[0001] La présente invention concerne un dispositif de commutation d'un signal hyperfréquence.
Elle concerne également un module d'émission et de réception comportant un tel dispositif.
Elle s'applique notamment dans des modules d'émission et de réception de systèmes
aéroportés fonctionnant dans une large bande de fréquences ou dans une bande étroite.
[0002] Les radars ou autres systèmes électromagnétiques aéroportés fonctionnent selon les
applications dans une large bande de fréquences ou au contraire dans une bande étroite.
Les fonctions d'émission et de réception de ces systèmes électromagnétiques sont généralement
implantées dans des modules spécifiques.
[0003] Une des fonctions communes à tous ces types de modules d'émission et de réception,
notés E/R par la suite, est la discrimination des signaux qui permet à un module :
- en mode d'émission de transmettre le signal traité, amplifié par un amplificateur
de puissance, vers l'antenne pour être ensuite propagé dans le milieu extérieur ;
- en mode de réception de recevoir un signal réfléchi issu de l'antenne pour ensuite
l'amplifier, au moyen d'un amplificateur faible bruit, pour qu'il soit traité par
les moyens de traitement du radar par exemple.
[0004] En mode émission, le niveau du signal fourni à l'antenne est très élevé alors que
celui reçu par l'antenne en mode réception est très faible. A titre d'exemple, la
puissance crête en jeu peut atteindre plusieurs dizaine de kilowatts voire plus et
seulement quelques milliwatts dans le second cas.
[0005] Il apparaît alors deux contraintes majeures lors de la conception et la réalisation
du dispositif assurant cette discrimination des signaux dans un module E/R :
- d'une part il doit traiter des signaux de très forte puissance et doit donc être en
mesure de supporter ces fortes puissances ;
- d'autre part il doit assurer une discrimination forte entre deux signaux possédant
un écart important de niveau de puissance.
[0006] En outre, ce dispositif doit posséder de bonnes performances ou
caractéristiques en ce qui concerne :
- les temps de commutation ;
- l'isolation entre les voies d'émission et de réception ;
- les pertes d'insertion ;
- le volume et le poids, notamment pour les applications aéroportées.
[0007] Les deux contraintes énoncées précédemment influent beaucoup sur le niveau de ces
performances et caractéristiques. Elles ont également un impact fort dans l'architecture
d'un module E/R.
[0008] Les solutions connues traitent de manière différente la conception d'un module, selon
qu'il est destiné à fonctionner en bande étroite ou en large bande. Dans le cas d'une
application en bande étroite, la fonction de discrimination est généralement conçue
en deux parties :
- une première partie traite l'aiguillage du signal au pied de l'antenne entre les voies
d'émission et de réception ;
- une deuxième partie couvre la commutation du traitement du signal selon le mode de
fonctionnement.
[0009] L'aiguillage est réalisé au moyen d'un ou plusieurs circulateurs hyperfréquence.
Un des principaux inconvénients de cette solution est notamment l'utilisation de ces
circulateurs qui sont des composants volumineux et lourds, donc pénalisant pour une
application aéroportée.
[0010] Dans le cas d'applications à large bande, l'utilisation de circulateurs est beaucoup
plus limitée. Selon la bande de fréquence visée et sa largeur, c'est-à-dire le rapport
entre la fréquence minimale et la fréquence maximale d'utilisation, soit il n'existe
pas de circulateur (en raison du rapport de bande trop important), soit les circulateurs
existant possèdent un volume et un poids inadéquats pour une application aéroportée.
Il existe des commutateurs de puissance à diode PIN mais ils ne sont généralement
pas utilisés car ils consomment beaucoup de courant, ne commutent pas rapidement et
ont un nombre de commutations limité à 1000 par seconde. La seule solution restante
est alors d'assurer l'aiguillage des signaux en utilisant deux antennes différentes,
une pour l'émission et une pour la réception. Un inconvénient apparaît clairement,
c'est la nécessité de dupliquer les antennes et les voies d'émission et de réception.
[0011] Un but de l'invention est notamment de pallier les inconvénients précités tout en
permettant de s'affranchir ou de diminuer l'effet et l'impact des contraintes évoquées
précédemment. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de commutation d'un
signal hyperfréquence comportant au moins une branche reliant un premier pôle à un
deuxième pôle, où une branche comportant une ligne conductrice couplée à un potentiel
de référence, elle comporte au moins un commutateur élémentaire semi-conducteur en
Nitrure de Gallium (GaN) reliant la ligne au potentiel de référence, le signal se
propageant le long de la ligne lorsque le semi-conducteur est commandé à l'état ouvert
(
Q).
[0012] Les commutateurs élémentaires sont par exemple distribués le long de la ligne conductrice,
les points de connexions deux commutateurs consécutifs étant sensiblement distants
du quart de la longueur d'onde du signal.
[0013] Une branche peut comporter au moins un commutateur élémentaire en Nitrure de Gallium
(GaN) en série entre ses deux pôles commandé dans un état inverse (
Q) du précédent.
[0014] Dans un mode de réalisation particulier, au moins un quadripôle passif est connecté
en série entre les deux pôles d'une branche.
[0015] Un commutateur élémentaire est par exemple un transistor à effet de champ en Nitrure
de Gallium (GaN).
[0016] Les sources des transistors sont par exemple reliées sur la ligne conductrice, les
drains étant reliés au potentiel de référence, l'état d'ouverture d'un transistor
étant commandé par sa tension de grille.
[0017] Les drains des transistors sont par exemple reliés sur la ligne conductrice, les
sources étant reliés au potentiel de référence, l'état d'ouverture d'un transistor
étant commandé par sa tension de grille.
[0018] Dans un mode de réalisation possible, le dispositif comporte par exemple une première
branches reliant un premier pôle et un deuxième pôle et une deuxième branche reliant
ce premier pôle et un troisième pôle.
[0019] Dans un autre mode de réalisation possible, le dispositif est du type quadripôle,
comportant quatre branches reliant deux à deux quatre pôles.
[0020] L'invention a également pour objet un module d'émission et de réception comportant
au moins une voie d'émission d'un signal hyperfréquence et une voie de réception d'un
signal hyperfréquence, ledit module comportant un dispositif de commutation tel que
décrit précédemment et comportant une première branche reliant la voie d'émission
à un point apte à être connecté à une antenne et une deuxième branche reliant ce point
à la voie de réception.
[0021] Dans un mode de réalisation particulier, la voie d'émission comporte un amplificateur
de puissance relié en amont à un point apte à être connecté à des moyens de traitement
et la voie de réception comporte un amplificateur faible bruit relié en aval à un
point apte à être connecté à des moyens de traitement.
[0022] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la
description qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent :
- la figure 1, une illustration d'un dispositif de discrimination et de commutation
d'un module d'émission et de réception selon l'art antérieur pour une application
en bande étroite ;
- la figure 2, une illustration d'un dispositif de discrimination et de commutation
d'un module d'émission et de réception selon l'art antérieur pour une application
large bande ;
- la figure 3, une illustration du principe de réalisation d'un dispositif de commutation
selon l'invention ;
- les figures 4a, 4b et 4c, des exemples de commutateurs réalisables selon l'invention
;
- les figures 5a et 5b, deux exemples de réalisation de branches de commutateurs selon
l'invention ;
- la figure 6, un commutateur de type quadripôle réalisé selon l'invention.
[0023] La figure 1 illustre par un synoptique un dispositif de discrimination d'un module
E/R selon l'art antérieur, pour une application en bande étroite par exemple dans
un cas de fonctionnent en bande X. Comme indiqué précédemment, ce dispositif effectue
d'une part l'aiguillage des signaux au pied de l'antenne 10 entre la voie d'émission
1 et la voie de réception 2 et d'autre part la commutation du traitement des signaux
20 selon le mode de fonctionnement. Les voies d'émission 1 et de réception 2 sont
reliées aux moyens de traitement 20 par un commutateur 8, ce dernier commutant l'une
ou l'autre de ces voies sur le traitement selon le mode de fonctionnement en cours,
émission ou réception.
[0024] La voie d'émission comporte notamment un amplificateur de puissance 3 destiné à amplifier
le signal basse puissance issu du traitement 20, le signal amplifié étant destiné
à être émis par l'antenne. La voie de réception comporte notamment un amplificateur
faible bruit 4 pour amplifier le signal de faible puissance reçu par l'antenne et
à destination du traitement. Les moyens de traitement 20 comportent tous les composants
connus nécessaires aux différentes applications envisagées, et notamment les convertisseurs
et interfaces adéquat ainsi que les moyens de calcul suffisant. Dans l'exemple de
la figure 1, l'aiguillage est effectué au moyen de deux circulateurs hyperfréquence
5, 6. Le premier circulateur 5 reçoit sur une première entrée les signaux amplifiés
issu de l'amplificateur de puissance 3. La deuxième entrée/sortie du circulateur 5
est reliée à l'antenne 1 si bien que le signal amplifié est dirigée vers cette dernière.
La fonction de commutation est placée en amont de l'amplificateur de puissance 3.
Les signaux qui passent par le commutateur 8 peuvent alors être de faible puissance.
[0025] A la réception, les signaux issus de l'antenne entre sur cette deuxième entrée/sortie
pour être dirigée vers une autre sortie reliée à une première entrée du deuxième circulateur
6. Le signal reçu est dirigé à l'intérieur du circulateur vers une sortie reliée à
la voie de réception et notamment à l'entrée de l'amplificateur faible bruit 4. La
troisième et dernière entrée/sortie du deuxième circulateur est reliée à une charge
50 ohm 7. Ce deuxième circulateur renforce l'isolement entre la voie d'émission et
de réception. Le nombre de circulateurs utilisés dépend du niveau d'isolation recherché
entre les deux voies 1, 2. Dans le cas d'une isolation minimale, la sortie du premier
circulateur 5 est directement reliée à l'entrée de l'amplificateur faible bruit 4.
[0026] L'utilisation de circulateur permet donc de dissocier au niveau de l'antenne 1 les
chemins d'émission et de réception. Les circulateurs étant des éléments passifs, ils
sont naturellement aptes à faire passer un signal de forte puissance venant de l'amplificateur
de puissance 3. Les circulateurs, en raison de leur poids et de leur volume sont cependant
pénalisant, notamment pour les applications aéroportées.
[0027] La figure 2 illustre le cas un exemple de réalisation selon l'art antérieur pour
une application large bande. En raison de la limitation sur l'utilisation de circulateurs,
la solution restante est d'assurer l'aiguillage en utilisant deux antennes différentes
21, 22, une pour l'émission 21 et l'autre pour la réception 22. Les voies d'émission
1 et de réception 2, comportant respectivement un amplificateur de puissance 3 et
un amplificateur faible bruit 4, sont toujours reliées aux moyens de traitement 20
via le commutateur 8. La sortie de l'amplificateur de puissance 3 est reliée à l'antenne
d'émission 21 et l'entrée de l'amplificateur faible bruit 4 est reliée à la sortie
de l'antenne de réception 22. Comme indiqué précédemment, un inconvénient de cette
solution est la nécessité de dupliquer les antennes et les voies d'émission et de
réception qui leur sont associées.
[0028] La figure 3 illustre le principe le principe de réalisation d'un dispositif selon
l'invention. L'invention utilise un commutateur 31 à base de diodes ou transistors
fabriqués en utilisant un semi-conducteur dit « à grand gap », un type connu étant
un semi-conducteur en Nitrure de Gallium GaN. Les semi-conducteurs sont notamment
caractérisés par leur bande interdite ou gap, qui sépare les derniers états occupés
de la bande de valence et les états libres suivants dans la bande de conduction. On
distingue alors les semi-conducteurs à petit gap qui ont une bande interdite très
inférieure à 1 eV et les semi-conducteurs à grand gap qui ont une bande interdite
très supérieure, par exemple de l'ordre de 3 eV à 5 eV.
[0029] Les diodes ou transistors en Nitrure de Gallium GaN sont capables de fonctionner
avec un signal de très forte puissance tout en possédant les mêmes niveaux de performances
que ceux en Silicium ou Arséniure de Gallium par exemple. Ces performances concernent
notamment les pertes, l'isolation, les temps de commutation, le volume et le poids.
Les capacités des semi-conducteurs GaN à fonctionner avec de très fortes puissances
proviennent de la valeur très élevée de leurs tensions de claquage qui est de l'ordre
de 150 V. Cette valeur de tension élevée est due à la grande valeur de la bande interdite
du semi-conducteur GaN utilisée sous forme d'hétérojonction de type AIGaN-GaN au niveau
de la couche active.
[0030] Selon l'invention le commutateur 31 est placé au pied de l'antenne 1 comme illustré
par la figure 3, c'est-à-dire relié directement à cette antenne.
[0031] L'architecture d'un module E/R est alors identique quelque soit la bande de fréquence
de fonctionnement. La sortie de l'amplificateur de puissance 3 est reliée à une entrée
du commutateur 31 et l'entrée de l'amplificateur faible bruit 4 est reliée à sa sortie.
Selon le mode de fonctionnement, émission ou réception, le commutateur relie la voie
d'émission 1 à l'antenne ou l'antenne à la voie de réception 2. Ces voies 1, 2 sont
par ailleurs reliées en amont et en aval aux moyens de traitement d'émission 201 et
aux moyens de traitement de réception 202 qui peuvent être regroupés dans un même
bloc de traitement 20.
[0032] Le commutateur comporte donc une branche 38 reliant la voie d'émission à un point
30 apte à être relié à l'antenne, notamment au pied de l'antenne, et il comporte une
deuxième branche 39 reliant ce point 30 à la voie de réception.
[0033] Pour une application en bande étroite, l'utilisation de circulateurs n'est alors
plus nécessaire. Le module E/R gagne beaucoup en volume et en poids. Il n'est par
ailleurs plus confronté aux phénomènes d'impulsions dites de « droop » générées par
les circulateurs à l'émission.
[0034] Pour une application large bande, il devient possible d'utiliser la même antenne
pour l'émission et la réception tout en conservant de bonnes performances de temps
de commutation, de pertes d'insertion et d'isolation.
[0035] Les figures 4a, 4b et 4c présentent des exemples de commutateurs utilisant des diodes
ou transistors GaN. Le mode de réalisation est le même que pour ceux composés de diodes
ou transistors en Silicium ou en Arséniure de Gallium. Une différence notable dans
leur utilisation est le niveau des tensions à appliquer aux transistors : 0 volts
en mode passant et -20 volts en mode bloqué, au lieu de 0V et -2,5V pour une technologie
AsGa notamment. Les commutateurs réalisés peuvent être :
- du type bipolaire SPST (Single Pole Single Throw) comme illustré par la figure 4a,
assurant une commutation simple entre un premier pôle 41 et un deuxième pôle 42 ;
- du type tripolaire SPDT (Single Pole Double Throw) comme illustré par la figure 4b,
assurant une commutation entre un premier pôle 41 et un deuxième pôle 42 d'une part
et entre un troisième pôle 43 d'autre part ;
- du type quadripolaire DPDT (Double Pole Double Throw) comme illustré par la figure
4c, assurant une double commutations croisée entre deux pôles 41, 44 et deux autres
pôles 42, 43.
[0036] Chaque brin, ou branche, de commutation 40 est composé de transistors GaN qui sont
mis en série ou en parallèle.
[0037] Les figures 5a et 5b illustrent deux exemples de réalisation de brins de commutation
40 avec des transistors GaN à effet de champ. Un signal hyperfréquence se propage
le long de ces brins, entre une ligne conductrice 59 et un potentiel de référence
50, par exemple la masse mécanique.
[0038] Dans l'exemple de la figure 5a, le brin 40 comporte sur la ligne conductrice un transistor
51 en série entre les deux pôles 41, 42. Le drain est par exemple relié au premier
pôle 41 et la source au deuxième pôle.
[0039] Lorsque le commutateur est à l'état passant, le transistor 51 est à l'état passant.
Dans ce cas une tension est appliquée entre la grille du transistor et la source,
égale à -20V. Le signal passe dans ce cas du premier pôle vers le deuxième pôle. Le
transistor est à l'état bloqué lorsque la tension sur sa grille est égale à 0V notamment.
[0040] Un deuxième transistor 52 est connecté en parallèle. Plus précisément, ce transistor
52 est connecté entre la source ou le drain du premier transistor et le potentiel
de référence 50, le potentiel nul par exemple ou la masse mécanique. Les commandes
Q et
Q des transistors 51, 52 sont inversées de sorte que lorsque l'un est passant l'autre
est bloqué et vice versa. Ainsi lorsque le premier transistor 51 est passant, la continuité
de transmission est assurée entre les deux pôles. Le deuxième transistor 52 étant
bloqué, la ligne conductrice est isolée de la masse mécanique 50. Le signal se propage
donc par exemple du premier pôle 41 au deuxième pôle.
[0041] Lorsque le premier transistor 51 est commandé à l'état bloqué, la transmission du
signal n'est plus assurée par coupure de la ligne conductrice. Par ailleurs, le deuxième
transistor 52 étant commandé à l'état passant, le potentiel de la ligne est ramené
à celui de la masse mécanique 50 par exemple, empêchant ainsi toute propagation d'un
signal hyperfréquence.
[0042] La figure 5b présente un cas où plusieurs commutateurs élémentaires formés des cellules
55 sont connectés en série entre les pôles 41, 42, trois dans l'exemple de cette figure.
Les cellules 53 et 54, reliant la ligne 59 au potentiel de référence, sont constituées
de transistors connectés entre les cellules 55 et le potentiel de référence avec des
commandes inverses
Q. Les cellules 55 peuvent être soit de simples transistors comme celui 51 de la figure
5a, soit des dipôles passifs. Dans ce cas, les dipôles passifs sont souvent constitués
de ligne de transmission de longueur λ / 4, λ étant la longueur de l'onde émise ou
reçue. Ils ont alors pour rôle d'améliorer les performances d'isolation du commutateur
ainsi constitué.
[0043] La technologie de circuit utilisée peut être soit de type hybride, soit de type intégrée,
MMIC par exemple, selon l'application visée. Le choix et la taille du nombre de transistors
GaN est par exemple déterminé en fonction des performances recherchées en termes de
tenue en puissance, en isolation, en durée de commutation notamment. Selon les modes
de réalisation, les lignes 59 peuvent être disposées en regard d'un plan conducteur
porté au potentiel de référence 50, formant par exemple un plan de masse.
[0044] La figure 6 présente un exemple de réalisation d'un commutateur DPDT 60 tel qu'illustré
par la figure 4c. Dans cet exemple de réalisation, les brins 400, 401 comportent des
transistors distribués 61. En d'autres termes, les transistors GaN sont connectés
par exemple en source commune sur la ligne conductrice 59 reliant les deux pôles d'une
branche de commutation. C'est-à-dire que les sources des transistors 61 sont reliées
à la ligne 59. Les drains des transistors sont reliés au potentiel de référence 50.
La polarité des transistors pourrait être inversée de telle sorte que les drains soient
connectés à la ligne 59. La grille des transistors est reliée à des moyens de commande
non représentés, amenant le niveau de tension nécessaire au blocage et à l'ouverture.
Lorsque les transistors sont à l'état bloqué, commandé par exemple par un signal
Q, le signal hyperfréquence se propage le long de la ligne au moyen des capacités drain-source
des transistors, connectés entre la ligne 59 et la masse mécanique 50 par exemple.
Pour optimiser la répartition et réduire au maximum les taux d'onde stationnaire ces
capacités sont espacés de λ / 4, λ étant la longueur de l'onde émise ou reçue. En
pratique, ce sont les points de connexion des transistors à la ligne 59, les sources
ou les drains, qui sont espacés de λ / 4. Dans l'exemple de représentation de la figure
6, une branche 400 propage le signal entre un pôle 41 et un autre pôle 42. Les autres
branches 401 ne propagent pas de signal, car leurs transistors distribués sont commandés
par le signal
Q inverse du signal
Q commandant les transistors de la première branche 400, et sont donc à l'état passant.
[0045] Cette solution à transistors distribués à été décrite pour un dispositif de commutation
de type quadripôle DPDT, elle peut s'appliquer à d'autres types de dispositifs de
commutation, SPST ou SPDT notamment. L'invention a aussi été décrite avec des commutateurs
élémentaires qui sont des transistors GaN. Elle peut aussi s'appliquer pour d'autres
semi-conducteurs GaN pourvu qu'ils soient commandables en ouverture et en fermeture.
Des diodes GaN pourraient par exemple être utilisées.
1. Dispositif de commutation d'un signal hyperfréquence comportant au moins une branche
(40, 400, 401) reliant un premier pôle (41) à un deuxième pôle (42), caractérisé en ce qu'une branche comportant une ligne conductrice (59) couplée à un potentiel de référence
(50), elle comporte au moins un commutateur élémentaire semi-conducteur (52, 53, 54,
61) en Nitrure de Gallium (GaN) reliant la ligne (59) au potentiel de référence (50),
le signal se propageant le long de la ligne lorsque le semi-conducteur est commandé
à l'état ouvert (Q), une branche (400, 401) comportant au moins un commutateur élémentaire (51) en Nitrure
de Gallium (GaN) en série entre ses deux pôles (41, 42) commandé dans un état inverse
(Q) du précédent (53, 53, 54, 61).
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les commutateurs élémentaires (61) sont distribués le long de la ligne conductrice
(59), les points de connexions de deux commutateurs consécutifs étant sensiblement
distants du quart de la longueur d'onde du signal.
3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins un dipôle passif (55) est connecté en série entre les deux pôles (41, 42)
d'une branche.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un commutateur élémentaire (51, 52, 53, 54, 61) est un transistor à effet de champ
en Nitrure de Gallium (GaN).
5. Dispositif selon la revendication 4 et l'une quelconque des revendications 2 à 4,
caractérisé en ce que les sources des transistors sont reliées sur la ligne conductrice (59), les drains
étant reliés au potentiel de référence, l'état d'ouverture d'un transistor étant commandé
par sa tension de grille.
6. Dispositif selon la revendication 4 et l'une quelconque des revendications 2 à 4,
caractérisé en ce que les drains des transistors sont reliés sur la ligne conductrice (59), les sources
étant reliées au potentiel de référence, l'état d'ouverture d'un transistor étant
commandé par sa tension de grille.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une première branches (40) reliant un premier pôle (41) et un deuxième
pôle (42) et une deuxième branche (40) reliant ce premier pôle (41) et un troisième
pôle (43).
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est du type quadripôle, comportant quatre branches (40) reliant deux à deux quatre
pôles (41, 42, 43, 44).
9. Module d'émission et de réception comportant au moins une voie d'émission (1) d'un
signal hyperfréquence et une voie de réception (2) d'un signal hyperfréquence, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de commutation selon l'une quelconque des revendications
précédentes comportant une première branche (38, 40) reliant la voie d'émission à
un point (30) apte à être connecté à une antenne (10) et une deuxième branche reliant
ce point (30) à la voie de réception.
10. Module selon la revendication 9, caractérisé en ce que la voie d'émission (1) comporte un amplificateur de puissance (3) relié en amont
à un point apte à être connecté à des moyens de traitement (20, 201) et la voie de
réception (2) comporte un amplificateur faible bruit (4) relié en aval à un point
apte à être connecté à des moyens de traitement (20, 202).