Brevet FR2785745A1 — publié le 20000512

Circuit haute fréquence à déphasage variable. La présente invention a pour objet un circuit haute fréquence à déphasage variable utilisable principalement dans le domaine des ondes décimétriques. Elle peut y être utilisée en particulier, avec plusieurs éléments d'antenne, pour réaliser un dépointage variable en attaquant chacune des antennes avec un même signal à transmettre, et en commandant des circuits de déphasage associés à ces antennes avec une phase déterminée relative à un dépointage à provoquer. D'autres applications sont néanmoins possibles. Le but de l'invention est de produire, à partir d'un signal avec une phase donnée en sortie d'un circuit, un signal avec une phase décalée par rapport à cette phase donnée. Le principe de l'invention est de plus applicable au domaine des ondes non décimétriques. Dans le domaine des déphaseurs, on connaît des circuits de déphasage, notamment à base de diodes dites PIN. Les diodes PIN sont constituées par une juxtaposition d'une couche P et d'une couche N de matériau semi-conducteur, de part et d'autre d'une mince couche d'isolation. Du fait de la présence de la couche d'isolation, les porteurs minoritaires de la jonction P N sont lents. Vis à vis d'un signal très haute fréquence, une telle diode correctement polarisée peut alors se comporter comme un circuit résistif pur. Des publications présentent les diodes PIN, en hyperfréquence, comme un élément de commutation. Un tel élément permet la sélection, en tout ou rien, d'un accès en transmission parmi deux accès possibles. Dans d'autres applications, de telles diodes permettent la mise en parallèle, sur une ligne, d'un tronçon de ligne utilisé en réflexion. De telles utilisations sous la forme d'une fonction à deux états sont liées au fait qu'avec de telles diodes, le taux d'ondes stationnaires aux accès, et les pertes d'insertion ne sont simultanément maîtrisés et définis que dans les deux états de commutation. En définitive la reproductibilité et l'industrialisation du montage de ce type de circuit ne sont pas garanties si on les utilise avec des réglages intermédiaires entre ces deux états. Les procédés connus ne permettent pas la maîtrise continue et simultanée de la phase, du taux d'onde stationnaire, et des pertes d'insertion. Des montages de types variés à base de diodes Varactor multiples, ou aussi à base de diodes PIN multiples, ont été utilisés pour réaliser des déphaseurs à déphasage variable. Le problème présenté par les diodes Varactor est que ces diodes présentent une capacité dépendant de la tension de polarisation. Elles présentent aussi l'inconvénient que des tensions nécessaires, notamment dans la gamme des trois Gigahertz, pour explorer une variation d'impédance significative nécessitent des excursions de l'ordre de 20 Volts. De telles excursions sont assez onéreuses à réaliser, même avec des multiplicateurs de tension avec pompe de charge. En outre, ces diodes Varactor proposent des variations d'impédance réactives difficiles à compenser, si ce n'est par une autre impédance réactive. En ce qui concerne les diodes PIN, qui présentent l'avantage de proposer une variation de type résistif, leur fabrication doit cependant être très soignée pour servir au-delà de trois Gigahertz du fait de la présence d'une capacité parasite. Cette capacité parasite occasionne des limitations de fréquence puisque la diode est utilisée pour une transmission en série du signal radiofréquence. En outre, l'utilisation de montages avec de nombreuses diodes PIN implique la réalisation de circuits hyperfréquences occupant une grande surface sur un circuit imprimé, ce qui est encombrant et d'autant plus difficile à mettre au point. En particulier, les diodes PIN spécialisées sont des diodes montées manuellement dans des boîtiers céramiques. Ces boîtiers céramiques ne sont alors pas des boîtiers de type CMS, de composants montés en surface, qui peuvent être placés automatiquement par des machines d'insertion dans les circuits dans le cas de fabrications en grandes séries. En outre, des pattes de connexion de ces boîtiers produisent des inductances qui, combinées avec la capacité parasite de la diode, rendent la définition du circuit très délicate. Avec des diodes Varactor ou PIN multiples, des solutions chères et complexes, nécessitant des coupleurs à 90 , ou des coupleurs à 3 dB, doivent ainsi être utilisées pour maintenir une bonne adaptation des impédances d'entrée et de sortie. L'invention a pour objet de remédier à ces problèmes de coût et de réglage notamment, en proposant une solution dans laquelle des diodes utilisées sont des diodes PIN (avec des porteurs minoritaires lents) mais de type courant, c'est à dire des diodes PIN notamment disponibles sous forme de boîtiers montables en surface avec des machines de report automatique. Une idée de l'invention est de réaliser entre une entrée et une sortie du déphaseur une séparation en deux chemins de propagation de longueurs différentes. En outre une diode PIN au moins, dans la pratique deux diodes PIN en parallèle, sont interconnectées en position intermédiaire par leur borne à des noeuds de l'un et l'autre de ces chemins. Un circuit de polarisation permet, en polarisant la diode et en lui imposant de présenter une résistance donnée, de ramener à l'entrée, sur chacun des deux chemins, une impédance qui va être vue par le signal à l'entrée. En conséquence le signal à l'entrée empruntera plutôt un chemin que l'autre. Comme les chemins ont des longueurs différentes, à la sortie les deux signaux résultants sont déphasés l'un par rapport à l'autre. Leur composition, et donc le signal résultant de leur addition, possède une phase dépendant des contributions respectives de chacune de ces deux composantes. Celle qui est la plus favorisée imposera sa phase plus facilement. En pratique avec un tel déphaseur on peut produire un déphasage de l'ordre de 20 . Ceci est tout à fait suffisant pour faire du dépointage de direction de tir d'une antenne munie de plusieurs éléments rayonnants. Si on veut avoir un déphasage plus grand que 20 , il suffit de mettre en cascade plusieurs déphaseurs du type de celui de l'invention. On montrera plus loin que le circuit de l'invention présente, par rapport à l'état de la technique, I'avantage que le signal à transmettre ne passe pas à travers les diodes PIN. De ce fait les capacités parasites de ces diodes ne viennent pas compliquer le- fonctionnement du circuit. En pratique les composantes d'impédance imaginaire de ces diodes PIN sont compensées par des circuits d'adaptation, des connexions métalliques de longueur voulue. Ces adaptations présentent l'avantage qu'elles sont efficaces dans une large plage d'utilisation. Par exemple pour un montage donné, autour de 6,6 Gigahertz, on peut très facilement utiliser le déphaseur entre 6,2 et 6,9 Gigahertz, soit sur une plage de plus de 10% de la fréquence centrale. L'invention a donc pour objet un circuit haute fréquence à déphasage variable comportant une entrée pour un signal à haute fréquence, deux chemins de propagation pour ce signal reliés par une extrémité à cette entrée, une diode PIN raccordée par ses bornes en un premier et un second noeuds intermédiaires de l'un et l'autre chemin, une sortie du signal à haute fréquence déphasé reliée à une autre extrémité des deux chemins, et un circuit de polarisation de la diode. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci ne sont présentées qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures montrent: Figure 1: une représentation fonctionnelle du circuit haute fréquence de l'invention dans une variante préférée avec deux diodes PIN; Figure 2: une représentation, agrandie, de l'architecture de connexions réalisées sur un circuit imprimé et qui permettent de matérialiser les chemins de propagation; Figure 3: une représentation schématique en coupe d'un circuit intégré de type MOS (métal-oxyde-semi-conducteur) utilisable pour fabriquer les diodes PIN pour permettre leur montage dans un boîtier de type CMS. La Figure 1 montre un circuit haute fréquence à déphasage variable selon l'invention. Ce circuit comporte une entrée 1 pour un signal à haute fréquence. Il comporte également une sortie 2 pour ce signal une fois déphasé. Entre l'entrée 1 et la sortie 2 sont aménagés deux chemins respectivement 3 et 4. Les chemins 3 et 4 sont de longueurs différentes. Dans un exemple la longueur du chemin 3 sera égale à 3X14, o. représente la longueur d'onde de l'onde du signal admis sur l'entrée 1. Dans ce même exemple préféré, le chemin 4 aura une longueur de 2k/4. Ces longueurs sont cependant approximatives, notamment parce que le circuit sera utilisable dans une large gamme de fréquences. Mais, comme on le comprendra par la suite, la véritable limite en bande passante du circuit de l'invention est liée au fait qu'une différence des longueurs deviendrait elle même égale à, ou un multiple de, la longueur d'onde d'un signal à déphaser. Selon l'invention, le circuit comporte essentiellement une diode de type PIN 5 reliée, dans un exemple, par son anode 6 à un premier noeud intermédiaire 7 du chemin 3 alors que par sa cathode 8 elle est reliée à un deuxième noeud intermédiaire 9 du deuxième chemin 4. Dans un exemple, la distance de propagation qui sépare l'entrée 1 du premier noeud intermédiaire 4 est de l'ordre de 2/4, de même que la distance qui sépare l'entrée 1 du deuxième noeud intermédiaire 9. La cathode 6 est reliée au noeud 7 par un tronçon 24 de longueur non négligeable, proche de 2/4 dans un exemple. Du fait de la longueur différente des chemins de propagation 3 et 4, et ou de la présence du tronçon 24, l'impédance résistive de la diode 8 ramenée à l'entrée 1 est différente vue sur le chemin de propagation 3 de ce qu'elle est sur le chemin de propagation 4. En conséquence le signal arrivant sur l'entrée 1 choisira, pour une valeur donnée de cette impédance, un chemin plutôt que l'autre. En définitive, ceci est le véritable critère de réglage du déphaseur de l'invention. A la sortie 2, le signal le plus important sera soit le signal direct résultant de sa propagation le long du chemin 4, soit le signal retardé résultant de sa propagation le long du chemin, plus long, 3 par exemple. Selon le signal qui aura été favorisé, le signal résultant sera plutôt en phase avec le signal direct ou avec le signal retardé. On obtient ainsi le déphasage voulu. Pour des raisons d'adaptation en entrée et en sortie, le montage est doublé. Une autre diode 10 est alors montée entre le premier chemin et le deuxième chemin entre un troisième noeud intermédiaire 11 sur ce premier chemin et le deuxième noeud intermédiaire 9 sur le deuxième chemin 4. Le noeud intermédiaire 7 est distant du noeud intermédiaire 11. Dans un exemple la distance qui les sépare est également de l'ordre de X/4. Dans la pratique le premier chemin 3 est ainsi constitué de trois tronçons de longueur X/4. La représentation qui est montrée indique que les cathodes 6 et 12 des diodes 5 et 10 sont reliées aux noeuds intermédiaires 7 et 11. En fait, il est tout à fait possible de retourner chacune des deux diodes et de connecter leurs anodes 8 et 13 en lieu et place de leurs anodes 6 et 12 aux noeuds intermédiaires 7-et 11. Dans ce cas les anodes 6 et 12 seraient reliées ensemble au noeud intermédiaire 9. Un circuit de polarisation des diodes 5 et 10 comporte un générateur, non représenté, qui applique une tension positive, par exemple trois Volts, à un noeud de connexion 14 de deux résistances en parallèle 15 et 16. Les autres extrémités des résistances 15 et 16 sont reliées respectivement aux noeuds intermédiaires 7 et 11. Par ailleurs, le noeud intermédiaire 9 est relié à la masse par une résistance 17. Pour pouvoir faire fonctionner correctement les diodes, le générateur constitué par la source de tension et les résistances 15 à 17 est un générateur de courant. Dans ce but ces résistances 15 à 17 sont des résistances de forte valeur, par exemple 1 ou KOhms. En faisant ensuite varier les valeurs d'une ou de l'ensemble de ces résistances, et ou la tension d'alimentation appliquée au noeud 14, on peut modifier le caractère plus ou moins passant des diodes 5 et 10. Par exemple, si un courant de conduction dans ces diodes est faible, elles sont fortement résistives. Par contre si ce courant est plus élevé, elles sont moins résistives. Dans la pratique les diodes 5 et 10 n'apportent pas à l'entrée 1 et à la sortie 2 qu'une variation de la partie réelle de leur impédance. Elles apportent aussi une partie imaginaire de cette impédance. Cette partie imaginaire présente cependant l'avantage de ne pas varier, ou au moins pas trop, avec la tension. On sait par conséquent la compenser facilement. Ceci peut être obtenu par la longueur des connexions, notamment celle qui relie la cathode 6 au noeud intermédiaire 7 et la cathode 12 au noeud intermédiaire 11. De cette façon, pour une plage de fréquence d'au moins 10 % de la fréquence du signal haute fréquence admis sur l'entrée 1, on peut estimer que l'impédance ramenée aux noeuds intermédiaires 7 et 11 ainsi qu'au noeud 9 est une impédance résistive pure. Le fait de mettre une deuxième diode 10, qui n'est pas nécessaire à priori pour obtenir les effets de l'invention, est cependant particulièrement intéressant parce qu'il produit deux effets. Premièrement le montage devient réversible. On peut introduire le signal par la sortie. On obtient alors le même déphasage à l'entrée 1 qui sert alors de sortie que si on avait introduit le signal par cette entrée 1. Pour cette raison, le montage aura de plus une architecture symétrique. En outre, pour éviter la transmission d'une composante continue dans le circuit on est amené à placer des condensateurs respectivement 18 à 20 dans des premiers, deuxième et troisième tronçons 21 à 23 du premier chemin 3. Ces trois tronçons, qui en pratique auront chacun une longueur équivalente à d4 doivent en fait avoir une longueur réelle différente. En effet la longueur des tronçons 21 à 23 dépend des présences des condensateurs 19 à 20, qui font tourner la phase. Le montage présenté appelle deux remarques. Premièrement les effets de déphasage seront obtenus sur une très grande plage de fréquence. Cette plage peut être bien supérieure aux 10 % évoqués. En effet, ce qui compte est que les deux chemins 3 et 4 soient de longueurs différentes et ou que le tronçon 24 apporte une contribution différente de l'impédance de la diode à l'entrée 1 (et aussi à la sortie 2). En effet, la connexion 24 qui relie l'anode 6 au premier noeud intermédiaire 7 ayant une longueur de l'ordre de /4, les variations d'impédance subies par la diode 5 ne sont pas ramenées identiquement dans le premier chemin 3 et dans le deuxième chemin 4. Le tronçon 21 et la connexion 24 formant une longueur de l'ordre de X/2, il y a même une opposition en quadrature de l'impédance ramenée. Il n'est pas vraiment nécessaire que la différence de chemin soit de l'ordre de ?/4. Cependant cette différence conditionne la valeur du déphasage qu'on est capable d'obtenir avec ce montage. Plus la différence des chemins s'écarte de la longueur ?/4 plus la plage de réglage diminue. Deuxièmement, l'allure symétrique représentée présente de nombreux avantages de calcul et de réalisation. Dans l'invention on a donc produit un déphasage avec une impédance, I'impédance des diodes PIN ramenée à l'entrée 1, qui présente une faible composante imaginaire. On aurait pu, au noeud de diodes PIN utiliser des diodes de type SCHOTTKY mais ces dernières auraient néanmoins produit des effets d'intermodulation du fait que leur jonction possède des porteurs minoritaires rapides. Une telle diode aurait vu son impédance varier en effet au rythme du signal haute fréquence, en plus de la valeur continue imposée par la polarisation. Enfin pour l'essentiel, le signal haute fréquence ne se propage pas à travers les diodes 5 et 10 mais uniquement sur les chemins 3 et 4. En effet, si ces chemins 3 et 4 sont réalisés avec des impédances caractéristiques de l'ordre de 50 ohms pour la plus grande part du réglage, l'impédance ramenée au noeud intermédiaire 7 par le tronçon 24 à partir de l'anode 6 est bien différente de cette valeur et de ce fait le tronçon 24 accueille moins le signal à propager que le tronçon 22. La figure 2 montre une représentation, agrandie, d'un exemple préféré de réalisation des métallisations d'un circuit imprimé utilisable pour constituer des chemins 3 et 4 et des connexions telles que 24. Selon ce qui a été indiqué précédemment, le circuit de la figure 2 présente essentiellement une symétrie par rapport à un axe de symétrie 27. D'un côté, à gauche par exemple, on distingue l'entrée 1 du circuit sous forme d'une métallisation rectangulaire. Cette entrée 1 est électriquement reliée à une métallisation 25 d'adaptation qui ramène sur l'entrée 1 I'impédance d'un circuit ouvert 28: l'extrémité de la métallisation 25. Partant de l'entrée 1, un premier tronçon 21 de connexion en métallisation conduit au noeud intermédiaire 7 en passant en série au travers d'un condensateur 18 dont seule est présente la réservation. Du noeud intermédiaire 7 jusqu'à un boîtier 29 comportant les diodes 5 et 10 un tronçon 24 est réalisé. Sur le dessin du circuit, le tronçon 21 et le tronçon 24 sont sensiblement parallèles l'un à l'autre. La métallisation du tronçon 21 est de largeur plus grande que la métallisation du tronçon 24. Ces largeurs sont déterminées en laboratoire et correspondent après simulation aux impédances caractéristiques à mettre en oeuvre dans les tronçons 21 et 24 respectivement pour aboutir au résultat escompté. A partir du noeud intermédiaire 7 le tronçon 22 est formé de deux anses symétriques reliées chacune au noeud 7 et au noeud 11 respectivement. Les deux anses sont reliées ensemble par l'intermédiaire d'un condensateur 19 monté comme le condensateur 18. Le tronçon 23 est symétrique du tronçon 21. Il aboutit à la sortie 2. De même que l'entrée 1, la sortie 2 possède un élément d'adaptation 26, lui aussi ramenant un circuit ouvert 30 sur la sortie 2. Pour des raisons d'adaptation d'impédance, de part et d'autre de la connexion du condensateur 19 seront également disposés en vis à vis l'un de l'autre et parallèlement aux anses du tronçon 22, deux éléments 31 et 32 d'adaptation. Les éléments d'adaptation 25, 26, 31, et 32 sont également montrés en tirets sur la figure 1. En pratique les condensateurs 18 à 20 sont des condensateurs du type à montage en surface permettant des fabrications à faible coût. Ils sont reportés sur le circuit imprimé au moment de l'équipement global de ce dernier. La figure 3 montre un mode préféré de réalisation du boîtier 29 contenant les deux diodes 5 et 6. Celles-ci sont par exemple réalisées dans un substrat semi-conducteur 33, dans un exemple de type P. Ces diodes sont constituées par des implantations 34 et 35 de type N dans ce substrat P avec, pour constituer des diodes de type PIN, à la jonction entre les régions P et N une couche d'isolant respectivement 36 et 37. Les régions P et N du composant semi-conducteur sont reliées à des plots de connexion dans le fond du boîtier 29. Dans un exemple le boîtier 29 est de type C115 ou SOT 323. Des connexions 38, 39 et 40 qui relient ces régions du semi-conducteur aux plots du boîtier sont respectivement reliées à une extrémité 41 du tronçon 24 et à une extrémité 42 d'un tronçon 43 symétrique du tronçon 24. Les tronçons 24 et 43 sont reliés aux noeuds intermédiaires 11, et 9 respectivement. Le circuit peut en outre être intégré complètement sur un substrat monolithique semi-conducteur. Dans ce cas les liaisons proportionnelles à X/4 peuvent être remplacées par des inductances et des condensateurs ayant des mêmes effets. Avec une telle réalisation, l'ensemble du circuit se présente comme un circuit avec une entrée, une sortie, un plot de commande 14, et un plot correspondant à la liaison à la masse de la résistance 17. Ce dernier peut être confondu avec le boîtier de ce circuit. REVENDICATIONS 1 - Circuit haute fréquence à déphasage variable caractérisé en ce qu'il comporte une entrée (1) pour un signal à haute fréquence, deux chemins (3, 4) de propagation pour ce signal reliés par une extrémité à cette entrée, une diode (5) PIN raccordée par ses bornes en un premier (9) et un second (7) noeuds intermédiaires de l'un et l'autre chemin, une sortie (3) du signal à haute fréquence déphasé reliée à une autre extrémité des deux chemins, et un circuit (14-19) de polarisation de la diode. 2 - Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une deuxième diode (10) PIN, elle aussi polarisée, reliée par ses bornes au premier (9) noeud intermédiaire d'un chemin et à un troisième (11) noeud intermédiaire de l'autre chemin, en parallèle de la première diode. 3 - Circuit selon la revendications 2, caractérisé en ce qu'il comporte un générateur de tension relié par deux résistances en parallèle aux anodes (6) ou aux cathodes (8) des diodes PIN, ces résistances étant de préférence de forte valeur. 4 - Circuit selon l'une des revendications 2 à 3, caractérisé en ce que les deux diodes sont contenues dans un même boîtier, et de préférence réalisées en technologie MOS sur un même substrat (33) semi-conducteur. - Circuit selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte des tronçons de longueur proportionnelle à Xt4 entre des noeuds intermédiaires ou entre des-noeuds intermédiaires et les extrémités des chemins. 6 - Circuit selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la diode PIN est contenue dans un boîtier de type à montage en surface. 7 - Circuit selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte des condensateurs (18-20) interposés en série dans des tronçons d'un chemin de propagation. 8 - Circuit selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte des chemins de longueurs différentes, notamment un chemin de longueur 3;L4 et un chemin de longueur 2X14. 9 - Circuit selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte un architecture symétrique (27). 10 - Circuit selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte des éléments (25, 26) d'adaptation. 11 - Circuit selon l'une des revendications 1 à 10 caractérisé en ce qu'il est intégré sur un substrat monolithique semi-conducteur.