FR2472301A1

FR2472301A1 - Multiplicateur de frequence

Info

Publication number: FR2472301A1
Application number: FR8026256A
Authority: FR
Inventors: David Paul Owen
Original assignee: Marconi Instruments Ltd
Current assignee: Marconi Instruments Ltd
Priority date: 1979-12-06
Filing date: 1980-12-08
Publication date: 1981-06-26
Also published as: GB2064892B; US4400630A; GB2064892A; DE3046019A1; FR2472301B1

Abstract

LE MULTIPLICATEUR DE FREQUENCE COMPORTE UNE PAIRE DE DIODES SCHOTTKY 6, 7 REDRESSANT LE SIGNAL APPLIQUE, LES SIGNAUX REDRESSES FOURNIS PAR CHACUN DES DIODES ETANT COMBINES DE FACON A OBTENIR UN SIGNAL DE SORTIE AYANT UNE FREQUENCE DOUBLE DE CELLE D'ENTREE. POUR REDUIRE LA DISTORSION APPARAISSANT POUR DE FAIBLES NIVEAUX DE SIGNAUX D'ENTREE, UNE TENSION CONTINUE DE POLARISATION EST APPLIQUEE AUX DIODES POUR LES POLARISER A LEURS TENSIONS DE SEUIL. LES EFFETS DE TEMPERATURE SUR LES DIODES SONT REDUITS PAR UNE DIODE SUPPLEMENTAIRE 33 QUI DETERMINE LA VALEUR EFFECTIVE DE LA TENSION DE POLARISATION.

Description

MULTIPLICATEUR DE FREO'IUENCE

La présente invention a pour objet un multiplicateur de fréquence, plus particulièrement du genre qui engendre un signal dont la fréquence

de sortie est un multiple entier pair de la fréquence appliquée. La mul-

tiplication de fréquence peut être obtenue par un réseau de diodes. Il est usuel d'utiliser un tel réseau pour multiplier la fréquence d'entrée par

un facteur deux. Dans ce cas, le réseau est dit "doubleur de fréquence".

En principe des facteurs pairs plus élevés peuvent être obtenus, soit en

utilisant des filtres harmoniques appropriés soit par une cascade de dou-

bleurs de fréquence.

L'utilisation de ce genre de multiplicateur de fréquence introduit une distorsion de l'amplitude dans le signal obtenu. Lorsque le signal

d'entrée est lui-même modulé en amplitude, la distorsion peut être par-

ticulièrement grande. Cet effet peut provoquer la dégradation de l'infor-

mation représentée par la modulation d'amplitude et doit être minimisé.

On pense que cette distorsion est souvent due à la non-linéarité de la ca-

ractéristique des diodes du circuit multiplicateur de fréquence. En prin-

cipe cette distorsion peut être réduite en utilisant les diodes à un niveau

relativement élevé, dans la partie relativement linéaire de leur carac-

téristique. Cette astuce, peu rentable du point de vue de l'énergie, n'est

pas toujours applicable (le signal d'entrée doit avoir un niveau suffisam-

ment grand).

La présente invention vise à réaliser un multiplicateur de fréquen-

ce aux performances améliorées.

Le multiplicateur de fréquence selon l'invention comporte un cir-

cuit de diodes o chacune des diodes est agencée pour redresser un si-

gnal alternatif appliqué au circuit, les signaux redressés étant combinés de façon à fournir un signal ayant une fréquence qui est un multiple pair

de celle du signal appliqué, et en ce qu'il comprend des moyens pour ap-

pliquer à chaque diode une tension de polarisation correspondant au moins approximativement à son seuil d'apparition du courant direct de conduction. Bien que le circuit de diodes puisse comprendre quatre diodes, on

préfère utiliser deux diodes, chacune d'entre elles étant agencée de fa-

2-

çon à travailler comme redresseur demi-onde.

Les diodes ont généralement une caractéristique présentant un coude marqué dans la région de conduction directe. Au-dessous de ce coude, le courant qui passe dans la diode est très petit pour la tension qui lui est appliquée. Typiquement, la tension du coude est de l'ordre

de 200 mV pour des diodes à barrière de Schottky.

L'invention est particulièrement applicable à très hautes fréquen-

ces, de l'ordre de plusieurs centaines de MHz. Dans cette plage de fré-

quence il est indispensable d'utiliser des diodes qui ont une réactance

interne très faible. Ce sont les diodes à barrière de Schottky qui con-

viennent le mieux actuellement; leurs caractéristiques présentent un coude prononcé dans la zone de conduction directe de sorte que le seuil

de conduction peut être déterminé avec quelque précision.

De préférence, les moyens pour appliquer une polarisation sont

communs pour chacune des diodes.

De préférence, les moyens pour appliquer une polarisation com-

prennent un filtre passe-bas grâce auquel une tension continue peut etre

appliquée aux diodes.

De préférence, le filtre passe-bas comprend un inducteur relié en

série entre les diodes et une borne d'un voltage de référence.

Le voltage de référence peut être délivré par un simple potentio-

mètre, la valeur relative des résistances connectées en série détermi-

nant la tension de polarisation.

De préférence, on varie la tension de polarisation en fonction de

celle du seuil de conduction directe des diodes avec la température.

Pour ce faire, on peut prévoir une diode supplémentaire agencée de fa-

çon que la variation de ses propriétés de conduction directe avec la tem-

pérature modifie la tension de polarisation appliquée aux diodes.

Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemple: la figure 1 représente la caractéristique d'une diode utilisée dans un multiplicateur de fréquence selon l'invention;

la figure 2 représente une première forme d'exécution du multipli-

cateur de fréquence selon l'invention; la figure 3 est un diagramme explicatif; et

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- 3 -

la figure 4 représente une deuxième forme d'exécution du multi-

plicateur de fréquence selon l'invention.

Dans un circuit multiplicateur de fréquence, capable de fonction-

ner à de très hautes fréquences (signal d'entrée de l'ordre de 500 MHz) il est nécessaire d'utiliser des diodes ayant une réponse convenable à très haute fréquence. Généralement on utilise des diodes à barrière de

Schottky qui peuvent redresser de façon satisfaisante de très hautes fré-

quences dépassant 10 GHz. Une caractéristique typique d'une diode sili-

cone à barrière de Schottky est représentée à la figure 1; on peut obser-

ver, en se référant à la partie de la caractéristique o la diode conduit 4dans le sens direct, que le courant (IF) direct est négligeable pour une

tension directe(VF) ne dépassant pas 0, 2 volts. Au-dessus de cette ten-

sion de seuil, le courant direct croît rapidement et à partir de 0, 4 volts la caractéristique devient linéaire. On constate donc qu'entre 0, 2 et 0, 4

volts la caractéristique présente un coude marqué et qu'un courant di-

rect significatif n'apparaît à la sortie que pour une tension supérieure à

0, 2 volts. En pratique, ces propriétés de la diode peuvent créer de sé-

rieuses difficultés: pour des signaux d'entrée de bas niveau, la plus

grande partie du signal est perdue car la tension de seuil doit être dé-

passée pour qu'un courant significatif de sortie apparaisse. De plus, la non-linéarité marquée de la caractéristique, au voisinage du coude, peut

introduire des distorsions. La distorsion est particulièrement observa-

ble lorsque le signal d'entrée est modulé en amplitude:. cause de la tension de seuil le niveau de modulation en amplitude à la sortie est

beaucoup plus grand que celui d'entrée. Pour obtenir 100 % de modula-

tion en amplitude à la sortie, il suffit que le signal d'entrée atteigne

la tension *ie seuil (de l'ordre de 0, 2 V) de la diode pour obtenir un ni-

veau zéro du signal de sortie multiplié.

Le doubleur de fréquence représenté à la figure 2 permet de ré-

duire sensiblement les distorsions décrites. Un signal d'entrée dont la fréquence doit être doublée est appliqué à une borne d'entrée 1 qui est reliée à l'enroulement primaire 2 d'un transformateur 3. Ce dernier est agencé de façon à délivrer deux signaux de sortie, aux points 4 et 5,

d'amplitude égale et de polarité opposée. Ces signaux passent respecti-

24'2301

-'4 -

vement à travers des diodes à barrière de Schottky 6 et 7. Ces derniè-

res redressent les signaux, lesquels sont alors combinés au point 8 de façon à obtenir la forme d'onde représentée à la figure 3. Les diodes 6

et 7 conduisent respectivement sur des demi périodes alternées du si-

gnal appliqué de sorte que le signal combiné est riche en harmoniques du second ordre. Ce signal passe à travers un condensateur 9 et arrive

à une borne de sortie 10.

Le transformateur 3 peut être remplacé par un circuit, compre-

nant des semi-conducteurs, ou par une autre configuration de transfor-

mateur jouant le même rôle.

Tel que décrit jusqu'ici, ce doubleur de fréquence est assez clas-

sique; mais, il comprend de plus un diviseur de tension comportant des résistances 11 et 12 et un filtre passe-bas formé d'un inducteur 13. Les

valeurs relatives des résistances il et 12 sont choisies de façon à obte-

nir, grâce à une source de tension -V de par exemple -15 volts, une tension de référence au point 14, qui est approximativement au moins

égale à la tension de seuil (pour la conduction directe) des diodes 6 et 7.

La tension continue existant au point 14 est transférée par l'induc-

teur 13 (supposé avoir une résistance nulle pour le courant continu) au point 8, fournissant ainsi une polarisation permanente pour les diodes

6 et 7.

Ainsi, même lorsqu'un signal à très bas niveau d'entrée est appli-

qué aux diodes 6 et 7, ces dernières conduisent immédiatement et en-

gendrent un signal de sortie correspondant. La distorsion décrite pré-

cédemment, se présentant en particulier pour la modulation en ampli-

tude, n'est pas complètement éliminée car la forme de la caractéristi-

que de la diode dans la région du coude est une courbe continue (en an-

glais: soft characteristic) et non pas une droite changeant brutalement

de pente.

Si la borne 10 est reliée à une charge ayant une impédance d'en-

trée de 50f et si -V a une valeur de-15 volts, les valeurs de résistan-

ces 11 et 12 sont de l'ordre de 2,4 k&A et 51fXl respectivement.

Si l'on n'applique pas une tension de polarisation directe aux dio-

des 6,et, 7b o a cQnstaté qu'un niveau d'entrée à 0 dB impliquerait une 5-

modulation en amplitude à l'entrée de 40 % pour obtenir 80 % de modu-

lation en amplitude à la sortie. En appliquant une tension de polarisation

avec le dispositif selon la figure 2, on obtient 80 % de modulation en am-

plitude à la sortie avec 72 % de modulation en amplitude à l'entrée. De plus, on améliore la distorsion de la modulation. en amplitude pour pas-

ser de 3 % à 0, 5 %, et les pertes d'insertion de 6 dB.

Les performances d'un doubleur de fréquence peuvent être affec-

tées par la variation de la tension de seuil des diodes 6 et 7 avec la tem-

pérature. Par suite la modulation en amplitude d'un signal d'entrée peut

être perturbée. Cet effet peut être minimisé par le doubleur de fréquen-

ce représenté à la figure 4. On remarquera que ce circuit est très sem-

blable à celui de la figure 2 à l'exception de la tension de polarisation qui est créée de façon différente. Le circuit comprend un diviseur de tension comportant des résistances 30, 31 et 32 reliées en série avec une autre diode à barrière de Shottky 33. Le potentiel de référence est créé au point 34 et sa valeur transférée au point 8 par l'intermédiaire

d'un amplificateur 35 (de gain 1) comportant une résistance 36.

Les diodes 6, 7 et 33 sont assorties de façon qu'un changement de température modifie leurs caractéristiques de la même manière. Il est alors évident qu'une variation de température affectant la diode 33 crée une modification correspondante du potentiel de référence au point 8,

modifiant ainsi la tension de seuil des diodes 6 et 7. La valeur de la ré-

sistance 36 est choisie de façon à optimaliser la réponse de la modula-

tion en amplitude.

La forme du signal de fréquence multiple obtenue à la borne de sortie 10 correspond à celle existant au point 8 et représenté à la figure 3. Bien que ce ne soit pas un signal sinusoïdal parfait, il est utilisable dans de nombreux cas. Si un signal sinusoïdal plus pur est nécessaire,

un filtre peut être prévu à la sortie 10 de façon à laisser passer la fré-

quence double et atténuer les harmoniques supérieurs.

Si le signal d'entrée varie dans un large domaine, on peut prévoir

plusieurs filtres et commuter le filtre approprié pour chaque cas parti-

culier. En variante, on peut utiliser un filtre unique ayant une réponse

en fréquence variable.

- 6 - Le signal au point 10 n'étant pas une sinusoïde pure, des filtres à bande étroite peuvent être utilisés pour obtenir des harmoniques pairs

d'ordre supérieur au signal d'entrée (l'amplitude des harmoniques dimi-

nue brutalement avec l'ordre).

-7-

Claims

REVENDICATIONS

1l Multiplicateur de fréquence comportant un circuit de diodes, ca-

ractérisé en ce que chacune des diodes est agencée pour redresser un

signal alternatif appliqué au circuit, les signaux redressés étant com-

binés de façon à fournir un signal ayant une fréquence qui est un multiple pair de celle du signal appliqué, et en ce qu'il comprend des moyens pour appliquer à chaque diode une tension de polarisation correspondant au moins approximativement à son seuil d'apparition du courant direct

de conduction.
2. Multiplicateur de fréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de diodes comprend deux diodes, chacune d'entre

elles étant agencée de façon à travailler comme redresseur demi-onde.
3. Multiplicateur de fréquence selon la revendication 1 ou 2, carac-

térisé en ce que les diodes sont des diodes à barrière de Schottky.
4. Multiplicateur de fréquence selon l'une quelconque des revendica-

tions précédentes, caractérisé en ce que les moyens pour appliquer une

polarisation sont communs pour chacune des diodes.
5. Multiplicateur de fréquence selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens pour appliquer une polarisation comprennent un filtre passe-bas grâce auquel une tension continue peut être appliquée

aux diodes.
6. Multiplicateur de fréquence selon la revendication 5, caractérisé en ce que le filtre passe-bas comprend un inducteur relié en série entre

les diodes et une borne d'un voltage de référence.
7. Multiplicateur de fréquence selon l'une quelconque des revendica-

tions 4 à 6, caractérisé en ce que la tension de polarisation varie en

fonction de celle du seuil de conduction direct des diodes avec la tempé-

rature.
8. Multiplicateur de fréquence selon la revendication 7, caractérisé

en ce que les moyens de polarisation comprennent une diode supplémen-

taire agencée de façon que la variation de ses propriétés de conduction directe avec la température modifie la tension de polarisation appliquée

aux diodes.