EP2120280A1

EP2120280A1 - Commutateur hyperfréquence et module d'émission et de réception comportant un tel commutateur

Info

Publication number: EP2120280A1
Application number: EP09160368A
Authority: EP
Inventors: Benoît Mallet-Guy; Claude Auric; Philippe Dueme; Jean-Philippe Plaze
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2008-05-16
Filing date: 2009-05-15
Publication date: 2009-11-18
Also published as: US20090286492A1; FR2931300A1; FR2931300B1

Abstract

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 commutateur. Le dispositif comportant au moins une branche (38, 39) reliant un premier pôle à un deuxième pôle, une branche comportant une ligne conductrice (59) couplée à un potentiel de référence, elle comporte au moins un commutateur élémentaire semi-conducteur en Nitrure de Gallium (GaN), par exemple un transistor, 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 ). Dans le module d'émission et de réception, le dispositif relie la voie d'émission (1) et la voie de réception (2) à une antenne (10). L'invention 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.

Description

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.
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.
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.

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.
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.

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.

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.
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.

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.
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.
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 ).
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.
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.
Dans un mode de réalisation particulier, au moins un quadripôle passif est connecté en série entre les deux pôles d'une branche.
Un commutateur élémentaire est par exemple un transistor à effet de champ en Nitrure de Gallium (GaN).
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.
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.
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.
Dans un autre mode de réalisation possible, le dispositif est du type quadripôle, comportant quatre branches reliant deux à deux quatre pôles.
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.
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.
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.

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

Chaque brin, ou branche, de commutation 40 est composé de transistors GaN qui sont mis en série ou en parallèle.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

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).
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.
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.
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).
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.
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.
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).
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).
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.
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).