Brevet FR2936120A1 — publié le 20100319

Dispositif électronique d'échantillonnage d'un signal analogique par variation du temps de propagation La présente invention se rapporte à un Dispositif électronique d'échantillonnage d'un signal analogique par variation du temps de propagation. Le domaine de l'invention est, d'une façon générale, celui de l'échantillonnage. Pour rappel, l'échantillonnage consiste à transformer un signal analogique continu en signal numérique discret, en capturant des valeurs à intervalle de temps régulier. Ici la notion de temps est à prendre au sens large et s'applique à tout signal. C'est une étape nécessaire pour pouvoir enregistrer, analyser et traiter un signal par ordinateur, car celui-ci ne peut traiter que des nombres. Il faut distinguer l'échantillonnage de la quantification, mais ce sont toutes deux des étapes nécessaires à la numérisation d'un signal. La fréquence à laquelle les valeurs sont capturées est la fréquence d'échantillonnage, appelée aussi cadence d'échantillonnage, ou taux d'échantillonnage, exprimée en Hertz (Hz). Un dispositif électronique d'échantillonnage comporte les étapes consistant à : - prélever une valeur moyenne en tension électrique d'un signal pour une courte durée ; on entend par courte durée une durée durant laquelle le signal varie très peu, - stocker la tension prélevée pendant une durée suffisamment longue pour permettre un traitement et une extraction de l'information. Par ailleurs, on distingue deux types d'échantillonnage, chacun mettant en oeuvre un appareil électronique différent : - un échantillonnage en temps réel. C'est le plus utilisé. Il est généralement destiné à numériser un signal analogique et consiste notamment à prélever des échantillons à intervalle de temps régulier selon une fréquence au moins deux fois supérieure à la plus haute fréquence du signal analogique ; - un sous-échantillonnage consistant à traiter des signaux répétitifs de 35 très haute fréquence, par exemple de type micro-ondes, en prélevant des échantillons à intervalles de temps réguliers, mais selon une fréquence inférieure à celle du signal. Typiquement, plusieurs cycles du signal traité séparent deux captures d'échantillon. De plus, on établit un petit décalage dans le temps entre deux échantillons de façon à ce que le deuxième échantillon soit prélevé un peu plus en retard sur le cycle du signal traité. Après avoir prélevé plusieurs échantillons, on obtient une série d'échantillons représentative d'un seul cycle du signal. Ce type d'échantillonnage est couramment utilisé en instrumentation électronique pour, par exemple, la fabrication d'un oscilloscope permettant un visionnage d'une forme d'onde d'un signal en modifiant l'échelle de temps selon un facteur contrôlable par un utilisateur, les tubes cathodiques ne pouvant pas afficher de signaux présentant des fréquences supérieures à quelques centaines de mégahertz. Dans l'état de la technique, les dispositifs d'échantillonnage utilisent invariablement au moins un interrupteur qui est actionné sur de très courtes périodes pour capturer des charges électriques et, par la suite, pour les stocker dans une mémoire par exemple de type condensateur. Usuellement, l'interrupteur se présente sous la forme d'au moins une diode actionnée par une impulsion électrique de très courte durée, i.e. de quelques fractions de picoseconde. De tels dispositifs présentent un problème technique majeur : le moment où un échantillon est capturé coïncide au moment où les diodes sont soumises à une forte conduction électrique favorisant l'apparition de bruit dans la mesure car elles sont porteuses de courant de grenaille. Le dispositif selon l'invention propose de remédier aux problèmes qui viennent d'être énoncés en supprimant l'utilisation de diodes. De ce fait, le dispositif selon l'invention est apte à être utilisé pour les deux types d'échantillonnage décrits précédemment. En particulier, pour l'échantillonnage de signaux de très haute fréquence, le dispositif selon l'invention présente l'avantage de n'être contraint ni par le bruit, ni par des limitations de vitesse inhérentes aux diodes. Son principe de fonctionnement repose sur l'exploitation du temps de propagation des ondes sur un guide d'ondes non linéaire (NLTL en anglais). On considère deux guides d'ondes similaires. On émet une impulsion sur un premier guide d'ondes qui est parcouru par un signal analogique. On émet la même impulsion sur un deuxième guide d'ondes qui n'est parcouru par aucun signal analogique. La différence de propagation de l'impulsion, observée à la sortie de deux guides d'ondes, est approximativement proportionnelle à une dérivée de l'impulsion et à la tension observée par l'impulsion sur le premier guide durant toute sa propagation. L'invention a donc pour objet un dispositif électronique d'échantillonnage d'un signal analogique répétitif ou non, dans lequel une impulsion d'échantillonnage est émise par un générateur d'impulsions brèves, caractérisé en ce qu'il comporte : - un premier coupleur et un deuxième coupleur de signaux, - un premier intégrateur et un deuxième intégrateur, - un répartiteur d'ondes, - un premier guide d'ondes non-linéaire. Outre les caractéristiques principales qui viennent d'être mentionnées dans le paragraphe précédent, le dispositif d'échantillonnage selon l'invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes : - il comporte un deuxième guide d'ondes mis en parallèle avec le premier guide d'ondes, - le deuxième guide d'ondes est linéaire, - le deuxième guide d'ondes est non-linéaire, - il comporte un troisième guide d'ondes non-linéaire mis en parallèle avec le premier et le deuxième guide d'ondes, - le premier coupleur de signaux et le répartiteur d'ondes sont positionnés en amont du guide d'ondes, - le deuxième coupleur de signaux et les intégrateurs sont positionnés en aval du guide d'ondes, - il comporte un troisième coupleur d'ondes. Un autre objet essentiel de l'invention est un procédé d'échantillonnage d'un signal analogique répétitif ou non, dans lequel - on émet une impulsion d'échantillonnage, caractérisé en ce que - on propage l'impulsion et le signal dans au moins deux guides d'ondes mis en parallèle, - on extrait, à la sortie des guides d'ondes, un palier de tension proportionnel à un échantillon souhaité. Outre les caractéristiques principales qui viennent d'être mentionnées dans le paragraphe précédent, le procédé d'échantillonnage selon l'invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes : - on propage l'addition du signal et de l'impulsion dans un premier guide d'ondes non-linéaire. - on propage l'impulsion seule dans un deuxième guide d'ondes non-linéaire. - on propage l'opposé en phase de 180° de l'addition du signal et de l'impulsion dans un deuxième guide d'ondes linéaire. - on propage l'addition du signal et de l'impulsion dans un premier guide d'ondes non-linéaire, - on propage la soustraction du signal à l'impulsion dans un deuxième guide d'ondes non-linéaire, - on propage le double du signal dans un troisième guide d'ondes non- linéaire. L'invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci ne sont présentées qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures montrent : - figure 1 : une représentation schématique, en perspective oblique, de deux guides d'ondes distincts, - figure 2 : une représentation schématique d'un premier exemple de réalisation du dispositif selon l'invention, - figure 3 : une représentation schématique d'un deuxième exemple de réalisation du dispositif selon l'invention, La figure 1 montre un premier guide 1 d'ondes et un deuxième guide 2 d'ondes. Le guide 1 d'ondes comporte une piste 3 en métal, une masse 4 en métal et un élément diélectrique non-linéaire 5 se présentant sous la forme d'une microbande. Le guide 1 d'ondes est donc défini comme étant non- linéaire car il présente des caractéristiques de propagation, telles que la vitesse et l'impédance, dépendantes de l'intensité du champ électrique le traversant. Le guide 1 d'ondes est connu de l'homme du métier pour propager un signal selon des modes quasi-TEM (Transverse Electro Magnetic), i.e. sans champ électromagnétique dans la direction de propagation, et produire des pertes en fréquences inhérentes. L'élément diélectrique est supposé présenter : - une transparence magnétique : 'LI = 'LI0 , et - une polarisation donnée par eo E = 17 (E ).E où '7(E) est l'inverse de la matrice de perméabilité. Le cristal de Niobate Lithium (LiNbO3) est un bon exemple du type de substrat considéré. La polarisation électrique de l'élément diélectrique 5 est donnée par : EoE, = (1 + r.E, ).D, où no est un indice de réfraction, r est le no coefficient de Pockels de l'élément diélectrique non-linéaire 5. Le guide 2 d'ondes comporte une piste 6 en métal, une masse 7 en métal et un élément diélectrique linéaire 8 se présentant sous la forme d'une microbande. Le guide 2 d'ondes est donc défini comme étant linéaire car il présente des caractéristiques constante de propagation, telles que la vitesse et l'impédance, indépendantes de l'intensité du champ électrique le traversant. La figure 2 montre, de façon schématique, un premier exemple de réalisation du dispositif selon l'invention. Ce dispositif comporte deux entrées 9 et 10. Un générateur 9 d'impulsions très brèves émet, par la première entrée 10, une impulsion v1 d'échantillonnage. On émet, par la deuxième entrée 11, un signal analogique sinusoïdal v2 à échantillonner. L'impulsion v1 d'échantillonnage et le signal v2 à échantillonner traversent un premier coupleur 12 de signaux. Dans un exemple préféré, à la sortie du coupleur 12 de signaux, la somme vl+v2 de l'impulsion v1 et du signal v2 se propage le long d'une branche 13 avant de traverser un répartiteur 14 d'ondes. Le répartiteur 14 d'ondes est apte à fournir soit deux copies identiques du signal vl+v2, soit deux copies -(vl+v2) inversées en phase de 180 degrés l'une par rapport à l'autre. A la sortie du répartiteur 14 d'ondes, une première branche 15 propage la somme v1 +v2 de l'impulsion v1 et du signal v2 jusqu'à un guide 1 d'ondes tel que celui décrit avec la figurel . L'impulsion v1 d'échantillonnage et le signal v2 à échantillonner évoluent selon une même vitesse au sein du guide 1 d'ondes non-linéaire. De ce fait, en tout point du guide 1 d'ondes, l'impulsion v1 observe la même tension du signal v2 à échantillonner. Mais la présence de la tension du signal v2 provoque une variation de la vitesse de propagation de l'impulsion v1, en raison de la non-linéarité du guide 1 d'ondes. Cette variation est visible en sortie du guide 1 d'ondes. En effet, il est connu que la vitesse de propagation de l'impulsion v1 en présence d'un signal analogique v2 est différente de celle observée en son absence. Un signal w sort du guide 1 d'ondes pour entrer dans un deuxième coupleur 17 de signaux. A la sortie du répartiteur 14 d'ondes, une deuxième branche 16 propage l'opposé -(v1 +v2) en phase de 180 ° de la somme v1 +v2 de l'impulsion v1 et du signal v2 jusqu'à un guide 2 d'ondes tel que celui décrit avec la figurel . Un signal -(v1 +v2)r, retardé par rapport à l'opposé -(v1 +v2) de la somme v1 +v2 de l'impulsion v1 et du signal v2, sort du guide 1 d'ondes pour entrer dans le coupleur 17 de signaux. Le coupleur 17 de signaux fournit, à sa sortie 18, la somme w-(v1+v2)r du signal w et du signal -(v1 +v2)r. La somme w-(v1 +v2)r pénètre dans un premier circuit intégrateur 19 fournissant, à sa sortie 20, un premier palier de tension f (w-v1-v2)dt proportionnel à l'échantillon souhaité. Le premier palier de tension f (w-v1-v2)dt entre dans un deuxième intégrateur 21 fournissant, à sa sortie 22, un deuxième palier f (f (w-v1-v2)dt) proportionnel à l'échantillon souhaité. La différence de propagation de l'impulsion, observée à la sortie des deux guides 1 et 2 d'ondes, est approximativement proportionnelle à une dérivée de l'impulsion v1 et à la tension observée par l'impulsion v1 sur le premier guide 1 d'ondes durant toute sa propagation. La figure 3 montre, de façon schématique, un deuxième exemple de réalisation du dispositif selon l'invention. Les différents éléments apparaissant sur plusieurs figures auront gardé, sauf précision contraire, la même référence. Ce dispositif comporte deux entrées 10 et 11. Un générateur 9 d'impulsions très brèves émet, par la première entrée 10, une impulsion v1 d'échantillonnage. On émet, par la deuxième entrée 11, un signal analogique sinusoïdal v2 à échantillonner qui traverse le répartiteur 14 d'ondes. A une première sortie 27 du répartiteur 14 d'ondes, le double 2v2 du signal v2 se propage dans un guide 1c d'ondes non-linéaire tel que celui décrit avec les figures 1 et 2. A une deuxième sortie 24 du répartiteur 14 d'ondes, le signal v2 se propage jusqu'à atteindre, parallèlement à l'impulsion v1 par l'entrée 10, le premier coupleur 12 de signaux. A une première sortie 25 du coupleur 12, l'addition v1 +v2 du signal v2 et de l'impulsion v1 se propage dans un deuxième guide la d'ondes identique au guide l c d'ondes. A une deuxième sortie 26 du coupleur 12, la soustraction v1-v2 du signal v2 à l'impulsion v1 se propage dans un troisième guide 1 b d'ondes identique aux guides d'ondes 1 a et 1 c. Un signal w1 sort du guide 1 a d'ondes, un signal w2 sort du guide 1 b d'ondes, et un signal 2v'2 sort du guide 1 c d'ondes ; où v' est la dérivée de v. Le signal w1 et le signal w2 pénètrent dans le deuxième coupleur 17 et en sortent par une unique branche 28 sous la forme d'un signal w3 correspondant à la soustraction w1-w2 du signal w2 au signal w1. Le signal w3 est égal à : k.A.av1/at+2v'2 ; où k est une constante. Le signal 2v'2 et la soustraction w1-w2 du signal w2 au signal w1 pénètrent dans un troisième coupleur 23 d'ondes et en sortent par une unique branche 29 sous la forme d'un signal w4 correspondant à la soustraction w1-w2-2v'2 du signal 2v'2 au signal w1-w2. Le signal w4 est égal à : k.A.av1 lat. Le signal w4 se propage le long de la branche 29 jusqu'à atteindre le premier intégrateur 19 et en sortir 20 sous la forme d'un signal w5 égal à k'.A'.v'1. Le signal w5 se propage le long de la branche 20 jusqu'à atteindre le premier intégrateur 19 et en sortir 22 sous la forme d'un signal w6 égal à f (k.A.av'1/at) et proportionnel à l'échantillon souhaité. REVENDICATIONS1 - Dispositif électronique d'échantillonnage d'un signal analogique (v2) répétitif ou non, dans lequel une impulsion (v1) d'échantillonnage est émise par un générateur d'impulsions brèves, caractérisé en ce qu'il comporte : - un premier coupleur (12) et un deuxième coupleur (17) de signaux, - un premier intégrateur (19) et un deuxième intégrateur (21), - un répartiteur (14) d'ondes, - un premier guide (1 ; 1 a) d'ondes non-linéaire, - un deuxième guide d'ondes mis en parallèle avec le premier guide d'ondes. 2 - Dispositif électronique d'échantillonnage selon la revendication 1, caractérisé en ce que : - le deuxième guide (2) d'ondes est linéaire. 3 - Dispositif électronique d'échantillonnage selon la revendication 1, caractérisé en ce que : - le deuxième guide (1 b) d'ondes est non-linéaire. 4 - Dispositif électronique d'échantillonnage selon l'une des revendications 1, ou 3 caractérisé en ce que : - il comporte un troisième guide (1c) d'ondes non-linéaire mis en parallèle avec le premier et le deuxième guide d'ondes. 5 - Dispositif électronique d'échantillonnage selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que : - le premier coupleur de signaux et le répartiteur d'ondes sont positionnés en amont des guides d'ondes, - le deuxième coupleur de signaux et les intégrateurs sont positionnés en aval des guides d'ondes. 6 - Dispositif électronique d'échantillonnage selon l'une des revendications 1, 3, 4, ou 5 caractérisé en ce que : - il comporte un troisième coupleur (23) d'ondes. 7 - Procédé d'échantillonnage d'un signal analogique (v2) répétitif ou non, dans lequel - on émet une impulsion (v1) d'échantillonnage, caractérisé en ce que- on propage l'impulsion et le signal dans au moins deux guides (1 ; 2) d'ondes mis en parallèle, - on extrait, à la sortie des guides d'ondes, un palier de tension proportionnel à un échantillon souhaité. 8 - Procédé d'échantillonnage selon la revendication 7, caractérisé en ce que - on propage l'addition (vl+v2) du signal et de l'impulsion dans un premier guide (1) d'ondes non-linéaire. 9 - Procédé d'échantillonnage selon l'une des revendications 7 ou 8, 10 caractérisé en ce que - on propage l'impulsion seule dans un deuxième guide d'ondes non-linéaire. - Procédé d'échantillonnage selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que - on propage l'opposé -(vl+v2) en phase de 180 ° de l'addition du signal et de l'impulsion dans un deuxième guide (2) d'ondes linéaire. 11 - Procédé d'échantillonnage selon la revendication 7, caractérisé en ce que - on propage l'addition (vl+v2) du signal et de l'impulsion dans un premier guide d'ondes non-linéaire (1 a), - on propage la soustraction (v1-v2) du signal à l'impulsion dans un deuxième guide d'ondes non-linéaire (1 b), - on propage le double (2v2) du signal dans un troisième guide d'ondes non-linéaire (1c).