Déphaseur actif intégré

Abstract

 La présente invention concerne un déphaseur à somme vectorielle.
Le déphaseur comporte, sur un même substrat semi-conducteur :
- un élément de déphasage constant ;
- deux amplificateurs à gain variable et à commande analogique ;
- deux convertisseurs numérique-analogique ;
- un élément de sommation.
Les convertisseurs numérique-analogique permettent de commander numériquement les amplificateurs afin de faire varier le déphasage.
Application : antennes à balayage électronique

Description

[0001] La présente invention concerne un déphaseur à somme vectorielle intégré sur un même substrat semiconducteur. Elle s'applique par exemple dans le domaine des antennes à balayage électronique.

[0002] Les antennes à balayage électronique sont principalement utilisées dans le domaine des systèmes de détection et d'écoute, comme les radars par exemple. Elles permettent d'orienter agilement un faisceau d'onde électromagnétique par réfraction ou réflexion du faisceau par un réseau d'éléments rayonnants. L'angle de réfraction du faisceau varie avec le déphasage relatif du champ rayonné par les éléments disposés en réseau. Pour réaliser cela, il faut contrôler précisément la phase et l'amplitude des signaux reçus ou émis par chacun des éléments rayonnants. Les éléments rayonnants peuvent être des guides d'ondes intégrant notamment des déphaseurs pour ajuster la phase du signal émis à partir du signal reçu. Il existe différentes possibilités pour réaliser des déphaseurs. Les déphaseurs passifs comportent un certain nombre d'éléments passifs élémentaires dont les caractéristiques sont constantes, du type lignes à retard ou filtres, lesquels sont commutés en fonction du déphasage recherché. Des déphaseurs actifs sont basés sur le contrôle direct de la phase du signal, grâce à un élément actif comme un varactor ou un transistor. La présente invention concerne plus particulièrement un autre type de déphaseurs actifs, basé sur la somme vectorielle du signal reçu et d'un ou plusieurs signaux obtenus par déphasage du signal reçu. Le principe de la somme vectorielle sera explicité par la suite.
Le brevet américain US 4,398,161 divulgue un déphaseur actif basé sur la somme vectorielle du signal reçu et d'un signal déphasé. Dans ce brevet, le déphasage est obtenu en ajustant de manière analogique l'amplitude du signal. Cependant, les lois de commande du balayage électronique étant calculées par des processeurs numériques, il peut être pratique de commander le déphasage de façon numérique. C'est ce que suggère le brevet US 4,398,161 sans toutefois décrire un mode de réalisation. Or, si l'on considère le très haut niveau d'intégration requis pour ce type de déphaseur, sa réalisation avec commande numérique n'est pas sans poser de nombreuses difficultés. En effet, les procédés semiconducteurs pour réaliser des circuits intégrés, couramment appelés « Microwave Monolithic Integrated Circuits » ou « MMIC » selon la terminologie anglo-saxonne, sont adaptés à l'intégration sur un même substrat d'éléments hyperfréquence actifs comme des amplificateurs et d'éléments hyperfréquence passifs comme des lignes à retard ou des filtres. Mais ces procédés ne sont pas adaptés à l'intégration de circuits de commande numériques ou analogiques, comme des convertisseurs numérique-analogique, pour des fréquences de travail supérieures à quelques gigahertz. Par exemple, la technologie GaAs sur substrat en Arseniure de Gallium ne permet pas d'intégrer économiquement sur un même substrat des amplificateurs, des lignes à retard, des filtres et surtout des circuits de commande numérique complexes, comme le nécessiterait un déphaseur actif à commande numérique. Il s'agit là d'un problème technique auquel la présente invention se propose de répondre.
Des solutions existent pour tenter de réaliser de la façon la plus intégrée possible des déphaseurs actifs à somme vectorielle, en particulier des amplificateurs à gain variable. Une solution consiste à réaliser un déphaseur sous forme d'éléments discrétisés, comme plusieurs sources de courant débitant dans une charge fixe ou une source de courant fixe débitant dans plusieurs charges, commutables avec une commande numérique pour obtenir le gain recherché. Dans ce cas, il est difficile d'intégrer plus de quelques éléments discrétisés sur un même substrat. Or, plus le pas de discrétisation est faible, plus l'écart par rapport à la loi analogique idéale de commande du déphasage est élevé. Une autre solution consiste à réaliser une commande analogique directe, par exemple de la source de courant, avec une conversion numérique-analogique réalisée par un composant externe. Dans ce cas le niveau d'intégration n'est pas suffisant, car il est nécessaire de disposer d'un convertisseur numérique-analogique externe pour chacun des déphaseurs.

[0003] L'invention a notamment pour but d'intégrer sur un même substrat de type MMIC un déphaseur actif utilisant des amplificateurs à gain variable à commande analogique ainsi que des convertisseurs numérique-analogique permettant de faire varier numériquement le gain des amplificateurs et ainsi de contrôler numériquement le déphasage. A cet effet, l'invention a pour objet un déphaseur à somme vectorielle. Il comporte, sur un même substrat semi-conducteur, un élément de déphasage constant, deux amplificateurs à gain variable et à commande analogique, deux convertisseurs numérique-analogique et un élément de sommation. Les convertisseurs numérique-analogique permettent de commander numériquement les amplificateurs afin de faire varier le déphasage.
Dans un mode de réalisation, il peut comporter des registres de conversion série-parallèle en entrée des convertisseurs numérique-analogique.
Avantageusement, les amplificateurs peuvent être commandés numériquement par un processeur.
Par exemple, le substrat peut être un substrat de type semiconducteur III-V, comme en Arséniure de Gallium (GaAs). Le substrat peut également être un substrat de type semiconducteur IV, comme en Silicium-Germanium (SiGe). Le substrat peut aussi être un substrat silicium.
Par exemple, le déphaseur peut être utilisé dans une antenne à balayage électronique.

[0004] Outre le fait de fournir un déphaseur à commande numérique totalement intégré, la présente invention a encore pour principaux avantages que l'utilisation de technologies numériques amène un haut niveau de précision et permet d'approcher de très près la loi idéale de commande du déphasage. L'erreur par rapport à la loi idéale peut être très faible, puisqu'elle n'est limitée que par la résolution des convertisseurs numérique-analogique, qui peut atteindre facilement 8 ou 10 bits alors que les réalisations courantes de déphaseurs discrétisés atteignent au mieux des résolutions de 5 à 6 bits. Cette haute résolution permet également de corriger finement les dérives du déphasage en fonction de conditions extérieures comme la température. II suffit d'enregistrer ces dérives à l'avance et d'en déduire une loi de compensation numérique qui peut être stockée dans une mémoire externe ou interne. Cette loi de compensation est alors utilisée pour envoyer les commandes numériques.

[0005] 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 par un synoptique du principe des déphaseurs à somme vectorielle ;
• la figure 2, une illustration par un synoptique d'un exemple de circuit mettant en oeuvre un déphaseur à somme vectorielle selon la présente invention ;
• la figure 3, une illustration géométrique du signal obtenu en sortie d'un déphaseur à somme vectorielle selon l'invention.

[0006] La figure 1 illustre par un synoptique le principe des déphaseurs à somme vectorielle. Un signal E est reçu en entrée d'un déphaseur. Un module 1 permet de déphaser le signal E d'une valeur Φ pour obtenir en sortie du module 1 un signal déphasé E'. Un amplificateur 2 à gain variable reçoit en entrée le signal E'. A un instant donné, le gain de l'amplificateur 2 vaut B où B est un coefficient réel compris entre -1 et 1. Un amplificateur 3 à gain variable reçoit en entrée le signal E. A un instant donné, le gain de l'amplificateur 3 vaut A où A est un coefficient compris entre -1 et 1. Par exemple, si Φ vaut 90 degrés et si A et B varient entre -1 et 1 en respectant la condition A² + B² = 1, alors un signal S = A.E+B.E' obtenu en sommant les sorties des amplificateurs 2 et 3 correspond au signal E déphasé d'une valeur variant de - 90 degrés à + 90 degrés respectivement. Comme explicité précédemment, il est souvent souhaitable de commander le déphasage de façon numérique, car les lois de commande du balayage électronique sont calculées par des processeurs numériques. II est très difficile d'intégrer sur un même substrat des amplificateurs comme les amplificateurs 2 et 3 lorsque ceux-ci sont à commande numérique, respectant la condition A² + B² = 1 et permettant d'assurer des écarts minimaux par rapport à la loi idéale.

[0007] La figure 2 illustre par un synoptique un exemple de circuit mettant en oeuvre un déphaseur à somme vectorielle selon la présente invention. Le circuit regroupe, sur un même substrat MMIC, un élément 4 de déphasage, deux amplificateurs 5 et 6, deux convertisseurs numérique-analogique 7 et 8 et un élément 9 de sommation. L'élément 4 fournit un déphasage constant. Avantageusement, les deux amplificateurs 5 et 6 peuvent être à gains variables et à commande analogique. Le substrat MMIC peut être de type semiconducteur III-V ou plus avantageusement encore de type semiconducteur IV. De manière à réduire le nombre des entrées numériques du circuit de la figure 2, les entrées parallèles des convertisseurs numérique-analogique 7 et 8 peuvent avantageusement là encore être transformées en entrées série en ajoutant des registres de conversion série-parallèle en entrée des convertisseurs numérique-analogique 7 et 8. Ces registres ne sont pas représentés sur la figure 2.
Des valeurs angulaires Φ₁ et Φ₂ permettent de représenter le déphasage constant généré par l'élément 4. Par exemple, un signal E appliqué à l'entrée de l'élément 4 est déphasé de 90 degrés en ajustant Φ₁ et Φ₂ de sorte que Φ₂-Φ₁ = 90. Des coefficients r₁ et r₂ permettant de représenter les pertes dues au déphasage par l'élément 4, des signaux E₁ et E₂ en sortie de l'élément 4 vérifient respectivement les égalités (1) et (2) suivantes :




Les signaux E₁ et E₂ sont appliqués respectivement en entrée des amplificateurs 5 et 6. En supposant que les amplificateurs 5 et 6 à gains variables génèrent des déphasages Φ_A et Φ_B lorsque leurs gains valent A et B respectivement, alors des signaux S₁ et S₂ en sortie des amplificateurs 5 et 6 respectivement vérifient les égalités (3) et (4) suivantes :




Les signaux S₁ et S₂ sont appliqués en entrée de l'élément 9 de sommation de sorte à additionner les sorties S₁ et S₂ des amplificateurs 5 et 6 à gains variables. Si des valeurs angulaires Φ₁ et Φ₂ permettent de représenter le déphasage généré par l'élément 9, alors idéalement Φ'₂-Φ'₁=0. Des coefficients r'₁ et r'₂ permettant de représenter les pertes dues au déphasage par l'élément 9 des signaux S₁ et S₂ d'un angle de Φ'₂-Φ'₁ degrés, un signal S en sortie de l'élément 9 de sommation vérifie les égalités (5) et (6) suivantes :

[0008] La figure 3 illustre géométriquement le signal S donné par la relation (6) et obtenu en sortie du déphaseur de la figure 2. Selon la règle du parallélogramme, il vient les relations (7) et (8) suivantes :




Les valeurs A et B sont alors calculées en fonction du déphasage recherché Φ, elles sont données par les relations (9) et (10) suivantes :




A et B prenant des valeurs quantifiées, l'erreur de quantification est évidemment d'autant plus faible que la résolution de A et B est élevée, d'où l'intérêt de l'approche avec commande analogique et convertisseur numérique-analogique intégré.
Dans le cas idéal où :

r₁=r₂=½,

r'₁=r'₂,

Φ'₁=Φ'₂,

Φ_A=Φ_B,

Φ₂-Φ₁=90 degrés,

il vient simplement les relations (11) et (12) suivantes :




Et si les commandes A et B sont telles que A=cosα et B=sinα, il vient alors les relations (13) et (14) suivantes :

[0009] Il faut noter que le circuit de la figure 2 peut être implanté sur un substrat semiconducteur III-V du type GaAs. Mais dans ce cas, le circuit présente un encombrement très important, ce qui pose d'abord des difficultés d'industrialisation puis des difficultés d'intégration. Plus avantageusement, le circuit de la figure 2 peut être implanté sur un substrat semiconducteur IV de type silicium ou mieux SiGe, adapté aux fréquences élevées. L'utilisation d'un substrat de type SiGe permet notamment de diminuer le coût de réalisation d'un déphaseur à commande numérique selon l'invention.

Revendications

1. Déphaseur à somme vectorielle comportant, sur un même substrat semi-conducteur :

- un élément de déphasage constant (4) ;

- deux amplificateurs à gain variable et à commande analogique (5, 6) ;

- deux convertisseurs numérique-analogique (7, 8) ;

- un élément de sommation (9) ;

les convertisseurs numérique-analogique permettant de commander numériquement les amplificateurs afin de faire varier le déphasage, le déphaseur étant caractérisé en ce qu'il comporte des registres de conversion série-parallèle en entrée des convertisseurs numérique-analogique.

2. Déphaseur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les amplificateurs (5, 6) sont commandés numériquement par un processeur.

3. Déphaseur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le substrat est un substrat de type semiconducteur III-V.

4. Déphaseur selon la revendication 4 caractérisé en ce que le substrat est en Arséniure de Gallium (GaAs).

5. Déphaseur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le substrat est un substrat de type semiconducteur IV.

6. Déphaseur selon la revendication 6 caractérisé en ce que le substrat est en Silicium-Germanium (SiGe).

7. Déphaseur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le substrat est un substrat silicium.

8. Déphaseur selon la revendication 7 caractérisé en ce qu'il est utilisé dans une antenne à balayage électronique.

Dessins