Brevet FR2871629A1 — publié le 20051216

La présente invention concerne un dispositif de conversion de fréquences, plus particulièrement un dispositif de ce type utilisable dans un système d'émission/réception de signaux électromagnétiques fonctionnant dans des bandes de fréquences de l'ordre d'une dizaine de giga hertz ( GHz). La présente invention concerne aussi un procédé d'étalonnage du dispositif de conversion de fréquences ainsi qu'un système d'émission/réception incluant ledit dispositif de conversion de fréquences. Sur la figure 1, on a représenté un exemple d'architecture io classique simplifiée d'un émetteur RF (radio fréquence), plus particulièrement un émetteur en bande Ka (29-30 GHz). Comme représenté sur la figure, le signal RF se trouvant dans la bande 950-1450 MHz correspondant à la bande de fréquence en sortie de l'unité intérieure (IDU pour Indoor Unit) est amplifié par un amplificateur 10 à gain variable. Le signal en sortie de l'amplificateur 10 est transposé en bandes Ka, à savoir la bande se trouvant entre 29.5-30 Ghz. Cette transposition est réalisée par un mélangeur sous harmonique 11 et un oscillateur local 12 opérant en bande Ku. La sortie du mélangeur 11 est envoyée à travers un amplificateur 12 en entrée d'un élément de filtrage 13 dont la contrainte majeure est la réjection de la composante spectrale à 2FOL où FOL est la fréquence de l'oscillateur local. La valeur de 2FOL est, par exemple, égale à 28.55 GHz, à savoir à une valeur très proche de la valeur de la bande d'émission en bande Ka (29.5-30 GHz). Le signal issu du dispositif de filtrage 13 est envoyé sur un second amplificateur 14 et un amplificateur de puissance 15 avant d'atteindre l'antenne d'émission 16. Cette structure très simple permet une transposition directe en un seul bond. Elle a pour principal avantage d'être plus bas coût que des architectures à double transposition. En effet, le nombre de composants ainsi que la surface occupée par les circuits sont réduits. Toutefois, cette technique augmente considérablement les contraintes sur le filtrage de la bande d'émission pour satisfaire aux normes internationales en vigueur. Pour obtenir la réjection de la composante 2FOL, comme mentionné cidessus, différents dispositifs de filtrage peuvent être utilisés. On peut notamment utiliser des filtres en guide d'onde, plus particulièrement des filtres réalisés en technologie couche mince/alumine, qui permettent un filtrage sélectif, notamment dans les bandes K ou Ka. Cependant, cette technologie est d'un coût important et est incompatible avec la technologie CMS pour Composant Monté en Surface sur un substrat organique faible coût. La chaîne de transposition telle que décrite avec référence à la io figure 1, comporte un mélangeur sous harmonique. Comme représenté schématiquement sur la figure 2, les mélangeurs sous harmonique habituellement utilisés dans ce type de système comportent deux diodes Schottky 20 et 21 montées de manière anti-parallèle dans un même boîtier 23. Ainsi, de manière connue, si les deux diodes 20, 21 sont identiques, les composantes continues des courants Il et 12 circulant dans les diodes sont nulles et la composante à la fréquence 2FOL sur la sortie RF est inexistante. Comme représenté sur la figure 2, le boîtier 23 comprenant les deux diodes 20, 21 est connecté à la masse par un circuit 25 et à un oscillateur local LO par l'intermédiaire d'un circuit 24 comportant un réseau de filtres et un circuit d'adaptation d'impédance à la fréquence de l'oscillateur local LO. Les sorties des circuits 24 et 25 sont connectées en un point commun P1 sur l'entrée du boîtier 23. De manière symétrique, sur l'autre point d'entrée/sortie du boîtier 23, sont connectés, à travers un circuit 26 comportant un réseau de filtres et un circuit d'adaptation d'impédance, le signal RF, et à travers un circuit 27 comportant un réseau de filtres et un circuit d'adaptation d'impédance, le signal IF. En pratique, dans les mélangeurs du type de celui de la figure 2, les diodes Schotky montées de manière anti-parallèles ne sont jamais parfaitement appairées. II en résulte donc une composante de courant continu résiduelle dans la boucle due au déséquilibre qui se traduit par une composante à la fréquence 2 OL en sortie RF. La présente invention concerne donc un dispositif de conversion de fréquences dans lequel la composante de courant continu résiduelle est maintenue à sa valeur minimale. Ainsi, la présente invention concerne un dispositif de conversion de fréquences comportant un oscillateur local de fréquence fixe et un premier mélangeur à deux entrées et une sortie, une première entrée recevant le signal à convertir et une deuxième entrée recevant le signal issu de l'oscillateur local, caractérisé en ce qu'il comporte un deuxième mélangeur à deux entrées et une sortie, une première entrée recevant le signal issu de l'oscillateur local déphasé et la seconde entrée recevant un signal continu dont la valeur est fonction de la puissance de la composante spectrale résiduelle en sortie d'un additionneur recevant en entrée les signaux issus du premier et du second mélangeur et donnant en sortie un signal transposé. En fait, le deuxième mélangeur utilisé dans le dispositif de la présente invention, est commandé par une tension continue issue d'un détecteur de puissance connecté en sortie de l'additionneur. La tension continue ainsi obtenue est représentative de la puissance de la composante spectrale résiduelle indésirable en sortie du sommateur. Conformément à l'invention, cette tension continue doit être minimisée par le dispositif décrit cidessus. Selon un mode de réalisation particulier, la sortie du détecteur de puissance est envoyée sur un moyen de traitement permettant de déterminer la valeur du signal continu à appliquer en entrée du second mélangeur. De préférence, le moyen de traitement est constitué par un micro-contrôleur. De ce fait, la tension continue issue du détecteur de puissance est numérisée à l'aide d'un convertisseur analogique/numérique, traitée dans le micro-contrôleur de manière à déterminer le sens de variation et la valeur de la tension à appliquer au deuxième mélangeur puis le signal ainsi obtenu est retransformé en analogique par un convertisseur numérique/analogique avec ou sans correction de signe et adaptation de niveau pour commander le deuxième mélangeur. De préférence, les convertisseurs analogiques/numériques et numériques/analogiques sont intégrés dans le micro-contrôleur. Selon une autre caractéristique de la présente invention, le signal RF à convertir est amplifié par un amplificateur à gain variable avant d'être appliqué sur le premier mélangeur, le gain de l'amplificateur étant commandé par un signal issu du micro-contrôleur. La présente invention concerne aussi un procédé d'étalonnage du dispositif décrit ci-dessus comprenant les étapes suivantes: io -a la mise sous tension, ajustement du gain de l'amplificateur à gain variable pour un fonctionnement avec un gain minimum, -mesure en sortie du détecteur de puissance de la puissance de la composante à 20L, - traitement de la tension délivrée par le détecteur pour déterminer la valeur de la tension continue à appliquer sur l'entrée du deuxième mélangeur, - puis, lorsque la composante à la fréquence 20L est minimisée en sortie, positionnement du gain de l'amplificateur à gain variable à sa valeur nominale. - Le traitement de la tension en sortie du détecteur est réalisé dans un microcontrôleur mettant en oeuvre un algorithme de convergence après numérisation de la tension. Le microcontrôleur détermine le sens de variation de la tension de commande (positive ou négative) pour minimiser la composante spectrale indésirable en sortie du sommateur. La présente invention concerne une unité extérieure pour un système d'émission/réception, plus particulièrement un terminal d'émission en bande Ka comportant un dispositif de conversion de fréquence tel que décrit ci-dessus. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention 30 apparaîtront à la lecture de la description d'un mode de réalisation préférentiel d'un dispositif de conversion de fréquences conforme à la présente invention, cette description étant faite avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels: Figure 1 déjà décrite est une représentation synoptique simplifiée d'un émetteur en bande Ka, Figure 2 déjà décrite est une représentation synoptique très simplifiée d'un mélangeur sous harmonique utilisé dans l'émetteur de la figure 1, Figure 3 est un synoptique simplifié d'un dispositif de conversion de fréquence conforme à la présente invention et, io Figures 4 et 5 représentent l'allure du spectre en sortie d'un mélangeur sous harmonique en bande Ka sans compensation sur la figure 4 et avec le dispositif de compensation conforme à la présente invention sur la figure 5. Figure 6 est un organigramme expliquant le fonctionnement du 15 microcontrolleur Sur la figure 3, on a représenté les principaux éléments d'un dispositif de conversion de fréquence conforme à la présente invention. Ce dispositif est intégré dans une architecture RF émettant en bande Ka et réalisant une simple transposition. Comme représenté sur la figure 3, le dispositif de conversion de fréquence comporte essentiellement un oscillateur local 30 opérant à une fréquence OL en bande Ku, à savoir autour de 14,25 GHz. Le signal de sortie de l'oscillateur local 30 est envoyé sur une entrée d'un premier mélangeur 31 sous harmonique. Le mélangeur 31 reçoit sur son autre entrée le signal à transposer. Le signal est obtenu en sortie d'un amplificateur 32 à gain variable qui reçoit sur son entrée un signal à la fréquence intermédiaire en bande L. Conformément à la présente invention et comme représenté sur la figure 3, le dispositif de conversion de fréquence comporte un deuxième mélangeur 33, de préférence identique au premier mélangeur 31. Ce deuxième mélangeur 33 reçoit sur une de ses entrées le signal issu de l'oscillateur local déphasé de 90 par un déphaseur 34. L'autre entrée du mélangeur 33 reçoit un signal continu, plus particulièrement un signal dont la valeur est représentative de la puissance de la composante spectrale résiduelle indésirable en sortie du dispositif, comme cela sera expliqué plus en détail ci-après. Les sorties des mélangeurs 31 et 33 sont envoyées sur un additionneur 35 qui donne en sortie un signal transposé en bande Ka qui est envoyé de manière classique sur un amplificateur intermédiaire 36. D'autre part, conformément à la présente invention, le signal en sortie de l'additionneur 35 est couplé par l'intermédiaire d'un amplificateur 37 à un détecteur de puissance 38 qui donne en sortie une tension continue représentative de la puissance de la composante spectrale résiduelle indésirable en sortie de l'additionneur. Comme représenté sur la figure 3, cette tension continue est envoyée sur un convertisseur numérique/analogique qui, dans le mode de réalisation représenté, fait partie d'un micro-contrôleur 39. Ce convertisseur analogique/numérique référencé ADC numérise la tension continue. Dans le micro-contrôleur, le sens de variation de cette tension continue est calculé à l'aide d'un algorithme de convergence pour que le dispositif puisse converger. L'organigramme représenté figure 6 illustre le mode opératoire du dispositif. Lorsque la tension mesurée à la sortie du détecteur de puissance est inférieure à une tension de seuil programmée (V seuil), le gain de l'amplificateur 32 est positionné à son gain nominal et l'émetteur devient opérationnel. En fait le sens de variation de la tension à appliquer au deuxième mélangeur est fonction des caractéristiques des diodes constituant les mélangeurs et n'est pas connu au départ. Le signal obtenu suite au calcul est envoyé sur un convertisseur numérique/analogique référence DAC1 qui est intégré au micro-contrôleur dans le mode de réalisation représenté, de manière à appliquer la tension continue voulue sur la seconde entrée du mélangeur 33. D'autre part, comme représenté sur la figure 3, le microcontrôleur envoie une tension de commande par l'intermédiaire d'un second convertisseur numérique/analogique référencé DAC2 pour contrôler le gain de l'amplificateur 32 lors du procédé d'étalonnage du dispositif et lors du mode opérationnel. On décrira donc ci-après l'étalonnage du dispositif conforme à la présente invention. Lors de la mise sous tension, la fréquence de l'oscillateur local 30 étant programmée en bande Ku, l'amplificateur 32 opérant en bande L est commandé dans un premier temps par le micro-contrôleur 39 de manière à io fonctionner avec un gain minimum pour atténuer au maximum la composante IF en entrée du mélangeur 31. On obtient en sortie de l'additionneur 35, un signal présentant une composante à la fréquence 2OL. Conformément à la présente invention, la puissance de la composante à 2OL est détectée par le détecteur 38 qui fournit au micro-contrôleur 39 une tension continue en fonction de cette puissance. En entrée du micro-contrôleur 39, la tension continue délivrée par le détecteur est convertie en une valeur numérique puis traitée dans le micro-contrôleur pour obtenir une tension de sortie qui, une fois convertie en analogique par un premier convertisseur numérique/analogique DAC1, commandera la seconde entrée IF du mélangeur 33. Le sens de la fonction de commande est fonction des caractéristiques des diodes mises en oeuvre dans le mélangeur et est variable. Le sens de variation est calculé par le micro-contrôleur en vérifiant la convergence de la boucle correspondant à un minimum de puissance de la composante résiduelle en sortie de l'additionneur. Lorsque la composante à la fréquence 2OL est minimisée en sortie, le dispositif de conversion de fréquence est dans un mode opérationnel et le gain de l'amplificateur 32 est positionné à sa valeur nominale par le micro-contrôleur 39. Pour montrer les résultats obtenus avec le dispositif de conversion de fréquence conforme à la présente invention, on a représenté sur les figures 4 et 5, l'allure du spectre en sortie d'un mélangeur sous harmonique 2 en bande Ka sans compensation et avec compensation. Les principales conditions de compensation sont les suivantes: 1 Paramètre d'entrée: Fréquence intermédiaire FI = 1.5 GHz Puissance d'entrée du signal IF: -8 dBm Puissance sur l'entrée OL: +6 dBm Fréquence de l'oscillateur local: FOL = 13.5 GHz (OL virtuel à 2FOL = 27 GHz) io 2 Performance en sortie: Puissance du signal utile à 28.5 GHz: 15 dBm Puissance de la composante résiduelle à 2OL mesuré en sortie = -40 dBm. Sur la figure 4, on observe donc une raie à la fréquence 2OL. Si on examine la figure 5 qui illustre les résultats de mesure réelle à la sortie d'une maquette mettant en oeuvre le dispositif de conversion de fréquence conforme à la présente invention, dans ce cas l'atténuation additionnelle de la composante à la fréquence 2OL, à savoir 27 GHz, est supérieure à 30 dB. Dans ce cas, les performances en terme de réjection de la composante à 2OL sont indépendantes de la puissance et de la fréquence IF. Ce dispositif permet donc d'opérer avec une fréquence intermédiaire très basse car les performances du dispositif sont indépendantes de la fréquence IF. Le dispositif de conversion de fréquences conforme à la présente invention présente donc un certain nombre d'avantages, notamment il permet de diminuer sensiblement les coûts du filtrage en bande Ka. Un simple filtrage additionnel basé sur une technique microruban à très faible coût peut alors être implémenté. D'autre part, l'encombrement de la fonction est réduit et les contraintes de linéarité en amplitude de la chaîne d'amplification peuvent être moins importantes. REVENDICATIONS 1- Dispositif de conversion de fréquences comportant un oscillateur local (30) de fréquence fixe et un premier mélangeur (31) à deux entrées et une sortie, une première entrée recevant le signal à convertir et une deuxième entrée recevant le signal issu de l'oscillateur local, caractérisé en ce qu'il comporte un deuxième mélangeur (33) à deux entrées et une sortie, une première entrée recevant le signal issu de l'oscillateur local déphasé (34) et la seconde entrée recevant un signal continu dont la valeur est fonction de la puissance de la composante spectrale résiduelle en sortie o d'un additionneur (35) recevant en entrée les signaux issus du premier et du second mélangeurs et donnant en sortie un signal transposé. 2- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte de plus un détecteur de puissance (38) couplé à la sortie de l'additionneur (35) pour délivrer en sortie une tension continue fonction de la puissance de la composante spectrale résiduelle en sortie de l'additionneur. 3- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la sortie du détecteur de puissance (38) est envoyée sur un moyen de traitement (39) permettant de déterminer la valeur du signal continu à appliquer en entrée du second mélangeur. 4- Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moyen de traitement (39) est un micro-contrôleur dans lequel sont intégrés des convertisseurs analogique/numérique (ADC) et numérique/analogique (DAC1, DAC2). 5- Dispositif selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le moyen de traitement met en oeuvre un algorithme de convergence pour déterminer en fonction de la valeur de la tension issue du détecteur la valeur de la tension à appliquer sur le second mélangeur. 6- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le signal à convertir est amplifié par un amplificateur à gain variable (32) avant d'être appliqué sur le premier mélangeur (31), le gain de l'amplificateur étant commandé par un signal issu du micro-contrôleur. 7- Procédé d'étalonnage du dispositif de conversion de o fréquences selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - à la mise sous tension, ajustement du gain de l'amplificateur à gain variable (32) pour un fonctionnement avec un gain minimum, - mesure en sortie du détecteur de puissance de la puissance (38) de la composante à 20L, - traitement de la tension délivrée par le détecteur pour déterminer la valeur de la tension continue à appliquer sur l'entrée du deuxième mélangeur (33), - puis, lorsque la composante à la fréquence 20L est minimisée en sortie, positionnement du gain de l'amplificateur à gain variable à sa valeur nominale. 8- Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le traitement de la tension en sortie du détecteur est réalisé dans un microcontrôleur (39) mettant en oeuvre un algorithme de convergence après numérisation de la tension. 9- Système d'émission/réception comportant une unité extérieure réalisant en un bond la transposition de la fréquence RF intermédiaire en une fréquence à émettre de l'ordre du giga hertz, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de conversion de fréquences selon l'une des revendications 1 à 6.