FR3013536A1

FR3013536A1 - Limiteur de puissance radiofrequence ameliore; chaine d'emission et/ou de reception radiofrequence et etage d'amplification faible bruit associes

Info

Publication number: FR3013536A1
Application number: FR1302646A
Authority: FR
Inventors: Jean Philippe Plaze; Vincent Petit; Guy Benoit Mallet
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2013-11-18
Filing date: 2013-11-18
Publication date: 2015-05-22
Anticipated expiration: 2033-11-18
Also published as: WO2015071495A1; US9755586B2; FR3013536B1; US20160294335A1; EP3072234A1

Abstract

Ce limiteur de puissance radiofréquence (300) comporte au moins un transistor (T1, T2, T3, T4), un drain (D) du ou de chaque transistor étant connecté directement à une maille reliant une entrée (E) et une sortie (S) du limiteur, une source (S) du ou de chaque transistor étant connectée à un potentiel de référence commun, et une grille (G) du ou de chaque transistor étant connectée à un potentiel de commande (Voff) commun, le ou chaque transistor étant non polarisé entre son drain et sa source au cours du fonctionnement du limiteur.

Description

Limiteur de puissance radiofréquence amélioré ; Chaîne d'émission ettou de réception radiofréquence et étage d'amplification faible bruit associés La présente invention est relative aux limiteurs de puissance radiofréquence (RF dans ce qui suit). Comme représenté schématiquement sur la figure 1, un limiteur 10 est généralement utilisé dans une chaîne de réception 1, en aval d'une antenne 20 de réception RF et en amont d'un étage d'amplification 30 et d'un étage de traitement 40. L'étage d'amplification 30 comporte, en entrée, un amplificateur faible bruit 32, dit LNA (selon l'acronyme anglais « Low Noise Amplifier »). La fonction du limiteur est de protéger l'amplificateur LNA des signaux de forte puissance, reçus par l'antenne. Un tel limiteur est également utilisé en aval d'un amplificateur LNA robuste aux signaux de forte puissance, afin de protéger la partie aval de la chaîne de réception, par exemple des composants de l'étage de traitement qui seraient sensibles à des niveau de puissance trop élevés, tels que des codeurs. Plus généralement, un tel limiteur est utilisé dans toute chaîne d'émission/réception RF nécessitant, en un point ou en un autre, une limitation du niveau de la puissance maximum délivrée en entrée d'un composant sensible. Actuellement, les limiteurs sont généralement réalisés à partir de diode PIN, car celles-ci offrent une bonne tenue en puissance. Selon un premier mode de réalisation d'un limiteur de l'état de la technique, les diodes PIN sont placées dans une configuration « tête-bêche ». Sur la figure 2, le limiteur 100 comporte deux paires de diodes 102, 104 et 112, 114, les diodes de chaque paire étant placées tête-bêche. Une telle configuration permet d'écrêter la demi-alternance positive et la demi-alternance négative d'un signal d'entrée, au-delà d'un seuil PO de puissance. Selon un second mode de réalisation d'un limiteur de l'état de la technique, les diodes PIN sont placées en parallèle. Sur la figure 3, le limiteur 200 comporte trois diodes 202, 204, 206 en parallèle. Une telle configuration permet d'écrêter le signal d'entrée à partir d'un seuil PO de puissance. Le seuil PO de déclenchement du limiteur est principalement lié au type de diodes PIN utilisées et à leurs caractéristiques en courant continu (DC). Par exemple, sur la figure 4 représentant la puissance de sortie Pout du limiteur 100 en fonction de la puissance d'entrée Pin, le seuil PO est d'environ 14,75 dBm.

Cependant, le seuil PO ne peut pas être réglé. Cette absence de « reconfigurabilité » d'un limiteur ne permet pas de produire un limiteur « standard » et de l'utiliser dans différentes applications, fonctionnant dans la même bande passante. L'invention a donc pour but de pallier le problème précité, notamment en proposant un limiteur reconfigurable. Pour cela, l'invention a pour objet un limiteur de puissance radiofréquence, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un transistor, un drain du ou de chaque transistor étant connecté directement à une maille reliant une entrée et une sortie du limiteur, une source du ou de chaque transistor étant connectée à un potentiel de référence commun, et une grille du ou de chaque transistor étant connectée à un potentiel de commande commun, le ou chaque transistor étant non polarisé entre son drain et sa source au cours du fonctionnement du limiteur. Suivant des modes particuliers de réalisation, le limiteur comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - il comporte au moins des premier et second transistors, et dans lequel la maille reliant l'entrée et la sortie du limiteur comporte, entre les noeuds de connexion des drains des premier et second transistors, une inductance intermédiaire ; - la maille reliant l'entrée à la sortie du limiteur comporte une inductance d'entrée entre l'entrée du limiteur et un noeud de connexion du drain d'un transistor amont, et/ou une inductance de sortie entre un noeud de connexion du drain d'un transistor aval parmi ledit au moins un transistor et la sortie du limiteur ; - la grille du ou de chaque transistor est connectée au potentiel de commande (Voff) commun, par l'intermédiaire d'une résistance de protection ; - le drain du ou de chaque transistor est connecté directement à la maille reliant l'entrée et la sortie du limiteur ; - la source du ou de chaque transistor est connectée directement au potentiel de référence ; - le potentiel de commande correspond à une première borne d'une source de tension, l'autre borne de la source de tension étant connectée audit potentiel de référence ; - la source de tension est commandée par un signal de commande adapté ; - le ou chaque transistor est un transistor à effet de champ ; - un équivalent électrique dans une zone de fonctionnement faible puissance est donné par une ligne de transmission ; - il est réalisé dans une technologie de puissance, notamment une technologie à base de Nitrure de Gallium. L'invention a également pour objet un composant du type amplificateur faible bruit, caractérisé en ce qu'il intègre un limiteur tel que défini ci-dessus.

L'invention concerne encore une chaîne d'émission ou de réception de signaux radiofréquences, caractérisée en ce qu'elle comporte un limiteur tel que défini ci-dessus. L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation, donnée uniquement à titre illustratif et non limitatif, et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels : La figure 1 représente schématiquement un chaîne de réception RF; La figure 2 est un schéma de principe d'un limiteur à diodes tête-bêche selon l'état de la technique ; La figure 3 est un schéma de principe d'un limiteur à diodes en parallèle selon l'état de la technique ; La figure 4 est un graphe représentant la puissance de sortie en fonction de la puissance d'entrée à 10 GHz pour le limiteur à diodes tête-bêche de la figure 2, La figure 5 est un schéma de principe d'un limiteur à FET froids en technologie GaN selon l'invention ; La figure 6 est un schéma équivalent du limiteur de la figure 5 dans une zone de fonctionnement linéaire ; La figure 7 est un graphe de la réponse en transmission du limiteur de la figure 5 dans une zone de fonctionnement linéaire ; La figure 8 est un graphe des coefficients de réflexion en entrée et en sortie du limiteur de la figure 5 dans une zone de fonctionnement linéaire ; La figure 9 est un graphe du gain en fonction de la puissance d'entrée pour une fréquence de 10 GHz pour différentes valeurs du potentiel de commande du limiteur de la figure 5 ; et, La figure 10 est un graphe de la puissance de sortie en fonction de la puissance d'entrée pour une fréquence de 10 GHz pour différentes valeurs du potentiel de commande du limiteur de la figure 5. Un mode de réalisation préférentiel d'un limiteur de puissance radiofréquence selon l'invention va être présenté en référence à la figure 5. Sur cette figure, le limiteur de puissance RF 300 est réalisé à partir d'une pluralité de transistors Ti.

Il s'agit de préférence de transistors à effet de champ FET (pour « Field Effect Transistor » en anglais). Si un autre type de transistor est utilisé, la correspondance entre source, drain et grille d'un transistor FET vers les bornes correspondantes de cet autre type de transistor est évidente pour l'homme du métier.

Sur la figure 5, le limiteur 300 comporte quatre transistors Ti identiques entre eux. Les transistors sont placés en parallèle entre l'entrée E et la sortie S du limiteur 300. Plus précisément, la maille reliant l'entrée E à la sortie S comporte des premier, second, troisième et quatrième noeuds, Ni.

Le drain D du ième transistor Ti est connecté au ième noeud Ni, tandis que la source S du ième transistor Ti est connectée à un potentiel de référence, par exemple à la masse. Les transistors Ti sont dit froids, c'est à dire qu'ils ne sont pas polarisés entre leur drain D et leur source S au cours du fonctionnement du limiteur 300. Le limiteur 300 comporte également une pluralité d'inductances Li (aussi dénommées self-inductances). Elles sont placées en série, les unes par rapport aux autres, dans la maille reliant l'entrée E à la sortie S. Sur la figure 5, cinq inductances Li sont utilisées : la première Ll entre l'entrée E et le premier noeud Ni ; la seconde L2, entre le premier noeud Ni et le second noeud N2 ; la troisième L3, entre le second noeud N2 et le troisième noeud N3; la quatrième L4, entre le troisième noeud N3 et le quatrième noeud N4 ; et la cinquième L5, entre le quatrième noeud N4 et la sortie S. Les impédances Li ont par exemple la même valeur L. Il est à noter que la présence des première et cinquième inductances Li et L5 est facultative pour tenir compte des fils de câblage connectés à l'entrée E et à la sortie S du limiteur 300, ces fils de câblage pouvant être assimilés à des inductances.

La grille G du ième transistor Ti est connectée, via une résistance de protection Ri, à un potentiel de polarisation (ou tension de commande) Voff. Les résistances Ri ont une valeur identique R. Une source de tension 320 permet d'établir la valeur de la différence de potentiel entre le potentiel de polarisation et le potentiel de référence, c'est-à-dire entre la grille G et la source S de chaque transistor Ti. Dans la zone de fonctionnement linéaire du limiteur 300, le potentiel de polarisation Voff est choisi et appliqué de façon à bloquer les transistors Ti. Ainsi, dans la zone de fonctionnement linéaire du limiteur 300, les transistors Ti, montés en parallèle, sont, en première approximation, équivalents à des capacités Ci.

Les capacités équivalentes Ci sont identiques entre elles.

Ainsi, dans la zone de fonctionnement linéaire du limiteur 300, celui-ci est équivalent à une ligne de transmission. Un tel équivalent électrique du limiteur de la figure 5 est représenté sur la figure 6. Sur la figure 7, la zone de fonctionnement linaire du limiteur 300 est donnée par la plage de fréquences présentant un gain entre 0 et -3dB. La zone de fonctionnement linéaire s'étend jusqu'à une fréquence de coupure fc caractéristique. La fréquence de coupure fc du limiteur est liée aux capacités équivalentes (Ci = C) ainsi qu'aux inductances (Li = L), par la relation fc = Lc. Les inductances (Li = L) sont elles-mêmes choisies en fonction des capacités équivalentes (Ci = C) pour obtenir l'équivalence d'une ligne de transmission d'impédance caractéristique Zc, en utilisant la relation Zc = (Zc étant généralement choisie égale à 50 S)). Le choix du transistor, et par conséquent de sa capacité équivalente, permet donc de définir la fréquence de coupure du limiteur. Un tel limiteur puisqu'il est équivalent à une ligne de transmission permet de limiter les pertes en transmission à l'intérieur de la zone de fonctionnement linéaire du limiteur (c'est-à-dire en dehors de la plage de limitation en puissance, au-dessous du seuil PO). Un tel limiteur présente également une bonne adaptation en puissance en entrée (courbe Cl sur la figure 8) et en sortie (courbe C2 sur la figure 8), sur une gamme de fréquence étendue.

La plage de fonctionnement en puissance du limiteur 300 est réglable à l'aide de la valeur de la tension de commande Voff appliquée par la source de tension 320. Ceci est illustré par les figures 9 et 10, qui présentent respectivement le gain en puissance du limiteur 300 en fonction de la puissance Pin en entrée, ou, pour permettre une comparaison avec la figure 4 de l'art antérieur, la puissance de sortie Fout en fonction de la puissance d'entrée Pin. La figure 9 présente ainsi l'évolution du gain du limiteur 300 en fonction de la puissance d'entrée Pin d'un signal RF à 10 GHz, pour une tension de commande Voff appliquée entre la grille G et la source S des transistors FET froids comprise entre -20 V et -4 V.

La figure 10 présente l'évolution de la puissance RF Fout en sortie du limiteur 300 en fonction de la puissance d'entrée Pin d'un signal RF à 10 GHz, pour une tension de commande Voff appliquée entre la grille G et la source S des transistors FET froids comprise entre -20 V et -4 V. Les pertes à bas niveau de puissance (Pin inférieur à PO) varient très peu en fonction de la tension de commande Voff (de l'ordre de 0,2 dB).

Par contre, la tension de commande Voff permet de faire évoluer le seuil PO de déclenchement du limiteur 300 sur une gamme de valeurs étendue, entre POmin = + 15 dBm (pour Voff = -4 V) et POmax = 39 dBm (pour Voff = -20 V). L'adaptation de la tension délivrée par la source 320 permet ainsi de reconfigurer le limiteur 300 en fonction de son utilisation. Il peut s'agir d'une source de tension fixe, choisie lors de la fabrication de la chaîne de réception, ou d'une source de tension modifiable, en fonction d'un signal de commande adapté. Avantageusement, les diodes à base desquels sont construits les limiteurs de l'art antérieur ne sont pas toujours disponibles dans des technologies de circuits intégrés du type MMIC (selon l'acronyme anglais « Monolithic Microwave Integrated Circuit »). De ce fait, les possibilités d'intégration des limiteurs de l'art antérieur avec d'autres composants réalisés en technologie MMIC (en particulier avec des amplificateurs faible bruit LNA) sont limitées. Au contraire, la solution présentée ci-dessus autorise une intégration en technologie MMIC. Il est donc par exemple possible d'intégrer, sur un même circuit, un limiteur et un amplificateur faible bruit (LNA). Le composant ainsi obtenu permet un gain de place et ainsi de réaliser une chaîne de réception RF présentant une compacité accrue. Le limiteur présenté ci-dessus peut être réalisé dans une technologie de puissance, de préférence une technologie MMIC de puissance. Par exemple, le choix d'une technologie MMIC à base de Nitrure de Gallium (GaN) permet de réaliser un limiteur offrant une bonne tenue en puissance.

Claims

REVENDICATIONS1.- Limiteur de puissance radiofréquence (300), caractérisé en ce qu'il comporte au moins un transistor (Ti, T2, T3, T4), un drain du ou de chaque transistor étant connecté directement à une maille reliant une entrée (E) et une sortie (S) du limiteur, une source du ou de chaque transistor étant connectée à un potentiel de référence commun, et une grille du ou de chaque transistor étant connectée à un potentiel de commande (Voff) commun, le ou chaque transistor étant non polarisé entre son drain et sa source au cours du fonctionnement du limiteur. 10
2.- Limiteur de puissance radiofréquence selon la revendication 1, comportant au moins des premier et second transistors (Ti, Ti+1), et dans lequel la maille reliant l'entrée (E) et la sortie (S) du limiteur (300) comporte, entre les noeuds (Ni, Ni+1) de connexion des drains des premier et second transistors, une inductance (Li) intermédiaire. 15
3.- Limiteur de puissance radiofréquence selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel la maille reliant l'entrée (E) à la sortie (S) du limiteur (300) comporte : - une inductance (L1) d'entrée entre l'entrée du limiteur et un noeud (Ni) de 20 connexion du drain d'un transistor (T1) amont ; et/ou - une inductance (L5) de sortie entre un noeud (N4) de connexion du drain d'un transistor (T4) aval parmi ledit au moins un transistor et la sortie (S) du limiteur. 25
4.- Limiteur de puissance radiofréquence selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la grille du ou de chaque transistor (Ti) est connectée au potentiel de commande (Voff) commun, par l'intermédiaire d'une résistance de protection (Ri). 30
5.- Limiteur de puissance radiofréquence selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le drain du ou de chaque transistor (Ti) est connecté directement à la maille reliant l'entrée (E) et la sortie (S) du limiteur (300).
6.- Limiteur de puissance radiofréquence selon l'une quelconque des 35 revendications précédentes, dans lequel la source du ou de chaque transistor (Ti) est connectée directement au potentiel de référence.
7.- Limiteur de puissance radiofréquence selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le potentiel de commande (Voff) correspond à une première borne d'une source de tension (320), l'autre borne de la source de tension étant connectée audit potentiel de référence.
8.- Limiteur de puissance radiofréquence selon la revendication 7, dans lequel la source de tension est commandée par un signal de commende adapté.
9.- Limiteur de puissance radiofréquence selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le ou chaque transistor (Ti) est un transistor à effet de champ.
10.- Limiteur de puissance radiofréquence selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est réalisé dans une technologie de puissance, notamment une technologie à base de Nitrure de Gallium.
11.- Composant du type amplificateur faible bruit, caractérisé en ce qu'il intègre un limiteur (300) conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 10.
12.- Chaîne (1) d'émission ou de réception de signaux radiofréquences, caractérisée en ce qu'elle comporte un limiteur (300) conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 10.25