Mélangeur

Le mélangeur est un dispositif qui permet de réaliser les transpositions fréquentielles : vers les fréquences élevées en émission et vers les fréquences basses en réception. Le processus de mélange est intrinsèquement représenté par une fonction non-linéaire. Cette opération permet de transférer de l’énergie d’une fréquence d’entrée (f_RF : RadioFré-quence) vers une fréquence de sortie (f_FI : Fréquence Intermédiaire) à l’aide d’un second signal d’entrée, appelé oscillateur local (f_OL: Oscillateur Local), [cf. fig. III.9].

f_RF

f_OL

f_FI

F. III.9. Fréquences du Mélangeur

Dans les paragraphes précédents, nous avons souvent parlé de produits tion comme un phénomène indésirable. Pour les mélangeurs, les produits d’intermodula-tion sont à la base de leur principe de foncd’intermodula-tionnement. En pratique, le mélange de deux fré-quences d’entrée sinusoïdales f_RFet fOL, génère en sortie les fréquences f_FI = |^{l f}RF+m f_OL|

des produits d’intermodulation correspondants.

Parmi l’ensemble de ces raies spectrales, celles qui correspondent aux produits d’inter-modulation d’ordre élevé sont suffisamment faibles en amplitude et donc négligeables. En revanche, parmi les fréquences restantes, quelques-unes ont un intérêt particulier tandis que les autres apparaissent plutôt comme des fréquences indésirables (en anglais « spu-rious frequencies »).

– Transposition haute (fréquence) : le signal utile sera produit par la combinaison {l= 1 etm=1} et f_FI = f_RF + f_OL

– Transposition basse (fréquence) : le signal utile sera produit par la combinaison {l = 1 et m = −^{1} et f}FI = f_RF − ^fOL si f_OL < f_RF ou par la combinaison {l=−^{1 etm}=1} et f_FI = f_OL− ^fRFsi f_OL> f_RF

Dans le cas général, le signal RF à l’entrée du mélangeur n’est pas une sinusoïde pure. En faisant l’hypothèse du régime établi, on peut décomposer le spectre en une somme dis-crètes de sinusoïdes pures à l’aide de la théorie des séries de Fourier. Sous l’hypothèse de linéarité de la fonction de transfert (analyse en petit signal), le signal de sortie s’obtient par superposition de la réponse du mélangeur à chacune des raies élémentaires d’excita-tion. Ces raies spectrales à l’entrée du mélangeur s’appellent également les "tons". Une excitation à deux tons correspond ainsi à deux sinusoïdes pures à l’entrée RF. Dans ce cas, nous retrouvons à la sortie du composant un signal dont la fréquence intermédiaire

f_FI s’écrit comme suit :

f_FI =|l₁f_RF1+l₂f_RF2+m f_OL| ^(III.35)

Enfin, l’ordrendes produits d’intermodulation est défini commen=|^l1|+|^l2|^. III.3.3.2 Caractéristiques Électriques

Gain de conversion

De façon générale, le gain en puissance d’un dispositif est donné par le rapport de la puissance de sortie à la puissance d’entrée. Pour un mélangeur, le signal d’entrée n’a pas le même support fréquentiel du signal de sortie : on parle alors de conversion. Le gain de conversion représente donc le rapport entre la puissance du signal FI de sortie et la puissance du signal RF d’entrée :

G_c[dB]= 10 log ^PFI

P_RF !

(III.36) Le gain de conversion peut être négatif (cas des mélangeurs à diodes) ou positif (cas des mélangeurs à transistors).

Isolation

L’isolation caractérise la fuite de signal présent à l’un des accès du mélangeur vers les autres. Ce paramètre est défini comme le rapport entre la puissance mesurée sur l’accèsy lorsqu’on excite l’accèsx, Px(y) et la puissance mesurée sur l’accès xlorsqu’on excite ce même accès,P_x(x).

Ix(y) [dB]=10 log ^Px(y)

Px(x)

!

En pratique les isolationsIOL(RF) entre oscillateur local et entrée RF etIOL(FI) entre oscillateur local et sortie FI, doivent être prépondérantes. Une telle isolation est néces-saire car l’oscillateur local délivre un signal à forte puissance, dit signal de pompe, utilisé pour faire varier dynamiquement les caractéristiques électriques de l’élément non-linéaire (diode ou transistor) employé dans le mélangeur. Autrement, ce signal de pompe peut per-turber les signaux RF et FI.

Compression

Comme tout dispositif contenant des composants actifs, le mélangeur possède une courbe de puissance P_out = f[Pin] qui présente une zone de compression. Celle-ci est caractérisée par le point de compression à 1 dB, défini comme étant la puissance d’entrée RF pour laquelle le gain de conversion est réduit de 1 dB [§ III.2.3].

Point d’interception d’ordre 3

Parmi les produits d’intermodulation générés à la sortie du mélangeur, ceux dont l’ordre est impair représentent la principale source de perturbation car ils se situent en proximité et même dans la bande du signal utile. Dans ce cas tout type de filtrage ne suffit pas pour éliminer ces signaux parasites. Les produits d’intermodulation d’ordre 3 sont les plus significatifs car les amplitudes d’ordre impair supérieur deviennent de plus en plus petites et, donc, négligeables.

Le point d’interception d’ordre 3 (IP3) est le point où l’amplitude du produit d’in-termodulation d’ordre 3 est égale à l’amplitude du signal utile lorsque l’amplitude des signaux d’entrée interférents est la même [§ III.2.5].

Dynamique

La dynamique d’un dispositif électronique se définit comme la plage de puissance pour laquelle le fonctionnement est satisfaisant. Pour les bas niveaux, la limite inférieure est donnée par le plancher de bruit. Pour les forts niveaux, la compression représente la limite supérieure. La dynamique d’un mélangeur sera donc d’autant plus grande que son

IP3 et son point de compression à 1 dB, seront importants.

Fréquence image

Dans le paragraphe précédent, nous avons introduit le concept de transposition haute et de transposition basse pour lesquelles les fréquences intermédiaires s’écrivent

f_FI = f_RF+f_OLet f_FI = f_RF−^fOLrespectivement. Dans la suite, nous appellerons f+

FI la fré-quence intermédiaire sortant d’une transposition haute et f−

FIcelle due à une transposition basse.

Il existe une fréquence appelée fréquence image f_IM à l’entrée du mélangeur qui lors du mélange avec l’oscillateur local f_OL peut donner en sortie un signal à la fréquence

f_FI(IM). Alors, si le mélangeur réalise une transposition basse, la fréquence

f_FI(IM) = f−

FI(IM) est la même que la fréquence du signal nominal (f−

FI) tandis que

f_FI(IM)= f+

FI(IM) en transposition haute et elle se situe à côté de la fréquence nominale [cf. éq. (III.38)].

f−

FI(IM)= f_IM − f_OL f+

FI(IM)= f_IM + f_OL (III.38) Les fréquences liées à la fréquence image sont en flèche pointillée [cf. fig. III.10]. La fréquence image est extrêmement gênante en réception puisque selon le choix de fOL, ce signal image peut tomber dans la bande de réception avec notamment une puissance supérieure au signal nominal.

Entrée f_RF f_IM f_OL Entrée Sortie f+ FI f -FI f (IM) -FI f (IM)+ FI f = f - f -FI RF OL f (IM) = f - f -FI IM OL f_RF f_OL f_IM f (IM) = f + f + FI IM OL f = f + f+ FI RF OL Entrée Sortie Sortie

F. III.10. Fréquence Image dans un Mélangeur

L’élimination de cette fréquence parasite peut se réaliser soit à l’aide de filtrage, soit en utilisant des structures particulières de mélangeurs (à réjection de fréquence image) lorsqu’un simple filtrage ne suffit pas.

III.3.4 Amplificateur de Puissance