Fonctionnement d’un détecteur de phase

Les fabricants de mélangeurs proposent des produits spécifiques pour les applications où la mesure de phase doit être effectuée précisément. Le mélangeur équilibré peut jouer le rôle de comparateur de phase, dont les applications sont évidentes. Le fonctionnement jusqu’aux fréquences microondes représente l’atout majeur du mélangeur équilibré, vis-à-vis des compa- rateurs de phases numériques.

Le concept de base du fonctionnement d’un détecteur de phase repose sur le mélange de deux signaux de même fréquence, avec des amplitudes constantes dans le temps. Le signal DC en sortie du mélangeur est alors proportionnel à la différence de phase entre les deux signaux appliqués aux entrées du mélangeur.

La figure 3.62 montre la variation du signal DC en sortie du mélangeur utilisé en détecteur de phase. Cette courbe fait apparaître clairement la variation en cosinus du signal de sortie en fonction de la différence de phase (∆ϕ) appliquée sur les entrées OL et RF, avec une tension négative maximale pour un ∆ϕ = 0 et une tension positive maximale pour ∆ϕ = π. Il est

important de noter que les niveaux maximums de cette réponse peuvent être inversés en fonction de la structure du mélangeur (passif à diodes ou actif). Il est ainsi possible de trouver une réponse en cosinus ou en sinus, qui implique dans ce cas que le niveau maximum est à ∆ϕ = π

et non plus à 0. Cette réponse en sortie peut se décomposer en deux régions, linéaire et non- linéaire. La région linéaire peut se décrire de la manière suivante :

∆ϕ =

π

2 + δϕ (3.10)

C’est dans cette région que la réponse pseudo linéaire de la sensibilité du détecteur de phase ∆ϕ (qui correspond à dVIF/d∆ϕ) est maximum. Comme montré sur la figure 3.62, la réponse

varie énormément avec une différence de phase de 0 à π. On peut alors décrire le comportement de la sortie comme étant équivalent à :

VIF = V sin ∆ϕ (3.11)

où V représente la tension maximale mesurée pour un déphasage de 0 ou de π. Les équations et la courbe de la figure 3.62 montrent que le déphasage optimal entre les signaux d’entrée doit être de π/2 ou −π/2.

Cette approche théorique ne présente que le fonctionnement d’un mélangeur parfait utilisé en détecteur de phase. Cependant, il existe beaucoup de caractéristiques non-linéaires qui peuvent venir perturber le fonctionnement du détecteur de phase. Les phénomènes qui présentent le plus d’intérêt pour notre étude sont par exemple l’introduction d’un offset DC et/ou d’un déphasage introduit par le mélangeur lui-même. C’est pourquoi il est très important lors de la conception de notre détecteur de phase d’étudier de quelles façons les caractéristiques du mélangeur peuvent venir affecter ses performances.

Détermination du coefficient de détection Kϕ

L’élément caractérisant les performances de détection de phase d’un mélangeur est la constante de démodulation du comparateur de phase notée Kϕ. Afin de déterminer sa valeur, on utilise

une méthode de mesure quasi statique de l’amplitude crête du signal continu. Cette méthode consiste à injecter sur les voies OL et RF des signaux de même fréquence, avec éventuellement des niveaux de puissance différents (en fonction du type de mélangeur sous test). Ensuite, on fait varier la phase sur l’une des deux voies, par exemple sur la voie OL, et on vient observer le comportement du niveau DC obtenu sur la voie IF. Le niveau DC en sortie du mélangeur a un comportement proportionnel à la différence de phase appliquée aux entrées du mélangeur. Le coefficient de détection de phase est alors défini comme la valeur de la pente à 0.

Il existe une autre méthode pour définir ce coefficient, la méthode de mesure du battement. Cette technique consiste à créer un battement fréquentiel grâce à l’utilisation de deux synthé- tiseurs distincts. Le coefficient Kϕ est alors défini comme étant la pente en valeur absolue du

signal en sortie du mélangeur divisé par la pulsation de battement ω. Le signal est cette fois relevé en mode temporel (oscilloscope) sur l’analyseur de spectre.

La première méthode présente l’avantage de fournir une lecture directe en mV/rad. Il est possible de la réaliser avec une seule source RF (synthétiseur de fréquence) ou avec deux sources synchronisées. La solution à une seule source implique l’utilisation d’un déphaseur afin de contrôler la différence de phase appliquée entre les deux entrées du mélangeur. Dans la plupart des cas, ce déphasage est réalisé par un déphaseur passif à base de ligne à retard. L’utilisation de cette méthode peut présenter un inconvénient en gamme RF. En effet, il est possible que la ligne à retard ne soit pas suffisamment longue pour faire tourner la phase sur un tour complet (360°). La mesure devient donc dépendante de la longueur des câbles utilisés sur le banc de

3.5. CONCEPTION DU MÉLANGEUR UTILISÉ COMME DÉTECTEUR DE PHASE 129 mesure, et peut ne pas détecter les extremums de la valeur DC. D’autre part, l’évaluation de Kϕ

à partir des extrémas DC n’est valable que si le mélangeur fonctionne de façon quasi-linéaire, c’est à dire si la puissance RF reste largement inférieure à la puissance OL. Ce n’est pas toujours le cas lorsque le mélangeur est utilisé en détecteur de phase. À forte puissance, il faut travailler autour du zéro DC (la quadrature, en introduisant une petite perturbation de phase calibrée, comme une longueur de ligne connue par exemple, qui complique largement cette technique.

La seconde solution, qui consiste à utiliser deux sources de fréquences synchronisées entre elles, est plus lourde à mettre en oeuvre, mais nous permet de mesurer avec précision le comportement du signal DC en fonction du déphase appliqué sur l’entrée OL du mélangeur.