Brevet FR2803147A1 — publié le 20010629

ORGANE DE COMMUTATION ÉLECTRONIQUE A UNE ENTRÉE ET PLUSIEURS SORTIES ET SON APPLICATION A UNE MATRICE DE COMMUTATION L'invention est relative à un organe de commutation électronique à une entrée et au moins deux sorties ainsi qu'à l'application d'un tel organe à une matrice de commutation reconfigurable. Pour des applications nécessitant une grande fiabilité, il est courant de pré- voir des éléments électroniques redondants de façon que, lorsqu'un élément tombe en panne, il puisse être remplacé par un élément identique. Ce problème se pose notamment dans des applications spatiales. Pour qu'un élément de secours puisse remplacer l'élément en panne, il est nécessaire de prévoir une commutation qui est commandée soit automatiquement, soit à distance. Pour cette commutation, on prévoit, en général, une matrice à n entrées et p sorties, le nombre p de sorties étant supérieur au nombre n d'entrées. Chacune des entrées fournit un signal à un élément raccordé à une sortie correspondante. Ainsi, seules n sorties parmi les p disponibles sont normalement actives. Quand l'élément raccordé à une de ces sorties tombe en panne, on effectue une commuta- tion pour que l'entrée correspondante soit reliée à une sortie à laquelle est connecté un élément de remplacement. Les matrices de commutation utilisées jusqu'à présent font appel à des commutateurs mécaniques. On n'a pas encore réussi à mettre au point une solution de remplacement de type électronique qui offre des avantages comparables à ceux des matrices à commutateurs mécaniques. En effet, ces derniers introduisent des pertes nettement moins importantes que les commutateurs électroniques; en outre, en l'absence d'alimentation, ils restent dans l'état de commutation qu'ils présentaient avant la panne. Au contraire, les commutateurs électroniques, notamment du do- maine des hyperfréquences, sont tels qu'en l'absence d'alimentation, une partie du signal d'entrée est acheminée sur la sortie correcte et une autre partie du signal d'entrée est acheminée sur une autre sortie pour laquelle ce signal n'est pas des- tiné. Ce dysfonctionnement provoque non seulement des produits d'intermodulation qui sont gênants, mais également des échauffements de filtres. En effet, chaque sortie correspond à une gamme de fréquences et comporte donc un filtre. Si un signal qui ne lui est pas destiné arrive sur une sortie, le filtre associé réfléchit le signal, ce qui provoque l'échauffement. L'invention concerne donc, selon un premier de ses aspects, un organe de commutation électronique qui minimise les perturbations apportées au fonctionne- ment d'une matrice de commutation dont il fait partie en cas d'absence d'alimen- tation de cet organe. L'organe de commutation électronique, selon l'invention, est destiné à relier une entrée à une parmi plusieurs sorties, et il est caractérisé en ce qu'il comprend: - pour chaque sortie, une branche de sortie comportant au moins un commutateur électronique dont l'état de conduction est commandé soit pour transférer le signal d'entrée sur la sortie, soit pour réfléchir le signal, et - une branche de dérivation comportant au moins un commutateur élec- tronique qui dérive le signal d'entrée sur une charge en cas d'absence d'alimentation des commutateurs électroniques de l'organe. Ainsi, en cas de panne d'alimentation des commutateurs électroniques, le signal d'entrée sera dérivé vers une charge, ce qui protège les éléments qui peu- vent être reliés aux sorties tels que des filtres ou des amplificateurs. L'organe de commutation reprend son fonctionnement normal après rétablissement de l'alimen- tation des commutateurs. L'invention concerne aussi une matrice de commutation à n entrées et p sorties qui comprend une pluralité de tels organes. Lors d'une panne d'alimentation des commutateurs de la matrice selon l'in- vention, les sorties ne sont plus connectées aux entrées correspondantes alors qu'il n'en est pas de même pour une matrice à commutateurs mécaniques. Toutefois, une telle matrice peut avantageusement remplacer une matrice à commutateurs mécaniques car, d'une part, en général, le défaut temporaire de sorties est sans conséquence et, d'autre part, surtout, elle présente l'avantage d'une masse et d'un volume réduits. En outre, son coût peut être sensiblement inférieur. Dans un mode de réalisation de l'organe de commutation, la branche de dérivation comporte un commutateur électronique disposé en série. De préférence, dans chaque branche de sortie, on prévoit un commutateur électronique en dérivation qui forme un circuit ouvert lorsque la sortie correspon- dante est sélectionnée et un court-circuit dans le cas contraire, ou en l'absence d'alimentation. Pour améliorer le court-circuit, on prévoit, dans chaque branche de sortie, deux commutateurs électroniques en parallèle qui sont commandés par la même polarisation. Au cours d'essais effectués dans le cadre de l'invention, on a réalisé des commutateurs en technologie MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) à deux ou trois sorties présentant des pertes limitées à environ 1,5 décibels. L'invention se rapporte aussi, selon un autre de ses aspects, à un ensemble d'organes de commutation électroniques susceptible de constituer un module pour une matrice de commutation. Dans un tel ensemble, ou module, cha- que entrée est connectable a un nombre r de sorties qui est inférieur au nombre total de sorties. Dans une réalisation, pour constituer de tels modules on prévoit seulement deux types d'organes de commutation, I'un à deux sorties et l'autre à trois sorties. Il est préférable que la matrice de commutation soit telle qu'elle comporte des organes de commutation agencés et connectés de façon telle que lorsqu'on commute une entrée connectée à une sortie vers une autre sortie, les pertes dues aux organes de commutation traversés soient les mêmes avant et après la com- mutation. Selon un mode de réalisation, les commutateurs électroniques sont des circuits intégres du domaine des hyperfréquences. La présente invention prévoit en outre une matrice de commutation com- portant une pluralité d'organes de commutation. Selon un mode de réalisation, la matrice comprend n entrées et p sorties, p étant supérieur à n, chaque entrée étant destinée à être connectée à une parmi r sorties et elle comporte pour chaque entrée, un ensemble d'organes de commuta- tion associés pour présenter une entrée et r sorties. Selon un mode de réalisation, la matrice comprend, pour chaque sortie, un ensemble d'organes de commutations à r entrées et une sortie, les ensembles associés aux sorties étant montés tête-bêche par rapport aux ensembles associés aux entrées. Selon un mode de réalisation, les ensembles associés aux sorties ont une structure analogue à la structure des ensembles associés aux entrées. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description de certains de ses modes de réalisation, celle-ci étant effectuée en se référant aux dessins ci-annexés sur lesquels - la figure 1 est un schéma d'organe de commutation conforme à l'invention, - la figure 2 est un schéma d'une matrice de commutation comprenant une pluralité d'organes de commutation conformes à l'invention, - la figure 3 représente un ensemble, ou module, d'organes de commuta- tion selon l'invention, - la figure 4 est une figure analogue à celle de la figure 3, mais pour une variante, et - la figure 5 représente une matrice de commutation comportant des ensembles d'organes de commutation du type de ceux représentés sur la figure 3. L'organe de commutation 10 représenté sur la figure 1 est un organe de commutation réalisé en technologie MMIC avec un ensemble de transistors fonc- tionnant en hyperfréquence en technologie intégrée, par exemple sur un substrat en arséniure de gallium. Dans cet exemple, I'organe de commutation 10 comporte une entrée E et deux sorties S1 et S2. Il est cependant possible de réaliser un tel organe de com- mutation avec des pertes modérées avec trois sorties, comme on le décrira plus loin, notamment avec les figures 3 et 4. Cet organe de commutation est destiné à transmettre le signal d'entrée E, soit sur la sortie S1, soit sur la sortie S2, mais jamais sur deux sorties à la fois. L'or- gane 10 comporte, tout d'abord, deux branches actives 12 et 14, la branche 12 se terminant par la sortie S1 et la branche 14 se terminant par la sortie S2. En outre, l'organe 10 comprend une branche 16 de dérivation permettant de dériver l'entrée E vers une charge 18, de 50 n par exemple, en cas de panne d'alimentation des com- mutateurs de l'organe 10. Dans l'exemple, chacune des branches 12 et 14 comporte deux transistors en dérivation. Ces branches étant identiques, il suffira d'en décrire une seule, à savoir la branche 12. La borne d'entrée E est reliée au drain 20 d'un transistor 22 par l'intermé- diaire d'une ligne 24. La source du transistor 22 est reliée à la masse. La borne 20 est, par ailleurs, reliée à la sortie S1 par l'intermédiaire d'une autre ligne de transmission 26. La borne commune à la ligne 26 et à la sortie S1 est reliée au drain 28 d'un second transistor 30 dont la source est également connectée à la masse. Les grilles des deux transistors 22 et 30 sont reliées à une borne 32 de polarisation par l'intermédiaire de résistances, respectivement 34 et 36. Sur cette borne 32 est appliquée une tension continue de polarisation V1. La borne commune aux résistances 34 et 36 est par ailleurs reliée à la masse par l'intermédiaire d'une résistance 38. La branche de dérivation 16 comporte un transistor 40 dont la source est connectée à l'entrée E et dont le drain est relié à une extrémité de la résistance de charge 18 dont l'autre extrémité est connectée à la masse. La grille du transistor 40 est reliée à une borne 42 par l'intermédiaire d'une résistance 44. Le point commun à la borne 42 et à la résistance 44 est relié à la masse par l'intermédiaire d'une autre résistance 46. Sur la borne 42 est appliquée une tension continue de polarisation V2. Le fonctionnement est le suivant: Quand la sortie S1 est sélectionnée, c'est-à-dire quand l'entrée E doit être transférée sur la sortie S1, on applique sur la borne 32 une tension V1 inférieure à la tension de pincement afin que chaque transistor soit équivalent à une résistance pratiquement infinie; dans l'exemple, cette tension a pour valeur -2 volts. Sur la borne 42 de polarisation du transistor 40 de la branche 16, on applique également une tension de - 2 volts. Enfin, sur la borne 50 de polarisation des transistors de la branche 14, on applique une tension V3 de 0 volt de façon que le canal du transistor soit ouvert. Dans ces conditions, les transistors 22 et 30 de la branche 12 constituent des circuits ouverts qui ne perturbent donc pas la transmission du signal vers la sortie S1. Par contre, I'application d'une tension de zéro volt sur la borne 50 de la branche 14 met les transistors correspondants 52 et 54 en court- circuit. Il est à noter que, dans le domaine des hyperfréquences, un court-circuit se traduit par le fait que le signal arrivant à la masse est réfléchi vers l'entrée E et est donc renvoyé vers la sortie S1. L'application d'une tension de - 2 volts sur la borne 42 de polarisation du transistor 40 de la branche 16 de dérivation maintient ce dernier à l'état ouvert. En cas de panne d'alimentation, c'est-à-dire quand la (ou les) source(s) de polarisation applique une tension de zéro volt sur les bornes 32, 42 et 50 ou met ces bornes en l'air (c'est-à-dire en circuit ouvert), dans les branches actives 12 et 14, les transistors 22, 30 et 52, 54 sont en court-circuit. Ainsi, ces branches renvoient les signaux vers l'entrée E. Par contre, dans un tel état de panne, le transistor 40 pré- sente une résistance faible et, dans ces conditions, le signal appliqué sur l'entrée E est transféré dans la charge 18. Ainsi, les éléments électroniques, tels que des amplificateurs et/ou des filtres qui sont reliés aux sorties S1 et S2 ne reçoivent pas le signal d'entrée. La branche de dérivation 16 constitue donc une protection contre les défauts d'alimentation des commutateurs. En variante, dans chaque branche active 12 ou 14, on prévoit un seul tran- sistor. Toutefois, on prévoit deux transistors, ou davantage, afin d'améliorer la déri- vation vers la masse quand la branche est inactive. En effet, un transistor en court- circuit présente une résistance qui n'est pas nulle et qu'on a intérêt à limiter. On va maintenant décrire, en relation avec les figures 2 à 5, une matrice de commutation 60 à douze entrées E1 à E12 et seize sorties S1 à S16 comportant une pluralité d'organes de commutation du type de celui représenté sur la figure 1. Chaque entrée est susceptible d'être connectée à cinq sorties. Ainsi, l'en- trée E1 peut être reliée à l'une des sorties S1, S2, S3, S4 ou S5. Mais, bien entendu, à chaque fois, I'entrée E1 n'est connectée qu'à une seule de ces sorties. De même, I'entrée E2 peut être connectée à l'une des sorties respectivement S2, S3, S4, S5 et S6 et ainsi de suite jusqu'à l'entrée E12 qui peut être connectée à l'une des sorties S12, S13, S14, S15 ou S16. De façon plus générale, si la matrice comporte n entrées et p sorties, chaque entrée peut être connectée à p - n + 1 sorties. Si l'entrée E1 est connectée à la sortie S1 et l'entrée E2 est connectée à la sortie S4; et si l'élément électronique (non montré), relié à la sortie S1, tombe en panne, il faut pouvoir le remplacer par un élément redondant qui, par exemple, est connecté à la sortie S2. Dans ces conditions, on commande les organes de commu- tation de la matrice 60 de façon que l'entrée E1 ne soit plus reliée à la sortie S1, mais à la sortie S2. Étant donné qu'un organe de commutation de type électronique présente des pertes sensiblement plus élevées qu'un organe de commutation mécanique, il est préférable d'agencer la matrice 60 de façon telle qu'à chaque modification de connexion, il n'y ait pas de modification des pertes. En effet, s'il y avait modification des pertes, il faudrait modifier le gain de l'amplificateur venant en remplacement d'un amplificateur tombé en panne, ce qui compliquerait sensiblement la réalisation du circuit. Un organe électronique apporte un affaiblissement de l'ordre de 1,5 dB, alors que l'affaiblissement correspondant pour un organe de commutation méca- nique est de l'ordre de 0,15 dB. Pour atteindre l'objectif de maintien des pertes en cas de modification de connexion, I'invention prévoit, comme représenté sur les figures 3 et 4, de grouper les organes de commutation en ensembles ou modules 62 (figure 3) ou 64 (figure 4). En outre, à toutes les entrées E1, E2, etc. sont associés des ensembles iden- tiques entre eux et à toutes les sorties S1, S2, etc. sont associés les mêmes ensem- bles, comme on le verra plus loin avec l'exemple représenté sur la figure 5. Les figures 3 et 4 se rapportent au cas o les organes de commutation ne peuvent être que de deux sortes, à savoir une première sorte à une entrée et deux sorties, et une deuxième sorte à une entrée et trois sorties (la sortie de dérivation n'est pas comptée ici). Les ensembles 62 et 64 sont destinés à l'exemple représenté sur la figure 2; chacun d'eux comprend donc une entrée et cinq sorties. L'ensemble 62 (figure 3) comporte, d'une part, un organe de commutation 101 à une entrée 661 et trois sorties 662, 663 et 664 et, d'autre part, trois organes de commutation 102, 103 et 104 dont chacun comprend une entrée et deux sorties. Étant donné que l'on a besoin seulement de cinq sorties, I'un (104) des organes de commutation présente une sortie inactivée. L'entrée de l'organe 102 est reliée, par une ligne conductrice 702, à la sortie 662 de l'organe de commutation 101. De façon analogue, I'entrée de l'organe de commutation 103 est reliée, par une ligne 703, à la sortie 663 de l'organe 101. Enfin, I'entrée de l'organe 104 est reliée à la sortie 664 de l'organe 101 par une ligne conductrice 704. L'ensemble 64 (figure 4) comporte, d'une part, un organe de commutation '1 à une entrée 66'1 et deux sorties 66'2 et 66'3 et, d'autre part, deux organes de commutation 10'2 et 10'3 dont chacun présente une entrée et trois sorties. Étant donné que, comme dans le cas précédent, on a besoin seulement de cinq sorties en tout, I'un des organes de commutation, celui de référence 10'3, présente une sortie inactivée. L'entrée de l'organe 10'2 est reliée à la sortie 66'2 de l'organe 10'1 par une ligne conductrice 70'2 et l'entrée de l'organe 10'3 est connectée à la sortie 66'3 de l'organe 10'1 par l'intermédiaire d'une autre ligne conductrice 70'3. Le fonctionnement d'un ensemble 62 ou 64 ressort de sa structure et du fonctionnement de chaque organe de commutation individuel tel qu'il a été décrit en relation avec la figure 1. Par exemple, si l'on veut relier l'entrée 661 (figure 3) de l'ensemble 62 à la sortie Si de l'organe 103, on commande l'organe 101 de façon que l'entrée 661 soit reliée à la sortie 663 et on commande aussi l'organe 103 de façon que son entrée soit reliée à la sortie Si. Dans l'exemple représenté sur la figure 5, on prévoit d'affecter un ensem- ble 62 à chaque borne d'entrée et de sortie. Ainsi, à la borne d'entrée E1 est affecté l'ensemble 621, à la borne d'entrée E2 est affecté l'ensemble 622... à la borne de sortie S1 est affecté l'ensemble 62'1, à la borne de sortie S2 est affecté l'ensemble 62'2, etc. Bien entendu, les ensembles 62'1, 62'2 etc. sont montés en sens contraire (tête-bêche) des ensembles 621, 622 etc. De façon plus précise, les organes 10"2, "3, 10"4 de l'ensemble 62'1 comprennent deux entrées et une sortie, et l'organe "1 comporte trois entrées et une sortie. Enfin, on prévoit des lignes conductrices 801, 802, 803, 804, 805 reliant chacune des sorties de l'ensemble 621 à une entrée des organes 62'1, 62'2. .. 62'5. En d'autres termes, la ligne 801 relie une sortie de l'ensemble 621 à une des cinq entrées de l'organe 62'1, la ligne 802 relie la seconde sortie de l'ensemble 621 à une des cinq entrées de l'organe 62'2, etc. On notera qu'une seule des entrées de l'organe 62'1 est reliée à une ligne conductrice, tandis que les autres ensembles 62'2, 62'3, 62'4, etc. comportent un nombre plus important de lignes conductrices qui aboutissent à leurs entrées. Quelles que soient les connexions de la matrice, à chaque fois qu'un signal d'une entrée Ei est aiguillé vers une sortie Sj, il traverse les mêmes types d'élé- ments, à savoir un organe de commutation à une entrée et trois sorties, une ligne conductrice, un organe de commutation à une entrée et deux sorties, une autre ligne conductrice 80i, un organe de commutation à deux entrées et une sortie, une ligne conductrice et, enfin, un organe de commutation à trois entrées et une sortie. Dans ces conditions, les pertes seront les mêmes quelle que soit la connexion. Une matrice de commutation équipée d'organes de commutation confor- mes à l'invention présente un encombrement et une masse nettement plus faibles que l'encombrement et la masse d'une matrice à éléments de commutation de type mécanique, ce qui constitue un avantage décisif dans le cas d'applications spa- tiales. Enfin, le prix d'une telle matrice peut être plus faible que le prix d'une matrice à organes de commutation mécanique. REVENDICATIONS 1. Organe de commutation (10) à une entrée et au moins deux sorties destiné à transférer sur une seule des sorties un signal appliqué sur l'entrée, caractérisé en ce qu'il comprend: - pour chaque sortie, une branche (12,14) de sortie comportant au moins un commutateur électronique dont l'état de conduction est commandé soit pour transférer le signal d'entrée sur la sortie sélectionnée, soit pour réfléchir le signal, et - une branche de dérivation (16) comportant au moins un commutateur élec- tronique qui dérive le signal d'entrée sur une charge (18) en cas d'absence d'alimentation des commutateurs électroniques de l'organe. 2. Organe de commutation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le commutateur électronique (40) de la branche de dérivation est disposé en série. 3. Organe de commutation selon la revendication lou 2, caractérisé en ce que le commutateur électronique (20, 30, 52, 54) de chaque branche de sortie est disposé en dérivation. 4. Organe de commutation selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque branche de sortie comporte au moins deux commutateurs électro- niques (20, 30, 52, 54) en parallèle 5. Organe de commutation selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que chaque commutateur électronique comporte un transistor. 6. Organe de commutation selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que les commutateurs électroniques sont des cir- cuits intégrés du domaine des hyperfréquences. 7. Matrice de commutation comportant une pluralité d'organes de commutation selon l'une quelconque des revendications précédentes. 8. Matrice selon la revendication 7, comprenant n entrées et p sorties, p étant supérieur à n, caractérisée en ce que chaque entrée étant destinée à être connectée à une parmi r sorties, elle comporte pour chaque entrée un ensem- ble (62, 64) d'organes de commutation associés pour présenter une entrée et r sorties. 9. Matrice selon la revendication 8, caractérisée en qu'elle comprend, pour cha- que sortie, un ensemble d'organes de commutations à r entrées et une sortie, les ensembles associés aux sorties étant montés tête-bêche par rapport aux ensembles associés aux entrées. 10. Matrice selon la revendication 9, caractérisée en ce que les ensembles asso- ciés aux sorties ont une structure analogue à la structure des ensembles associés aux entrées.