mode passif, qui peuvent être utilisés comme blocs constructifs dans la formation des réseaux de commutation. 2. Brève discussion de l'art en rapport Dans les transpondeurs de satellite classiques (par exemple, INTELSAT-VI et VII), des commutateurs guide d'onde, coaxiaux, et ferrite sont utilisés pour les réseaux de commutation statiques et redondants. Ces commutateurs sont utilisés occasionnellement pour dérouter le trafic des communications entre des maillons hauts et bas, fournir des interconnexions de signaux entre divers canaux répéteurs et des rayons d'antenne, et dérouter des signaux micro-ondes vers des dispositifs redondants dans le cas de défaillance machine embarquée. La plupart des commutateurs utilisés déjà dans les transpondeurs de satellite étaient de nature mécanique. Le problème avec les commutateurs mécaniques est qu'ils contribuent de façon significative à la masse de la charge payante des communications. Un commutateur coaxial pour des applications INTELSAT-VI, par exemple pèse typiquement 135 grammes et a des dimensions de 2" x 1" x 1". Une matrice de commutateurs statiques (6 x 6) sur INTELSAT- VII occupe 10 cm x 18 cm et pèse environ 2,2 kg. 2 2735298 Comme un grand nombre de commutateurs sont nécessaires sur un satellite de communication en vue de commutation pour la redondance et pour acheminer le trafic (par exemple, un véhicule spatial INTELSAT-VI à quatre réseaux de matrice de commutation statique (8 x 8) et un (6 x 6) et le véhicule spatial INTELSAT-VII a cinq réseaux de matrice de commutation statique (6 x 6) et un (4 x 4), ces commutateurs ont un impact significatif sur la masse du budget. Résumé de l'invention. Le propos principal de la présente invention est de prévenir les problèmes de dimension et de poids budgétaires associés aux matrices classiques de commutation statique. Par conséquent, c'est un objet de la présente invention de fournir un module de commutation électronique à semi-conducteurs, petit et léger pour réduire l'impact sur la masse budgétaire des commutateurs de redondance et de déroutage. C'est un autre objet de la présente invention de fournir un module de commutation électronique à semi- conducteur fiable utilisant des éléments de commutation passifs à semiconducteurs qui réduisent l'importance de la puissance consommée par les commutateurs de redondance et de déroutage utilisant le module de commutation. Ces objets ainsi que d'autres objets, des caractéristiques et avantages de la présente invention sont obtenus par un module de commutation électronique semi-conducteur. Ce module de commutation comporte une pluralité de noeuds d'accès, des éléments passifs de commutation à semi-conducteurs, et des connexions de polarisation permettant l'application de signaux de polarisation aux éléments passifs respectifs de commutation à semi-conducteurs. 3 2735298 Conformément à un aspect de l'invention, pendant un premier état de connexion, un premier chemin conducteur, connectant un premier et un second noeud d'accès, est défini par une pluralité de premiers éléments passifs de commutation à semi-conducteurs, chacun étant sensible à un signal de polarisation respectif et un second chemin conducteur connectant un troisième et un quatrième noeud d'accès est défini par une pluralité de seconds éléments passifs de commutation à semi-conducteurs, chacun étant sensible à un signal de polarisation respectif. Additionnellement, un premier chemin isolant est défini par une pluralité de troisièmes éléments passifs de commutation à semi- conducteurs, chacun étant sensible à un signal de polarisation respectif et isolant de façon opérante le premier et le quatrième noeud d'accès tandis qu'un second chemin isolant est défini par une pluralité de quatrièmes éléments passifs de commutation à semi- conducteurs, chacun étant sensible à un signal de polarisation respectif et isolant de façon opérante le second et le troisième noeud d'accès. Conformément à un autre aspect de l'invention, pendant un second état de connexion, un troisième chemin conducteur, connectant le premier et le quatrième noeud d'accès est défini par une pluralité de cinquièmes éléments passifs de commutation à semi-conducteurs, chacun étant sensible à un signal de polarisation respectif et un quatrième chemin conducteur connectant le second et le troisième noeud d'accès, est défini par une pluralité de sixièmes éléments passifs de commutation à semi-conducteurs, chacun étant sensible à un signal de polarisation respectif. En outre, un troisième chemin isolant est défini par une pluralité de septièmes éléments passifs de commutation à semi- conducteurs, chacun étant sensible à un signal de polarisation respectif et isolant de façon opérante le premier et le 4 2735298 second noeud d'accès tandis qu'un quatrième chemin isolant est défini par une pluralité de huitièmes éléments passifs de commutation à semiconducteurs, chacun étant sensible à un signal de polarisation respectif et isolant de façon opérante le troisième et le quatrième noeud d'accès. Ces objets et d'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention sont obtenus par un commutateur "T" à semi- conducteur. Ce module de commutation comporte des premiers à quatrièmes noeuds d'accès, des éléments passifs de commutation à semi- conducteurs et des connexions polarisées permettant l'application de signaux de polarisation aux éléments passifs respectifs de commutation à semi-conducteurs, de façon à permettre trois états de connexion. Ces objets ainsi que d'autres objets caractéristiques et avantages de l'invention sont décrits dans la description suivante o ils seront apparents, de modes de réalisation préférés. Brève description des dessins. La formes de réalisation préférées sont décrites en référence aux dessins sur lesquels les mêmes éléments sont désignés par les mêmes nombres ou les nombres similaires, et sur lesquels: - les figures l(a) et l(b) sont des schémas blocs de matrice de commutation statique 4 x 4 et 8x8 respectivement qui peuvent être réalisés en utilisant une forme de réalisation de la présente invention comme bloc de construction; - La figure 2(a) est un plan schématique d'un commutateur double pôle, double direction (DPDT), c'est-à-dire un commutateur de transfert, équivalent conformément à une forme de réalisation préférée de la présente invention tandis que les figures 2(b) et 2735298 2(c) sont deux schémas d'état représentant tous les états de connexion possibles dans lesquels le circuit conforme à la présente invention illustré sur la figure 2(a) peut fonctionner; - la figure 3 est un tracé de masque MMIC pour le commutateur de transfert représenté sur la figure 2(a); - la figure 4 est un schéma d'un commutateur à redondance 6 pour 4 qui peut être réalisé en utilisant une forme de réalisation de la présente invention, c'est-à-dire un commutateur dit "T"; - la figure 5(a) est un plan schématique du commutateur "T" selon une autre forme de réalisation préférée de la présente invention tandis que les figures 5(b) à 5(d) illustrent trois diagrammes d'état représentant tous les états de connexion possibles dans lesquels la forme de réalisation de la présente invention représentée sur la figure 5(a) peut fonctionner; - la figure 6 est un tracé de masque MMIC pour le commutateur "T" représenté sur la figure 5(a); et - les figures 7, 8 et 9 sont des représentations de courbes pour la perte d'insertion, l'isolation et la perte de retour, respectivement, qui correspondent aux mesures prises pendant le fonctionnement du commutateur de transfert de la figure 5(a) dans chacun de ses trois états possibles. Description des formes de réalisation préférées. Comparés aux commutateurs mécaniques et à ferrite mentionnés ci- dessus, les commutateurs électroniques à semi-conducteurs présentent les avantages d'avoir un faible poids et une petite dimension tout en assurant une bonne isolation. Les commutateurs électroniques ont été réalisés en utilisant des diodes PIN ou des transistors à effet de champ (FET) comme éléments de commutation. On 6 2735298 comprendra que les éléments de commutation à diode PIN nécessitent des courants de polarisation à l'état ARR T, consommant plus d'énergie que les éléments de commutation FET opérant dans un mode passif. En contraste, les éléments de commutation FET peuvent être commandés en mode actif qui présentent l'avantage du gain à l'état MARCHE. Cependant, en raison de la consommation d'énergie continue, la fiabilité est réduite. Les FET utilisés en mode passif ne dissipent d'énergie dans les états MARCHE ou ARRET, et par suite consomment moins d'énergie et assurent une meilleure fiabilité. Selon au moins une forme de réalisation préférée de la présente invention, des matrices de commutation statique et des commutateurs à redondance sont avantageusement construits avec des commutateurs (MMIC) à circuit intégré monolithique micro-onde, qui sont réalisés par une combinaison de FET passive, séries et shunt, comme éléments de commutation. On comprendra qu'il n'y a pas de polarisation appliquée ni au drain ni à la source du FET; seule une porte polarisée est utilisée. Dans l'état MARCHE, la porte est polarisée à O V, ce qui donne une faible résistance entre le drain et la source, tandis qu'à l'état ARR T, la porte est polarisée au-delà du pincement, ce qui conduit à une résistance élevée entre le drain et la source. Avantageusement, les circuits de commutation peuvent être fabriqués sur un substrat GaAs, ce qui les rend compatibles avec d'autres systèmes MMIC tels que les récepteurs monolithique, les matrices de commutation micro-onde (MSM) et les amplificateurs driver (étage amplificateur précédant l'amplificateur de puissance), dispositifs qui sont employés dans diverses applications de répéteur de satellite de communication. De préférence, tous les dispositifs FET et les réseaux d'adaptation passive associés sont réalisés sur des substrats GaAs, ce 7 2735298 qui donne des modules de circuit avec une performance RF uniforme, qui sont avantageusement de petite dimension et de faible poids. Avantageusement, les circuits individuels offrent une fiabilité accrue en raison du petit nombre des opérations manuelles dans l'assemblage. De plus, la masse estimée des commutateurs réalisée par la technologie MMIC GaAs peut être aussi réduite que 10% de la dimension et du poids des autres pièces mécaniques respectives. On comprendra que ces commutateurs sont avantageusement adaptés pour les applications embarquées sur les véhicules spatiaux, par exemple des réseaux de matrice de commutation statique et des commutateurs à redondance aux sorties de récepteur ou aux entrées TWTA. Dans la construction d'une matrice de commutateur statique conforme à une forme de réalisation préférée de la présente invention, des commutateurs MMIC DPDT sont utilisés comme blocs de fabrication préférés. Dans un exemple, une matrice de commutation statique (4 x 4) 10, comme représenté sur la figure l(a) peut être fabriquée en connectant convenablement six modules 20 de commutation MMIC DPDT pour réaliser toutes les possibilités d'interconnexion une à une entre les entrées et les sorties. Des matrices supplémentaires (4 x 4) 10 et des commutateurs DPDT 20 peuvent en outre être utilisés pour réaliser le commutateur 30 (8X8) représenté sur la figure l(b). Une forme de réalisation préférée du commutateur 20 de transfert MMIC DPDT est représentée schématiquement sur la figure 2(a). De préférence, le circuit a quatre bornes RF (Pl à P4) et huit connexions de polarisation en quatre paires Bl à B4. On comprendra qu'il y a deux états de connexion, c'est-à-dire l'état 1 pour Pl connecté à P2, et P3 connecté à P4, représentés sur la figure 2(b) et l'état 2 pour Pl connecté à P4, et P2 connecté à P3 8 2735298 comme représenté sur la figure 2(c). Le commutateur est mis à l'état 1 quand 0 V est appliqué aux connexions de polarisation Bl et B4 et une tension (V-arrêt) au-delà de la tension de pincement est appliqué aux connexions de polarisation B2 et B3. Le commutateur 20 peut avantageusement être placé à l'état 2 quand O V est appliqué aux connexions de polarisation B2 et B3 tandis que V-arrêt est appliqué aux connexions de polarisation Bl et B4. La figure 3 représente un tracé de masque MMIC pour le commutateur 20 DPDT avec des dimensions de 1,85 mm sur 1,85 mm. On comprendra que la largeur des FET est optimisée pour assurer la perte d'insertion minimum entre les bornes connectées, l'isolation maximum entre les bornes déconnectées et l'impédance et le couplage d'impédance entrée/sortie optimum pour le fonctionnement sur les bandes de micro-onde L-, C-, X-, et Ku. En réalisant des commutateurs à redondance, un type spécial de commutateur de transfert avec interconnexion croisée fournit un maximum de souplesse de reconfiguration. Un commutateur exemplaire dit T est représenté schématiquement sur la figure 4, dans lequel un commutateur à redondance 6 pour 4 qui peut être fait par six commutateurs MMIC est représenté. Le schéma détaillé du commutateur "T" MMIC équivalent à celui illustré sur la figure 4 est représenté sur la figure (a). A l'examen, on verra que le circuit a quatre bornes RF, douze connexions polarisées, et trois connexions d'état comme représenté sur les figures 5(b) à 5(d). Chaque état peut avantageusement être fixé en appliquant la polarisation appropriée aux connexions de polarisation, c'est-à-dire de façon similaire aux opérations précédemment décrites pour le commutateur 20 DPDT tout seul. 9 2735298 Un tracé de masque MMIC du commutateur de transfert avec des dimensions de 1,85 mm par 2,35 mm est représenté sur la figure 6. Les mesures de la perte d'insertion, de l'isolation et des pertes en retour des trois états sont présentées sur les figures 7, 8 et 9, respectivement. Comme on peut le voir sur les figures 7 à 9, les circuits construits conformément aux formes de réalisation préférées de la présente invention maintiennent avantageusement une bonne performance sur une bande assez large, avec des pertes d'insertion inférieures à 5 dB, une isolation supérieure à 35 dB et des pertes de retour meilleures que 10 dB, jusqu'à 12 GHz. D'autres modifications et variations de l'invention apparaîtront à l'homme de l'art à partir de la description et des enseignements qui précèdent. Ainsi, tandis que seulement certaines formes de réalisation de l'invention ont été décrites spécifiquement ici, on verra que de nombreuses modifications peuvent être apportées sans sortir de l'esprit et de la portée de l'invention. I0 2735298 Revendications: 1.- Module de commutation électronique à semi- conducteurs fonctionnant dans au moins deux états de connexion, ledit module de commutation comportant: une pluralité de noeuds d'accès; une pluralité d'éléments passifs de commutation à semi-conducteurs; et une pluralité de connexions de polarisation permettant l'application de signaux de polarisation aux éléments passifs respectifs de commutation à semi- conducteurs; dans lequel, pendant un premier état de connexion, un premier chemin de connexion, connectant un premier et un second noeud d'accès, est défini par une pluralité de premiers éléments passifs de commutation à semi- conducteurs, chacun étant sensible à un signal de polarisation respectif; un second chemin de connexion, connectant des troisième et quatrième noeuds d'accès, est défini par une pluralité de seconds éléments passifs de commutation à semi-conducteurs, chacun étant sensible à un signal de polarisation respectif; un premier chemin isolant est défini par une pluralité de troisièmes éléments passifs de commutation à semi-conducteurs, chacun étant sensible à un signal de polarisation respectif et isolant de façon opérante ledit premier et ledit quatrième noeud d'accès; un second chemin isolant est défini par une pluralité de quatrièmes éléments passifs de commutation à semi- conducteurs, chacun étant sensible à un signal de polarisation respectif et isolant de façon opérante ledit second et ledit troisième noeud d'accès; et dans lequel, pendant un second état de connexion, Il 2735298 un troisième chemin de connexion connectant ledit premier et ledit quatrième noeud d'accès, est défini par une pluralité de cinquièmes éléments passifs de commutation à semi-conducteurs, chacun étant sensible à un signal de polarisation respectif; un quatrième chemin de connexion, connectant ledit second et ledit troisième noeud d'accès est défini par une pluralité de sixièmes éléments passifs de commutation à semi-conducteurs, chacun étant sensible à un signal de polarisation respectif; un troisième chemin isolant est défini par une pluralité de septièmes éléments passifs de commutation à semi- conducteurs, chacun étant sensible à un signal de polarisation respectif et isolant de façon opérante ledit premier et ledit second noeud d'accès; et un quatrième chemin isolant est défini par une pluralité de huitièmes éléments passifs de commutation à semi-conducteurs, chacun étant sensible à un signal de polarisation respectif et isolant de façon opérante ledit troisième et ledit quatrième noeud d'accès. 2.- Module de commutation électronique à semi- conducteurs selon la revendication 1, dans lequel chacun des chemins de connexion et des chemins isolants est conducteur à un premier niveau logique et non conducteur à un second niveau logique. 3.- Module de commutation électronique à semi- conducteurs selon la revendication 2, dans lequel par rapport au fonctionnement dans le premier état de connexion, un premier signal de polarisation de niveau logique est appliqué aux éléments passifs de commutation à semi-conducteurs respectifs desdits premier, second, septième et huitième éléments passifs de commutation à semi-conducteurs, tandis qu'un second signal de polarisation de niveau logique est appliqué aux éléments passifs de commutation à semi-conducteurs respectifs 12 2735298 desdits troisième, quatrième, cinquième et sixième éléments passifs de commutation à semi-conducteurs. 4.- Module de commutation électronique à semi- conducteurs selon la revendication 2, dans lequel, par rapport au fonctionnement dans ledit second état de connexion, un premier signal de polarisation de niveau logique est appliqué aux éléments passifs de commutation à semi-conducteurs respectifs desdits troisième, quatrième, cinquième et sixième éléments passifs de commutation à semi- conducteurs, tandis qu'un second signal de polarisation de niveau logique est appliqué aux éléments passifs de commutation à semi- conducteurs respectifs desdits premier, second, septième et huitième éléments de commutation à semi-conducteurs. 5.- Module de commutation électronique à semi- conducteurs fonctionnant dans au moins trois états de connexion, ledit module de commutation comportant une pluralité de noeuds d'accès; une pluralité d'éléments passifs de commutation à semi-conducteurs; et une pluralité de connexions de polarisation permettant l'application de signaux de polarisation aux éléments passifs de commutation à semiconducteurs respectifs; dans lequel, pendant un premier état de connexion, un premier chemin de connexion, connectant les premier et second noeuds d'accès, est défini par une pluralité de premiers éléments passifs de commutation à semi-conducteurs, chacun étant sensible à un signal de polarisation respectif; un second chemin de connexion, connectant les troisième et quatrième noeuds d'accès, est défini par une pluralité de seconds éléments passifs de commutation à semi-conducteurs, chacun étant sensible à un signal de polarisation respectif 13 2735298 un premier chemin isolant est défini par une pluralité de troisièmes éléments passifs de commutation à semi-conducteurs, chacun étant sensible à un signal de polarisation respectif et isolant de façon opérante ledit premier et ledit quatrième noeud d'accès; un second chemin isolant est défini par une pluralité de quatrièmes éléments passifs de commutation à semi- conducteurs, chacun étant sensible à un signal de polarisation respectif et isolant de façon opérante ledit premier et ledit troisième noeud d'accès; un troisième chemin isolant est défini par une pluralité de cinquièmes passifs éléments de commutation à semi-conducteurs, chacun étant sensible à un signal de polarisation respectif et isolant de façon opérante ledit second et ledit troisième noeud d'accès; un quatrième chemin isolant est défini par une pluralité de sixièmes éléments passifs de commutation à semi-conducteurs, chacun étant sensible à un signal de polarisation respectif et isolant de façon opérante ledit second et ledit quatrième noeud d'accès; dans lequel pendant un second état de connexion, un troisième chemin de connexion connectant ledit premier et ledit quatrième noeud d'accès, est défini par une pluralité de septièmes éléments passifs de commutation à semi-conducteurs, chacun étant sensible à un signal de polarisation respectif; un quatrième chemin de connexion, connectant ledit second et ledit troisième noeud d'accès, est défini par une pluralité de huitièmes éléments passifs de commutation à semi-conducteurs, chacun étant sensible à un signal de polarisation respectif; un cinquième chemin isolant est défini par une pluralité de neuvièmes éléments passifs de commutation à semi- conducteurs, chacun étant sensible à un signal de 14 2735298 polarisation respectif et isolant de façon opérante ledit premier et ledit quatrième noeud d'accès; un sixième chemin isolant est défini par une pluralité de dixièmes éléments passifs de commutation à semi- conducteurs, chacun étant sensible à un signal de polarisation respectif et isolant de façon opérante ledit premier et ledit troisième noeud d'accès; un septième chemin isolant est défini par une pluralité de onzièmes éléments passifs de commutation à semi-conducteurs, chacun étant sensible à un signal de polarisation respectif et isolant de façon opérante ledit troisième et ledit quatrième noeud d'accès; un huitième chemin isolant est défini par une pluralité de douzièmes éléments passifs de commutation à l'état solide, chacun étant sensible à un signal de polarisation respectif et isolant de façon opérante ledit second et ledit quatrième noeud d'accès; et dans lequel pendant un troisième état de connexion, un cinquième chemin de connexion, connectant ledit premier et ledit troisième noeud d'accès est défini par une pluralité de treizièmes éléments passifs de commutation à semi- conducteurs, chacun étant sensible à un signal de polarisation respectif; un sixième chemin de connexion, connectant ledit second et ledit quatrième noeud d'accès, est défini par une pluralité de quatorzièmes éléments passifs de commutation à semi-conducteurs, chacun étant sensible à un signal de polarisation respectif; un neuvième chemin isolant est défini par une pluralité de quinzièmes éléments passifs de commutation à semi-conducteurs, chacun étant sensible à un signal de polarisation respectif et isolant de façon opérante ledit premier et ledit quatrième noeud d'accès; 2735298 un dixième chemin isolant est défini par une pluralité de seizièmes éléments passifs de commutation à semi-conducteurs, chacun étant sensible à un signal de polarisation respectif et isolant de façon opérante ledit premier et ledit second noeud d'accès; un onzième chemin isolant est défini par une pluralité de dix-septièmes éléments passifs de commutation à semi-conducteurs, chacun étant sensible à un signal de polarisation respectif et isolant de façon opérante ledit second et ledit troisième noeud d'accès; un douzième chemin isolant est défini par une pluralité de dix-huitièmes éléments passifs de commutation à semi-conducteurs, chacun étant sensible à un signal de polarisation respectif et isolant de façon opérante ledit troisième et ledit quatrième noeud d'accès. 6.- Module de commutation électronique à semi- conducteurs fonctionnant dans au moins trois états de connexion, selon la revendication 5, dans lequel chacun desdits chemins de connexion est conducteur à un premier niveau logique et non conducteur à un second niveau logique. 7.- Module de commutation électronique à semi- conducteurs fonctionnant dans au moins trois états de connexion, selon la revendication 6, dans lequel par rapport audit premier état de connexion, un premier signal de polarisation de niveau logique est appliqué aux éléments passifs de commutation à semi-conducteurs respectifs dudit premier et dudit second élément de commutation à semi- conducteurs et un second signal de polarisation de niveau logique est appliqué aux éléments passifs de commutation à semi-conducteurs respectifs desdits neuvièmes, desdits onzièmes, desdits seizièmes et desdits dix-huitièmes éléments passifs de commutation à semi-conducteurs. 16 2735298 8.- Module de commutation électronique à semi- conducteurs selon la revendication 6, dans lequel par rapport audit second état de connexion, un premier signal de polarisation de niveau logique est appliqué aux éléments passifs de commutation à semi- conducteurs respectifs desdits septièmes et huitièmes éléments passifs de commutation à semi-conducteurs, et un second signal de polarisation de niveau logique est appliqué aux éléments passifs de commutation à semi-conducteurs respectifs desdits troisièmes, desdits cinquièmes, desdits quinzièmes et desdits dix-septièmes éléments passifs de commutation à semi-conducteurs. 9.- Module de commutation électronique à semi- conducteurs selon la revendication 6, dans lequel par rapport audit troisième état de connexion, un premier signal de polarisation de niveau logique est appliqué aux éléments passifs de commutation à semiconducteurs respectifs desdits treizièmes et desdits quatorzièmes éléments passifs de commutation à semi-conducteurs et un second signal de polarisation de niveau logique est appliqué aux éléments passifs de commutation à semi- conducteurs respectifs desdits quatrièmes, desdits sixièmes, desdits dixièmes et desdits douzièmes éléments passifs de commutation à semi-conducteurs.