Brevet FR2902250A1 — publié le 20071214

L'invention concerne un dispositif de commutation à isolation sélective pour terminaux multimédias dans le cadre de système d'antennes directives nécessaire dans les nouveaux média de communications sans fil permettant l'accès au services haut débit large bande. Ils sont situés dans des bandes de fréquences actuellement allouées s'étalant de quelques GHz pour les applications de type WLAN (2.4GHz 802.11 b, 4.9GHz à 5.8GHz 802.11a , 3.5GHz Wimax) à quelques dizaines de GHz pour des liens de type LMDS (28 GHz ) ou satellitaire (12-14 GHz ou 20-30GHz) . Avec les techniques de transmission de type MIMO (Multiple Input Multiple Output), les systèmes utilisent plusieurs antennes tant à l'émission qu'à la réception pour émettre ou recevoir les signaux. En réception la sélection par diversité permet de sélectionner par commutation l'antenne présentant le plus fort niveau de signal reçu, réduisant ainsi les phénomènes de fading. Cependant ce concept n'utilise pas toute l'énergie disponible des antennes et le gain de réseau reste limité. Une autre technique de transmission, largement utilisée, est constituée par des réseaux d'antennes à multi faisceaux commutés (switched multi beam antennas) qui consiste en un réseau d'antennes comportant de multiples faisceaux figés et pointant dans différentes directions. Dans ce cas le concept est relativement simple et le récepteur a seulement à choisir un faisceau correct pendant quelques secondes. A tous ces concepts sont associés un dispositif de commutation plus ou moins élaboré selon la technique choisie. Ces dispositifs peuvent être formés par des commutateurs de type SPDT (Simple Port Double Throw) pour la configuration la plus simple de diversité à 2 antennes ou SP4T ou SPnT (Simple Port (n) x Throw) pour des dispositifs MIMO plus élaborés où n est l'ordre de la diversité/nombre d'antennes utilisées. Or de tels commutateurs RF / Hyper (2.4 à 5GHz) requièrent sur une large bande de fréquence des contraintes sévères : - en termes de perte d'insertion, afin de ne pas trop dégrader le facteur de bruit et donc les performances en terme de sensibilité coté réception et afin de limiter la puissance d'émission délivrée par les amplificateurs de sortie, et - en termes d'isolation afin de ne pas dégrade le gain de chacune des antennes multi faisceau. En effet, dans le cas de l'utilisation d'un commutateur de faible isolation entre les accès, le diagramme de rayonnement résultant du système d'antennes qui est pondéré par l'isolation du commutateur perd le bénéfice souhaité en terme de réduction d'interférences avec les autres utilisateurs, c'est à dire la capacité au système d'antennes à ne couvrir qu'un secteur de l'espace. Mais dans le cas de l'utilisation d'un commutateur de forte isolation entre les accès, le diagramme d'antenne résultant est le diagramme d'uniquement un des secteurs ou de l'une des antennes du système d'antennes. C'est pourquoi une forte isolation entre les accès est requise et les commutateurs doivent être très performant. Les commutateurs RF/Hyper actuellement sur le marché principalement en AsGa (Arsenic Gallium) parfaitement intégrable en technologie MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) utilisent typiquement des transistors à effet de champ (FET), le FET le plus communément utilisé est le FET canal N dit à déplétion, celui-ci possède une très faible résistance drain source en absence de tension de grille (gate) et autorise cependant le passage d'un fort courant de drain (Idss),avec l'application d'une tension négative sur le grille, le champ électrique développé sous la grille induit un pincement du canal augmentant ainsi notablement la résistance source drain, cette tension appelée Pinch Off est typiquement de l'ordre de -2 à -2.5V. Ils procurent des isolations de l'ordre de 20dB à 25dB entre voies. Ceci reste insuffisant dans le cas d'antennes sectorisées si l'on veut conserver un gain de directivité important. De plus, les performances de tels composants tendent néanmoins à devenir plus critiques en terme de pertes d'insertion et d'isolation avec la montée en fréquence des applications (2.4 à 5GHz) , Il est connu de l'état de l'art que l'on peut améliorer l'isolation d'un commutateur, par exemple un commutateur à FET AsGa, en utilisant la résonance de la capacité parasite drain source Cds du transistor FET à la fréquence considérée. La figure 1 représente un exemple d'un tel commutateur. Ce concept classique et son efficacité sont maintenant décrits : La source du transistor Ti est reliée à la borne d'entrée E du commutateur par l'intermédiaire d'une capacité Cl alors que le drain de ce transistor est connecté à la borne de sortie S par l'intermédiaire d'une autre capacité C2. La grille est reliée par l'intermédiaire d'une résistance R2 à une entrée de commande C. Une résistance R1 est connectée entre la source et la masse. Une inductance L est connectée entre la source et le drain du transistor. La composante continue du signal d'entrée est filtrée par les capacités Cl et C2. L'inductance L va former un circuit résonnant avec la capacité résiduelle Cds du transistor à la fréquence considérée. La capacité résiduelle est de l'ordre de 0.1 à 0.5 pF en fonction des performances du transistor T1. La tension Vctrl appliquée sur l'entrée de commande C permet l'ouverture ou la fermeture du commutateur suivant la valeur de cette tension. Un tel commutateur procure des isolations de l'ordre de 20dB entre voies. Ceci reste insuffisant dans le cas d'antennes sectorisées si l'on veut conserver un gain de directivité important. Pour remédier à ces inconvénients l'invention propose un commutateur isolant formé d'un premier et second transistors. Le premier transistor assurant la fonction commutation est commandé en tension et est relié par le point médian P d'un pont d'impédances formé entre le drain et la source dudit premier transistor, à la grille du second transistor qui est lui même commandé par un signal d'asservissement à une fréquence définie. Ce commutateur a l'avantage d'améliorer sensiblement l'isolation du commutateur de manière sélective en garantissant l'isolation non plus au niveau de la bande globale d'émission (réception) mais directement à l'échelle d'un canal, par exemple, et en procurant une très bonne isolation de l'ordre de 30dB minimum entre voies d'entrée et de sortie. Préférentiellement, le terminal multimédia comportant un oscillateur local de fréquence canal, le signal d'asservissement est un signal provenant du dit oscillateur local de fréquence canal du terminal émission. Préférentiellement, les commutateurs sont intégrables en technologie MMIC. L'invention concerne également un système de transmission à pluralité d'antennes comportant associé aux antennes un dispositif de commutation haute fréquence permettant de commuter une seule des antennes de réception ou d'émission. Selon une variante de l'invention, le système de transmission est un système à antenne à pluralité de secteurs comportant associé aux différents secteurs un dispositif de commutation haute fréquence permettant de commuter un seul des secteurs de réception ou d'émission et garantissant entre les différentes voies associées aux secteurs une forte isolation. Les caractéristiques et avantages de l'invention mentionnée ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, faite en relation avec les dessins joints, dans lesquels : - La figure 1 déjà décrite, représente un exemple de schéma d'un commutateur par un transistor FET selon l'état de la technique ; - La figure 2 représente un exemple de topologie du commutateur selon l'invention ; - La figure 3 est un graphe représentant les performances mesurées du commutateur avec et sans optimisation ; - La figure 4 est un graphe représentant l'isolation dans la bande 5GHz pour des valeurs de capacité gain source Cgs de 0.1 à 0.3pf ; - La figure 5 représente un mode d'application du commutateur selon l'invention dans un système de transmission à diversité d'antennes ; et - La figure 6 est un exemple d'implémentation de commutateurs dans un concept MMIC. Le circuit selon l'état de la technique ayant été sommairement décrit précédemment il ne sera pas redécrit par la suite. Pour simplifier la description, les mêmes références seront utilisées dans ces dernières figures pour désigner les éléments remplissant des fonctions identiques. Le concept selon l'invention est illustré par la figure 2, le transistor Ti par exemple de type FET AsGa ou de type MESFET assure la fonction commutation comme décrit précédemment avec l'aide de la figure 1. L'impédance L connectée entre la source et le drain du premier transistor Ti, est séparée en 2 impédances L1-1 et L1-2 reliées en un point P. Ce point médian d'impédance est connecté à la grille du second transistor T2, de même type que Ti, qui est implémenté en topologie source commune. Une tension de commande Vds est appliquée sur la source du second transistor T2 à travers une résistance R4 et permet de modifier la tension VGS du second transistor et par conséquent le point de polarisation de celui ci. Le drain du transistor T2 est relié à une borne de commande Q par l'intermédiaire d'une résistance R5. Une résistance R3 reliée en parallèle avec une capacité C3 relie le drain du transistor T2 à la masse. Avec une tension de contrôle nulle sur la grille Vctrl, le transistor T1 présente une très faible résistance Drain-Source et le transistor est donc passant (ON). Par contre pour une tension de contrôle Vctrl de l'ordre de (-2v) appliqué sur la grille le transistor Ti est ouvert (Vgate = Vpinch off), les 2 inductances L1-1 et L1-2 résonnent avec la capacité parasite Drain-Source Cds du transistor Ti de type FET à la fréquence du signal RF appliqué sur l'entrée E. Simultanément la tension de commande de la source Vtune appliquée à la borne de commande Q du transistor T2 vient modifier la capacité Cgs du transistor T2 présenté entre le point commun des inductances et la référence d'alimentation (masse), la très faible capacité de l'ordre de 0.1 à 0.7 pF ramenée, a pour effet de venir modifier le circuit résonant constitué des inductances L1-1 et L1-2 et de la capacité Cds de Ti. En asservissant la tension de commande sur la fréquence canal d'un système émission/réception, c'est-à-dire en appliquant comme tension de commande sur le second transistor la tension issue de l'oscillateur local utilisé pour la sélection de fréquence canal, il est ainsi possible d'opérer une isolation sélective fonction des fréquences canal garantissant l'isolation à cette fréquence. La figure 3 est un graphe représentant les performances mesurées de deux commutateurs Ti et Tj avec optimisation, c'est à dire avec le commutateur du concept selon l'invention, ou sans optimisation, c'est à dire avec le commutateur de l'état de la technique représenté par la figure 1. Ce graphe représente donc l'isolation Sij (en dB) entre les commutateurs Ti et Tj pour une fréquence tuner sélectionnée de 1GHz. La première courbe f1 de référence représente l'atténuation nulle entre les antennes quand celles-ci sont reliées par des commutateurs fermés (switch on). La seconde courbe f2 représente l'atténuation Sij entre les antennes lorsqu'elles sont séparées par au moins un commutateur selon l'état de la technique (switch off). L'atténuation atteint une valeur minimale non suffisante de -15dB vers la fréquence tuner sélectionnée. Cette seconde courbe permet de faire ressortir les avantages de l'invention. En effet avec l'aide de la troisième courbe représentant l'atténuation Sij entre les antennes lorsqu'elles sont séparées par au moins un commutateur selon l'invention, l'atténuation atteint une valeur de -30dB pour une fréquence avoisinant celle de la fréquence tuner sélectionnée de 1 GHz. L'isolation de ce commutateur selon l'invention est donc bien sélective selon la fréquence de la bande sélectionnée. Le graphe de la figure 4 est un ensemble de 2 courbes représentant l'isolation Sij en dB dans la bande de fréquence 5GHz pour des valeurs de capacité gain-source Cgs du transistor T2 équivalentes à des valeurs allant de 0.20 à 0.26pf. Elles illustrent donc un exemple de performances obtenues en simulation pour des applications à 5GHz, on note que par exemple pour une capacité parasite du transistor Ti de 0.3pF, une très faible variation de la capacité Cgs du transistor T2 suffit pour assurer une isolation sélective dans toute la bande 802.1l a (4.9 - 5.875GHz). La figure 5 représente un terminal multimédia pour un système de transmission à pluralité d'antennes. Il comporte un dispositif de commutation 50 formé par 4 commutateurs 53 à 56 de signaux issus des antennes Al à A4 et un sélecteur 52 formé par les commutateurs 57, 58 pour sélectionner le mode émission ou réception. Chaque commutateur 53-56 du dispositif est relié d'une part à une des voies reliées aux antennes Al û A4 et d'autre part au sélecteur 52 de mode émission réception. Un élément de commande 51 émet un signal TX/RX mode pour sélectionner le mode émission ou réception du terminal comportant une chaîne de réception 60 et une chaîne d'émission 70. Il émet de même les signaux de commande Vctrl 1 û Vctrl4 des différents commutateurs en fonction d'un signal numérique Snum issu du terminal. Ce signal délivré par un circuit de traitement du signal, non représenté, permet suivant différents critères de sélectionner le mode émission ou réception et une des antennes. Les critères sont connus de l'homme du métier et peuvent être par exemple une mesure de puissance du signal émis ou reçu une mesure du bruit ou du rapport signal à bruit de puissance de sortie. La tension de commande V tune, appliquée sur chaque commutateur tel que décrit par la figure 2, est issue de l'oscillateur local 80 associé aux circuits connus de transmission de données pour la réception 60 et l'émission 70. Cet asservissement à la fréquence canal garantit entre les différentes voies l'isolation Sij recherchée. De même le terminal multimédia peut être associé à un système à antenne à pluralité de secteurs et comportant, associé aux différents secteurs, un dispositif de commutation haute fréquence 50 permettant de commuter un seul des secteurs de réception ou d'émission et garantissant entre les différentes voies associées aux secteurs une forte isolation. Comme le montre l'exemple de la figure 6, il est possible en technologie MMIC d'intégrer au moins quatre paires de transistors Ti, T2 ainsi que les résistances correspondantes pour former au moins 4 commutateurs selon l'invention. Les inductances et capacités peuvent ne pas être intégrées et restent à connecter à l'extérieur des circuits pour former les commutateurs 53 ù 56 du dispositif de commutation 50 décrit dans la figure précédente. J D'autres variantes de l'invention sont possibles. Les exemples précédemment décrits montrent une réception du signal modulé par une pluralité d'antennes, mais une réception par des antennes à pluralité ou diversité de faisceaux ou des antennes à diversité de secteurs est envisageable. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et l'homme du métier reconnaîtra l'existence de diverses variantes de réalisation de l'invention. REVENDICATIONS 1 Commutateur isolant (53-58) formé d'un premier et second transistors, caractérisé en ce que le premier transistor (Ti) assurant la fonction commutation est commandé en tension et est relié par le point médian P d'un pont d'impédances formé entre le drain et la source dudit premier transistor, à la grille du second transistor (T2) qui est lui même commandé par un signal d'asservissement à une fréquence définie. 2. Commutateur isolant selon la revendication 1 caractérisé en ce que les premier et second transistors sont de type FET AsGa. 3. Commutateur isolant selon la revendication 1 caractérisé en ce que les premier et second transistors sont de type MESFET. 4. Dispositif de commutation (50) haute fréquence d'au moins 2 voies émission / réception d'un terminal multimédia caractérisé en ce qu'il comporte, associé à chaque voie, un commutateur isolant de voies (53 -58) tel que revendiqué dans les revendications 1 à 3. 20 5 Dispositif de commutation haute fréquence selon la revendication 4 caractérisé en ce que le terminal multimédia comportant un oscillateur local de fréquence canal, le signal d'asservissement est un signal V tune provenant du dit oscillateur local (80) de fréquence canal du terminal émission/ réception. 6. Dispositif de commutation selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que les commutateurs (53-58) sont intégrables en technologie MMIC. 7. Système de transmission à pluralité d'antennes comportant associé aux 30 antennes un dispositif de commutation haute fréquence, tel que revendiqué dans l'une des revendications 4 à 6, permettant de commuter une seule des antennes de réception ou d'émission. 8. Système de transmission à antenne à pluralité de secteurs comportant 35 associé aux différents secteurs un dispositif de commutation haute fréquence, tel que revendiqué dans l'une des revendications 4 à 6, permettant de commuter un seul des secteurs de réception ou d'émission. 25