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Travaux Pratiques d’électronique Micro-ondes Maîtrise EEA - p 1 -Mélangeur Micr

Travaux Pratiques d’électronique Micro-ondes Maîtrise EEA - p 1 -Mélangeur Micro-ondes Manipulation N°6 : La Transposition de fréquence : Mélangeur micro-ondes Avant Propos : Le sujet comporte deux parties : une partie théorique, jalonnée de questions (dans les cadres), qui doit être préparée avant d’arriver en tp et une partie expérimentale se résumant dans un tableau récapitulatif en fin de sujet. Il sera de plus très fructueux de comprendre les conclusions qui peuvent se dégager de ce tableau en s’appuyant sur la partie théorique. Ce TP porte sur l’étude de la fonction transposition de fréquence qui est réalisée à l’aide du composant que l’on nomme mélangeur (mixer en anglo-saxon). La figure 3 du préambule général aux travaux pratiques montre que la structure d’un récepteur superhétérodyne à double changement de fréquence repose sur l’utilisation de deux mélangeurs. Enfin, les mélangeurs ne servent pas uniquement à la transposition de fréquence on peut retrouver leurs utilisations dans les systèmes suivants : 1. Amplificateur ou atténuateur variable. 2. Modulateur et démodulateur d’amplitude. 3. Démodulateur FM. 4. Modulateur et démodulateur BPSK (Binary Phase Shift Keying) (cf TP 7). 5. Détecteur de phase. 6. Doubleur de fréquence. Définition : La transposition de fréquence consiste à transposer un signal dont le spectre est centré sur une fréquence initiale vers une autre fréquence sans altération de la bande passante. On peut soit transposer le signal vers une fréquence supérieure, on parle alors de conversion supradyne (up conversion en anglo-saxon) ; soit transposer le signal vers une fréquence inférieure, on parle alors de conversion infradyne (down conversion en anglo-saxon) (cf figure 1). Figure 1 : transposition supradyne et infradyne Dans la suite du tp, on traitera la transposition vers une fréquence inférieure. Bien entendu, les principes restent strictement identiques pour les mélangeurs réalisant la transposition vers une fréquence supérieure. Travaux Pratiques d’électronique Micro-ondes Maîtrise EEA - p 2 -Mélangeur Micro-ondes I. Principe de la fonction mélangeur. La figure 2 montre que la transposition de fréquence nécessite l’utilisation d’un mélangeur, dont nous verrons le principe au paragraphe suivant, et d’un oscillateur local. Dans ce système l’entrée est usuellement notée RF (pour signal Radio Fréquence) : c’est le signal initial à haute fréquence et la sortie se nomme FI (pour signal à Fréquence Intermédiaire) : c’est le signal transposé vers une fréquence inférieure. Comme nous le verrons dans le prochain paragraphe : le signal issu de l’Oscillateur Local (noté OL) a une fréquence égale à la différence (ou la somme) des fréquences des signaux RF et FI. Figure 2 : Transposition de fréquence = mélangeur + Oscillateur local 1. Le mélangeur idéal : le multiplieur. Le mélangeur idéal est en fait un multiplieur dont les entrées sont connectées aux signaux RF et OL et dont la sortie est le signal FI. L’utilisation simple de formules de trigonométrie permet de se rendre compte rapidement de la transposition de fréquence, comme le montre la figure 3. Figure 3 : un mélangeur est un multiplieur Travaux Pratiques d’électronique Micro-ondes Maîtrise EEA - p 3 -Mélangeur Micro-ondes On récupère au niveau de la sortie FI un signal constitué deux raies spectrales de fréquence : • FFI down=FRF-FOL : c’est la raie désirée. • FFI up=FRF+FOL. : c’est une raie indésirable qu’il conviendra de filtrer. Note : dans le cas d’une transposition vers une fréquence supérieure : la raie désirable est à la fréquence : FFI up=FRF+FOL et la raie à filtrer est à la fréquence : FFI down=FRF-FOL. Les multiplieurs sont réalisés à l’aide de la structure de Gilbert (figure 4) du nom de son inventeur (Barrie Gilbert). Les structures de Gilbert en version circuit intégré peuvent fonctionner jusqu’à quelques centaines de MHz voire 1 ou 2 GHz suivant la technologie considérée et peuvent donc ne pas convenir pour les applications micro-ondes. Figure 4 : Cellule de Gilbert 2. La fréquence image : Outre la raie indésirable qu’il est nécessaire de filtrer en sortie (FFI up=FRF+FOL dans le cas d’une « down conversion »), l’utilisation de mélangeur nécessite la mise en œuvre d’un filtre en entrée qui a pour fonction l’élimination d’un signal potentiellement présent (ce peut être du bruit) à une certaine fréquence que l’on nomme fréquence image (notée : fim). En effet, la figure 5 résume la transposition de fréquence précédemment étudiée et montre qu’un signal à une fréquence telle Fim=FRF-2FFI se transpose à la fréquence FFI venant perturber le signal utile résultant de la transposition du signal RF. Cette raie spectrale à la fréquence Fim peut être simplement du bruit (de faible puissance donc perturbant faiblement) ou plus dangereusement un signal de forte puissance (donc totalement parasitant le signal utile) correspondant à une des nombreuses applications hertziennes existantes. Travaux Pratiques d’électronique Micro-ondes Maîtrise EEA - p 4 -Mélangeur Micro-ondes Figure 5 : Effet néfaste de la fréquence image Idéalement, la fréquence intermédiaire doit être la plus basse possible afin que tous les étages situés en aval de la chaîne de transmission fonctionnent à basse fréquence, limitant ainsi les effets néfastes qui apparaissent en hautes fréquences (diminution du gain, augmentation du bruit, …). Un compromis apparaît cependant car plus cette fréquence est basse est plus l’écart entre FRF et Fim se resserre imposant un filtre de fréquence image très sélectif donc difficile (voire impossible) à réaliser. II. Principe des mélangeur micro-ondes. Pour les applications micro-ondes, la cellule de Gilbert ne peut parfais pas convenir, il faut alors trouver un moyen de réaliser la multiplication entre les signaux RF et OL d’une autre façon. Figure 6 : mélangeur à non-linéarité Travaux Pratiques d’électronique Micro-ondes Maîtrise EEA - p 5 -Mélangeur Micro-ondes La solution est d’utiliser un composant non-linéaire excité par la somme des signaux RF et OL. La figure 6 expose le détail mathématique, en considérant un développement en série de la non-linéarité. Le terme important (souligné en gris) est issu du monôme de degré 2 du développement en série de la non-linéarité, ce terme conduit en fait au produit des signaux RF et OL donc à la transposition désirée. Malheureusement, d’autres raies spectrales (indésirables) sont aussi générées : des harmoniques OL : Fol, 2Fol, … ; des harmoniques RF : Frf, 2Frf, … Le spectre résultant est présenté en figure 7. Question 1 : quelle est alors l’expression de la non-linéarité idéale pour réaliser un bon mélangeur maximisant la raie FI tout en minimisant les autres raies ? Figure 7 : spectre en sortie de la non-linéarité Remarque : Si l’on tient compte dans les calculs du monôme du 3ième degré dans le développement en série, on s’aperçoit de l’apparition en sortie des raies du type : 2.Fol+.Frf , 2.Fol- .Frf, 2.Frf+.Fol, 2.Frf -.Fol : ces raies sont appelées produits d’intermodulation d’ordre 3 car elles sont issues du 3ième degré de la non-linéarité. D’une manière générale, le monôme de degré K du développement en série d’une non-linéarité génère les produits d’intermodulation suivant : +/-m.Frf+/-n.Fol avec m+n=K. III. Réalisations de mélangeur micro-ondes. 1. Mélangeur à 1 diode. La réalisation basique d’un mélangeur micro-ondes est présentée en figure 8. La diode réalise la fonction non-linéaire. Il s’agit, bien entendu d’une diode fonctionnant dans le domaine micro-ondes (type Schottky dont on a aucune difficulté à trouver dans le commerce et qui fonctionnent jusqu'à 10-12 GHz) Travaux Pratiques d’électronique Micro-ondes Maîtrise EEA - p 6 -Mélangeur Micro-ondes Figure 8 : mélangeur de base à 1 diode Etude du mélangeur figure 8 : Lorsque le signal RF est de faible puissance ( inférieure à –20 dBm) il est possible de négliger les termes RF2, RF3,… Par contre, le signal de pompe OL est lui toujours de forte puissance. Question 2 : En considérant la non-linéarité suivante : s=a1e+a2e2+a3e3 avec e=RF+OL, exprimer la sortie s en fonction de RF et Oln, en négligeant RF2 et RF3. En considérant que RF=Arf cos(ωrf+Φ) et OL=Aol cos(ωol), tracer l’allure du spectre du signal de sortie s avec Fol=970 MHz et Frf=900 MHz ( Aol > Arf choisis arbitrairement ). Les signaux parasites peuvent être, en partie, filtrés par une ligne λol/4 en circuit ouvert en sortie. Ce filtre court-circuite les signaux aux voisinages des fréquences fol , 3fol,5fol,… La figure 9 montre une telle réalisation. Cette figure introduit aussi un combineur RF-OL nécessaire pour réaliser la somme des deux signaux RF et OL. Figure 9 : mélangeur 1 diode avec filtrage Remarque : vis à vis du signal OL la ligne λol/4 se comporte comme un court-circuit. La tension de pompage ( on parle de pompage car l’amplitude du signal OL doit suffisamment importante pour « balayer » la non-linéarité de la diode) est alors entièrement appliquée à la diode maximisant ainsi les phénomènes de conversion. Travaux Pratiques d’électronique Micro-ondes Maîtrise EEA - p 7 -Mélangeur Micro-ondes Question 3 : un mélangeur réalisé à l’aide de 2 diodes têtes bêches, est-il un bon mélangeur ? Figure 10 : Mélangeur à 2 diodes têtes bêches Indice : tracer l’allure de la non linéarité résultante v(i) des deux diodes têtes bêches. En déduire les simplifications sur le développement en série de cette non-linéarité : uploads/Litterature/ tp-meea-melangeurs.pdf