FR2784234A1 - Coupleur hyperfrequence pour circuit integre monolithique - Google Patents
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Abstract
Coupleur hyperfréquence coplanaire, actif et équilibré pour circuit intégré monolithique MMIC, comportant des transistors FET dotés d'électrodes métalliques de grille, de source et de drain intégrées à des éléments métalliques plans coplanaires (3, 4, 4', 4 ", 5, 5') combinés pour constituer les accès d'entrée et de sortie du coupleur. L'ensemble de ces accès est constitué par une association comprenant une ou des lignes à rubans coplanaires CPS et un ou des guides d'onde coplanaires CPW.
Description
Coupleur hyperfréquence pour circuit intégré monolithique L'invention
concerne un coupleur hyperfréquence coplanaire et plus particulièrement un coupleur hyperfréquence coplanaire, actif et équilibré, destiné à être incorporé dans un circuit intégré monolithique,dit MMIC (Monolithic microwave integrated circuit). Les coupleurs hyperfréquence actifs, de type combineur ou diviseur, incorporés dans les circuits intégrés monolithiques réalisés en technologie MMIC
avaient pour inconvénient d'être relativement encombrants et d'intégration délicate.
Une première amélioration a été obtenue avec les coupleurs actifs, désignés par l'abréviation anglaise LUFET (Line-Unified Field-Effect Transistors) qui mettent en oeuvre des transistors à effet de champ FET dont les accès sont unifiés à des interconnexions uniplanaires. De tels coupleurs sont notamment décrits dans le document intitulé " Divider and Combiner Line-Unified FETs as basic circuit function
modules" publié en septembre 1990 par T. TOKUMITSU & ai, dans les pages 1210-
1226 du volume 38, n 9 de IEEE MTT.
L'unification des accès pour les transistors permet de tirer profit des fentes formées par les bandes métalliques constituant les électrodes de ces transistors. Il est
ainsi possible de réduire les dimensions et la complexité de réalisation d'un coupleur.
Ceci permet aussi d'augmenter la largeur de bande de fréquences des circuits intégrés monolithiques ainsi réalisés. Toutefois les performances électriques obtenues, notamment en matière de gain d'insertion, restent limitées. De plus, il n'est pas toujours possible d'intégrer directement un tel coupleur dans un circuit équilibré plus complet et, par exemple, en tant que combineur 180 dans un mélangeur équilibré, car un tel combineur nécessite des accès d'entrée flottants et de sortie
référencés à la masse, ce que ne permet pas le coupleur envisagé.
L'invention propose donc un coupleur hyperfréquence coplanaire, actif et équilibré pour circuit intégré monolithique MMIC, comportant des transistors FET dotés d'électrodes métalliques de grille, de source et de drain intégrées à des éléments métalliques plans coplanaires combinés pour constituer les accès d'entrée
et de sortie du coupleur.
Selon une caractéristique de l'invention, l'ensemble de ces accès est constitué par une association comprenant une ou des lignes à rubans coplanaires
CPS et un ou des guides d'onde coplanaires CPW.
Selon une caractéristique de l'invention, le coupleur comporte une électrode centrale commune flottante obtenue par utilisation de lignes à rubans coplanaires
CPS dans l'ensemble d'accès. --
Selon une caractéristique de l'invention, le coupleur comporte deux accès d'entrée qui sont composés par deux guides d'onde coplanaires agissant chacun sur une moitié des transistors du coupleur sous l'action de signaux excités en opposition de phase et un accès de sortie qui est compose par une ligne à rubans coplanaires CPS connectée à une jonction en T au niveau de laquelle les signaux intermédiaires
provenant des transistors sont recombinés en phase.
Selon une caractéristique de l'invention, le coupleur, de type diviseur,
comporte une entrée flottante obtenue par adjonction d'une transition CPS/CPW.
Selon une caractéristique de l'invention, le coupleur, de type combineur, comporte une entrée flottante obtenue par adjonction d'une ligne à rubans
coplanaires CPS en amont d'une transition CPS/CPW d'entrée du coupleur.
Selon une caractéristique de l'invention, le coupleur comporte un nombre de transistors attaqués par l'intermédiaire d'un accès d'entrée qui est égal à deux ou à un multiple de deux, tous les transistors comportant soit un soit alternativement
deux doigts de grille.
L'invention concerne enfin les circuits intégrés monolithiques comportant un
coupleur ayant au moins l'une des caractéristiques évoquées ci-dessus.
L'invention, ses caractéristiques et ses avantages sont précisés dans la
description qui suit en liaison avec les figures évoquées ci-dessous.
La figure 1 présente un schéma représentatif d'éléments de masque
principaux pour un combineur selon l'invention.
La figure 3 présente un schéma représentatif d'éléments de masque
principaux pour une variante de combineur, selon l'invention.
La figure 4 présente un schéma représentatif d'éléments de masque principaux pour un combineur, selon la figure 3, doté de lignes d'accès de sortie
d'un mélangeur.
Comme indiqué plus haut, I'invention se rapporte à un coupleur hyperfréquence, actif, équilibré et de type coplanaire plus particulièrement prévu pour être incorporé dans un circuit intégré monolithique MMIC. Un exemple connu d'un tel circuit relatif à un combineur LUFET à grille commune est illustré en figure 5a du document cité plus haut. Ce circuit ne sera pas détaillé ici dans la mesure o il ne
fait pas l'objet de l'invention.
Le coupleur actif et équilibré, de type LUFET, selon l'invention, comporte des lignes d'accès du type à rubans coplanaires CPS (Coplanar strips) associées à des guides d'onde coplanaires CPW (Coplanar Waveguides) plus particulièrement dans
le cadre d'un circuit MMIC.
Comme connu, une ligne CPS comporte deux bandes métalliques de largeur W fixée qui sont séparées par une fente de largeur S fixée et elle fonctionne pratiquement selon un mode de propagation exploitant les propriétés des ondes transversales électromagnétiques TEM, contrairement à une ligne à fente classique qui fonctionne selon un mode de propagation exploitant les propriétés des ondes transversales électriques TE. Un compromis est réalisé en ce qui concerne la largeur W qui doit être supérieure pour que les pertes en ligne soient minimales et qui doit par ailleurs être suffisamment faible pour éliminer les risques de phénomènes parasites non TEM et pour limiter au maximum les surfaces au niveau du circuit intégré monolithique MMIC. Ceci est notamment développé dans le document intitulé "CPS structure potentialities for MMICS: a CPS/CPW transition and a bias network" publié en 1998 par D. PRIETO & al, dans les pages 111 à 114 de IEEE
MIT-S Digest.
Parallèlement la largeur Wm des plans de masse CPW peut être réduite à une valeur inférieure à la moitié de la distance entre plans de masse sans que les
caractéristiques de propagation ne soient défavorablement influencées.
Le coupleur actif équilibré 1, schématisé sur la figure 1, est par exemple réalisable sur une surface de 330x240,.m2. Ce coupleur est un combineur de puissance 180 , il comporte des transistors FET. Seules sont représentées les bandes métalliques d'accès aux électrodes de grille G, de drain D et de source S, ces bandes étant ordinairement situées au-dessus des transistors auxquelles elles sont affectées
dans la structure constituant le circuit MMIC.
Le coupleur comporte quatre transistors FET à un doigt de grille 1 ou deux transistors FET à deux doigts de grille 1. Ces transistors sont ici disposés symétriquement par rapport à un axe longitudinal médian XX du masque schématisé. Chaque doigt de grille 2 est positionné entre les électrodes de drain et de source intégrées aux éléments de bande métallique, ici référencés 3, 3' pour les drains et 4, 4' ou 4" pour les sources. La multiplication du nombre de transistors FET
permet d'obtenir un gain de puissance comme illustré sur la figure 2.
Deux accès d'entrée sont prévus au niveau du coupleur 1, chacun constitue un guide d'onde coplanaire CPW de connexion à deux des transistors FET. L'un de ces accès est composé à partir des éléments de source 4 et 4" et d'un élément de grille 5, I'autre est composé à partir des éléments de source 4 et 4' et d'un élément
de grille 5. L'élément de source 4 est commun aux deux guides.
Le combineur que constitue le coupleur 1, reçoit simultanément deux signaux d'entrée excités en opposition de phase par les deux guides d'onde
coplanaires dont les entrées sont référencées "-Sin" et "+Sin" sur la figure 1.
L'isolation entre ces entrées est ici assurée par les parties actives des transistors FET.
Des signaux de sortie intermédiaires sont respectivement obtenus entre les éléments formant électrodes de source et de drain pour les transistors FET. Une ligne à rubans coplanaires de sortie est constituée par les deux bandes métalliques accédant aux électrodes de drain. Les signaux intermédiaires se recombinent en phase au travers d'une jonction CPS en T. La ligne à rubans coplanaires de sortie de cette jonction permet une réduction du caractère dispersif du circuit réalisé. Elle transmet le signal obtenu après recombinaison au niveau de la sortie Sout du combineur et elle est ici référencée à la masse. Une expression schématique du champ électrique entre
bandes est donnée par les flèches placées sur la figure 1.
D'après les évaluations réalisées par simulation, un gain supérieur à + 1 dB en transmission et supérieur à -20 dB en transmission inverse sont obtenus entre un signal d'entrée et le signal de sortie, ainsi qu'une isolation inférieure à -10 dB entre les deux signaux d'entrée dans une gamme de fréquences étendue s'étendant vers les 20 GHz. De même un gain en puissance de l'ordre de +10 dB est obtenu pour une fréquence de 1 1 GHz, lorsque les accès d'entrée sont simultanément excités par
deux signaux en opposition de phase.
Bien que l'agencement décrit en liaison avec la figure 1 soit développé pour un combineur, il doit être compris qu'il est aussi exploitable en tant que diviseur de puissance, après transformation des deux guides d'onde coplanaires CPW d'entrée flottante en une ligne à rubans coplanaires CPS flottante. Un tel diviseur de puissance est montré sur la figure 2 dans le cas o la ligne à rubans coplanaires de
sortie du coupleur est reliée en entrée d'un mélangeur, non représenté.
Un élément de bande métallique supplémentaire 5" est ajouté aux éléments de bande qui prolongent les éléments 5 et 5' en entrée du coupleur pour constituer le second élément à la masse du guide d'onde coplanaire CPW d'entrée dont est alors équipé le coupleur. Les deux éléments 5' et 5" sont alors reliés par un pontà air 6, les deux éléments de source 4', 4" étant également reliés à l'élément de source 4
par des pontà air 6'.
L'application d'un coupleur selon l'invention à un combineur de puissance à positionné en sortie d'un mélangeur équilibré est représentée sur la figure 3. Le coupleur présenté sur la figure 2 est alors complété par un guide d'onde coplanaire CPW de sortie et il est attaqué par le-mélangeur, non représenté, au travers d'une ligne à bandes coplanaires CPS obtenue par prolongement des éléments 5 et 5'. Un élément de bande métallique supplémentaire 3" est ajouté aux éléments 3 et 3" en sortie du coupleur pour constituer le second élément à la masse du guide d'onde coplanaire CPW de sortie dont est alors équipé le coupleur. Les deux éléments 3' et 3" sont alors reliés par un pont à air 6", alors que les deux éléments de source 4', 4" étant également reliés à l'élément de source 4 par des ponts à air 6'. Le combineur de puissance obtenu qui dispose d'un guide d'onde coplanaire CPW de sortie à la
masse est ainsi pourvu de deux entrées différentielles flottantes.
La variante de réalisation présentée sur la figure 4, est relative à un combineur de plus grande puissance qui est obtenu par duplication à partir de celui présenté en figure 2 et qui permet d'améliorer les performances électriques en ce qui
concerne le gain et la linéarité de la caractéristique de puissance.
Le coupleur comporte huit transistors FET à un doigt de grille 1 ou quatre transistors FET à deux doigts de grille 12. Ces transistors sont ici disposés
symétriquement par rapport à l'axe longitudinal médian XX du masque schématisé.
Chaque doigt de grille 12 est positionné entre deux éléments de bande métallique, l'un de drain 13 ou 13' et l'autre de source 14, 14' ou 14". La multiplication du nombre de transistors FET permet d'obtenir un gain de puissance comme déjà indiqué. Deux accès d'entrée sont prévus au niveau du coupleur, chacun constitue un guide d'onde coplanaire CPW de connexion à quatre transistors FET. L'un est composé à partir des éléments de source 14 et 14" et d'un élément de grille 15 et
l'autre à partir des éléments de source 14 et 14' et d'un élément de grille 15'.
L'élément de source 14 est commun aux deux guides.
Deux signaux d'entrée excités en opposition de phase sont transmis par les
deux guides d'onde coplanaires dont les entrées sont référencées "-Sin" et "+Sin".
Chacun des guides d'onde coplanaires CPW formant les accès d'entrée du
coupleur est séparée en deux lignes à bandes coplanaires, internes.
Une jonction CPS/CPW en T est réalisée dans le coupleur au niveau de chaque acccès entre les guides d'onde et les lignes à rubans coplanaires d'accès aux transistors FET pour permettre la transmission à ces transistors du signal reçu via l'accès considéré. Ces transistors sont soit deux des quatre transistors à deux doigts de grille du coupleur soit quatre deshuit transistors à un doigt de grille, suivant
l'option choisie.
Comme précédemment, des signaux de sortie intermédiaires sont respectivement obtenus entre les éléments relatifs aux électrodes de source et de drain des transistors FET. Les signaux intermédiaires respectivement obtenus pour chaque accès sont transmis par l'intermédiaire de guides d'ondes coplanaires CPW et via une transition CPW/CPS par accès. Ces signaux intermédiaires e recombinent en phase au niveau de la jonction CPS en T. Le signal de sortie Sout est obtenu de la
ligne à rubans coplanaires de sortie de la jonction.
Le fonctionnement de ce combineur correspond à celui du combineur décrit en relation avec la figure 1. Deux signaux d'entrée "-Sin", "+Sin" en opposition de phase sont simultanément appliqués chacun au niveau de l'un des deux ensembles grilles. Des valeurs de gain et de puissance de saturation en sortie de respectivement 6,8 dB et 11,5 dBm à 1 1 GHz sont susceptibles d'être obtenues au lieu de 3,5 dB et
5,9 dBm pour le combineur présenté en figure 1.
Claims (9)
1. Coupleur hyperfréquence coplanaire, actif et équilibré pour circuit intégré monolithique MMIC, comportant des transistors FET dotés d'électrodes métalliques de grille, de source et de drain intégrées à des éléments métalliques plans coplanaires (3, 4, 4',4", 5, 5') combinés pour constituer les accès d'entrée et de sortie du coupleur, caractérisé en ce que l'ensemble de ces accès est constitué par une association comprenant une ou des lignes à rubans
coplanaires CPS et un ou des guides d'onde coplanaires CPW.
2. Coupleur, selon la revendication 1, comportant une électrode centrale commune flottante obtenue par utilisation de lignes à rubans coplanaires CPS
dans l'ensemble d'accès.
3. Coupleur, selon l'une des revendications 1, 2, comportant deux accès d'entrée
qui sont composés par deux guides d'onde coplanaires agissant chacun sur une moitié des transistors du coupleur sous l'action de signaux excités en opposition de phase et un accès de sortie qui est compose par une ligne à rubans coplanaires CPS connectée à une jonction en T au niveau de laquelle les
signaux intermédiaires provenant des transistors sont recombinés en phase.
4. Coupleur, selon l'une des revendications 1 à 3, de type diviseur, comportant une
entrée flottante obtenue par adionction d'une transition CPS/CPW.
5. Coupleur, selon la revendication 4, comportant un guide d'onde coplanaire d'entrée placé en amont qui est obtenu par adjonction d'un élément métallique supplémentaire de masse en parallèle aux deux éléments de la ligne à rubans
coplanaires d'entrée dont l'un des éléments est référencé à la masse.
6. Coupleur, selon l'une des revendications 1 à 3, de type combineur, comportant
une entrée flottante obtenue par adionction d'une ligne à rubans coplanaires
CPS en amont d'une transition CPS/CPW d'entrée du coupleur.
7. Coupleur, selon la revendication 6, comportant un guide d'onde coplanaire CPW de sortie qui est obtenu par adjonction d'un élément métallique supplémentaire de masse en parallèle aux deux éléments de la ligne de sortie à rubans coplanaires dont l'un des éléments est référencé à la masse
8. Coupleur, selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le nombre de
transistors attaqués par l'intermédiaire d'un acccès d'entrée est égal à deux ou à un multiple de deux, tous les transistors comportant soit un soit alternativement
deux doigts de grille.
9. Circuit intégré monolithique MMIC, caractérisé en ce qu'il comporte un coupleur
hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 8.
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