FR2561468A1 - Filtre actif hyperfrequence - Google Patents
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Abstract
LE FILTRE HYPERFREQUENCE ACTIF SUIVANT L'INVENTION COMPORTE UN OSCILLATEUR HYPERFREQUENCE 10 ASSOCIE A UNE BOUCLE A VERROUILLAGE DE PHASE RAPIDE COMPORTANT UN MELANGEUR 11 RELIE A LA SORTIE DE L'OSCILLATEUR ET A LA SORTIE D'UN SYNTHETISEUR 12, UN COMPARATEUR DE PHASE 3 RECEVANT UNE RAIE RESULTANT DU MELANGE ET UN SIGNAL PORTEUR MODULE ANGULAIREMENT A FILTRER, ET UN CIRCUIT AMPLIFICATEUR ET FILTRE PASSE-BAS 14, 15 RECEVANT LE SIGNAL DE SORTIE DU COMPARATEUR DE PHASE 13, DONT LA SORTIE EST RELIEE A L'ENTREE DE COMMANDE DE FREQUENCE DE L'OSCILLATEUR 10. AINSI, LE SIGNAL PORTEUR MODULE EST TRANSPOSE A LA FREQUENCE DE L'OSCILLATEUR COMMANDE EN TENSION EN MEME TEMPS QU'IL EST SOUMIS A UN FILTRAGE PASSE-BANDE PAR LA BOUCLE. APPLICATION AU FILTRAGE HYPERFREQUENCE DANS LES FAISCEAUX HERTZIENS.
Description
Filtre actif hyperfréquence L'invention se rapporte au filtrage
hyperfréquence. La fonction de filtrage hyperfréquence est délicate et coûteuse à réaliser lorsqu'on la
désire performante.
Il existe plusieurs modes de réalisation de filtres hyperfréquences classiques, à éléments mécaniques. Ces filtres peuvent être des filtres à
cellules LC, des filtres à varactors, ou des filtres hyperfréquencesà tiges.
Tous ces éléments permettent de construire des filtres hyperfréquences
performants, mais sont en général coûteux.
Il existe d'autres modes de réalisation de filtres hyperfréquences, réalisés selon des technologies rnmicroélectroniques sur des substrats divers. Les filtres réalisés selon ces technologies sont plus faciles à fabriquer mais ont des performances moindres; de plus leurs fréquences centrales ne peuvent pas être décalées facilement par exemple dans le but
de réaliser un filtre agile en fréquence.
Le problème technique à résoudre est donc de réaliser un filtre hyperfréquence réglable et performant, et qui soit en même temps facile
à réaliser et peu coûteux.
Suivant l'invention un filtre actif hyperfréquence est caractérisé en ce qu'il comporte au moins un oscillateur hyperfréquence commandé en tension ayant une sortie et une entrée de commande reliées par une boucle à verrouillage de phase rapide, la boucle comportant un mélangeur dont une entrée est reliée à la sortie de l'oscillateur et l'autre entrée à un générateur local, et un comparateur de phase recevant un signal modulé angulairement et un signal issu du mélangeur ayant respectivement des fréquences porteuses égales ou décalées, la sortie du comparateur étant reliée à l'entrée de commande de l'oscillateur hyperfréquence par un circuit amplificateur et filtre passe-bas de bande au moins égale à la
bande de modulation du signal modulé.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques appa-
raîtront à l'aide de la description qui suit en référence aux figures
annexées.
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- La figure 1 est le schéma synoptique d'un premier mode de réalisation du filtre hyperfréquence suivant l'invention; - les figures 2 et 3 représentent les spectres des signaux en différents points du dispositif suivant l'invention; - la figure 4 est le schéma synoptique d'un second mode de
réalisation du filtre suivant l'invention.
Le filtre hyperfréquence selon l'invention comporte non pas des composants passifs comme dans les modes de réalisation, en mécanique ou en technologie avancée, mais des circuits actifs qui, du fait de leur faible coût et de leur grande facilité d'intégration, permettent de résoudre le
problème du filtrage hyperfréquence de façon efficace et peu coûteuse.
L'invention utilise le fait qu'un oscillateur commandé en tension utilisé dans une boucle de phase rapide peut suivre les variations de phase détectées dans cette boucle, tant que ces variations restent à l'intérieur de la bande de la boucle de phase, cette bande étant limitée par le pôle de l'amplificateur et filtre de boucle. Ce pôle est dit prépondérant car situé à une fréquence inférieure aux fréquences de coupures liées aux autres éléments de la boucle, par exemple celle de l'oscillateur commandé en tension. En conséquence, l'oscillateur commandé en tension peut recopier fidèlement toute modulation, à l'intérieur de la bande de la boucle, appliquée à son entrée de commande. Si donc un signal constitué d'une porteuse modulée angulairement est comparé en phase à un signal à la fréquence porteuse dérivé du signal de sortie de l'oscillateur, le signal de modulation issu du comparateur de phase peut être appliqué à l'entrée de commande de l'oscillateur commandé en tension via un amplificateur de boucle et un filtre de boucle; le signal de modulation ainsi filtré commande une modulation de fréquence de l'oscillateur commandé en tension autour de sa fréquence centrale. Le signal hyperfréquence modulé et filtré apparaît alors en sortie de l'oscillateur commandé en tension. En effet la fonction de transfert du pôle prépondérant de l'amplificateur de boucle est directement liée au spectre de fréquence issu de l'oscillateur
commandé en tension asservi sur une référence. Ainsi le filtrage passe-
bande réalisé antérieurement en hyperfréquence est remplacé par un filtrage passe-bas en bande de base reporté sur le signal hyperfréquence
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fourni par un oscillateur, commandé en tension par le signal filtré, auquel
est associé une boucle de phase rapide.
La fréquence de référence à laquelle est asservie la fréquence de l'oscillateur est déterminée par le choix d'une fréquence locale fournie par un synthétiseur ou un oscillateur local et peut être décalée pour décaler de la même manière la fréquence de l'oscillateur de sortie pourvu que la bande passante de l'amplificateur-filtre passe-bas de la boucle soit suffisante. Le mode de réalisation du filtre hyperfréquence actif suivant l'invention utilise ces constatations. Sa structure est la suivante: un oscillateur commandé en tension 10, à une fréquence centrale qui peut être comprise par exemple entre 2 GHz et 4 GHz, fournit son signal hyperfréquence de sortie à la première entrée d'un mélangeur 11 qui reçoit sur sa seconde entrée un signal d'oscillation locale issu d'un générateur local 12, synthéte ou oscillateur local, ayant une fréquence FL telle que F0 - FL = FR, FR étant la fréquence porteuse d'un signal à fréquence intermédiaire modulé, issu par exemple des étages à fréquence intermédiaire d'un émetteur. Ce mélangeur fournit un signal de battement à la fréquence FR appliqué à la première entrée d'un comparateur de phase 13. La seconde entrée du comparateur 13 reçoit le signal à fréquence intermédiaire modulé FRM, dont la fréquence porteuse est la fréquence de référence, FR. Ce comparateur de phase fournit le signal démodulé FM. Ce signal démodulé est appliqué à l'entrée d'un circuit amplificateur 14 suivi d'un filtre de boucle en bande de base 15, passif ou actif, qui soumet le signal de modulation à son action. La sortie du filtre est reliée à l'entrée de commande de fréquence de l'oscillateur
commandé en tension 10.
Si le filtre passe-bas de la boucle 15 est du 2 me ordre, et si K0 est la pente en MHz par volt de l'oscillateur commandé en tension, et Kd la pente en volts par radian du comparateur de phase, la fréquence de coupure de la fonction de transfert du filtre hyperfréquence est fonction
de ces coefficients K0 et Kd et de la fonction de transfert du filtre passe-
bas en bande de base 15. En particulier sa transmittance a des pentes à
12 dB/octave comme celle du filtre passe-bas du 2&me ordre de la boucle.
La figure 2 représente la fonction de filtrage en bande de base de la boucle de phase associée à l'oscillateur commandé en tension. La fréquence de coupure FC peut être de l'ordre de 50 MHz, la pente étant
égale à -12 dB/octave.
La figure 3 représente en trait plein un exemple de spectre d'une onde modulée par variation de phase continue par un signal numérique, centré sur sa fréquence porteuse FR. Sur cette même figure 3 a été représentée, en pointillés, l'action de filtrage par la boucle de phase sur le signal de sortie de l'oscillateur commandé en tension centrée sur la fréquence porteuse de l'oscillateur 10, Fo, c'est-à-dire la bande du filtrage hyperfréquence. Comme on l'a indiqué ci-dessus, ce premier mode de réalisation
permet d'obtenir un filtre passe-bande hyperfréquence à deux pôles, c'est-
à-dire à 12 dB par octave au moyen d'une boucle de phase.
L'association en série de plusieurs, soit n, boucles de phase de ce type permet de réaliser des filtres à 2n pôles et d'obtenir ainsi des filtrages à 12, 24, 36, 48 dB/octave. Le second mode de réalisation du filtre hyperfréquence selon l'invention représenté sur la figure 4 est un filtre hyperfréquence à 4 pôles. Les mêmes éléments que sur la figure 1 ont été désignés par les mêmes repères. Ainsi, le premier oscillateur commandé en tension 10 est associé à la boucle de phase comportant un mélangeur 11 recevant le signal de sortie d'un synthétiseur 12 dont la sortie est reliée à la première entrée du comparateur de phase 13. Ce
comparateur reçoit sur son autre entrée le signal à fréquence intermédiai-
re modulé en phase. La sortie de ce comparateur est reliée via l'amplifi-
cateur de boucle 14 et le filtre 15 à l'entrée de commande de l'oscillateur
commandé en tension 10.
Au lieu de prélever, pour l'émission, le signal de sortie de l'oscilla-
teur commandé en tension 10, le signal de sortie du mélangeur 11, qui est le signal de sortie de l'oscillateur 10 transposé en fréquence est appliqué à une entrée d'un second comparateur de phase 23 inséré dans une seconde boucle de phase, semblable à la prernière, associée à un second oscillateur commandé en tension 20. Le mélangeur 21 de cette boucle de phase reçoit le signal d'oscillation locale du même synthétiseur 12, et transpose à la fréquence FR le signal de sortie de l'oscillateur 20, ce signal transposé étant appliqué à l'autre entrée du second comparateur de phase 23. De la mtmne maniere que dans la première boucle de phase, un amplificateur 24 suivi d'un filtre de boucle 25 transmet le signal de modulation FM à l'entrée de commande de: l'oscillateur commandé en tension 20. La sortie émission de ce circuit de filtrage hyperfréquence est la sortie de
l'oscillateur 20. En réception, la sortie est la sortie du filtre 25.
L'action de cette seconde boucle de phase permet d'augmenter la penite de la transmittance du filtre hyperfréquence ainsi réalisé aux fréquences de coupure, le signal de sortie de i'oscillateur commandé en tension 20 étant centré à la fréquence F0, ayant une bande égale à la bande de la boucle de phase rapide, et coupant avec une pente à 24 dB par octave. En djoutant un troisième oscillateur commandé en tension associé à une boucle de phase semblable, les entrées du comparateur de phase correspondant étant reliées à la sortie du mélangeur de la même boucle et à celle du mélangeur de la boucle précédente, on obtient un filtre coupant à 36 dB/octave La bande de filtrage ainsi déterminée est liée à la bande de la boucle de phase rapide associée à i'oscillateur commandé en tension et est
indépendante de la fréquence centrale F0 du filtre hyperfréquence déter-
minée par l'oscillateur commandé en tension; cet oscillateur peut aussi bien délivrer des ondes décirnétriques (300 MHz à 3 GHz), centimétriques
(3 à 30 GHz), que millimétriques (30 à 300 GHz).
Les performances du filtrage, c'est-à-dire la rotation de phase, le temps de retard de groupe, et l'ondulation dépendent essentiellement des limitations technologiques introduites par la réalisation de l'amplificateur et filtre de boucle 14, 15 (24, 25),de l'osciliateur commandé en tension 10 (2G),du mélangeur de fréquences 11 (21)>et du comparateur de phase 13 (23). Si i'oscillateur commandé en tension a une grande bande d'accord, sa fréquence de coupure n'intervient pas commre pôle supplémentaice dans la fonction de transfert de la boucle, ie seul pôle utile étant le pôle
prépondérant de l'amplificateur filtre de boucle. En conséquence l'oscilla-
teur commandé en tension peut suivre aisément les décalages de fréquen-
ce provoqués par le synthétiseur de transposition de la boucle. Ce filtre hyperfréquence peut donc être un filtre agile en fréquence par décalage de la fréquence issue du synthétiseur. Le signal de sortie du comparateur de phase est alors le signal modulé auquel est superposée une composante constante caractéristique du décalage AF0 souhaité pour la fréquence
centrale F0 de l'oscillateur.
Le filtre hyperfréquence décrit ci-dessus est particulièrement intéressant en vue de réaliser une intégration poussée orientée vers les
technologies monolithiques.
Le domaine d'utilisation de ce type de filtre est extrêmement vaste. Dans les modes de réalisation décrits ci-dessus, particulièrement adaptés à l'émission, il peut être utilisé dans les faisceaux hertziens, les
télécommunications ou les petites stations terriennes économiques (mono-
voie) de télécommunications par satellite, de transmission de données, ou
de téléphonie.
Mais un tel filtre hyperfréquence est également utilisable en réception. Le schéma est le même que celui de la figure 1, mais l'entrée reçoit le signal modulé reçu. L'oscillateur commandé en tension 10 a alors une fréquence F0 et le synthétiseur 12 une fréquence locale FL telles que la fréquence résultant du battement de F0 et FL soit égale à la fréquence reçue. Le signal de modulation filtré par la boucle de phase associée à l'oscillateur commandé en tension est prélevé dans ce cas à la sortie du filtre 15. Bien entendu, du fait que le comparateur de phase et le mélangeur ont chacun un facteur de bruit, le facteur de bruit d'un tel ensemble est dégradé par rapport à un système classique et donc ce type
de filtre hyperfréquence ne peut être utilisé en réception qu'en associa-.
tion avec un amplificateur à faible bruit placé en amont du comparateur de phase et ayant un gain suffisant pour masquer les facteurs de bruit du
comparateur de phase et du mélangeur.
Comme indiqué ci-dessus, un filtre hyperfréquence de ce type
nécessite une boucle de phase rapide, c'est-à-dire un oscillateur comman-
dé en tension par l'intermédiaire d'une boucle de bande passante suffisan-
te. En particulier, il n'est pas envisageable d'utiliser à la place de l'oscillateur un synthétiseur car la boucle varie alors seulement de quelques hertz à quelques centaines de kilohertz, alors que la bande nécessaire pour un canal de faisceau hertzien satellite pour transmettre un train numérique de 2 fois 34 Mbits est d'environ de 40 MHz. Les
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boucles de phase rapides actuellement réalisées ont des bandes passantes de l'ordre de 40 à 50 MHz c'est-à-dire qu'après transposition, la bande de filtrage de la boucle est de l'ordre de 100 MHz, et donc largement
suffisante pour les applications envisagées ci-dessus.
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Claims (5)
1. Filtre actif hyperfréquence- caractérisé en ce qu'il comporte au moins un oscillateur hyperfréquence (10) commandé en tension ayant une sortie et une entrée de commande reliées par une boucle à verrouillage de phase rapide, la boucle comportant un mélangeur (11) dont une entrée est reliée à la sortie de l'oscillateur et l'autre entrée à un générateur local
(12), et un comparateur de phase (13) recevant un signal modulé angulai-
rement et un signal issu du mélangeur ayant respectivement des fréquen-
ces porteuses égales ou décalées, la sortie du comparateur étant reliée à l'entrée de commande de l'oscillateur hyperfréquence par un circuit amplificateur (14) et filtre passe-bas (15) de bande au moins égale à la
bande de modulation du signal modulé.
2. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour une utilisation en filtre d'émission, la sortie du filtre est la sortie de
l'oscillateur (10).
3. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour une utilisation en filtre de réception, la sortie du filtre est la sortie du circuit
filtre passe-bas (15).
4. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte n oscillateurs supplémentaires, n entier supérieur ou égal à 1, ayant la même fréquence centrale F0, chacun associé à une boucle à verrouillage de phase semblable à la première, les mélangeurs (21) ayant une entrée reliée à la sortie de l'oscillateur (20) correspondant et une autre entrée reliée à la sortie d'un générateur local commun (12), le comparateur de phase (23) d'une boucle recevant un signal issu du mélangeur (21) de la même boucle et le signal issu du mélangeur (11) de la boucle précédente, la transmittance du filtre ayant une pente aux fréquences de coupure égale à n fois la pente de la transmittance à la fréquence de coupure des
filtres passe-bas (15, 25).
5. Filtre selon l'une quelconque des revendications précédentes,
caractérisé en ce que la fréquence centrale du filtre, égale à la fréquence centrale d'oscillation F0 lorsque la fréquence porteuse du signal modulé angulairement est égale à la fréquence d'une raie résultant du
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m<lange du signal à fréquence d'oscillation F0 et du signal à fréquence FL issu du générateur local, peut être décalée pour réaliser un filtre hyperfréquence agile en fréquence par décalage en fréquence du signal de fréquence FL issu du générateur local (12>)
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