Brevet FR2895150A1 — publié le 20070622

Quasi circulateur actif. DOMAINE DE L'INVENTION Le domaine de 1'invention vise est celui des dispositifs d'emissionreception utilisant une seule antenne pour ('emission et la reception, pour lesquels un probleme important est de bien separer les signaux emis des signaux recus. Plus generalement le dispositif selon ('invention peut concerner tous les systemes dans lesquels it est important de separer des signaux radioelectriques. CONTEXTE DE L'INVENTION - ART ANTERIEUR Les dispositifs d'ernission-reception utilisant une seule antenne pour ('emission et la reception, comme par exemple les dispositifs d'emissionreception equipant generalement les radars, doivent comporter des moyens leur permettant de bien separer les signaux emis des signaux recus. En effet comme la meme antenne sert a ('emission et a la reception, les signaux emis et recus voyagent au travers d'une meme ligne de transmission, I'aiguillage selectif des signaux de I'emetteur vers I'antenne (signaux emis) ou depuis I'antenne vers le recepteur (signaux recus) etant realise en bout de ligne par un circuit connu sous le nom de "duplexeur", dont les principales fonction consistent a: - assurer un bon isolement entre la vole d'emission et la vole de reception de fawn a eviter que le recepteur dont la sensibilite est importante ne soit endommage par la reception indesirable d'une fraction trop importante du signal emis, signal dont la puissance est tres superieure a celle du signal recu; - assurer une transmission du signal rep vers le recepteur avec un minimum de pertes, la puissance du signal rect.' etant generalement faible, voire tits faible; - assurer une transmission du signal emis depuis le circuit generateur de la puissance a emettre vers I'antenne, avec un minimum de pertes pour ne pas degrader fortement le rendement en puissance du systeme ; - assurer une bonne adaptation des signaux, en particulier pour ne pas deteriorer le facteur de bruit de la chaine de reception a la reception. Le circuit le plus couramment utilise pour realiser la fonction de "duplexeur" est un circuit passif non reciproque, base sur les proprietes de couplage des ferrites soumises a un champ magnetique, appele "circulateur". Ce type de composant est eprouve et efficace. II permet en particulier, theoriquement, de realiser des dispositifs d'emission-reception capables d'emettre et de recevoir simultanement. Ce type de composant peut egalement titre avantageusement mis en cascade avec d'autres composants de meme type, afin en particulier de renforcer I'isolement entre voles. II peut encore, pour la meme raison, lorsqu'il est utilise dans un equipement ne realisant pas d'emission et de reception simultanees, titre associe a des circuits de type interrupteur, et ainsi renforcer I'isolement entre la voie d'emission et la voie de reception. Les circulateurs a ferrites sont en outre des dispositifs pouvant fonctionner sur une large bande de frequence, de I'ordre de ('octave. En revanche, les circulateurs sont des dispositifs passifs dont la structure est basee sur des lignes de transmission dont la longueur est fonction de la longueur d'onde du signal, realises sur des substrats de ferrites soumis a un champ magnetique permanent fourni par un aimant. Leur structure en fait des composants ayant un encombrement et un poids non negligeable et les rend difficile a miniaturiser. Leur integration dans des modules actifs de plus en plus integres est donc problematique. PRESENTATION DE L.'INVENTION Un but de ('invention est de proposer un dispositif duplexeur ayant des caracteristiques analogues, au moins partiellement, a celles du circulateur passif a ferrites, permettant de remplir les memes fonctions et dont la structure permette son integration dans un module d'emission-reception integre, au sein d'un circuit MMIC par exemple. On rappelle ici qu'un circuit MMIC est circuit integre monolithique hyperfrequence, "MMIC" etant I'acronyme de la denomination anglo-saxonne de ce type de composant (Monolithic Microwave Integrated Circuit). A cet effet ('invention a pour objet un amplificateur a structure distribuee comportant des cellules elementaires (28) chaque cellule comportant des inductances (21, 22) et un element amplificateur, les cellules etant assemblees de fawn a constituer une ligne de grille (32) et une ligne de drain (33). Selon ('invention, un des acces (24) de la ligne de grille est laisse ouvert tandis que I'autre acces (27) est raccorde a une charge d'adaptation (R2), les acces de la ligne de drain (25, 26) etant quant a eux laisses tous les deux ouverts. Selon ('invention egalement, les caracteristiques des cellules elementaires sont deteirminees pour que la transmittance entre ('entree de la voie d'emission (41) et la sortie de la voie de reception (43), corresponde a celle d'un filtre transverse presentant une valeur faible pour certaines bandes de frequences de largeurs determinees situees a I'interieur de la bande passante de I'amplificateur. De par ces caracteristiques, I'ensemble forme un dispositif pouvant titre 15 qualifie de quasi circulateur actif. Dans des formes de realisation particulieres, le dispositif selon ('invention peut en outre comporter des moyens annexes permettant avantageusement d'en renforcer le pouvoir isolant: - Selon un mode de realisation particulier le dispositif selon ('invention comporte un commutateur place sur I'acces formant la sortie de la vole de reception. 25 - Selon un autre mode de realisation, le dispositif selon !'invention comporte un commutateur large bande place sur ('entree de la voie d'emission. - Selon un autre mode de realisation particulier le dispositif selon 30 ('invention comporte un limiteur de puissance place sur I'acces formant la sortie de la voie de reception, le limiteur de puissance pouvant titre associe ou non a un commutateur large bande. 20 35 DESCRIPTION DES FIGURES Les caracteristiques et avantages du dispositif apparaitront clairement au cours de la description qui suit, description illustree par les figures 5 annexees qui representerit: - la figure 1, le schema fonctionnel de principe d'un circulateur passif, connu de fart anterieur, - la figure 2, le schema de principe d'une structure amplificatrice 10 distribuee classique comportant une ligne de grille et une ligne de drain, - la figure 3, le schema de principe d'un quasi circulateur actif selon ('invention, - la figure 4, le schema fonctionnel de principe du quasi circulateur actif selon ('invention, 15 -la figure 5, les courbes d'evolution en fonction de la frequence des parametres de transmission du dispositif selon ('invention, ces courbes ayant ete etablies par simulation. DESCRIPTION DETAILLEE 20 La figure 1 rappelle sous la forme d'une illustration, la fonction realisee par un circulateur passif. Un tel circulateur est un dispositif connu comportant trois acces 11, 12 et 13, generalement realise au moyen de lignes 14, 15 et 16 realisees sur des substrats de ferrite soumis au champ 25 magnetique d'un aimant permanent symbolise sur la figure par le noyau N, et agissant par interaction entre ce champ et I'onde parcourant le dispositif. La magnetisation des elements de ferrite est ici responsable de la nonreciprocite des lignes, la propagation s'effectuant ainsi de maniere privilegiee dans une seule direction. Avec un tel dispositif, it est possible de realiser un 30 duplexeur permettant de vehiculer sur une meme ligne de transmission 17, reliee a une antenne 11'1, I'onde produite par I'emetteur 18 et I'onde revue par ('antenne et destinee au recepteur 19. D'un point de vue fonctionnel le circulateur laisse se propager les ondes de I'acces 11 a I'acces 12, de I'acces 12 a I'acces 13 et de I'acces 13 a I'acces 35 11. En revanche, it interdit les Chemins inverses Integre a un equipement 4 emetteur-recepteur le circulateur rempli la fonction de duplexeur. A ce titre it laisse se propager les ondes, sur la ligne 14, depuis ('emetteur vers I'antenne. De meme it laisse se propager les ondes revues, sur la ligne 15, de I'antenne vers le recepteur. Un tel dispositif est principalement caracterise par sa bande passante, par ses pertes d'insertion et par le decouplage entre voies, ces trois caracteristiques n'etant pas independantes. Aussi, lorsqu'on concoit un tel dispositif, on est inevitablement conduit a chercher le meilleur compromis entre la bande passante desiree d'une part, la valeur de decouplage necessaire et le niveau de pertes acceptable d'autre part. Comme it a ete dit precedemment, le circulateur passif presente I'avantage de remplir de imaniere eprouvee et efficace le role de duplexeur. En revanche, it presente I'inconvenient d'etre relativement Iourd du fait en particulier de la presence des elements de ferrite et de I'aimant. II presente egalement ('inconvenient d'etre relativement encombrant, la longueur des lignes 14, 15 et 16 etant clirectement fonction de la longueur d'onde du signal transports. La figure 2 rappelle, de maniere illustree, la structure d'un amplificateur distribue, structure qui fait partie de ('art anterieur connu. Comme le montre la figure un amplificateur distribue est une structure constituee de cellules elementaires 28 composees de deux inductances 21 de valeur LD en serie et de deux inductances 22 de valeur % LG mises egalement en serie. Cette structure comporte de plus un element actif amplificateur 23, qui peut titre par exemple un transistor a effet de champ en mode "source commune" dont le drain D est retie au point commun des deux inductances 21 et dont Ila grille G est reliee au point commun des deux inductances 22. Un certain nombre de ces cellules elementaires 28 sont montees en cascade pour former ('amplificateur, qui se presente exterieurement comme un dispositif a quatre acces (ou octopOle : un acces etant constitue d'une paire de poles, run d'eux etant en general la masse) dont un acces 24 forme ('entree de ('amplificateur et un autre acces 25 la sortie, tandis que deux des acces 26 et 27 sont relies a des charges d'adaptation RI et R2. D'un point de vue fonctionnel, I'amplificateur distribue illustre par la figure 2, peut etre vue comme un ensemble de deux lignes couplees : une premiere ligne, appelee ligne de drain, formee de cellules LC constituees d'une inductance 21 et de la capacite CDS du transistor a effet de champ 23 qui lui est associe, et une deuxieme ligne, appelee ligne de grille, formee de cellules LC constituees d'une inductance 22 et de la capacite CGS du meme transistor a effet de champ 23. Le couplage entre lignes est ici un couplage "actif' qui fait intervenir les generateurs de courant commandos que constituent les transistors a effet de champ 23 qui entrent dans la constitution des cellules elementaires 28. Ces lignes artificielles de grille et de drain ont un comportement "large bande", c'est a dire un comportement tres constant, depuis les frequences basses, voire nulle theoriquement, jusqu'a leur frequence de coupure, les limitations pratiques venant des circuits de polarisation. La frequence de coupure est par ailleurs, quanta elle, liee a la tailles des transistors et donc aux caracteristiques fondamentales du circuit (gain, puissance de sortie, ...). Un amplificateur distribue, comme schematise sur la figure 2, est generalement utilise en appliquant un signal sur I'acces 24 et en recuperant le signal amplifie present sur I'acces 25. Les acces 26 et 27 sont en principe charges par des resistances RI et R2 appelees resistances terminales ou charges annexes. Sur I'acces 26, on connecte la resistance terminale de ligne de drain, egale en principe a ('impedance caracteristique de cette ligne ou a la valeur locale de cette impedance si celle-ci evolue le long de la ligne. De meme pour I'acces 27 et la ligne de grille. Dans le cas d'une realisation en technologie MMIC, I'ensemble du circuit est trace sur une meme puce de semi-conducteur de sorte que les connexions des charges annexes se realisees sur la puce. Les acces 26 et 27 ne sont alors pas disponibles. Dans un tel montage les lignes de grille et de drain font ('objet d'un couplage actif qui n'est par nature pas reciproque. Ainsi, un signal qui se propage sur la ligne de drain n'induit pas, ou induit peu, de signal sur la ligne de grille. Inversement un signal se propageant sur la ligne de grille induit un signal significatif sur la ligne de drain. En partant du schema de la figure 2, on peu constater que si lion remplace les charges annexes par autre chose qu'une simple resistance, des portes d'adaptation permettant d'exploiter le signal present sur ces acces par exemple, on peut obtenir des fonctionnalites differentes de la simple amplification. Ainsi, si on connecte une porte sur ('acces 27, on dispose d'une sortie annexe non amplifiee, attenuee par rapport au signal d'entree. De meme, en inversant les roles des acces 25 et 26, c'est a dire en connectant une charge annexe sur ('acces 25 et utilisant le signal present sur ('acces 26, on obtient un amplificateur dont la bande passante sera tres reduite par rapport a la configuration illustree par la figure 2. Les variations du gain sont dues, dans ce cas, au fait que la contribution de chacune des cellules 28 du montage dans ('elaboration du signal present sur ('acces 26 n'est pas uniforme, mais Qu'elle varie en fonction de la position de la cellule, position dont est fonction la longueur du chemin emprunte par le signal entre I'entree et la sortie du dispositif ainsi forme. Cette difference se traduit par une ponderation qui petit Otre controlee pour obtenir une fonction de transfert specifique, caracteristique d'un filtre transverse. La figure 3 illustre de maniere schematique le principe de mise en oeuvre d'une structure de type amplificateur distribue pour realiser un quasi circulateur actif selon ('invention. Ce principe consiste a utiliser au moins un des acces habituellement non utilises pour constituer un dispositif ayant des proprietes sensiblement analogues a certaines proprietes d'un circulateur, qui lui permettent avantageusement de faire fonction de duplexeur. Sur cette illustration les cellules amplificatrices 28 sont representees de maniere symbolique par les transistors a effet de champ 31 et les lignes de grille 32 et de drain 33. Dans le cadre de I'invention la structure de la figure 2 est adaptee de fawn a ce que les acces 25 et 26 soit utilisables, La charge annexe RI disparait tandis que la charge annexe R2 reste connectee a ('acces 27. On obtient ainsi un dispositif muni d'une entree 24 et deux sorties 25 et 26, dont les parametres se caracterisent par les proprietes suivantes : - Le module IS21 I caracterisant la transmittance existant entre I'entree 24 et la sortie 25, correspond au gain habituel d'un amplificateur distribue. Ce gain est sensiblement constant en fonction de la frequence et superieur a 1 (typiquement 10 dB ou plus) sur une large bande de frequence. On obtient ainsi avantageusement une vole directe amplifiee. - Le module IS31 I caracterisant la transmittance existant entre ('entree 24 et la sortie 26, correspond au gain d'un filtre transverse. Celui-ci peut avantageusement titre optimise pour titre plus faible que le module IS21 1, dans une bande de frequences plus etroite. II est ainsi possible de maintenir, dans certaines conditions, la difference entre 15211 et IS31I a une valeur superieure a 15 dB sur une bande de 6 a 18 GHz. - Le module IS32I caracterisant la transmittance existant entre I'acces 25 et I'acces 26, correspond aux pertes d'un signal rentrant en 25 et sortant en 26. L'experience montre que ces pertes peuvent avantageusement titre maintenues inferieures a 2 dB sur la bande passante du dispositif. Un tel dispositif permet donc avantageusement de transmettre un signal de maniere amplifiee selon un chemin exclusif conduisant de I'acces 24 a I'acces 25, appele voie principale, et de transmettre simultanement un signal selon un chemin exclusif conduisant de I'acces 25 a I'acces 26, tout en assurant un decouplage des signaux presents sur les acces 24 et 26. II possede donc partiellement les proprietes d'un circulateur passif, avantageusement associees a un gain significatif sur la voie "principale". II peut donc titre considers comme un quasi-circulateur actif dont le principe de fonctionnement est resume par le schema de la figure 4. La comparaison du schema de la figure 4 et du schema de la figure 1 permet par ailleurs de imettre en evidence les differences structurelles existant entre un circulateur passif a ferrite et le quasi circulateur actif selon ('invention. Comme le circulateur passif le quasi circulateur actif selon I'invention est un dispositif comportant trois acces 41, 42 et 43, et formant des lignes artificielles 44, 45 et 46 presentant un sens de propagation determine, symbolise sur la figure par des pointes de fleches. La propagation s'effectuant ainsi sensiblement dans une seule direction. Cependant a la difference du circulateur passif, le signal se propageant sur la voie d'emission, de I'acces 41 (entree) vers I'acces 42 (sortie), se trouve amplifie de maniere significative, tandis que la propagation d'un signal de I'acces 43 de la voie de reception, vers I'acces 41 de la voie d'emission est par nature impossible. Cette caracteristique n'est cependant pas penalisante car tits generalement, et specialement dans le cas d'un systeme emetteur-recepteur, aucune transmission de signal de I'acces 43 vers I'acces 41 n'a normalement lieu. Ainsi, a la difference du circulateur passif, le quasi circulateur actif selon ('invention est un dispositif non symetrique, dont les acces ne sont pas fonctionnellement interchangeables. L'avantage associe a cette dissymetrie reside dans le fait que rune des lignes artificielles constituant le dispositif, la ligne 44, transmet un signal avantageusement amplifie. De la sorte, dans le cas d'un equipement emetteur-recepteur par exemple, la synthese du signal transmis a I'antenne par ('emetteur peut titre realisee avec un niveau plus faible, ce qui permet d'attenuer I'effet au niveau du recepteur du parasitage du signal rep sur la ligne 43 par la faible partie du signal emis, transmise au recepteur au travers de la ligne 46. Dans un tel module d'emission-reception, la fonction de ('emetteur peut alors se limiter a la synthese du signal, la structure amplificatrice distribuee sur laquelle est !Asti le quasi circulateur selon ('invention jouant alors le role d'amplificateur de puissance du module. Du point de vue de sa realisation, le dispositif selon ('invention est donc constitue, comme tout amplificateur distribue, d'un ensemble de cellules elementaires 28 dont la definition repond aux contraintes generales suivantes: - I'ensemble des cellules de I'amplificateur distribue qui en est la base, doit titre concu de fawn a delivrer la puissance demandee dans la bande passante, - cet ensemble doit titre concu de fawn a supporter les agressions exterieures telles que les pics de desadaptation de I'antenne, les surcharges, ou encore la reception de signaux de forte puissance. Ies caracteristiques des cellules elementaires sont determinees de fawn a ce que le rapport IS21 I / IS31 I des transmittances des voies 44 35 (IS211) et 46 (IS31I) soit maintenue a une valeur significativement elevee sans nuire aux performances de puissance et de rendement et en veillant par ailleurs a assurer un fonctionnement satisfaisant dans la bande de frequences dans laquelle doit travailler le dispositif. Dans une forme particuliere de realisation destinee a garantir un niveau eleve d'isolation entre transmission et reception, le dispositif selon I'invention comporte un commutateur large bande, non represents sur la figure 4, ajoute sur I'acces 43 formant !'extremite finale de la voie de reception et retie au recepteur 19. Ce commutateur permet avantageusement, dans le cas oi] le fonctionnement de I'equipement emetteur-recepteur considers ne necessite pas d'emission et de reception simultanees, d'augmenter sensiblement I'isolement entre ('emetteur et le recepteur et d'accroitre aiinsi la sensibilite due I'equipement. Dans une autre forme possible de realisation, qu'il est possible de combiner avec la forme precedente, le dispositif selon ('invention comporte en outre un limiteur de puissance large bande, non represents sur la figure 4, ajoute sur I'acces 43 retie au recepteur 19. Par rapport a une solution classique basee sur un circulateur passif, le dispositif selon ('invention presente en particulier les avantages suivants: - sa constitution a partir de composants passifs (inductances, capacites) localises et d'elements actifs (transistors a effet de champ) rend le dispositif selon ('invention integrable et donc realisable en technologie MMIC, - Ia presence de cellules amplificatrice permet au dispositif selon ('invention de remplir a la fois la fonction de duplexeur et celle d'amplificateur. Ceci permet par exemple, dans le cas d'un dispositif integre dans module emetteur-recepteur de limiter la fonction de ('emetteur a Ia synthese du signal la partie amplification etant alors remplie par le duplexeur, - Ia presence d'uri commutateur mis en serie avec I'antenne n'etant pas necessaire, le rendement en puissance se trouve ameliore, de meme que le bilan total en emission/reception : L'absence de commutateur permet en outre de limiter largernent les pertes en reception, - le dispositif selon !'invention permet, en tenant compte toutefois du 35 rapport IS311/IS21Idesiire de realiser un duplexeur large bande, contrairement au circulateur passif a ferrite classique dont la bande passante est generalement limitee au mieux a une ou deux octaves. L'illustration de la figure 5, permet de mettre en evidence le caractere avantageux du dispositif selon ''invention. Elle presente les courbes devolution des differentes transmittances relative un dispositif selon ''invention, obtenues par simulation Le modele de simulation est ici un modele de quasi circulateur comportant 6 cellules amplificatrices 28. Dans ce modele de simulation pris comme exemple non limitatif, Les transistors constituant les cellules ont les caracteristiques des transistors issus de la filiere PH25 de la fonderie UMS (Orsay - France). I's sont realises sur Arseniure de Gallium (GaAs) et comportent 4 doigts de grille de 35 micrometres de large sur 0,25 micrometre de long (il n'y a pas d'erreur), correspondant a une capacite d'entree Cgs d'environ 170 femtofarads (fF). Pour realiser des lignes de 5052 a partir de ces valeurs de capacite, on associe a ces capacites des inductances LG/2 et LD/2 ayant des valeurs d'environ 0,4 nanohenry (nH), sans tenir compte des elements parasites. Cette simulation permet de verifier que le module 51 de la transmittance IS21 1 (exprimee en dE3) de la ligne d'emission reliant I'acces 41 (emetteur) a I'acces 42 (antenne) est bien positive et tres superieure a 0dB sur toute la bande passante du dispositif et que le module 52 de la transmittance 1S321 de la ligne de reception reliant I'acces 42 (antenne) a I'acces 43 (recepteur) presente peu ou pas d'attenuation sur cette meme bande passante. Elle permet egalement de verifier que les cellules amplificatrices 28 peuvent titre developpees de facon a ce que sur certaines bandes etroites reparties a ''interieur de la bande passante du dispositif la valeur du module 53 de la transmittance 1531 I reliant I'acces 41 (emetteur) a I'acces 43 (recepteur) peut titre rendue tres faible, typiquement de I'ordre de -20dB. Ainsi comme le confirme la figure 5, le dispositif selon !'invention constitue une alternative avantageuse au circulateur passif. REVENDICATIONS 1. Amplificateur a structure distribuee comportant des cellules elementaires (28) chaque cellule comportant des inductances (21, 22) et un element amplificateur, les cellules etant assemblees de fawn a constltuer une ligne de grille (32) et une ligne de drain (33), caracterise en ce qu'un des acces (24) de la ligne de grille est Iaisse ouvert et que I'autre acces (27) est raccorde a une charge d'adaptation (R2), les acces de la ligne de drain (25, 26) etant laisses tous les deux ouverts, les trois acces laisses ouverts (24, 25, 26) permettant de definir une voie d'emission et une vole de reception; et en ce que les caracteristiques des cellules elementaires sont determinees pour que la transmittance entre ('entree de la voie d'emission (41) et la sortie de la vole de reception (43), corresponde a celle d'un filtre transverse presentant une valeur faible pour certaines bandes de frequences de largeurs determinees situees a I'interieur de la bande passante de I'amplificateur. 2. .Dispositif selon la revendication 1, comportant en outre un element comrnutateur large bande, cet element etant raccorde a ('acces (43) formant I'extremite finale de la voie de reception. 3. .Dispositif selon ('une des revendications precedentes, comportant en outre un circuit limiteur de puissance, ce circuit etant raccorde a ('acces (43) formant I'extremite finale de la voie de reception.25