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L9invention se rapporte au filtrage hyper-
fréquence. La fonction de filtrage hyperfréquence est déli-
cate etcoûteuse 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 hyperfréquences à 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
microélectroniques sur des substrats divers. Les filtres
réalisés selon ces technologies sont plus faciles à fa-
briquer 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 hyperErequence réglable et performant, et
qui soit en même temps Eacile à réaliser et peu coûteux.
Suivant l'invention, un filtre actif hyper-
fréquence 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 ayant une entrée reliée à la sortie de l'oscilla-
teur et une autre entrée reliée à un générateur local, et un
comparateur de phase recevant un siynal modulé angulairement
et un signal issu du mélangeur ayant respectivement des
fréquences porteuses égales ou décalées, le comparateur
comportant une sortie 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.
. . - 1 -
:~2Z75~
L'invention sera mieux comprise et d'autres
caractéristiques apparaitront à l'aide de la description non
limitative qui suit d'un mode de réalisation préféré de
celle-ci, donnée avec référence aux figures annexées dans
S lesquelle5:
/
t - la -
~7~
- 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 iiltre 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 avancee, mais des circuits actifs qui, du fait de leur faible
10 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, p2r exemple celle de l'oscillateur commandé en
tension
En conséquence, I'oscillateur commandé en tension peut recopier
fidelement toute modulation, à l'intérieur de la bande de la boucle,
appliquée à son entrée de cornmande. 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
25 modulation issu du cornparateur 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 frequence centrale. Le signal hyperfréquence modulé
30 et filtré apparaît alors en sortie de l'oscillateur commandé en tension. En
effet la fonction de transfert du pole prépondérant de l'amplificateur de
boucle est directement iiée au spectre de fréquence issu de l'oscillateur
commandé en tension asservi sur une référence. Ainsi le filtrage passe-
bande réalisé antérieurement en hyperfréquence es remplacé par un
35 filtrage passe-bas en bande de base reporté sur le signal hyperfréquence
4~3
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
5 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
suff isante.
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 peu
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
15 générateur local ~2, synthé~æ~ou oscillateur local, ayant une fréquence
FL telle que Fo - FL = FR~ FR étant la fréquence porteuse d'un signal à
fréquence intermédiaire modulé, issu par exemple des étages à fréquence
intermédiaire d'un emetteur. Ce mélangeur fournit un signal de battement
a la fréquence FlR appliqué à la première entrée d'un comparateur de
20 phase 13~ La seconde entrée du comparateur 13 reçoit le signal à
fréquence intermédiaire modulé F~;~M, 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
ampllficateur 14 suivl d'un filtre de boucle en bande de base 15, passif ou
25 actif, qui soumet le signal de modulation à son action. La sortie du filtre
15 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 2ème ordre, et si Ko
est la pente en MHz par volt de l'oscillateur commandé en tension, et Kd
30 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 Ko et Kd et de la fonction de transfert du filtre passe-
y` bas en bande de base 15. En particulier sa transmittance a des pentes à
12 dB/octave comme celle du liltre passe-bas du 2èMe ordre de la boucle.
"..-
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La figure 2 représente la fonction de filtrage en bande de base de
la boucle de phase associée à l'oscillateur cornmandé en tension. La
fréquence de coupure FC peut être de l'ordre de 50 MHz, la pente étant
égale à -12 da/octave.
La figure 3 représente en trait plein un exemple de spectre d'une
onde modulée par variation de phase continue par un signal numérigue,
centré sur sa fréquence porteuse FR. Sur cette môme figure 3 a été
représentée, en pointillés, I'action de filtrage par la boucle de phase sur le
signal de sortie de l'oscillateur cs)mmandé en tension centrée sur la
10 fréquence porteuse de l'oscillateur 10, Fox c'est-à-dire la bande du filtrage hyperfrequence.
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 dBloctave. Le second mode de réalisation du
filtre hyperEréquence selon l'invention représenté sur la flgure 4 est un
filtre hyperfréquence à 4 pôles. Les mêmes éléments que sur la figure 1
20 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
25 re modulé en phase. La sortie de ce comparateur est reliée via l'amplifi-
cateur de boucle 14 eu le filtre 15 à l'en~rée de commande de l'oscillateur
cQmmandé 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
30 le signal de sortie de l'oscillateur 10 transposé en fréquence est appliqué àune entrée d'un second comparateur de phase 23 inséré dans une seconde
boucle de phase, semblable à I première, associée à un second oscillateur
commandé en tension 2û. Le mélangeur 21 de cette boucle de phase reçoit
le signal d'oscillation locale du même synthétiseur 12, et transpose à la
y; 35 fréquence FR le signal de sortie de l'oscillateur 20, ce signal transposé
....
~Z~7~9L1~3
étant appllqué à l'autre entrée du second comparateur de phase 23. De la
même manière 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
5 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
pente de la transmittance du filtre hyperfréquence ainsi réalisé aux
fréquences de coupure, le signal de sortie de l'oscillateur commandé en
10 tension 20 étant centré à la fréquence Fox ayant une bande égale à la
bande de la boucle de phase rapide, et coupant avec une pente à 24 dB par
octave.
En ajoutant un troisième oscilla~eur commandé en tension associé
à une boucle de phase semblable, les entrées du comparateur de phase
15 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 l'oscillateur commandé en tension et est
Jo indépendante de la fréquence centrale Fo du filtre hyperfréquence déter-
minée par l'osclllateur commandé en tension; cet oscillateur peut aussi
bien déllvrer des ondes décimétriques (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
25 temps de retard de groupe, et l'ondulation dépendent essentiellernent des
limitations technologiques introduites par la réalisation de l'amplificateur
et filtre de boucle 14, 15 (24, 25),de l'oscillateur commandé en tension 10
(20),du mélangeur de fréquences 11 (21)tet du compara~eur de phase 13
(23). Si l'oscillateur commandé en tenslon a une grande bande d'accord, sa
30 fréquence de coupure n'intervient pas comme pôle supplémentaire dans la
fonction de transfert de la boucle, le seul p81e utile- étant le p81e
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 ~ansposition de la boucleO Ce filtre
y` 35 hyperfréquence peut donc être un filtre agile en fréquence par décalage
:
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de la fréguence issue du synthétiseur. Le signal de sortie du comparateur
de phase est alors le signal modulé auquel est superposée une composante
constante caractéristique du decalage ~Fo souhaité pour la fréquence
centrale Fo 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
10 adaptés à l'émission, il peu 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 téléphonle.
Mais un tel filtre hyperfréquence est également utilisable en
15 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 Fo et le synthétiseur 12 une fréquençe locale FL telles que
la fréquence résultant du battement de Fo et FL soit égale à la fréquence
reçue. Le signal de modulation filtré par la boucle de phase associée à
20 I'oscillateur commandé en tension est prélevé dans ce cas à la sortie du
filtre 15. Bien entendu, du fait que le cornparateur 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-
25 tion avec un amplificateur à faible bruit placé en amont du comparateurde phase et ayant un gain suffisant pour masquer les facteurs de bruit du
comparateur de ,ohase et du mélangeur.
- Comme indiyué ci-dessus, un filtre hyperfréquence de ce type
nécessite une boucle de phase rapide, c'est-à-dire un oscillateur comman-
30 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
35 un train numérique de 2 fois 34 Mbits est d'environ de 40 MHz. Les
'
:,
:
~'7~
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 dû la boucle est de l'ordre de 100 M Hz, et donc largement
suffisante pour les applications envisagées ci-dessus.
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