Brevet FR2800216A1 — publié le 20010427

L'invention est relative au domaine de la réception/émission simultanées de signaux dans un système de transmission avec un émetteur et un récepteur. Elle concerne plus particulièrement un dispositif de réception/émission de signaux dans un système de transmission reliant un terminal comprenant le dispositif selon l'invention avec un satellite ou une station de base terrestre. De nos jours, les systèmes de transmission distants mettant en oeuvre la technique connue de transmission bidirectionnelle par division de l0 fréquence ("Frequency Division Duplex" ou " FDD" en langue anglaise) sont couramment utilisés, mais non exclusivement, dans le domaine des transmissions bidirectionnelles par satellite. L'émission et la réception étant simultanées et le niveau du signal d'émission étant élevé dans un tel dispositif de réception/émission, la voie de réception est perturbée par un signal parasite créé par couplage par le signal d'émission transmis sur la voie d'émission du fait de la puissance importante à la sortie de l'amplificateur émetteur. Ce signal parasite risque de saturer l'étage d'entrée de la voie de réception (souvent constitué d'un transistor dont le courant de drain et la tension de polarisation sont faibles) et donc de perturber son bon fonctionnement. Ce problème est accentué dans le cas de transmission mettant en oeuvre des modulations numériques à enveloppe non constante présentant des amplitudes instantanées crête importantes, par exemple du type de l'accès multiplexé par division de code ("Code Division Multiplex Access" ou "CDMA" en langue anglaise). La figure 1 représente schématiquement l'architecture d'entrée/sortie d'un dispositif de réception/émission couplée à une antenne 1. Le signal reçu par l'antenne est transmis à un étage d'entrée représenté par un amplificateur à faible bruit 2 ("Low Noise Amplifier" ou "LNA" en langue anglaise) alors que l'étage de sortie est représenté par un amplificateur de puissance à état solide 3 ("Solid State Power Amplifier" ou "SSPA" en langue anglaise) délivrant le signal à émettre à l'antenne. Une flèche en pointillés schématise le couplage parasite entre les deux voies, créé par le signal d'émission sur le signal de réception. Pour remédier à ce problème de couplage parasite, une technique courante consiste en la réalisation d'un filtrage très efficace du signal d'émission pour éliminer le couplage de celui-ci dans la voie de réception. Classiquement, un diplexeur incluant des filtres passe-bande très sélectifs permettent d'isoler respectivement les bandes de fréquence d'émission et de réception. Cette solution présente l'avantage de dissocier efficacement les deux bandes de fréquences. Cependant, des pertes en ligne supplémentaires sont apportées en entrée de l'amplificateur à faible bruit, se traduisant par une dégradation du facteur de bruit de la voie de réception. L'invention a pour but d'éviter les problèmes de l'art antérieur et d'optimiser les performances de l'étage d'entrée d'un dispositif de réception/émission de signaux tel que cité ci-dessus. A cet effet, I'invention a pour objet un dispositif de io réception/émission simultanées de signaux dans un système de transmission avec un émetteur et un récepteur, le dispositif comprenant une voie de réception pour recevoir un signal de réception occupant une bande de fréquences de réception et une voie d'émission pour émettre un signal d'émission occupant une bande de fréquences d'émission, lesdites bandes de réception et d'émission étant disjointes, la voie de réception comprenant un étage d'amplification à faible bruit comportant des moyens d'amplification du signal de réception, la caractéristique de fonctionnement de ces moyens étant linéaire pour une plage d'amplitude du signal d'entrée et présentant une saturation à partir d'une amplitude de signal d'entrée donné, ledit dispositif étant caractérisé en ce que une impédance de charge optimale est définie pour un comportement linéaire des moyens d'amplification, des moyens sont agencés à la sortie de ces moyens d'amplification pour ramener en cette sortie d'une part un circuit ouvert dans la bande de fréquence de réception et d'autre part une impédance égale à l'impédance de charge optimale dans la bande de fréquence d'émission. Ainsi, l'invention permet de minimiser la dégradation apportée par le signal parasite provenant de la voie d'émission à la fréquence d'émission, qui peut être de puissance relativement importante. Les contraintes de filtrage des signaux parasites dans la bande d'émission peuvent alors être moins strictes en amont de la chaîne de réception. Si l'isolation entre les voie d'émission et de réception est suffisante, il n'est plus utile de réaliser de filtrage à l'entrée de l'étage d'amplification à faible bruit. En tout état de cause, les pertes ohmiques du filtre d'entrée sont réduites dû au relâchement des contraintes sur ce filtre, ce qui permet d'améliorer le facteur de bruit global de la chaîne de réception. Selon un mode de réalisation, des premiers moyens de filtrage agencés sur la voie de réception sont adaptés pour ramener à la sortie des moyens d'amplification un circuit ouvert dans la bande de fréquence d'émission et une impédance adaptée à celle de la voie de transmission dans la bande de fréquences de réception. Selon un mode de réalisation, lesdits premiers moyens de filtrage comprennent un filtre passe-bande centré sur la fréquence de réception et dont la largeur de bande est la bande de fréquences de réception. Selon un mode de réalisation, les premiers moyens de filtrage io comprennent un filtre coupe-bande coupant la bande de fréquence d'émission. Selon un mode de réalisation, des seconds moyens de filtrage tels qu'un filtre coupe-bande, sont agencés en entrée des moyens d'amplification pour couper la bande de fréquence d'émission. L'invention a également pour objet un terminal de communication avec au moins un satellite ou une station de base terrestre, du type comprenant une antenne, caractérisé en ce qu'il comporte le dispositif selon l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description des exemples de réalisation qui vont suivre, pris à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux figures annexées dans lesquelles: - la figure 1, déjà décrite, représente schématiquement l'architecture d'entrée/sortie d'un dispositif de réception/émission couplé à une antenne, - la figure 2 représente l'évolution du facteur de bruit d'un transistor de type à effet de champ ("Field Effect Transistor" ou "FET" en langue anglaise) en fonction du point de polarisation statique, - la figure 3 représente un schéma d'un transistor FET, - la figure 4 représente la droite de charge optimum pour un transistor FET, la figure 5 représente le dispositif de l'invention selon un mode de réalisation. Pour simplifier la description, les mêmes références seront utilisées pour désigner les éléments remplissant des fonctions identiques. Dans une chaîne de réception usuelle couplée à une antenne de réception, les pertes introduites en entrée telles que celles engendrées par les connexions et les éléments de filtrage, ainsi que le facteur de bruit de l'étage d'amplification à faible bruit doivent être minimisées. Par exemple, dans le cas d'un amplificateur à faible bruit construit autour d'un transistor FET, le couple courant/tension de polarisation (10, VO) définissant le point de polarisation statique du transistor est obtenu pour un minimum de facteur de bruit, tel qu'illustré sur la figure 2. La figure 3 représente un transistor FET 4 ayant le rôle d'amplificateur à faible bruit de l'étage d'entrée. La maximisation de la puissance délivrée à l'impédance de charge ZL du transistor est obtenue par le choix de la valeur de l'impédance de charge ZL sensiblement égale à VO/O10 (en négligeant la tension de saturation VDsAT du transistor FET). La figure 4 représente la droite de charge optimum obtenue pour le fonctionnement du transistor FET. Pour une impédance de charge ZL fixée, comme précédemment précisée, à une valeur de VO/O10, l'excursion sur l'axe des amplitudes VDS et sur l'axe des amplitudes ID sont maximales et la puissance délivrée à la charge est maximale. A titre d'exemple, dans la bande Ku correspondant à la bande de fréquences [12,4 GHz;18 GHz], le courant de polarisation est typiquement de quelques milliampères (soit 10 mA par exemple) pour une tension VDS (tension drain-source) de l'ordre de 2 volts (ce qui conduit à une impédance de charge optimale de 200Q). Pour un tel point de polarisation, négligeant la tension de saturation VDSAT, la puissance maximale Pmax délivrable par le transistor lorsque l'on lui présente une impédance de sortie optimale (correspondant à une excursion maximale en courant et en tension autour du point de polarisation) est donnée par: Pmax(dBm)= 1 log(O.5*2.10*10-'3)= -20dBW = 1 OdBm. Les puissances du signal parasite transmis par l'étage d'émission couplées à l'entrée de l'amplificateur faible bruit étant en général incompatibles avec cette dernière valeur, le transistor ne fonctionnera pas en régime linéaire et sera forcé en régime de saturation. la figure 5 représente le dispositif 5 de l'invention selon un mode de réalisation, incorporé dans un terminal 10 de communication. Ce terminal peut être utilisé pour émettre vers et recevoir les signaux d'un satellite géostationnaire, ou d'une constellation de satellites, par exemple à orbite basse, ou d'une station de base terrestre. L'antenne 1 de réception est reliée à une entrée du dispositif 5 dont une sortie est reliée à un étage 6 de conversion de fréquences en fréquences intermédiaires délivrant un signal à un décodeur non représenté. L'entrée du dispositif 5 est reliée au transistor 4 (du type de celui io de la figure 3) amplifiant le signal reçu par l'antenne. La sortie du transistor est d'une part reliée à une impédance de charge 7 et d'autre part reliée à un filtre passe-bande 8 dont la sortie est la sortie du dispositif 5. En l'occurrence, I'impédance de charge 7 est un filtre passe- bande centré sur la fréquence centrale d'émission Tx laissant passer la bande d'émission BTX. Ce filtre est conformé de manière à avoir une impédance proche d'un court-circuit dans la bande de réception BRX et une impédance caractéristique de 50 Q dans la bande d'émission. L'impédance de ce filtre est ramenée à la sortie A du transistor par un tronçon de ligne microruban d'impédance caractéristique d'une valeur de 100 n et de longueur XTX/4, XTx correspondant à la longueur d'onde du signal émis sur la voie d'émission. Ce tronçon de ligne permet de transformer l'impédance ZCHARGE du filtre 7 au point A selon la formule suivante ZA = Zc2/ZCHARGE = 1002/50 = 200Q. Ainsi, I'impédance 7 de 50Q ramène au point A une impédance de 200Q qui est optimale dans la bande d'émission (cf ci-dessus calcul de l'impédance optimale pour le point de polarisation statique du transistor). De cette sorte, le fonctionnement du transistor est optimisé dans sa bande de fonctionnement linéaire et l'excursion courant/tension en sortie est maximale, ce qui maximise la puissance disponible en sortie du transistor dans la bande d'émission. L'énergie reçue par le transistor dans la bande d'émission du signal parasite est ainsi transmise à l'impédance de charge. Par ailleurs, le court-circuit que présente l'impédance 7 dans la bande de réception ramène au point A un circuit ouvert dans cette même bande, ce qui empêche toute transmission de signal dans la bande de réception vers I'impédance 7. La composante des signaux correspondant au signal d'émission parasite introduit un minimum de perturbation au niveau de l'étage d'entrée. Le transistor peut délivrer un signal d'amplitude maximale sans que ses performances soient dégradées en termes de facteur de bruit. Parallèlement, le filtre passe-bande 8 est centré sur la fréquence centrale de réception laissant passer la bande de réception Rx. Ce filtre 8 est conformé de manière à avoir une impédance proche d'un court-circuit dans la bande d'émission BTX et une impédance caractéristique de 50Q dans la bande de réception. Ce filtre est ramené à la sortie A du transistor par un tronçon de ligne microbande adaptée de XTX/4, XTx correspondant à la longueur d'onde du signal émis sur la voie d'émission. Le tronçon de ligne XTX/4 joue le rôle d'inverseur d' impédance. Ainsi, le courtcircuit que présente le filtre 8 dans la bande d'émission est ramené au point A à un circuit ouvert dans cette même bande, ce qui empêche toute transmission de signal dans la bande d'émission vers le filtre passe-bande. Selon une variante représentée sur la figure 5 en pointillés, un filtre coupe-bande 9 est agencé entre l'entrée du dispositif 5 et l'entrée du transistor 4 en vue d'éliminer au moins partiellement le signal parasite dans la bande de fréquence d'émission. Pour des facilités de réalisation, d'encombrement et de coût, les filtres 7 et 8 et les tronçons de lignes sont réalisés en utilisant la technologie microruban connue en soi. Bien entendu, I'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit ci-dessus. Ainsi, on a pris comme moyens d'amplification un transistor. Tout autre type de moyens d'amplification, particulièrement ayant une caractéristique de fonctionnement linéaire pour une plage d'amplitude du signal d'entrée et une saturation de cette caractéristique à partir d'une amplitude du signal d'entrée. De même, les signaux échangés dans le cadre du système de transmission pourront être analogiques ou numériques. REVENDICATIONS 1. Dispositif de réception/émission simultanées de signaux dans un système de transmission avec un émetteur et un récepteur, le dispositif comprenant une voie de réception (Rx) pour recevoir un signal de réception occupant une bande de fréquences de réception et une voie d'émission (Tx) pour émettre un signal d'émission occupant une bande de fréquences d'émission, lesdites bandes de réception et d'émission étant disjointes, la voie 1o de réception comprenant un étage d'amplification à faible bruit comportant des moyens d'amplification (4) du signal de réception, la caractéristique de fonctionnement de ces moyens étant linéaire pour une plage d'amplitude du signal d'entrée et présentant une saturation à partir d'une amplitude de signal d'entrée donné, ledit dispositif étant caractérisé en ce que une impédance de charge optimale est définie pour un comportement linéaire des moyens d'amplification, des moyens sont agencés à la sortie (A) de ces moyens d'amplification pour ramener en cette sortie d'une part un circuit ouvert dans la bande de fréquence de réception et d'autre part une impédance égale à l'impédance de charge optimale dans la bande de fréquence d'émission. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que des premiers moyens de filtrage agencés sur la voie de réception sont adaptés pour ramener à la sortie des moyens d'amplification un circuit ouvert dans la bande de fréquence d'émission et une impédance adaptée à celle de la voie de transmission dans la bande de fréquences de réception. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits premiers moyens de filtrage comprennent un filtre passe-bande centré sur la fréquence de réception et dont la largeur de bande est la bande de fréquences de réception. 4. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les premiers moyens de filtrage comprennent un filtre coupe-bande coupant la bande de fréquence d'émission. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que des seconds moyens de filtrage sont agencés en entrée des moyens d'amplification pour couper la bande de fréquence d'émission. 6. Terminal de communication avec au moins un satellite ou une station de base terrestre, du type comprenant une antenne (1), caractérisé en ce qu'il comporte le dispositif selon l'une des revendications précédentes.