FR2743678A1

FR2743678A1 - High frequency phase shifting circuit

Info

Publication number: FR2743678A1
Application number: FR9600479A
Authority: FR
Inventors: Nicolas Fel; Pierre Morvan; Jean Paul Nicolai; Jean Rusat
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1996-01-17
Filing date: 1996-01-17
Publication date: 1997-07-18
Anticipated expiration: 2016-01-17
Also published as: FR2743678B1

Abstract

The phase shifting circuit includes a frequency mixing circuit (20) which receives an input signal (E) and a signal from a local oscillator (21). The mixing circuit output is connected to a bandpass filter (22) and a delay line (23) connected in series with the first mixer circuit. A second mixing circuit (24) receives the signal from the first circuit and a second signal from the local oscillator. An output signal (S) is delivered by the second mixing circuit through a band-pass filter (25).

Description

DEPHASEUR HAUTE FREQUENCE
DESCRIPTION
Domaine technique
La présente invention concerne un déphaseur haute fréquence.HIGH FREQUENCY DEPHASEUR
DESCRIPTION
Technical area
The present invention relates to a high frequency phase shifter.

Etat de la technique antérieure
Les déphaseurs en haute fréquence
(radiofréquences et hyperfréquences) sont basés sur l'emploi de coupleurs hybrides dans lesquels un signal incident sin(#RFt) est décomposé ou recomposé en composantes déphasées l'une par rapport à l'autre. Les principes employés dans les déphaseurs HF (haute fréquence) reposent sur
- le déphaseur à modulateur vectoriel ; ou
- le déphaseur à diodes varicap.State of the art
High frequency phase shifters
(Radio Frequencies and Microwaves) are based on the use of hybrid couplers in which an incident signal sin (#RFt) is decomposed or recomposed into components out of phase with each other. The principles used in HF (high frequency) phase shifters are based on
- the vector modulator phase shifter; or
- the phase shifter with varicap diodes.

Dans un déphaseur à modulateur vectoriel, le déphasage entre signal d'entrée et signal de sortie résulte de la recombinaison de deux composantes quadratiques atténuées séparément. Un exemple de déphaseur 0-90 à modulateur vectoriel est donné sur la figure 1, avec des commandes I et Q. In a vector modulator phase shifter, the phase difference between input signal and output signal results from the recombination of two quadratic components attenuated separately. An example of a vector modulator 0-90 phase shifter is given in Figure 1, with I and Q commands.

Le bilan des signaux pris aux différents points du déphaseur est le suivant g Entrée E : sin(oRFt)
Sortie O" : sin(o,ft)
Sortie 900 : sin(oR,t-x/2)=-cos(o,ft)
Point A : a sin(#RFt) Point B : -b cos(RFt) Sortie S : a sin(#RFt)-b cos(#RFt)=c COS(#RFt+#) avec

et tan(ç)=b/a
Un déphaseur 0 à 360 s'obtient par combinaison de coupleurs hybrides 90 (10) et 1800
(11), comme illustré sur la figure 2, ou bien par la mise en cascade de quatre cellules 0 à 900, les circuits référencés 12 étant des diviseurs 1/2 en phase.The balance of the signals taken at the different points of the phase-shifter is the following. Input E: sin (oRFt)
Output O ": sin (o, ft)
Output 900: sin (oR, tx / 2) = - cos (o, ft)
Point A: a sin (#RFt) Point B: -b cos (RFt) Output S: a sin (#RFt) -b cos (#RFt) = c COS (# RFt + #) with

and tan (ç) = b / a
A phase shifter 0 to 360 is obtained by combining hybrid couplers 90 (10) and 1800
(11), as shown in FIG. 2, or by cascading four cells 0 to 900, the circuits referenced 12 being 1/2 in-phase dividers.

Dans un déphaseur à diodes, illustré sur la figure 3, les sorties en phase et en quadrature du coupleur hybride 10 sont chargées par des éléments réactifs variables. La variation d'impédance réactive par rapport à l'impédance caractéristique (50 fl généralement) entraîne une variation de la phase du signal de sortie par le biais du coefficient de réflexion complexe r. In a diode phase shifter, illustrated in FIG. 3, the in-phase and quadrature outputs of the hybrid coupler 10 are loaded by variable reactive elements. The reactive impedance variation with respect to the characteristic impedance (typically 50%) results in a variation of the phase of the output signal through the complex reflection coefficient r.

On obtient les signaux suivants
Entrée E : sin(RFt)
Sortie 0 : rsin(oRFt)
Sortie -900 : -#cos(#RFt)
sortie S : -Tcos(oRFt)=ITlsin(oRFt+cP), avec

The following signals are obtained
Input E: sin (RFt)
Output 0: rsin (oRFt)
Output -900: - # cos (#RFt)
output S: -Tcos (oRFt) = ITlsin (oRFt + cP), with

Les déphaseurs à diodes utilisent essentiellement des diodes à capacité variable commandées en tension pour un déphasage continu, ou des diodes PIN fonctionnant en commutation, pour un déphasage numérique. Diode phase shifters essentially use voltage-controlled variable-voltage diodes for continuous phase shift, or PIN diodes operating in switching mode, for a digital phase shift.

Dans le principe, on peut utiliser indifféremment des coupleurs hybrides à lignes couplées, des coupleurs hybrides en anneau ou en carré ou des transformateurs. La bande passante des déphaseurs ainsi constitués est limitée par l'emploi d'un coupleur : ces dispositifs sont typiquement à bande étroite, ou fonctionnent au mieux sur une bande de deux octaves : < DRF - +
L'objet de l'invention est de proposer un dispositif de déphasage haute fréquence n'utilisant pas de déphaseur.In principle, hybrid couplers with coupled lines, ring or square hybrid couplers or transformers can be used interchangeably. The bandwidth of the phase shifters thus constituted is limited by the use of a coupler: these devices are typically narrow-band, or work best on a band of two octaves: <DRF - +
The object of the invention is to propose a high-frequency phase-shifting device that does not use a phase-shifter.

Exposé de l'invention
La présente invention concerne un déphaseur haute fréquence comprenant
- un premier mélangeur de fréquence recevant d'une part le signal d'entrée et d'autre part un signal provenant d'un oscillateur local
- un premier filtre passe-bande et une ligne à retard disposés en série à la sortie du premier mélangeur
- un second mélangeur de fréquence recevant d'une part le signal de sortie de l'ensemble filtre et ligne à retard et d'autre part un signal provenant d'un oscillateur local
- un second filtre passe-bande disposé en sortie du second mélangeur et délivrant le signal de sortie.Presentation of the invention
The present invention relates to a high frequency phase shifter comprising
a first frequency mixer receiving, on the one hand, the input signal and, on the other hand, a signal originating from a local oscillator
a first bandpass filter and a delay line arranged in series at the output of the first mixer
a second frequency mixer receiving, on the one hand, the output signal of the filter and delay line assembly and, on the other hand, a signal originating from a local oscillator
a second band-pass filter disposed at the output of the second mixer and delivering the output signal.

Le dispositif ainsi décrit est simple de conception car il assure un déphasage continu sans utiliser de déphaseur. De plus la bande de fréquence nécessaire à l'oscillateur local est d'autant plus réduite que le retard T est plus grand. The device thus described is simple in design because it ensures a continuous phase shift without using a phase-shifter. In addition, the frequency band required by the local oscillator is smaller the more the delay T is greater.

Le dispositif doit fonctionner à fréquence intermédiaire élevée pour éviter les repliements de spectre sur la bande de base. Ceci revient à imposer la condition : OOL > 2ORFX O0L étant la fréquence de l'oscillateur local et o"X étant la fréquence maximum de fonctionnement. The device must operate at high intermediate frequency to avoid spectrum foldbacks on the baseband. This amounts to imposing the condition: OOL> 2ORFX O0L being the frequency of the local oscillator and o "X being the maximum operating frequency.

De plus, la bande passante des mélangeurs doit être limitée, afin que les raies de rang harmonique élevé s'atténuent rapidement. In addition, the bandwidth of the mixers must be limited, so that the lines of high harmonic rank attenuate rapidly.

Brève description des dessins
- La figure 1 illustre un déphaseur 0 à 90" à modulateur vectoriel
- la figure 2 illustre un déphaseur 0 à 360" par modulateur vectoriel
- la figure 3 illustre un déphaseur 0 à 900 à diodes varicap
- la figure 4 illustre le dispositif de l'invention ;
- les figures 5A, 5B et 5C illustrent le diagramme fréquentiel de la transposition haute, respectivement le spectre en fréquence, le gabarit du filtre en fréquence intermédiaire et le spectre en fréquence intermédiaire (transposition haute) en sortie du filtre
- la figure 6 illustre le déphasage relatif entrée/sortie en fonction du décalage en fréquence de l'oscillateur local, référencé à la phase de la fréquence centrale de l'oscillateur local.Brief description of the drawings
- Figure 1 illustrates a 0 to 90 "phase shifter with vector modulator
FIG. 2 illustrates a phase shifter 0 to 360 "by vector modulator
FIG. 3 illustrates a phase shifter 0 to 900 with varicap diodes
FIG. 4 illustrates the device of the invention;
FIGS. 5A, 5B and 5C illustrate the frequency diagram of the high transposition, respectively the frequency spectrum, the template of the intermediate frequency filter and the intermediate frequency spectrum (high transposition) at the output of the filter
FIG. 6 illustrates the input / output relative phase shift as a function of the frequency offset of the local oscillator, referenced to the phase of the central frequency of the local oscillator.

Exposé détaillé de modes de réalisation
Le déphaseur haute fréquence, illustré sur la figure 4, comprend
- un premier mélangeur de fréquence 20 recevant d'une part le signal d'entrée E et d'autre part un signal OL provenant d'un oscillateur local 21
- un premier filtre passe-bande 22 et une ligne à retard 23 disposés en série à la sortie du premier mélangeur 20
- un second mélangeur de fréquence 24 recevant d'une part le signal de sortie de ltensemble premier filtre passe-bande 22 et ligne à retard 23 et d'autre part un signal provenant de l'oscillateur local 21 ;
- un second filtre passe-bande 25 disposé en sortie du second mélangeur 24 et délivrant le signal de sortie S.Detailed presentation of embodiments
The high frequency phase shifter, shown in FIG.
a first frequency mixer receiving on the one hand the input signal E and on the other hand a signal OL coming from a local oscillator
a first bandpass filter 22 and a delay line 23 arranged in series at the output of the first mixer 20
a second frequency mixer 24 receiving on the one hand the output signal of the first bandpass filter 22 and the delay line 23 and, on the other hand, a signal coming from the local oscillator 21;
a second band-pass filter 25 placed at the output of the second mixer 24 and delivering the output signal S.

Dans le dispositif de l'invention on n'utilise pas de déphaseur ; le déphasage entrée/sortie est induit par la variation de fréquence de l'oscillateur local 21, sur une ligne à retard 23. In the device of the invention, no phase shifter is used; the input / output phase shift is induced by the frequency variation of the local oscillator 21, on a delay line 23.

Les différents filtres 22 et 25 revêtent une importance particulière, car leur spécification permet de définir les performances du déphaseur en terme de bande passante et de pureté spectrale. The various filters 22 and 25 are of particular importance because their specification makes it possible to define the performance of the phase-shifter in terms of bandwidth and spectral purity.

Le premier mélangeur 20 génère au premier ordre le produit suivant sin[#RFt]xsin[#OLt]- > cos[(#OL-#RF)t]-cos[(#OL+#RF)t] composé du battement de deux signaux aux fréquences #OL+#RF et #OL-#RF. The first mixer 20 generates at first order the following product sin [#RFt] xsin [#OLt] -> cos [(# OL- # RF) t] -cos [(# OL + # RF) t] composed of the beat of two signals at frequencies # OL + # RF and # OL- # RF.

Le filtre passe-bande en fréquence intermédiaire permet la sélection de la transposition haute cos[(#OL-#RF)t]-cos[#RF+#OL)t]- > COS[#RF+#OL)t] par la suppression (diminution) de la bande image en transposition basse. Il permet, en outre, de limiter les fuites de l'oscillateur local et en bande de base, ainsi que le niveau des bandes indésirées de rang harmonique élevé. The intermediate frequency band pass filter allows selection of the high cos [(# OL- # RF) t] -cos [# RF + # OL] t] -> COS [# RF + # OL] t transposition by deletion. (decrease) of the image band in low transposition. It also makes it possible to limit the leakage of the local oscillator and in baseband, as well as the level of undesired bands of high harmonic rank.

Pour un fonctionnement du déphaseur dans la bande de base

le filtre en fréquence intermédiaire est défini dans la bande

For operation of the phase shifter in the baseband

the intermediate frequency filter is defined in the band

Le contenu fréquentiel de la transposition haute est donné sur les figures 5A, 5B et 5C, qui illustrent des courbes de l'intensité en unités arbitraires en fonction de la fréquence en unités arbitraires. The frequency content of the high transposition is given in FIGS. 5A, 5B and 5C, which illustrate intensity curves in arbitrary units as a function of frequency in arbitrary units.

Sur la figure 5A on a le spectre en fréquence, tel que
RF = bande de base,
OL = oscillateur local,
OL+RF = transposition haute,
OL-RF = transposition basse.FIG. 5A shows the frequency spectrum, such that
RF = baseband,
OL = local oscillator,
OL + RF = high transposition,
OL-RF = low transposition.

La figure 5B illustre le gabarit du filtre en fréquence intermédiaire. Figure 5B illustrates the template of the intermediate frequency filter.

La figure 5C illustre le spectre en fréquence intermédiaire (transposition haute), en sortie du filtre. FIG. 5C illustrates the intermediate frequency spectrum (high transposition) at the output of the filter.

Le filtre de sortie 25 conserve la transposition basse (retour en bande de base) et supprime en outre les bandes parasites. The output filter 25 keeps the transposition low (return to baseband) and also suppresses the parasitic bands.

Entrée E : sin[#RFt]
Premier mélange de fréquence 20 sin[#RFt]xsin[#OLt]- > COS[(#OL-#RF)t]-cost[(#OL+#RF)t]
Filtre passe-bande en fréquence intermédiaire 22 cos[(#OL-#RF)t]-cos[(#OL+#RF)t}- > cos[(#OL+#RF)t]
Ligne à retard 23 cos[(#OL+#RF)t]- > COS[(#OL+#RF)(t-#)]
Second mélange de fréquence 24 cos[(#OL+#RF)(t-#)]xsin(#OLt)- > sin[(#RF+2#OL)t-(#OL+#RF)#]
-sin[(#RFt-(#RF+#OL)#]
Filtre passe-bande de sortie 25
sin[(RF+2(ooL)t-(#OL+#RF)#]-sin[(#RFt-(#RF+#OL)#]- >
sin[(#RFt-(#RF+#OL)#]
Pour une fréquence RF donnée, le déphasage entre signal de sortie et signal d'entrée vaut çS/E =-(#RF+#OL)#. Input E: sin [#RFt]
First frequency mixing 20 sin [#RFt] xsin [#OLt] -> COS [(# OL- # RF) t] -cost [(# OL + # RF) t]
Intermediate frequency band pass filter 22 cos [(# OL- # RF) t] -cos [(# OL + # RF) t} -> cos [(# OL + # RF) t]
Delay line 23 cos [(# OL + # RF) t] -> COS [(# OL + # RF) (t- #)]
Second frequency mix 24 cos [(# OL + # RF) (t - #)] xsin (#OLt) -> sin [(# RF + 2 # OL) t - (# OL + # RF) #]
-sin [(# RFt - (RF + # # OL) #]
Output Bandpass Filter 25
sin [(RF + 2 (ooL) t - (# OL + # RF) #] - sin [(# RFt - (# RF + # OL) #] ->
sin [(# RFt - (RF + # # OL) #]
For a given RF frequency, the phase difference between the output signal and the input signal is çS / E = - (# RF + # OL) #.

I1 est possible de faire varier ce déphasage en faisant varier la fréquence de l'oscillateur local. Le déphasage résultant (p = C)OL est directement proportionnel à la variation de fréquence de l'oscillateur local. It is possible to vary this phase difference by varying the frequency of the local oscillator. The resulting phase shift (p = C) OL is directly proportional to the frequency variation of the local oscillator.

La figure 6 représente, sur une décade (3,3 octaves) de fréquence RF, le déphasage sortie/entrée ## [S/E] (O) mesuré expérimentalement sur les voies RF en fonction du décalage en fréquence de l'oscillateur local #f(MHz). FIG. 6 represents, over a decade (3.3 octaves) of RF frequency, the output / input phase shift ## [S / E] (O) measured experimentally on the RF channels as a function of the frequency offset of the local oscillator #f (MHz).

On observe que pour les fréquences 2f, 2,5f et 10f, le déphasage est pratiquement proportionnel au décalage en fréquence avec ## # -###OL. It is observed that for the frequencies 2f, 2.5f and 10f, the phase shift is practically proportional to the frequency offset with ## # - ### OL.

Les résultats obtenus sont complètement en accord avec la prévision : on obtient un déphasage de 2 s lorsque la fréquence varie d'environ 100 MHz dans une ligne à retard de valeur longs. The results obtained are completely in agreement with the prediction: a phase shift of 2 s is obtained when the frequency varies from approximately 100 MHz in a long delay line.

Claims

1. High frequency phase shifter, characterized in that it comprises

- a first frequency mixer (20) receiving on the one hand the input signal (E) and on the other hand a signal from a local oscillator (21);

a first band-pass filter (22) and a delay line (23) arranged in series at the output of the first mixer (20)

a second frequency mixer receiving on the one hand the output signal of the first bandpass filter (22) and delay line (23) and on the other hand a signal originating from the local oscillator; (21)

a second bandpass filter (25) arranged at the output of the second mixer (24) and delivering the output signal (S)

2. Phase shifter according to claim 1, characterized in that the following relationship is

COOL> 2ORaX COOL being the frequency of the oscillator

max local and #RF the maximum operating frequency.