Brevet FR2922049A1 — publié le 20090410

DISPOSITIF DE COUPLAGE ET DE COMMUTATION DANS UN DISPOSITIF EMISSION RECEPTION L'invention concerne un dispositif de couplage permettant une commutation 5 rapide dans un dispositif d'émission-réception. Elle s'applique notamment dans un dispositif qui requiert une commutation rapide entre un signal à émettre et un signal à recevoir et ce, dans une dynamique de puissance d'environ 180dB et de fréquence très importante comprise par exemple dans la plage 20MHz à 3000MHz. 10 Elle est utilisée dans toute application mettant en oeuvre une commutation de signaux très large bande multi octave, avec un rapport entre la fréquence minimum et maximum supérieur à 5 dans la bande 20MHz à 3000MHz et de forte puissance de quelques centaines de watts à plusieurs kilowatts. 15 II est connu de l'art antérieur des dispositifs de commutation de puissance non couplés, et ayant une puissance limitée. Les composants du commerce connus du Demandeur sont généralement limités à une puissance de fonctionnement d'environ 500W. Cette limitation tient compte des limitations dues à l'environnement, au fonctionnement sur 20 antenne et à la tension d'alimentation possible. En général, dans les dispositifs mettant en oeuvre une commutation, le couplage de puissance est effectué avant le dispositif permettant la commutation entre émission et réception. Il existe aussi des composants spécifiques Etat-Solide basés, sur une 25 technologie diode prévue pour tenir des puissances élevées de l'ordre de 1000 W et des tensions élevées de l'ordre de 1000 V. Les diodes utilisées sont par exemple des diodes PIN, diode comprenant une région large de semi-conducteur non dopé disposée entre des régions de semi-conducteur respectivement de type p et de type n. L'invention repose sur une nouvelle approche consistant notamment à coupler la puissance des signaux après avoir effectué la commutation émission-réception. L'objet de la présente invention concerne un procédé pour réaliser rapidement une commutation entre un signal à émettre SE et un signal à recevoir SR avec une dynamique de puissance et de fréquence importante caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : en mode émission, les signaux à émettre SN passent à travers un commutateur de signaux avant d'être combinés dans un dispositif adapté à coupler les différents signaux SN à émettre et obtenir un signal de puissance, - en mode réception, le signal reçu SR passe par un diviseur de puissance, puis les différents signaux résultant de cette division sont transmis via le commutateur à une étape de combinaison, puis à un 15 récepteur, le passage en mode émission ou en mode réception est effectué en appliquant un signal de commande sur les commutateurs. L'objet concerne aussi un dispositif permettant de commuter rapidement le 20 fonctionnement d'un dispositif en mode émission ou en mode réception caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison au moins les éléments suivants : - Un dispositif de commutation, Un dispositif permettant la combinaison d'au moins deux signaux à 25 émettre, lesdits signaux passant à travers le dispositif de commutation avant d'être combinés pour obtenir un signal ayant une valeur de puissance souhaitée, - ledit dispositif permettant la division de signaux reçus avant de transiter dans le dispositif de commutation, 30 - Un port bidirectionnel permettant la réception et l'émission de signaux, - Un port d'émission de signaux, Un moyen de commande du commutateur pour faire passer le dispositif en mode émission ou en mode réception. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la 5 description détaillée donnée à titre d'exemple et non limitative qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent : • La figure 1, un schéma classique utilisé dans l'art antérieur, • La figure 2, un schéma de dispositif selon l'invention, • La figure 3, un exemple explicite d'un schéma selon l'invention. 10 La figure 1 décrit un exemple de schéma de dispositif selon l'art antérieur. Un coupleur 1 reçoit N signaux SN sur N entrées, le signal ayant une puissance P=Pe, le coupleur large bande 1 couple les N signaux et fournit en sortie 2 un signal Sc qu'il transmet à un commutateur émission-réception 3 qui 15 possède une entrée 4. Lorsque le dispositif fonctionne en émission, le signal est émis vers une antenne 6 par la sortie 5 du commutateur (flèche F1). Lorsque le dispositif fonctionne en réception, le signal reçu sur l'antenne passe par le commutateur et est transmis vers un récepteur 7 par une sortie 8 du commutateur (flèche F2). 20 Ce schéma présente l'inconvénient d'être limité en puissance qu'il peut recevoir et nécessite de travailler avec des commutateurs ou diodes de technologie adaptée à supporter ces contraintes de puissance lors de la commutation. 25 La figure 2 représente un schéma fonctionnel du dispositif selon l'invention. Comme les dispositifs de l'art antérieur, le dispositif possède deux modes de fonctionnement : mode émission ou mode réception. II comporte donc un moyen de sélection du mode de fonctionnement. Ce moyen de sélection 27 est filtré passe bas par un circuit de type RLC (figure 3) capable d'émettre un 30 signal de commande CTRL E pour le fonctionnement en émission et un signal de commande CTRL R pour le fonctionnement du dispositif en réception. Le dispositif comporte N commutateurs émission/réception 10N disposés en parallèle les uns des autres. Ces commutateurs émission/réception reçoivent un signal de commande (figure 3) pour fonctionner en mode émission ou en mode réception. Un commutateur 10i possède au moins une entrée 11i sur laquelle arrive le signal Si à émettre. Le chemin du signal lorsque le fonctionnement du dispositif est le mode émission est indiqué par la flèche F3. Dans l'exemple, N signaux Si arrivent sur les N commutateurs 10i. Chacun de ces signaux est transmis via le commutateur émission/réception 10i, par une sortie 12i vers un coupleur large bande 13 comprenant N entrées 14i. Les N signaux sont combinés au sein du coupleur large bande et le signal résultant est émis par la sortie 15 vers l'antenne 16 qui fonctionne dans ce cas en émission. Dans le cas où le dispositif fonctionne en réception. Un signal reçu SR sur l'antenne 16 passe par le coupleur large bande 13, dans lequel il est divisé en plusieurs signaux Spi reçu sur chaque commutateur émission/réception 10i. La sortie 12i d'un commutateur émission/réception joue alors le rôle d'entrée pour les signaux Spi. Un signal Spi, est ensuite transmis sur une entrée 17i d'un coupleur en réception 18, ayant pour fonction de coupler les différents signaux Spi reçus pour émettre un signal final résultant SF via une sortie 19, vers le récepteur 20 du dispositif. Chacun des commutateurs émission/réception reçoit un signal de commande 25 pour fonctionner en mode émission ou en mode réception, selon un schéma donné avec la figure 3. La figure 3 représente un exemple détaillé dans le cas ou N égal 2, non limitatif, de dispositif selon l'invention fonctionnant selon les deux modes, un 30 mode en émission et un mode en réception. En mode émission, les ports d'entrée des signaux correspondent aux amplificateurs A, B, C et D sont utilisés en entrée et le port 28 de réception de l'antenne est utilisé en sortie. En mode réception du système, le port antenne 28 est utilisé en entrée et le 5 port antenne 29 est utilisé en sortie. Le passage du mode émission au mode réception se fait par l'intermédiaire de signaux de contrôle (CTRL T et CTRL R). Ces signaux sont générés en automatique par un système de contrôle 27. Le système est composé d'un premier étage 30 et d'un deuxième étage 31 10 de combinaison de signaux, les signaux en sortie de ces deux étages possèdent une puissance dont la valeur est inférieure à la valeur limite de fonctionnement du commutateur. Le premier étage 30 comprend les transformateurs à lignes T1, T2 et T5, le deuxième étage 31 comprend les transformateurs à lignes T3, T4 et T6. 15 II comporte aussi un étage 32 de division de puissance composé de la ligne T7, T8, T9. Un étage 33 adapté à combiner la puissance de plusieurs signaux ou de diviser la puissance d'un signal reçu selon le mode de fonctionnement du dispositif est composé des transformateurs à lignes T10, T11 et T12. Le commutateur est composé de quatre diodes, D3, D4, D5, D6 disposées 20 deux par deux, et en opposition. L'anode A6 de la diode D6 est reliée au dispositif de combinaison/division de signaux 33sa cathode C6 est en liaison avec le signal de commande CTRL E et aussi avec la sortie 34 du premier étage de combinaison des signaux (T1, T2, T5). 25 La diode D3 a sa cathode C3 reliée au deuxième signal de commande CTRL R et son anode A3 est reliée au dispositif de combinaison/division de signaux 33. La diode D5 a son anode A5 reliée au dispositif de combinaison/division de signaux 33, et sa cathode C5 au signal de contrôle CTRL E et aussi avec la 30 sortie 35 du deuxième étage 31. La diode D4 a son anode A4 reliée au dispositif de combinaison/division de signaux 33 sa cathode C4 reliée au deuxième signal de commande CTRL R. Mode Emission : Pour activer le mode émission, une tension négative de -3V est, par exemple, appliquée sur le port 27a, CTRL E, donc une tension négative appliquée sur la cathode des diodes D6 et D5 provoquant leur conduction, une tension positive de 500V CTRL R est appliquée sur le port 27b provoquant le blocage des diodes D3 et D4. Les signaux radio fréquence RF venant des ports connectés à la sortie des amplificateurs A, B, par exemple avec une puissance de sortie de 300W, sont additionnés dans le premier étage 30 de combinaison composé d'un combineur de Wilkinson réalisé par les transformateurs à lignes T1, T2, T5 . La puissance sur le point de test TP1 correspondant à une sortie du combineur est doublée (300W + 300W = 600 W). Un dispositif de Wilkinson est un dispositif permettant soit de combiner des signaux soit de les diviser en fonction du mode de fonctionnement choisi pour le système. Dans le mode de fonctionnement émission, le dispositif de Wilkinson joue le rôle de combineur de signaux, c'est-à-dire qu'il additionne la puissance des signaux à émettre. Plus loin dans la description, dans le cas du mode réception, il sera utilisé pour sa fonction diviseur de signaux. Les signaux RF reçus sur les entrées reliées aux amplificateurs C, D sont additionnés dans le deuxième étage 31 composé d'un combineur de Wilkinson réalisé par les transformateurs à lignes T3, T4, T6, la puissance sur le point de test TP2 correspondant à une deuxième sortie du combineur de Wilkinson est doublée (600 W). Les diodes D6 et D5 étant conductrices, le signal est dirigé vers les points 36 et 37 correspondant à deux entrées du dispositif de combinaison/division 23. Les signaux RF venant des points 36 et 37 sont additionnés par le dispositif constitué d'un combineur de Wilkinson réalisé par les transformateurs à lignes T10, T11, T12, la puissance du signal à émettre se retrouvant sur le port d'antenne 29 est donc le double de la puissance sur les points 34, 35 soit 1200W. Le port antenne 29 est bidirectionnel et fonctionne en mode émission ou mode réception. Mode Réception: Pour activer le mode réception, une tension positive de 500V est appliquée sur le port CTRL E, sur la cathode des diodes D6 et D5 provoquant le blocage de ces diodes, une tension négative de -3V est appliquée sur le port CTRL R, donc sur la cathode des diodes D3 et D4 provoquant la conduction de ces diodes. Le signal radio fréquence de puissance Pr reçu sur le port d'antenne 29 est tout d'abord divisé par le combineur de Wilkinson 33 réalisé par les transformateurs à lignes T10, T11, T12. Par exemple, la puissance sur les points de test 36, 37 est divisée par deux, par rapport à la puissance Pr. Si le signal sur le port de réception était de -100dBm, le signal sur le point de test 36 et le signal sur le point 37 est de -103dBm, 3dB correspondant à une division par deux de la puissance. Les diodes D3 et D4 étant conductrices, les deux signaux issus de la division sont ensuite dirigés vers les points 38, 39. Les signaux radiofréquence RF venant des points 38, 39 sont additionnés par le combineur de Wilkinson 32 réalisé par les transformateurs à lignes T7, T8, T9. La puissance du signal se retrouvant sur le port d'antenne 28 est donc le double de la puissance sur les points de TP soit -100dBm. On retrouve donc sur le port réception 28 le signal provenant port antenne 29. Le passage émission vers réception doit se faire très rapidement. En général la commutation est réalisée en quelques micro secondes. Pour obtenir un tel résultat, il est possible d'utiliser pour les diodes D3, D4, D5 et D6 des diodes PIN. Tout autre type de diode ou plus généralement de commutateurs présentant des temps de commutation rapides. Par exemple, les temps de commutation et les puissances que doivent tenir ces diodes sont de l'ordre de 10 microsecondes et la tension à tenir doit être de 700 à 800V peuvent être mis en oeuvre dans le dispositif selon l'invention. Tout dispositif présentant des fonctions équivalentes à celles d'un combineur de Wilkinson peut être utilisé en remplacement de ce dernier pour mettre en oeuvre l'objet de l'invention. Le dispositif selon l'invention présente notamment les avantages suivants : L'augmentation de la puissance sans compromis sur la bande passante et par l'utilisation de composants du commerce.10 Revendications 1 û Procédé pour réaliser rapidement une commutation entre un signal à émettre SE et un signal à recevoir SR avec une dynamique de puissance et de fréquence importante caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - en mode émission, les signaux à émettre SN passent à travers un commutateur de signaux avant d'être combinés dans un dispositif adapté à coupler les différents signaux SN à émettre et obtenir un 10 signal de puissance, en mode réception, le signal reçu SR passe par un diviseur de puissance, puis les différents signaux résultant de cette division sont transmis via le commutateur à une étape de combinaison, puis à un récepteur, 15 - le passage en mode émission ou en mode réception est effectué en appliquant un signal de commande sur les commutateurs. 2 û Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on utilise un dispositif de Wilkinson pour combiner les signaux à émettre ou pour diviser 20 les signaux reçus. 3 û Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on utilise un commutateur constitué de quatre diodes (D5, D6, D3, D4) de type PIN. 25 4 û Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes : o Pour activer le mode émission, une tension négative est appliquée sur la cathode de deux diodes D6 et D5 provoquant leur conduction, une tension positive est appliquée sur la cathode des deux diodes D3 et D4 provoquant 30 leur conduction, les signaux à combiner avant émission sont transmis à uneétape de combinaison située après les diodes, la puissance du signal à émettre se retrouvant sur un port d'émission, o Pour activer le mode réception, une tension positive est appliquée sur la cathode des diodes D6 et D5 provoquant le blocage de ces diodes, une tension négative est appliquée sur la cathode des diodes D3 et D4 provoquant la conduction de ces diodes, le signal de puissance PR reçu sur un port d'antenne (29) est tout d'abord divisé, les signaux issus de cette division passent à travers les diodes D3 et D4 étant conductrices, avant d'être combinés, puis transmis à un récepteur. 5 û Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le signal émis ou reçu est un signal radio fréquence RF. 6 - Dispositif permettant de commuter rapidement le fonctionnement d'un 15 dispositif en mode émission ou en mode réception caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison au moins les éléments suivants : - Un dispositif de commutation (101, 102, ..10i), - Un dispositif permettant la combinaison (13) d'au moins deux signaux à émettre, lesdits signaux passant à travers le dispositif de 20 commutation avant d'être combinés pour obtenir un signal ayant une valeur de puissance souhaitée, - ledit dispositif permettant la division (13) de signaux reçus avant de transiter dans le dispositif de commutation, Un port bidirectionnel (29) permettant la réception et l'émission de 25 signaux, Un port (28) d'émission de signaux, - Un moyen de commande (25) du commutateur pour faire passer le dispositif en mode émission ou en mode réception. 30 7- Dispositif selon la revendication précédente caractérisé en ce que le dispositif de commutation comporte plusieurs diodes PIN (D3, D4, D5, D6) recevant le signal de commande pour faire travailler le dispositif en mode émission ou en mode réception. 8 - Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce que le dispositif de commutation comporte 4 diodes PIN les diodes étant disposées deux par deux et tête bêche deux par deux, les signaux de commande étant envoyés sur les diodes pour faire travailler en mode émission-réception. 9 - Dispositif selon la revendication 9 caractérisé en ce que le temps de 1 o commutation des diodes est de l'ordre de 10 microsecondes et la tension à tenir est de 700 à 800V. - Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8 caractérisé en ce que le dispositif de division et/ou de combinaison est un dispositif de Wilkinson. 11 - Utilisation du procédé selon l'une des revendications 1 à 5 ou du dispositif selon l'une des revendications 6 à 10 pour la commutation de signaux très large bande multi octave avec un rapport entre la fréquence minimum et la fréquence maximum des signaux supérieur à 5 dans une bande de fréquence variant de 20MHz à 3000MHz, la puissance des signaux variant de quelques centaines de watts à plusieurs kilowatts.